автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Повышение надежности трубопроводных коммуникаций технологических установок

Введение

1. Трубопроводные системы технологических установок

1.1. Роль и место трубопроводного транспорта на нефтепере- 7 рабатывающих и нефтехимических заводах

1.2. Техническое состояние внутризаводских коммуникаций и 18 экологические последствия аварий

1.3. Методы расчета на прочность и долговечность трубопро- 25 водов как оболочковых и рамных конструкций

Выводы

2. Классификация трубопроводов по показателям надежности

2.1. Методика сбора и обработки информации для определе- 41 ния показателей надежности

2.2. Основные понятия и показатели надежности

2.3. Анализ и классификация трубопроводных систем по по- 51 казателям надежности

Выводы

3. Влияние характера деформирования аппаратов на техноло- 56 гические трубопроводы (на примере установки замедленного коксования)

3.1. Технология получения нефтяного кокса в реакторах за- 56 медленного коксования

3.2. Анализ деформирования шлемовых трубопроводов

3.3. Оценка долговечности трубопроводов, работающих в ре- 74 жиме циклических нагрузок

Выводы

4. Расчет трубопроводов как пространственных конструкций с 86 учетом энергии упругой деформации

4.1. Анализ напряженно-деформированного и дефектного со- 86 стояния пространственных трубопроводных систем

4.2. Учет энергии упругой деформации

4.3. Разработка методики расчета трубопроводов с учетом 94 энергии упругой деформации реализуемой в условиях нестационарности

Выводы

Транспортировка углеводородного сырья на различные технологические установки нефтеперерабатывающих предприятий осуществляется, как правило, трубопроводным транспортом. Насыщенность предприятий трубопроводами различна и зависит от характера самого предприятия.

Внутризаводские трубопроводы работают при различных температурах перекачиваемой среды - от отрицательных (холодный аммиак) до +900°С (печи пиролиза). Специфические условия работы режимов эксплуатации трубопроводных коммуникаций, неопределенность напряженного состояния, вызванная сложной схемой воздействия силовых факторов и разнообразием нагрузок, а также неоднотипность конструкций отличает их от других сооружений.

Современное состояние трубопроводных коммуникаций характеризуется как крайне сложное. Физический износ трубопроводов на предприятиях АО «Башнефтехим» приближается к 90%. Уровень технической оснащенности отечественных технологических трубопроводов значительно ниже достигнутого в мировой практике. Не отвечает современным требованиям качество применяемых материалов, металла, а также оснащенность средствами автоматизации.

Эксплуатация такого трубопроводного транспорта создает угрозу функционирования предприятий, повышает риск возникновения аварий. Недостаток оборотных средств на предприятиях не позволяет обновлять существующие коммуникации. В связи с изменением структуры потребления сырья на предприятиях компании «Башнефтехим» учащаются пуски-остановы технологических установок. На фоне этих проблем появляются дефекты, причины образования которых не находят объяснения. К таким дефектам относятся трещины и износ, возникающие в одних и тех же местах. Существует предположение, что дефекты такого рода возникали и ранее, когда установки были загружены на полную мощность и работали в стационарном режиме. Так как износ оборудования и коммуникаций был далек до критического* дефекты без видимых причин возникновения не привлекали к себе пристального внимания. В настоящее время, образующиеся на трубопроводе трещины, пластическая деформация, коррозия, обусловленные нестационарной работой оборудования, неопределенностью напряженного состояния, вызванного сложной схемой воздействия силовых факторов и разнообразием нагрузок, требуют тщательного исследования и изучения, поскольку трубопроводные коммуникации являются транспортерами взрыво- и пожароопасных веществ.

Учитывая сложную ситуацию на производстве, необходим такой подход, который позволил бы обеспечить работоспособность и безопасность имеющихся на сегодняшний день внутризаводских коммуникаций. Выше изложенное обусловило выбор темы диссертационной работы.

Цель работы:

На основании исследования режимов эксплуатации коммуникаций разработать методику повышения эксплуатационной надежности трубопроводов.

Задачи исследований:

1. Определить характер поведения технологических трубопроводов с учетом нестационарной работы технологического оборудования.

2. Провести анализ влияния гидродинамических условий потоков на выход из строя сопряженных трубопроводных коммуникаций в реальных условиях эксплуатации.

3. Разработать методику исследования трубопроводных коммуникаций с учетом влияния распределения энергии упругой деформации на прирост трещин. 6

4. Разработать рекомендации для практической реализации результатов исследований.

Научная новизна:

1. Впервые установлена взаимосвязь гидродинамической нестационарности работы реакторов с механизмом деформации трубопроводных коммуникаций и объяснена природа возникновения дефектов.

2. Для трубопроводных коммуникаций показано, что проектирование трубопроводов без учета распределения энергии упругой деформации может привести к реализации этой энергии при пусках и остановах в виде прироста трещины.

Разработанная автором методика принята для внедрения на АО «Уфаоргсинтез».

По теме диссертации опубликовано 5 работ (общим объемом 5,75 печатных листов). Основные положения доложены на международных научно-технических конференциях (г. Уфа).

Диссертация состоит из введения, 4 разделов, выводов, списка использованной литературы, приложений. Общий объем работы: 132 страницы, 16 таблиц, 22 рисунка.

Общие выводы

1. Исследования показали, что при эксплуатации технологических установок нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий могут иметь место, как минимум, два нестационарных изменения напряженного состояния трубопроводных коммуникаций за счет:

-неучтенного при проектировании пространственного движения сопряженных аппаратов;

-высоких уровней накопленной энергии упругой деформации, реализуемой при пусках-остановах вследствие нестабильности загрузки сырьем или ремонтах.

2. Обнаружено, что при эксплуатации реакционный аппарат УЗК за счет случайного характера движения высокотемпературной струи сырья, испытывает сложное пространственное движение не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости, что не позволяет использовать стандартный проектировочный расчет и для сопряженных с аппаратами трубопроводов. Причем за цикл коксования таких отклонений может быть до 100 тыс.

3. Предложена классификация трубопроводов по наработке до отказа, позволяющая определить трубопроводы, требующие к себе пристального внимания.

4. При анализе работы трубопроводов выявлены случаи периодического возникновения дефектов, которые невозможно объяснить с помощью расчетных схем принятых при проектировании. Для объяснения выдвинута гипотеза об участии энергии упругой деформации трубопровода как пространственной структуры, развития дефектов в результате высвобождения ее при остановах. При этом получено расчетное уравнение, позволяющее прогнозировать рост трещины.

5. На основе исследований напряженно-деформированного и дефектного состояния пространственных трубопроводных систем разработана ме

107 тодика расчета долговечности трубопроводов с учетом энергии упругой деформации, реализуемой в условиях нестационарной работы технологического оборудования.

6. Для исследованных в работе трубопроводов разработаны рекомендации по повышению эксплуатационной надежности, которые использованы при ремонтно-восстановительных работах на зоне №4 АО «Башнефтехим».

1. Харитонов В.А. Оценка надежности и экономического риска в трубопроводных системах. // Газовая промышленность, 1997, № 2, - с. 13-16.

2. Лещенко A.C. О диагностике, расчете и прогнозировании прочности труб и сварных конструкций. // Нефтяное хозяйство, 1994, № 8, - с. 50 - 52.

3. Алан К. Коатес, Васильев Г.Г., Кленин В.И. Современные технологии для мониторинга и восстановления трубопроводов. // Нефтяное хозяйство, 1994, №4,-с. 65 -68.

4. Добрынин С.Л., Гриценко И.Ф., Генералов A.B., Меняйло В.И., Аль-дебенев В.Н. Диагностика: Система диагностики промысловых трубопроводов. // Нефтяное хозяйство, 1993, № 6, - с. 44 - 46.

5. Оценка сопротивляемости сварного нефтегазового оборудования коррозионно-механическому разрушению. Стеклов О.И., Зорин Е.Е., Бодри-хин Е.Е., Воробьева P.A. // М.: ВНИИОЭНГ. Сер. «Борьба с коррозией и защита окружающей среды», 1989, - 50 с.

6. Воробьева P.A., Кротова М.В., Баклаженко В.Д., Вахрушева Л.П. Оценка диагностики магистральных нефтегазопроводов. // Газовая промышленность, 1995,-№ 10, - с. 6 - 8.

7. Черняев К.В. Роль и задачи диагностики нефтепроводов России. // Газовая промышленность,. -.1995, № 8, с. 41 - 43.

8. Фролов Д. Российские трубные заводы пострадали больше других. // Рынок нефтегазового оборудования, 1997, № 1, - с. 34 - 37.

9. Уильям Ф. Маршал, Разработка плана эффективного ремонта трубопроводов. // Нефтегазовые технологии, 1997, № 2, - с. 29 - 33.

10. Дуэйн С. Трейси. Влияние отслоения изоляции трубопровода на катодную защиту. // Нефтяные технологии, 1997, № 3, - с. 41 - 45.

11. Нащубский В.А., Чепурский В.Н., Черняев К.В. Автоматизированная экспертно техническая система диагностики магистральных трубопроводов. // Трубопроводный транспорт нефти, 1994, - № 11, - с. 5 - 10.

12. Бусыгин Г.Н., Захаров М.Н., Лукьянов В.А., Пудяков B.JI. Оценка работоспособности участков нефтепродуктопроводов с дефектами труб. // Транспорт и хранение нефтепродуктов, 1997, № 7, - с. 14 - 18.

13. Дунчевская С.В. Гидроакустическое обследование подводных переходов трубопроводов. // Газовая промышленность, 1994, № 3, - с. 13 - 14.

14. Степаненко А.И. Современные методы диагностики трубопроводов и оборудования. // Газовая промышленность, 1996, № 3 - 4, - с. 57 - 58.

15. Слуцков С. Надежность трубопроводов задача общая. // Рынок нефтегазового оборудования, - 1997, - № 1, - с. 38 - 39.

16. Елисеев A.A. ОРКО современное решение проблем тампонирования трубопроводов. // Рынок нефтегазового оборудования, - 1997, - № 5, - с. 63.

17. Томас Г.Х., Шпингарн Дж.Р. Ультразвуковое определение прочности диффузионной связи. Обзор достижений в области НК. Тр. 10-й ежегодной конференции. Пер. ВЦП № М-33040. Лондон, Нью-Йорк, Санта Крус, -1984,-Т.ЗВ,-с. 1243 - 1250.

18. Даниэль И.М., Шрамм С.В., Либер Т. Контролирование усталостных повреждений в композиционных материалах методом ультразвукового отображения. Материалы Evalution. Пер. ВПЦ № М 20898. - 1981, - Т. 39, -№ 8, - с. 834-839.

19. Казакевич М.И., Любин А.Е. Проектирование металлических конструкций надземных промышленных трубопроводов. Киев: Буд1вельник, -1980,- 144 с.

20. Батенчук А.Н. Изготовление и монтаж технологических трубопроводов. Москва: Стройиздат, - 1971, - 304 с.

21. Греб A.B., Шаталина М.А., Закиров O.A. Надежность внутризаводских трубопроводов // Материалы XXXXVIII-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Уфа: Изд-во УГНТУ, 1997.

22. Хохлов Н.Ф., Киселев A.B. Исследование прочности труб разной технологии производства при воздействии повторных нагрузок внутреннего давления. М: ВНИИОЭНГ. Сер. «Транспорт и хранение нефти», Вып. 4, -1988.

23. Волский М.И., Галюк В.Х., Хохлов Н.Ф. и др. Вопросы прочности магистральных нефтепроводов. М.: ВНГШОЭНГ. Сер. «Транспорт и хранение нефти нефтепродуктов»; Вып. 10, - 1984, - 68 с.

24. Фокин М.Ф. Прогнозирование аварийности магистральных нефтепроводов. М.: ВНИИОЭНГ. Сер. «Транспорт и хранение нефти нефтепродуктов»; Вып. 3, 1983, - С. 3 - 4.

25. Гумеров А.Г. и др. Влияние дефектов на малоцикловую усталость металла труб нефтепроводов. М.: ВНИИОЭНГ. Сер. «Транспорт и хранение нефти нефтепродуктов»; Вып. 3, 1983, - 59 с.

26. Чеботарев А.Г., Быкова Т.Л. Надежность работы трубопроводов при воздействиях динамических нагрузок. / Материалы XXXXVII-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Том 1. -Уфа.: УГНТУ, 1996, - 176 с.

27. Чеботарев А.Г., Быкова T.JI. Повышение надежности линейной части трубопроводов. / Материалы XXXXVII-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Том 1. Уфа.: УГНТУ, - 1996, -с. 77-78.

28. Шаталина М.А., Лысюк Л.В., Закиров O.A. База данных по трубопроводным системам. / Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность: Материалы II-й Всероссийской научно-технической конференции. Уфа.: УГНТУ, - 1996, - с. 126.

29. Байков И.Р. Диагностирование и регулирование гидродинамических характеристик нефтегазопроводов / Диссертация доктора технических наук: 05.15.13. Уфа: УГНТУ, - 1995, - 378 с.

30. Гарипов A.M. Повышение эффективности и надежности эксплуатации разветвленных нефтепродуктопроводов. / Автореферат диссертации кандидата технических наук: 05.15.13. Уфа.: УНИ, - 1990, - 24 с.

31. Бард В.Л., Кузин A.B. Предупреждение аварий в нефтеперерабатывающих и нефтехимических производствах. М.: Химия, - 1984, - 248 е., ил.

32. Иванцов О.М. Надежность и безопасность магистральных трубопроводов России. // Трубопроводный транспорт нефти, 1997, №10, с. 26-31.

33. Джексон JT. Новые технологии и будущее диагностики трубопроводов. // Трубопроводный транспорт нефти, 1997, №10, с. 32-38.

34. Дик Н. Измерение степени коррозии трубопроводов и других сооружений в удаленных и труднодоступных зонах. // Трубопроводный транспорт нефти, 1997, №11, с. 43-44.

35. Абдуллин И.Г. Дисс. на соиск. уч. степени д.т.н. Уфа: УНИ.

36. Розенштейн И.М. Аварии и надежность стальных резервуаров. М.: Недра, 1995. 253 с.

37. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Данилов В.И. и др. Структурные уровни пластической деформации разрушения. Новосибирск: Наука, 1990. - 258 с.

38. Иванова B.C., Кузеев И.Р., Закирничная М.М. Синергетика и фракталы. Универсальность механического поведения материалов. Уфа: Изд-во УГНТУ, 1998.-363 с.

39. Ромейко В. Концепция проекта федерального закона «О трубопроводном транспорте». Обоснование необходимости разработки проекта Закона. / Трубопроводы и экология, №4, - 1998.- с. 4-5.

40. Прогрессивные методы испытаний на надежность трубопроводных материалов и конструкций. // Строительство магистральных трубопроводов. М.: ИИЦ ВНИИПК техоргнефтегазстроя. - 1990. - Вып. №2, - с. 3-4, 15, 17.

41. Зверьков Б.В., Костовецкий Д.Л., Кац Ш.Н. и др. Расчет и конструирование трубопроводов: Справочное пособие. Л.: Машиностроение. -1979.-246 с, ил.

42. Рудомино Б.В., Ремжин Ю.Н. Проектирование трубопроводов тепловых электростанций. Л.: «Энергия», 1970.

43. Тепловые и атомные электрические станции: Справочник / Под редакцией В.А. Григорьева. М.: Энергоатомиздат, - 1989, - 608 с.

44. Походенко H.T. Брондз Б.И. Получение и обработка нефтяного кокса. М.: Химия, 1986. - 312 с.

45. Бакиев A.B., Кузеев И.Р., Мухин В.Н., Самохин Ю.Н. Оценка остаточного ресурса деформированных биметаллических реакторов коксования: Учебное пособие. Уфа: УНИ, 1990. - 116 с.

46. Гимаев Р.Н., Кузеев И.Р., Абызгильдин Ю.М. Нефтяной кокс: Учебное пособие для рабочего образования. М.: Химия, 1992. - 80 с.

47. Колпаков Л.Г. Насосы нефтеперекачивающих станций (кавитация, режимы работы, регулирование). Уфа: УНИ, - 1982. - 89 с.

48. Колпаков Л.Г. Насосы нефтеперекачивающих станций (уплотнения, техническая эксплуатация). Уфа: УНИ, 1983. - 108 с.

49. Gaube Е. Schwingungserscheinungen in Chemieanlagen. Chem. - Ing. - Tech. - 1984. V.56. №5. S.343-350.

50. Ваганов А.И., Гайдабура И.П., Голубов С.П. Виброакустическая диагностика химико-технологических и теплотехнических объектов. М.: НИИТЭХИМ, - №5, 1990. (Обзор, информ. Сер. «Актуальные вопросы химической науки и технологии и охраны окружающей среды»)

51. Титов В.А. Монтаж оборудования насосных и компрессорных станций. М.: Недра, - 1979, 152 с.

52. Капов Ю.В., Дворянцева Л.А. Защита от шума и вибрации на предприятиях химической промышленности. М.: Химия, 1991, - 120 с.

53. Мякшин В.Н. Борьба с шумом и вибрацией на предприятиях пищевой промышленности. Киев: Техника, 1985. 142 с.

54. Тарасов В.П. Безопасная эксплуатация насосов и компрессоров в химической и нефтеперерабатывающей промышленности. М.: Химия, 1985 -64 с.

55. Варсанофьев В.Д., Кольман-Иванов Э.Э. Вибрационная техника в химической промышленности. М.: Химия, 1985, 240 с.

56. Эксплуатация и ремонт технологических трубопроводов под давлением до 10,0 МПа /Нормат произвол, изд. М.: Химия, - 1988, - 288 с.

57. Указания по расчету на прочность и вибрацию технологических стальных трубопроводов РТМ 38.001-94 М., ВНИПИНЕФТЬ, 1994 г.

58. Зайнуллин P.C. Обеспечение работоспособности оборудования в условиях механохимической повреждаемости, Уфа:МИБ СТС, 1997

59. Магалиф В.Я. Расчет пространственных трубопроводов на прочность с применением вычислительных машин. Серия «Опыт проектирования нефтеперерабатывающих и нефтехимических преприятий, М.: ЦНИИТЭНеф-техим,», 1967

60. Магалиф В.Я., Якобсон JI.C. Расчеты трубопроводов на вычислительных машинах. М. Энергия, 1969.

61. Магалиф В.Я. Программа расчета трубопроводов на вычислительных машинах. Методы и техника современного проектирования, 1970, N6.

62. Магалиф В.Я., Шапиро Е.Е. Компенсирующая способность трубопровода с учетом сил трения на скользящих опорах. М. "Строительство трубопроводов", 1975, N1.

63. Котлы стационарные и трубопроводы пара и горячей воды. ОСТ 108.031.08-85 ОСТ 108.031.10-85. Нормы расчета на прочность.

64. Расчет трубопроводов энергетических установок на прочность. РТМ 24.038.08-72. Изменение N1 к РТМ 24.038.08-72.

65. СНИП 2.05.06-85, Магистральные трубопроводы. ЦИТП ГОССТРОЯ СССР, 1985.

66. Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов для горючих, токсичных и сжиженных газов (ПУГ/69) М., 1969.

67. Выбор упругих опор для трубопроводов тепловых и атомных электростанций. РТМ 24.038.12-72, Министерство тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения. 1973.

68. ОСТ 108.764.01-80. Пружины винтовые цилиндрические для подвесок трубопроводов ТЭС и АЭС. Конструкция, размеры и технические требования. НПО ЦКТИ. 1981.

69. Программа расчета прочности и жесткости трубопроводов (СТАРТ) М, ЦНИИПРОЕКТ, 1986, (Межотраслевой фонд алгоритмов и программ автоматизированных систем в строительстве; выпуск 1-225-1).

70. Аварии на трубопроводном транспорте: По материалам МЧС России / Трубопроводы и экология № 4 1998 с. 27

71. Сиратори М., Миеси Т., Мацусита X. Вычислительная механика разрушения: Пер. с японск. -М.: Мир, 1986. 334 е., ил.

72. Партон В.З. Механика разрушения: От теории к практике. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. - 240 с.

73. Проников A.C. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978.592 с.

74. Морозов Техническая механика разрушения

75. Сырицин Т.А. Надежность гидро- и пневмопривода. М.: Машиностроение, 1981.-216 с.

76. Технологические трубопроводы промышленных предприятий. / Та-вастшерна Р.И., Бесман А.И. и др. М.: Стройиздат, 1991. - 655 с.

77. Проблемы эффективности на трубопроводном транспорте. Под ред. Игудина P.B. М: Междунар. инж. академ., 1993. - 143 с.

78. Сигаева М.Г., Шумилов Г.А., Князькин И.И. Автоматизация процесса замедленного коксования. // Автоматизация и контрольно-измерительные приборы в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: ЦНИИТЭнефтехим, - 1989, - №1, - 76 с.

79. Кузеев И.Р. Дисс. на соиск. уч. степени д.т.н. Уфа: УНИ, 1987.

80. Капур К. Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. М.: Мир, 1980.-604 п.

81. Сигаева М.Г., Шумилов Г.А., Князькин И.И. и др. Исследования отклонения реактора замедленного коксования от вертикальной оси. // Нефтепереработка и нефтехимия: НТИС. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1986. - № 10, - с. 27-30.

82. Методические указания. Расчеты прочности элементов конструкций при малоцикловом нагружении.- М., 1987.- 44 с.

83. Сигаева М.Г., Шумилов Г.А., Князькин И.И. и др. Исследования отклонения реактора замедленного коксования от вертикальной оси. // Нефтепереработка и нефтехимия: НТИС. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1986. - № 10, - с. 27-30.

84. Методические указания. Расчеты прочности элементов конструкций при малоцикловом нагружении.- М., 1987.- 44 с.

85. ГОСТ 27751-88. Надежность строительных конструкций и оснований. 1989.

86. ГОСТ 17526-72. Оценка надежности изделий. Первичная форма учета наработок, повреждений и отказов изделий. 1973.

87. ГОСТ 19490-74. Виды отказов изделий. Перечень оценок показателей надежности. Формы учета и методы оценки эксплуатационной информации о надежности изделий. 1974.117

88. ГОСТ 20857-75. Порядок сбора и учета инфорхмации о надежности изделий. 1975.

89. ГОСТ 17509-72. Способы статистической обработки информации о надежности изделий. 1972.118