автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка технологии складирования обечаек и трубных заготовок по критериям безопасности

На правах рукописи

ИСМАГИЛОВ МАВЛЮТ АХМАДУЛЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СКЛАДИРОВАНИЯ ОБЕЧАЕК И ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК ПО КРИТЕРИЯМ БЕЗОПАСНОСТИ

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовая отрасль)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2005

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУЛ «ИГТГЭР»)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Зайнуллин Рашнт Снбагатович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Халимов Андались Гарифович

- кандидат технических наук

Сулейманов Мухамед Камнлович

Ведущее предприятие - ООО «Современная технология для газа

и нефти», г. Москва

Защита диссертации состоится « 9 » июня 2005 г. в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУЛ «ИПТЭР»

Автореферат разослан « 6 » мая 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

с_

Л.П. Худякова

Щ-Ч

¿ЗЬ С ¿. Ь(о

3

у^ ^ д ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Обеспечение промышленной безопасности объектов топливно-энергетического комплекса предусматривается уже на стадиях их проектирования и должно быть обязательным на всех стадиях жизненного цикла нефтегазового оборудования и трубопроводов - от проектирования до замены или ликвидации. При этом наиболее важным направлением является разработка мероприятий по устранению различных дефектов конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов, возникающих при производстве, хранении и эксплуатации. Не менее важным направлением является оценка остаточного ресурса конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов с дефектами и без них.

В процессе складирования обечаек и трубных заготовок нередко возникают дефекты типа «овальность». Обеспечение безопасной эксплуатации нефтегазового оборудования, имеющего элементы, требующие исправления формы, усложняется необходимостью выполнения различных операций правки обечаек и трубных заготовок, а в последующем - корректного определения их остаточного ресурса.

В связи с этим возникают соответствующие проблемы создания оптимальной (исключающей появление дефектов) технологии складирования и хранения обечаек и трубных заготовок, обеспечивающей безопасность эксплуатации нефтегазового оборудования (сосудов и трубопроводов).

Цель работы. Разработка технологии складирования обечаек и трубных заготовок, обеспечивающей безопасность при их эксплуатации.

Задачи исследования:

• классификация дефектов, анализ причин возникновения дефектов и видов деформационных воздействий, создающих дес} етгт»-при складировании и хранении;

• определение технологических параметров складирования обечаят' и трубных заготовок;

• оценка взаимосвязи характеристик формоизменения при складировании и овальности обечаек и трубных заготовок;

• разработка методов расчетной оценки безопасного срока эксплуатации обечаек и трубных заготовок с учетом овальности, деформационного старения и механохимической коррозии.

При решении поставленных задач использованы основные методы и подходы теории упругости, пластичности, надежности трубопроводных систем, механохимии металлов. Основные теоретические результаты подтверждены лабораторными и натурными испытаниями.

Научная новизна результатов исследования:

• предложены и обоснованы аналитические зависимости для оценки оптимальных технологических параметров складирования обечаек и трубных заготовок;

• установлена взаимосвязь параметров деформационного старения и овальности обечаек и трубных заготовок, возникающей при их складировании;

• разработаны методы расчета безопасного срока эксплуатации обечаек и трубных заготовок с овальностью и без них с учетом деформационного ста-" рения, механохимической коррозии.

На защиту выносятся:

• технология складирования обечаек и трубных заготовок, применяемых для производства нефтегазового оборудования и трубопроводов;

• аналитические зависимости, связывающие параметры складирования и овальности обечаек и трубных заготовок;

• методика расчета ресурса безопасной эксплуатации конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов.

Практическая ценность работы заключается в разработке ряда технических решений и рекомендаций по обоснованию допустимого числа рядов складирования по высоте обечаек и трубных заготовок, исключающего образование

овальности при их хранении, которые используются в ООО «Туймазыхиммаш», ООО «Баштрансгаз», ОАО «Салаватнефтемаш», ОАО «Пензахиммаш». Некоторые результаты работы нашли отражение в разработанных при участии автора методических рекомендациях МР ОБТ 2-03, которые согласованы Госгор-технадзором РФ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на II научно-техническом семинаре (г. Уфа, 1999 г.), на IV Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (г. Уфа, 2000 г.), на XX научно - технической конференции сварщиков Урала «Сварка Урала - 2001» (г. Н. Тагил, 2001 г.), на научно-практической конференции «Проблема совершенствования дополнительного профессионального и социо-гуманитарного образования специалистов топливно-энергетического комплекса» (г. Уфа, 2001 г.), на III, IV и VI Конгрессах нефтегазопромышлен-ников России (г. Уфа, 2001,2003,2005 гг.), на совещании в Башкирском Управлении ГГТН РФ (2003 г.).

Публикации. Содержание диссертационной работы отражено в 10 основных опубликованных научных трудах.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и приложений. Она содержит 164 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 8 таблиц. Библиографический список использованной литературы включает 144 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и основные задачи, показаны научная новизна и практическая значимость результатов исследований.

В первом разделе диссертационной работы проведен анализ вероятности возникновения нештатных и аварийных ситуаций на предприятиях нефтегазо-

вой отрасли, дана' характеристика отдельных производств и факторов со'^эю-щих эти ситуации, а также классификация дефектов в наиболее распространенных видах оборудования и трубопроводов.

В этом же разделе приводятся известные в литературе сведения о дефектах, возникающих при транспортировке, хранении, эксплуатации оборудования, дана общая характеристика этих дефектов, а также изложены принципы выбора способов восстановления целостности конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов, используемых для их возврата в эксплуатацию.

Второй раздел диссертации посвящен определению основных технологических параметров складирования обечаек и трубных заготовок в штабеля.

Как известно, число рядов укладки в штабеля устанавливается в зависимости от диаметров обечаек и труб, в частности, 8 рядов для труб диаметрами 508-530 мм; 7 рядов для труб диаметрами 711-720 мм; 6 рядов для труб диаметрами 813-820 мм; 5 рядов для труб диаметрами 1016-1020 мм; 4 ряда для труб диаметром 1220 мм.

Однако выборочный контроль обечаек и трубных заготовок при их хранении в штабелях показывает наличие в них значительной овальности, превышающей допускаемые значения. Это свидетельствует об упругопластическом деформировании труб и обечаек при их складировании и хранении.

В соответствии с принятой схемой расположения обечаек и трубных заготовок при складировании наиболее нагруженными являются элементы, размещенные в нижнем (первом) ряду и воспринимающие на себя нагрузки верхних рядов. Исходя из анализа силового воздействия обечаек и грубных заготовок друг на друга, элементы, расположенные в первом ряду, воспринимают нагрузку от труб и обечаек последующего ряда, количественно соответствующую номеру предыдущего ряда, то есть (п-1). С учетом данных особенностей силового воздействия конструктивных элементов друг на друга принята следующая схема нагружения обечаек и трубных заготовок, размещенных в нижнем ряду штабеля (рисунок 1, а).

Рисунок 1 - Схема нагружения (а) и формоизменения (б) обечаек и трубных заготовок при складировании

Нагрузки С! и Р действующие на обечайку или трубную заготовку нижнего ряда, определяются по следующим формулам, вытекающим из принятых исходящих условий и допущений: + п/2(п-1)]^ хЬ; Р = 2(2соза, где п - количество рядов укладки труб (заготовок) при их складировании; М[ = жОвр - масса единицы длины трубы (заготовки); Б, э и Ь - соответственно наружный диаметр, толщина стенки и длина трубы (заготовки); р - плотность материала; а - угол, определяющий направление приложения нагрузки 0 (в принятой схеме а=30°).

Так как наиболее нагруженными при рассматриваемых условиях складирования обечаек и трубных заготовок, расположенных в нижнем (первом) ряду, то целесообразно ограничиться анализом предполагаемого формоизменения поперечного сечения конструктивных элементов в штабеле, которое проявляется в виде овальности (рисунок 1, б).

Для количественной оценки упругопластического формоизменения обечаек и трубных заготовок нижнего ряда при воздействии на них сосредоточенных усилий использовали подход Нейбера, позволяющий корректировать решение соответствующей задачи.

Упругопластический анализ деформаций и напряжений выполняли для случая, когда материал обечаек и трубных заготовок упрочняется по закону следующего типа: о = Се11, где Сип- константы деформационного упрочнения. В ориентировочных расчетах можно принять, что С « стт /ё° , где ат и ет -предел текучести и деформация текучести (бт = ат /Е; Е - модуль упругости). Коэффициент деформационного упрочнения и можно выражать через известные механические характеристики 85 и ц/в (б5 - относительное удлинение пятикратного конкретного образца, а *)/„ - равномерное удлинение образца после разрушения): п = €п(1/(1-ц/,)); =(55 -0,1)/(85 -1,0).

В соответствии с требованиями на изготовление цилиндрических обечаек сосудов и аппаратов (труб) величина овальности, образующейся в процессе их пластического формоизменения, определяется параметром «а»: а = 2(1-О^ /Опвх)/(1+Оши /О^,), где Бпда и Ощш - соответственно максимальный и минимальный диаметры обечайки после ее деформирования (размер поперечного сечения обечайки в направлении главных осей х и у): Ц,^ = IУ+Я™;

= О - 8^" и 8^" - остаточные переменные по осям х и у.

Данная величина «а» ограничивается значениями а„р.: апр. = 0,01 при 8/В > 0,01; а„р = 0,015 при Б/О < 0,01, величины «а», Б и О видны из рисунка 1.

Исходя из данных ограничений на значение овальности «а», было получено выражение, определяющее сумму допускаемых остаточных перемещений 5" и в направлении главных осей х и у поперечного сечения труб: ¿Г" +§7 <; апр.Б.

На основании указанных выше условий и допущений получены соответствующие уравнения (ввиду их громоздкости они здесь не приводятся) для оценки количества допускаемых рядов прш кладки обечаек и трубных заготовок в штабеля.

Установлено, что для большинства обечаек и трубных заготовок с соотношением S/D = 0,111...0,015 величина прш не зависит от диаметра обечаек и

труб и составляет около 5 (прш »5), что заметно отличается от рекомендуемых

значений прш.

В третьем разделе рассмотрены особенности оценки технологических параметров формоизменения при складировании и хранении обечаек и трубных заготовок. Установлена взаимосвязь параметров овальности и деформационного старения при формоизменении обечаек и трубных заготовок при их складировании и хранении.

Формоизменение обечаек и трубных заготовок осуществляется путем направленного приложения силовых нагрузок на их поверхность. Причем эти нагрузки могут быть распределены по некоторой площадке с протяженностью L (рисунок 2). В результате формоизменения при складировании обечаек и трубных заготовок последние приобретают овальность с параметром «а».

ЩЩШ

TTTTfflffl

ш

Tfff

Рисунок 2 - Схемы приложения нагрузок на обечайки и трубные заготовки при их складировании и хранении

Характер распределения напряжений и деформаций по толщине стенок обечайки и трубной заготовки представлен на рисунке 3. На наружных поверхностях в областях точек С и О напряжения и деформации должны быть растягивающими и, наоборот, в областях точек А и В - сжимающими.

г) д)

Рисунок 3 - Распределение деформаций и напряжений в обечайках и трубных заготовках при их складировании и хранении

Работа, совершаемая при действии силы О на цилиндрический элемент, затрачивается на деформацию изгиба во всех точках (А, В, С, О). Поэтому величина О равна:

24-ТУ-С-(0,5-а)п

0(2+п) ' ^ ;

где V/ = Ь'32/16 - момент сопротивления сечения; Ь - длина обечайки (трубной заготовки); а - относительная овальность.

Из уравнения (1) при значении п = 0 (для элемента обечайки, изготовленного из деформационно-неупрочняемого материала) вытекает частное решение:

8\У -о

0= I Т, (2)

где ^^ т = Ь-82/4 - пластический момент сопротивления; <тт - предел текучести стали.

В случае п = 1 (обечайка из упругого материала) величина О равна:

8ЛУ а

<3 =-(3)

где оупр - упругие напряжения.

Полученные зависимости можно использовать и для случая правки обечаек и трубных заготовок с овальностью. При правке в горячем состоянии вместо параметров Сил надо использовать параметры С^ и пр, определенные

по результатам испытаний образцов при кратковременном растяжении при температуре металла в конечный момент правки.

Q/L,

(Ж, кг/мм

17 ГС

S=10 мм D=720 мм

/

/

а)

S=10 мм D=720 мм

з=1 %-

п=0,2

Q/L, кг/мм

12

\ V 17 ГС S=10 а=1 % им

\ 4V

200 400 600 800 1000 D, мм б)

Q/L, кг/мм

10

600 700 800 900 1000 С, МПа

в)

17 ГС

I

•S=10 мм— D=720 мм ■а=1 %-

(5 ÜTi 02 СГЗ г)

Рисунок 4 - Зависимости удельной нагрузки С}/Ь от овальности «а», диаметра обечайки Б и параметров Си«

Таким образом, усилие формоизменения обечаек и трубных заготовок существенно зависит от параметров а, D, С, п (рисунок 4). С увеличением параметра овальности «а» усилие Q заметно возрастает (рисунок 4, а). При этом пропорционально увеличивается величина пластических деформаций в области точек А, В, С и D, которые в той или иной мере могут изменять механические характеристики металла. Чем больше диаметр обечайки D, тем меньше усилие формоизменения (рисунок 4, б). С увеличением параметра С, являющегося прочностной характеристикой, усилие Q пропорционально возрастает (рисунок 4, в). При фиксированных значениях параметра прочности С увеличение коэффициента деформационного упрочнения способствует снижению усилия Q (рисунок 4, г).

На рисунке 5 представлены зависимости коэффициента пружинения Кпр о г отношения толщины стенки S к номинальному наружному диаметру обечайки (трубной заготовки) D. С ростом отношения S/D значение Кпр приближается к единице.

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента пружинения Кпр

при формоизменении элементов из углеродистых (1) и низколегированных (2) сталей от отношения S/D

При расчетах параметров процесса формоизменения обечаек (трубных заготовок) эффект пружинения учитывается в виде произведения D • Кпр, что приводит к изменению величин Q, е„, Мн, о„ и др.

При оценке усилия О также должна учитываться протяженность приложена нагруюк /.. Расчеты показывают, что при формоизменении элементов с I < Ъ значения прилагаемых усилий заметно увеличиваются. Для оценки отношения р|/0 получено следующее уравнение:

01 =

^ (^)0Л-1птг' (4)

где <3! - усилие при Ь = Ь;

0-усилие при! < Ь; тг

Величины шг и т8 в значительной степени определяют величины изгибающего момента и отношения (V <3 (рисунок 6).

Установлено, что на крайних волокнах обечаек и трубных заготовок степень пластической деформации е„ равен половине параметра овальности: ен = 0,5 • а.

М/С!

0,1

0,05

Рисунок 6 - Зависимости относительного изгибающего момента М/С? и отношения (V (¡> от параметра 1/шг

Таким образом, произведена теоретическая оценка основных технологических параметров формоизменения обечаек и трубных заготовок в зависимости от их геометрических размеров и механических свойств металла.

Четвертый раздел посвящен разработке методов оценки безопасного срока эксплуатации обечаек и трубных заготовок (с овальностью и без неё), ра-

ботающих в условиях механохимической коррозии, с учетом дефорьаииснного старения металла, обусловленного пластическими деформациями, реализуемыми при их складировании и хранении.

Анализ литературных данных (K.M. Ямалеев, А.Г. Гумеров и др.) по испытаниям металла длительно эксплуатируемых трубопроводов показывает, что деформационное старение является сложным процессом и реализуется по следующим механизмам. Происходит генерация новых дислокаций и вакансий, увеличивается их плотность; происходит эволюция дислокационной структуры по схеме: сетчатая—>ячеистая клубковая. Полосовая дислокационная структура уже является предпосылкой для образования микротрещин. При этом происходят также коагуляция вакансий и образование микропор, которые могут приводить в определенных условиях к появлению эксплуатационных трещин. Кроме того, происходит блокировка дислокации примесными атомами. Если соотношение «свежих» дислокаций и «свободных» примесных атомов благоприятное для протекания деформационного старения, то этот процесс будет идти по восходящей линии. Результатом этого процесса будут являться упрочнение и охрупчивание металла конструктивных элементов, которые также непосредственно влияют на характеристики работоспособности металла.

Наряду с этим под действием переменных напряжений, возникающих при циклических нагрузках, происходит разбиение цементитных пластин дислокациями, что приводит к частичному распаду цементита. При этом освобождаются атомы углерода, часть которых уходит на образование новых карбидных частиц, а часть - в тетраэдрические пустота ОЦК-решетки феррита. При распаде цементита также происходит фрагментация перлитных зерен. Эти процессы могут способствовать снижению трещиностойкости металла длительно эксплуатируемых конструктивных элементов.

Деформационное старение сопровождается также образованием новых карбидных частиц типа FexCy, FexCyMnz, FexCyCrz и т.п. Эти частицы, как правило, образуются на полосах скольжения и на границе зерен. Зародыши карбидных частиц, как известно, являются барьерами движению дислокации. В ре-

зультате этого возможно изменение агрегатных механических характеристик стали (рисунок 7). Эти данные подтверждают известный факт повышения прочностных и снижения вязкопластических характеристик низколегированных сталей после длительной эксплуатации из-за деформационного старения.

25 1, лет 0 5 10 15 20 25 и

Рисунок 7 - Зависимость у и стт от времени эксплуатации I (17ГС)

Однако следует отметить, что для объективной интерпретации подобных исследований по деформационному старению низколегированных сталей необходимо учитывать статистический разброс их исходных свойств. Для иллюстрации сказанного на рисунке 8 приведены гистограммы разброса ат и св для низколегированных сталей 09Г2С и 17ГС в исходном состоянии. Не исключено, что отмечаемый разброс исходных свойств сталей может перекрыть все ожидания при исследованиях процессов старения металла различных конструкций при их длительной эксплуатации.

N.

30

О

Ш

п -г П — п

зу) 350 360 370 380 390 с00 но <тт. мпа

«0 500 510 520 530 540 550 560 570 580

Рисунок 8 - Гистограммы разброса от и ав низколегированных сталей марок 09Г2С и 17ГС

В работе приведены результаты исследований кинетики изменения механических свойств металла конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов, обусловленного пластическими деформациями, возникающими при их складировании и хранении.

Основные механические свойства исследуемых сталей показаны в таблице 1.

Таблица 1 - Механические свойства исследованных сталей

Марка стали ств, МПа сгт,МПа %% 5,% С, МПа п

СтЗ 460 280 67 33 860 0,26

16ГС 515 370 53 23 970 0,19

В результате обобщения литературных и полученных в работе данных по деформационному старению низколегированных и низкоуглеродистых сталей получены следующие аналитические зависимости для оценки изменения основных механических свойств металла нефтегазового оборудования и трубопроводов в процессе их эксплуатации:

( _пп<Л _ 0,024(250 °С-Т )

К = ЯП 1±2-а-Тс' ; т =т /т ; т =10 1 Ч (5)

0^ с / с с скр' скр 4 '

где Я и 50 - текущая и начальная механические характеристики; а - параметр

овальности; тс - время эксплуатации (старения); Тс - температура эксплуатации (старения). Здесь знак «+» (плюс) соответствует прочностным характеристикам, а знак «-» (минус) - пластическим. Формула (5) справедлива в области значений а <0,5 п, где п - коэффициент деформационного упрочнения. Анализ этой формулы показывает, что в результате деформационного старения прочностные характеристики могут повышаться до 25 %, пластические - снижаются ровно на столько же. Заметим, при оценке свойств металла по формуле (5) необходимо учитывать деформационное изменение предела текучести, относительных сужения и удлинения.

Наиболее важным результатом этих исследований является тот факт, что максимальное значение деформационного старения, оцениваемого по изменению временного сопротивления сга, практически совпадает с коэффициентом деформационного упрочнения п.

В работе установлено, что если овальность не приводит к снижению толщины стенки обечайки или трубной заготовки, то их прочность чаще всего сохраняется такой же, как для бездефектных обечаек и труб. В противном случае, несущая способность трубных заготовок и обечаек прямо пропорционально уменьшается со степенью снижения толщины их стенок.

На рисунке 9 представлена зависимость величины относительной овальности трубных заготовок от номинального напряжения, подтверждающая отмеченный факт.

а 0,8 0,6 0,4 0,2

V

V

V

К > ^ -( >-(

0,2 0,4 0,6 0,8 с,

- расчет по формуле (5); о -16 ГС, • - Ст 3 Рисунок 9 - Снижение овальности при испытаниях труб внутренним давлением

Как видно, с увеличением стн в ходе растяжения величина относительной

овальности а

/ \ а

а = —

ч

а0

снижается. Здесь а - текущее значение параметра оваль-

ности. При этом зависимость а от стн описывается уравнением следующего вида:

Исходными данными для расчетов являются предел текучести ст и временное сопротивление о, металла, определенные по результатам испытаний образцов, вырезанных из элемента, на растяжение; толщина стенки до начала эксплуатации Sc и найденная в результате толщинометрии Бф (фактическая); диаметр по серединной поверхности D и скорость коррозии о0.

В расчетах полагается, что относительные удлинение 8 и сужение ударная вязкость KCU и KCV соответствуют требованиям действующих НТД. За предельное состояние принимается состояние, при котором кольцевые напряжения <Т] достигают предельных значений [<Тпр.]> определяемых, например для трубопроводов, по СНиП 2.05.06-85*: ащ = Rj = R" m/K, -Кн> где ш коэффициент условий работы трубопровода (т = 0,6...0,9); Kj - коэффициент надежности по материалу (К! = 1,34...1,55); К„ - коэффициент надежности по назначению (К„ = 1,0... 1,05); R, - нормативное сопротивление растяжению, принимаемое равным временному сопротивлению металла трубы ов.

Толщина стенки в предельном состоянии Snp определяется по величине рабочего давления Рр, [Опр] и D: S„p = Pp D/2-[anp.]. Скорость коррозии и0 определяется по образцам-свидетелям, устанавливаемым в действующем оборудовании или трубопроводе, или на основании результатов лабораторных исследований известными методами и средствами. Скорость коррозии вычисляют по формуле: г>0 = ( St^-S^, )/to, где to - период времени от начала ввода в эксплуатацию до остановки оборудования (трубопровода) с целью проведения диагностирования.

Базируясь на основных положениях механохимии металлов, совместно с кандидатами технических наук A.A. Александровым, Р.Н. Мирсаевым, В.А. Воробьевым и Л.П. Худяковой предложено следующее кинетическое уравнение механохимической повреждаемости конструктивных элементов, ра-

(6)

•ючагощих в условиях действия длительного статического нагружения и коррозионных рабочих сред при нормальных и повышенных температурах:

о(0 = 0,5• 80 -ехр(0,5-б^-С-е® + и0[(1 + ко -С-е")(1 + ке • е,)], (7)

где е, - интенсивность деформации, зависящая от времени т;

ке и к«, - механохимические параметры;

Сип- параметры деформационного упрочнения при заданной температуре Тс;

и(1) и «о - скорости коррозии соответственно при приложении внешних нагрузок и при <5\ = 0 и ^ = 0.

При нормальных и предельных значениях температурно-временных и силовых параметров на основании уравнения (7) представляется возможным производить оценку безопасных сроков эксплуатации конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов.

В частности, для выполнения инженерных расчетов долговечности обечаек и трубных заготовок после складирования и хранения с учетом деформационного старения и механохимической коррозии получена следующая аналитическая зависимость:

1р = 10/[1 + К + 2■ а)](1 + 0,5• ке • а;, (8)

где ^ = ( 8ф - Бщ,)/ и0; а - как и ранее, параметр овальности.

Формула (8) справедлива при температурах от 20 до 250 °С. Отношение ^ / 1р характеризует степень усиления коррозии от действия внешних нагрузок и деформационного старения. Здесь деформационное старение учитывается через параметр овальности «а» (рисунок 10). Чем больше степень овальности «а», тем больше отношение ^ / а, следовательно, ниже долговечность

конструктивного элемента.

Рисунок 10 - Зависимости 1о / Ц от параметра овальности обечаек и трубных заготовок

О 0,02 0,04 0,06 0,08 а

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что одним из распространенных дефектов нефтегазового оборудования и трубопроводов является овальность базовых элементов, являющаяся во многих случаях следствием несовершенства технологии их складирования и хранения. Выполнен анализ влияния овальности в конструктивных элементах оборудования и трубопроводов на степень снижения их ресурса безопасной эксплуатации.

2. Разработана методика определения допустимого числа рядов складирования обечаек и трубных заготовок в зависимости от их геометрических параметров. Использование предложенной методики на производстве позволяет снизить степень овальности обечаек и трубных заготовок при их складировании и хранении.

3. На основании выполненного анализа напряженно-деформированного состояния получены аналитические зависимости, связывающие силовые параметры формоизменения и овальности обечаек и трубных заготовок при их складировании.

4. Разработана методика оценки безопасного срока эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов с учетом последствий складирования обечаек и трубных заготовок, механохимической коррозии и деформационного старения металла, которая согласована с Ростехнадзором РФ.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

1. Зайнуллин P.C., Матвеев Н.Л., Исмагилов М.А. Повышение качества базовых деталей аппаратуры при формоизменении заготовок // Ресурс сосудов и трубопроводов: Сб. научн. тр. - Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2000. - С. 52-58.

2. Зайнуллин P.C., Исмагилов М.А. Исправление отклонений от крутости обечаек и труб при испытаниях // Ресурс сосудов и трубопроводов: Сб. научн. тр. - Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2000. - С. 59-60.

3. Зайнуллин P.C., Исмагилов М.А. Исправление отклонений от кругло-сти обечаек и труб на вальцах // Ресурс сосудов и трубопроводов: Сб. научн. тр. - Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2000. - С. 61.

4. Зайнуллин P.C., Исмагилов М.А. Исправление отклонений от кругло-сти обечаек и труб сосредоточенными усилиями // Ресурс сосудов и трубопроводов: Сб. научн. тр. - Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2000. - С. 62-78.

5. Зайнуллин P.C., Исмагилов М.А., Черных Ю.А., Гумерова Г.Р. Кривые долговечности деформационно-состаренных сталей // Ресурс сосудов и трубопроводов: Сб. научн. тр. - Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2000. - С. 101.

6. МР ОБТ 2-03. Методические рекомендации. Оценка качества труб по механическим свойствам. - Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2003. - 11 с.

7. Прогнозирование механических характеристик металла оборудования и трубопроводов при эксплуатации / A.A. Александров, Л.С. Щепин, М.М. Велиев, М.А. Исмагилов. - Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2004. - 42 с.

8. Исмагилов М.А. и др. Технология складирования труб аварийного и ремонтного запаса / М.А. Исмагилов, В.А. Воробьев, H.A. Мельникова. - Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2005. - 27 с.

9. Воробьев В.А., Велиев М.М., Исмагилов М.А. Оценка деформационного старения низкоуглеродистых и низколегированных сталей // Прикладная механика механохимического разрушения. - Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2004. -jVk4.-C.3-7.

10. Александров A.A., Мирсаев Р.Н., Воробьев В.А., Худякова Л.П., Исмагилов М.А. Кинетическое уравнение механохимической повреждаемости металла в высокотемпературных коррозионных рабочих средах // Башкирский химический журнал. - Уфа: Изд-во «Реактив», 2005. - Т. 12. - № 1. - С. 30.

Лицензия на полиграфическую деятельность per. № 161 от 05.02.1999г. Лицензия РБ на издательскую деятельность № 0267 от 17.06.1998г.

Подписано в печать 05.05.2005г. Формат 60x84/16. Бумага типографская. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. - 1,38 . Учет. изд.л. - 1,28. Заказ № 427. Тираж 120 экз.

Отпечатано методом ризографии с готовых авторских оригиналов

Редакционно - издательский отдел Республиканского учебно- научного методического центра МО РБ 450006, г. Уфа, ул. Ленина,61

/1С О// ñ/Г

РНБ Русский фонд

2007-4 5726

0 9 „кЛ 2005

Введение.

1 Проблемы аварийности и обеспечения безопасности нефтегазового оборудования и трубопроводов.

1.1 Ретроспективный анализ аварийности нефтегазового оборудования и трубопроводов.

1.2 Основные виды внешних воздействий и факторов, создающих дефекты оборудования.

1.3 Требования к контролю качества нефтегазового оборудования и трубопроводов.

2 Определение технологических параметров обечаек и трубных заготовок по критериям безопасности.

2.1 Общие положения оценки нагруженности обечаек и трубных заготовок при их складировании.

2.2 Оценка формоизменения обечаек и трубных заготовок в условиях их складирования.

2.3 Оценка допустимого числа рядов укладки трубных заготовок при их складировании и хранении.

3 Оценка взаимосвязи параметров овальности и формоизменения обечаек и трубных заготовок при складировании.

3.1 Критические деформации при формоизменении обечаек и трубных заготовок.

3.2 Оценка напряженно-деформационного состояния обечаек и трубных заготовок при складировании.

4 Разработка методов расчетной оценки безопасного срока эксплуатации обечаек и трубных заготовок с овальностью и без них с учетом деформационного старения и коррозии.

4.1 Роль эффектов формоизменения при складировании характеристики безопасности эксплуатации обечаек и трубных заготовок.

4.2 Расчетная оценка характеристик безопасности нефтегазового оборудовования и трубопроводов при длительном статическом нагружении и механохимической коррозии.

Современная техносфера является потенциальным источником угроз, имеющих глобальный социальный характер и требующих принятия адекватных превентивных мер по обеспечению безопасности населения и окружающей среды. Значительное число опасных техногенных ситуаций по разным причинам возникает на предприятиях нефтегазодобычи, трубопроводного транспорта и переработки нефти и газа, что связано с высокой энергонасыщенностью, наличием измененного и устаревшего технического оборудования, которое увеличивает вероятность возникновения пожаров, взрывов топливно-воздушной смеси и тяжесть наносимого ими ущерба. Поэтому снижение уровня пожаровзрыво- и экологической безопасности нефтегазодобывающих и нефтегазоперерабатывающих предприятий продолжает оставаться одной из важнейших задач системы обеспечения защищенности населения и окружающей среды от угроз техногенного характера.

Характерной особенностью систем обеспечения пожаровзрывобезопасности нефтеперерабатывающих предприятий является их многовариантность, что определяется необходимостью борьбы с угрозами возникновения пожаров и взрывов не только на территории открытых технологических установок (где сосредоточены огромные объемы нефти и нефтепродуктов), но и внутри производственных, административных, хозяйственно-бытовых и других зданий, помещений (где находятся обычные для любых промышленных предприятий пожароопасные вещества, материалы, электрооборудование, приборы и т.д.), а также за пределами предприятий вследствие частого возникновения аварийных и технологических выбросов пожаровзрывоопасных веществ в атмосферу, разливов нефти, нефтепродуктов и их попадания в почву, грунтовые и сточные воды. Это требует дополнительного проведения специального экологического мониторинга и принятия соответствующих мер.

По статистическим данным на долю предприятий нефтеперерабатывающей промышленности приходится около 48% выбросов пожаровзрывоопасных веществ в атмосферу. Кроме того, на отечественных объектах нефтепереработки отсутствуют надежные системы предотвращения и локализации аварийных ситуаций.

Техногенная опасность со стороны нефтеперерабатывающих объектов безусловно должна учитываться при создании развивающейся энергетики будущего, которая будет отвечать более жестким требованиям промышленной, энергетической, экономической, экологической безопасности. Последовательное увеличение удельного веса углеводородного топлива (нефть, газ, конденсат) в мировом экономическом балансе уже сложившаяся и установившаяся закономерность, в обозримой перспективе эта тенденция сохранится.

Актуальность существенного повышения пожаровзрывобезопасности предприятий нефтегазодобычи, трубопроводного транспорта и нефтегазоперерабаты-вающей промышленности объясняется следующими факторами:

• концентрацией химических энергоносителей, нефти и нефтепродуктов, их способностью гореть, взрываться и загрязнять опасными выбросами атмосферу;

• наличием потенциальных опасностей, вызывающих материальные и людские потери;

• опережающим развитием объемов производства по сравнению с совершенствованием природоохранных мероприятий;

• появлением трудноутилизируемых, а в некоторых случаях и балластных отходов производства, применение и способы переработки, которых пока не найдены;

• изменением ассортимента нефти (появлением сернистых и высокосернистых нефтей и газового конденсата);

• чрезвычайно высокой энергонасыщенностью объектов нефтеперерабатывающей промышленности. Типовой нефтеперерабатывающий завод (НПЗ) производительностью 10-15 млн. т/год сосредоточивает на своей территории от 200 до 500 тыс. т углеводородного топлива, энергосодержание которого эквивалентно 2-5 Mm тротила;

• интенсификацией технологии, ростом единичных объемов аппаратов, вследствие чего такие параметры, как температура, давление, содержание пожа-ровзрывоопасных веществ растут и приближаются к критическим;

• несовершенностью существующих технологий сбора и утилизации по-жаровзрывоопасных компонентов нефти и нефтепродуктов, попавших в окружающую среду.

Номенклатура выпуска нефтеперерабатывающего завода с передовой технологией, обеспечивающей комплексную переработку сырья, стала состоять из сотен позиций, причем многие из изготавливаемых продуктов пожаровзрыво-опасны и (или) токсичны.

Перечисленные особенности современных объектов нефтепереработки обусловливают их потенциальную пожаровзрывоопасность. Экономическая целесообразность ввода новых промышленных предприятий ведет к созданию индустриальных комплексов в близи объектов потребления продукции, в которых узлы энергораспределения, тепло- и газоснабжения в большей части размещаются в местах проживания населения.

Вследствие создания высокоинтенсивных технологических процессов по переработке нефти, а также установок большой единичной мощности возникли принципиально новые требования по обеспечению безопасности этих производств:

• обеспечение высокой надежности функционирования производств с целью уменьшения аварийных выбросов пожаровзрывоопасных веществ в окружающую среду;

• организация оптимальной работы каждого аппарата, системы и всей технологической схемы с учетом совокупных требований энерготехнологии, экономики и экологии;

• оптимальное распределение нагрузок по аппаратам, реакторам, подсистемам, обеспечивающее наиболее полную регенерацию энергетических потоков и эффективное использование материальных ресурсов с целью полной утилизации всех возможных выбросов пожаровзрывоопасных веществ в окружающую среду.

В настоящее время существует множество стандартов на допустимые дефекты в тех или иных конструкциях. Данные этих стандартов наглядно демонстрируют, что нормы на одни и те же дефекты значительно отличаются в зависимости от класса конструкции. С другой стороны, анализ этих норм показывает, что различные нормативы, казалось бы, предназначенные для конструкций, эксплуатирующихся в аналогичных условиях, не согласуются по классам качества сварных швов даже для наиболее легко выявляемых дефектов, например, типа пор и шлаковых включений.

Цель работы. Разработка технологии складирования обечаек и трубных заготовок, обеспечивающей безопасность при их эксплуатации.

Задачи исследования:

• классификация дефектов, анализ причин возникновения дефектов и видов деформационных воздействий, создающих дефекты при складировании и хранении;

• определение технологических параметров складирования обечаек и трубных заготовок;

• оценка взаимосвязи характеристик формоизменения при складировании и овальности обечаек и трубных заготовок;

• разработка методов расчетной оценки безопасного срока эксплуатации обечаек и трубных заготовок с учетом овальности, деформационного старения и механохимической коррозии.

При решении поставленных задач использованы основные методы и подходы теории упругости, пластичности, надежности трубопроводных систем, меха-нохимии металлов. Основные теоретические результаты подтверждены лабораторными и натурными испытаниями.

Научная новизна результатов исследования:

• предложены и обоснованы аналитические зависимости для оценки оптимальных технологических параметров складирования обечаек и трубных заготовок;

• установлена взаимосвязь параметров деформационного старения и овальности обечаек и трубных заготовок, возникающей при их складировании;

• разработаны методы расчета безопасного срока эксплуатации обечаек и трубных заготовок с овальностью и без них с учетом деформационного старения, механохимической коррозии.

На защиту выносятся:

• технология складирования обечаек и трубных заготовок, применяемых для производства нефтегазового оборудования и трубопроводов;

• аналитические зависимости, связывающие параметры складирования и овальности обечаек и трубных заготовок;

• методика расчета ресурса безопасной эксплуатации конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов.

Практическая ценность работы заключается в разработке ряда технических решений и рекомендаций по обоснованию допустимого числа рядов складирования по высоте обечаек и трубных заготовок, исключающего образование овальности при их хранении, которые используются в ООО «Туймазыхиммаш», ООО «Баштрансгаз», ОАО «Салаватнефтемаш», ОАО «Пензахиммаш». Некоторые результаты работы нашли отражение в разработанных при участии автора методических рекомендациях MP ОБТ 2-03, которые согласованы Госгортех-надзором РФ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на II научно-техническом семинаре (г. Уфа, 1999 г.), на IV Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (г. Уфа, 2000 г.), на XX научно - технической конференции сварщиков Урала «Сварка Урала - 2001» (г. Н. - Тагил, 2001 г.), на научно-практической конференции «Проблема совершенствования дополнительного профессионального и социо-гуманитарного образования специалистов топливно-энергетического комплекса» (г. Уфа, 2001 г.), на III, IV и VI Конгрессах нефтегазопромышленников России (г. Уфа, 2001, 2003, 2005 гг.), на совещании в Башкирском Управлении ГГТН РФ (2003 г.).

Публикации. Содержание диссертационной работы отражено в 10 основных опубликованных научных трудах и двух нормативных документах, согласованных Госгортехнадзоров РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов. Она содержит 151 страниц машинописного текста, 51 рисунков, 6 таблиц. Библиографический список использованной литературы включает 144 наименований.

Основные выводы по работе

1.Установлено, что одним из распространенных дефектов нефтегазового оборудования и трубопроводов является овальность базовых элементов, являющаяся во многих случаях следствием несовершенства технологии их складирования и хранения. Выполнен анализ влияния овальности в конструктивных элементах оборудования и трубопроводов на степень снижения их ресурса безопасной эксплуатации.

2.Разработана методика определения допустимого числа рядов складирования обечаек и трубных заготовок в зависимости от их геометрических параметров. Использование предложенной методики на производстве позволяет снизить степень овальности обечаек и трубных заготовок при складировании и хранении.

3.На основании выполненного анализа напряженно - деформированного состояния получены аналитические зависимости, связывающие параметры формоизменения и овальности обечаек и трубных заготовок при их складировании.

4. Разработана методика оценки безопасного срока эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов с учетом последствий складирования обечаек и трубных заготовок с учетом механохимической коррозии и деформационного старения металла, которая согласована Госгортехнадзором РФ.

1. ГОСТ 25.506-85. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. - М.: Изд-во стандартов, 1985.

2. ГОСТ 9012-59 (СТ СЭВ 468-78). Металлы. Методы испытаний. Измерение твердости по Бринелю. М.: Изд-во стандартов, 1978.

3. ГОСТ 25.502-79. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. -М.: Изд-во стандартов, 1979.

4. ГОСТ 7268-82. Сталь. Метод определения склонности к механическому старению по испытанию на ударный изгиб. М.: Изд-во стандартов, 1982.1. Общие положения

5. Изменение свойств металла при длительной эксплуатациинефтепроводов

6. Анализ литературы показывает, что значения Кст по прочностным характеристикам, как правило, из-за деформационного старения возрастают, вособенности коэффициент старения по временному сопротивлению