автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Совершенствование методов ремонта металлоконструкций резервуаров с коррозионными повреждениями

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

-РГо пт;

2 О НОВ 2000

На правах рукописи УДК 621.642.3.001.21

НИКИШИН АНДРЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

/

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РЕМОНТА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ РЕЗЕРВУАРОВ С КОРРОЗИОННЫМИ ПОВРЕЖДЕНИЯМИ

Специальность 05.15.13 Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень, 2000

Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете и ОАО «Сибнефтепровод».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Тарасенко А. А.

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Кушнир С. Я.

Кандидат технических наук, доцент Соколов В. Г.

Ведущее предприятие: ОАО «Нефтегазпроект», г. Тюмень

Защита диссертации состоится « 22 » июня 2000 г. в 1400 ч. на заседании диссертационного совета Д 064.07.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.13 -«Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ» при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГУ. Автореферат разослан « 19 » мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного _

совета, доктор технических наук ^ ^^ С. И. Челомбитко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Резервуарные парки являются одной из важнейших составляющих системы трубопроводного транспорта в целом.

Исследованиям механизма коррозии металлов и вопросам зашиты резервуаров и трубопроводов от коррозии посвящены труды отечественных ученых Гутмана Э.М., Абдулина И.Г., Ажогина Ф.Ф., Бородавкина П.П., Буренина В.А., Гоника A.A., Худякова М.А., Зиневича A.M., Тарасенко A.A., Яковлева А.И. и других, а также зарубежных исследователей Кариуса К., Эванса У.Р., Улига Х.Х и др.

В настоящее время, в системе трубопроводного транспорта нефти постоянно находится в ремонте около 20 % всех резервуаров, а оставшийся ре-зервуарный парк эксплуатируется с ограничением уровня заполнения в среднем на 15 %. Таким образом, по причине низкой надежности в системе трубопроводного транспорта нефти используется около 70 % емкости резерву-арного парка, что при недостаточной резервуарной обеспеченности существенно снижает эффективность системы трубопроводного транспорта в целом.

В последних научных публикациях установлена тенденция увеличения числа внезапных отказов РВС, удорожание ремонтов и увеличение объема ремонтных работ. Исследования показывают, что основной причиной столь резкого снижения надежности и эффективности РВС является изношенность основных фондов. Например, в ОАО «Сибнефтепровод» свыше 20 лет эксплуатируются 74 резервуара (49,7 %) общей емкостью 1110 тыс. м3.

Отличительной чертой добываемых в настоящее время нефтей является большое содержание в них сернистых соединений, хлоридов, карбонатов, механических примесей и воды. Основной объем нефти добывается методом поддержания пластового давления (ППД) с применением заводнения нефтя-

ных пластов различными поверхностными водами. Повышение нефтеотдачи путем заводнения пластов без стерилизации закачиваемых вод приводит к весьма опасной ситуации — заражению пластов и нефтяных скважин корро-зионно-опасными микроорганизмам, такими как сульфатовосстанавливаю-щие, тионовые, углеводородоокисляющие бактерии и др. При заводнении, попадая через системы ППД в нефтяные пласты, бактерии формируют свой биоценоз, который со временем в значительных количествах продуцирует биогенный сероводород, вызывающий коррозию всего нефтепромыслового оборудования.

Особую тревогу вызывают коррозионные разрушения нижних поясов у резервуаров для хранения нефтепродуктов. Положение осложняется еще и тем, что на нефтяных месторождениях Урала, Поволжья и Западной Сибири большинство РВС практически не имеют защитных покрытий и изготовлены из стали 09Г2С, которая характеризуется низкой коррозионной стойкостью.

Результаты бактериологического анализа, выполненного в резервуар-ных парках Нижневартовского УМН показали, что в 1996 г. многие резервуары были заражены микрофлорой: Самотлорский парк — на 92 %, Урьев-ский — на 96 %, Нижневартовский — на 76 %.

Нефти, содержащие большое количество серы (сернистые и высокосернистые нефти), являются весьма агрессивными средами, вызывающими коррозионные разрушения резервуаров изнутри.

Первой подготовкой нефтей к переработке является так называемый холодный отстой в резервуарах, расположенных на промыслах. Это позволяет значительно снизить содержание воды и соли. При хранении нефти в стальных резервуарах происходит отстой. Вода, содержащаяся в нефти, собирается в нижней части резервуара, образуя так называемый слой подтоварной воды, содержащей соли и сернистые соединения.

Верхние пояса и кровля стальных резервуаров подвергаются коррозии под воздействием паровоздушной среды. Вопросы коррозии и защиты верх-

них поясов и кровли стальных резервуаров подробно освещены в литературе ■и в данной работе не рассматриваются.

Как известно, образование подтоварной воды в резервуарах с сернистой нефтью приводит к появлению коррозии, носящей электрохимический характер. При этом необходимо отметить, что составные части нефти — парафины, углеводороды ароматические и непредельные — коррозионно неактивны к металлам вообще и к железу в частности. Например, резервуары без внутренней антикоррозионной защиты, используемые для хранения только малосернистой нефти Шаимского месторождения и эксплуатируемые на НПС «Тюмень-Ш» уже более 30 лет на нефтепроводе Шаим-Тюмень, совершенно не имеют признаков действия какой-либо коррозии на внутренней поверхности стенки и днища.

Опыт эксплуатации резервуаров предприятий трубопроводного транспорта Западной Сибири показал, что коррозионные повреждения нижних поясов и днищ резервуаров наблюдаются весьма часто и уже через 8-10 лет могут привести к сквозным дефектам, при благоприятных для развития коррозии условиях (агрессивные примеси в нефти, повышенное содержание воды и т.п.).

Сквозные дефекты днищ и стенок резервуаров, образовавшиеся в результате коррозии металлоконструкции, могут привести к потере нефти и нефтепродуктов, при этом нарушается нормальная работа резервуаров и создаются условия возникновения аварийных ситуаций.

Один из способов борьбы с коррозией — это применение антикоррозионной защиты. До недавнего времени в качестве защитного покрытия внутренней поверхности стенки и днища РВС широко использовался материал "Спрут", который на практике оказался низкоэффективным.

В настоящее время большое внимание уделяется антикоррозионной защите резервуаров, но как показывает опыт эксплуатации, возрастает доля ремонтов, связанных с устранением коррозионных повреждений. Это связа-

но с тем, что при сооружении резервуаров антикоррозионной защиты внутренней поверхности стенки и днища не было, либо в ее в качестве использовался материал "Спрут", нанесение которого предполагало высокое качество подготовки поверхности. Однако эти требования зачастую не выполнялись, что снижало эффективность покрытия, а в некоторых случаях, даже увеличивало скорость коррозии, вследствие щелевого эффекта. Поэтому значительная часть ремонтов сводится к устранению коррозионных повреждений. На рис. 1 приведено распределение затрат на капитальный ремонт по различным статьям.

Отмостка_, 7,6% Покраска. 5,3%

Гидроиспытани 2,1%

Орошение_,

1,9%

Антикоррозионная защита 26,2%

Частичное обследование

Зачистка 9,8%

Замена оборудования 0,7%

Пескоструйная зачистка и комплексное обследование 4,5%

Замена металлоконструкций 32,7%

Рис. 1. Распределение затрат на капитальный ремонт.

Анализируя приведенные данные, можно сделать вывод, что затраты на замену металлоконструкций сопоставимы с затратами на мероприятия по антикоррозионной защите (32,7 и 26.2 %. соответственно). Ремонт коррозионных повреждений, как правило, выполняется заменой металлоконструкций РВС, что требует значительных материальных и трудовых вложений. Например, за 1998 год был выполнен ремонт 11 резервуаров с заменой части первого пояса стенки, при этом затраты только на металлопрокат в среднем

составили свыше 1,5 млн. руб. на 1 РВС. Поэтому совершенствование методов ремонта резервуаров с коррозионными повреждениями является актуальной задачей.

Практика выполнения ремонтов такова, что практически в 100 % случаев приходится выполнять ремонт коррозионных повреждений металлоконструкций резервуаров. По существующим нормативам ремонт подобных дефектов выполняют методом полной, либо частичной замены металлоконструкций, поскольку применение наплавки при ремонте резервуаров не предусмотрено действующей в настоящее время нормативно-технической документацией.

Использование сварки для ремонта резервуаров вызывает серьезные возражения, поскольку считается, что сварка усиливает склонность металла к хрупкому разрушению. Анализ разрушений резервуаров показал, что хрупкие трещины в конструкциях начинаются, как правило, от краев сварных швов, в особенности от швов, имеющих дефекты в виде подрезов, непрова-ров и неметаллических включений. Проявлению склонности к хрупкому разрушению способствуют остаточные внутренние напряжения. Монолитность сварной конструкции приводит к тому, что трещина, зародившаяся в одном элементе, легко переходит на сопряженные элементы. Поэтому научное обоснование наплавки как метода ремонта резервуаров, пораженных коррозией является актуальной задачей при ремонте РВС.

Целью работы является экспериментальное исследование влияния электродуговой наплавки на свойства металла и обоснование возможности ее применения для ремонта коррозионных повреждений металлоконструкций вертикальных стальных резервуаров, эксплуатируемых в системе трубопроводного транспорта Западно-Сибирского региона.

Основные задачи исследования. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

¡.Экспериментально получить зависимости геометрических параметров и пространственного положения коррозионных повреждений от глубины их поражения.

2. Разработать достоверные теоретические модели развития сплошной и язвенной коррозии, позволяющие выполнять долгосрочные прогнозы.

3. Исследовать влияния электродуговой наплавки на изменение механических свойств металла в натурных и лабораторных условиях.

4. Экспериментально исследовать влияние глубины наплавки на величину ударной вязкости и работу распространения трещины при различных температурах.

5. Выполнить промышленное внедрение результатов исследований и разработать практические рекомендаций по ремонту коррозионных повреждений металлоконструкций резервуаров методом электродуговой наплавки.

Научная новизна работы заключается в результатах выполненных промышленных и лабораторных экспериментов, впервые полученных автором. Основными из них являются:

- выполнен статистический анализ результатов измерения коррозионных повреждений резервуаров системы трубопроводного транспорта Западной Сибири, установлены зависимости геометрических размеров и месторасположения коррозионных язв от глубины поражения;

- установлено и изучено влияние глубины наплавки на изменение величины ударной вязкости отремонтированного участка и на работу распространения трещины;

- установлены зависимости свойств наплавленного металла от температуры и условий эксплуатации, исследовано влияние наплавки на изменение механических свойств металла;

- рекомендованы режимы электродуговой наплавки, позволяющие исключить возможность хрупкого разрушения конструкции в интервале темпе-

ратур эксплуатации, регламентированных нормативно-технической документацией.

Практическая ценность н реализация результатов исследовании. Научно обосновано применение электродуговой наплавки — как метода ремонта коррозионных повреждений, позволяющего значительно снизить трудоемкость и стоимость работ при ремонте резервуаров.

По результатам исследований разработан проект руководящего документа, регламентирующего применение наплавки при ремонте коррозионных повреждений металлоконструкций резервуаров.

Разработано программное обеспечение для определения концентрации напряжений в коррозионных язвах с учетом изменения номинальных напряжений по высоте стенки.

Выполнено опытно-промышленное внедрение технологии ремонта коррозионных повреждений наплавкой при капитальном ремонте РВС-20000 №4 ЛПДС «Западный Сургут» и получен подтвержденный экономический эффект в размере 233252 рубля.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» в г. Тюмени, 1996 г.; региональной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» в г. Тюмени, 1997 г.; XIV Уральской школе металловедов-термистов «Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов» в г. Ижевске, 1998 г.; 1-ой международной научно-практической конференции «Безопасность транспортных систем» в г. Самаре, 1998 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Общий объем

работы составляет 200 страниц, в том числе 73 рисунка, 24 таблицы, список литературы содержит 124 наименований, в том числе 22 — на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, приведена научная новизна и практическая ценность работы, дана общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе выполнен анализ конструкций резервуаров, эксплуатируемых на объектах трубопроводного транспорта Западно-Сибирского региона и сделан вывод, что в настоящее время в ОАО «Сибнефтепровод» эксплуатируются наземные вертикальные цилиндрические резервуары и основная часть (93,3 %) резервуарной емкости сформирована за счет крупногабаритных резервуаров РВС-20000 (75,8 %) и РВС-10000 (17,5 %). При этом все крупногабаритные резервуары изготовлены из стали 09Г2С.

Выполнен анализ методов защиты резервуаров от коррозии, применяемых как в России, так и зарубежом. Установлено, что в ОАО «Сибнефтепровод» из всего многообразия методов антикоррозионной зашиты наибольшее распространение получили нанесение защитных покрытий и катодная защита. При этом многие резервуары до сих пор эксплуатируются без антикоррозионной защиты, поэтому большое число ремонтов связано с исправление коррозионных повреждений методом частичной замены металлоконструкций. Анализ затрат на капитальный ремонт одного резервуара показал, что затраты на замену металлоконструкций и антикоррозионную защиту составляют до 50 % от общих затрат. Таким образом, совершенствуя методы ремонта металлоконструкций резервуаров, имеющих коррозионные повреждения можно получить значительный экономический эффект.

Анализ отечественной и зарубежной нормативной документации, регламентирующей допустимые размеры коррозионных повреждений металлоконструкций, выполненный в первой главе, показал, что в настоящее время не существующей единого критерия оценки допустимых размеров коррозионных повреждений, а зарубежная нормативно-техническая документация существенно отличается от отечественной. Сравнительный анализ представлен на рис. 2.

1, см

1,4

РВС-20000 РВС-20000 РВС-10000 РВС-10000 РВС-5000 РВС-5000 1 пояс 2 пояс 1 пояс 2 пояс 1 ПОЯС 2 пояс

□ Типовой ВРД-39-01471(ШСНиП 3.03.01-87ПАР1.653 (США) проект 385-87 (Россия)

(Россия)

Рис. 2. Сравнение результатов расчета минимальной толщины стенки по различным методикам.

Анализ ремонтов, выполненных за последние 5 лет, показал

значительный рост, от 0 до 40 %, в группе ремонтов, связанных с заменой металлоконструкций. Это связано с тем, что современная нормативно-техническая документация, регламентирующая ремонт резервуаров, предусматривает только один метод ремонта коррозионных повреждений — полную или частичную замену металлоконструкций. В то же время в нормативно-технической документации допускается ремонт коррозионных

повреждений трубопроводов методом наплавки при определенных условиях. Анализ технологической документации, выполненный автором, показывает, что наплавка широко применяется в машиностроении, судостроении, в трубопроводоводном транспорте и котлостроении. Наплавкой восстанавливаются гребные винты, детали сельхозмашин и землеройной техники, зубчатые колеса и валы передач, кожуха доменных печей, штампы и другие детали, стенки трубопроводов, корпуса судов и паровых котлов.

На основании выполненного анализа в конце главы сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена исследованию напряженно-деформированного состояние резервуара при коррозионном износе. На основании данных об отказах выполнен расчет вероятности отказа резервуаров в определенном интервале времени, вероятности безотказной работы резервуаров и интенсивности отказов, определена наработка на отказ. Установлено, что с увеличением времени эксплуатации конструкции снижается вероятность безотказной работы, растет вероятность и интенсивность отказов резервуаров.

Резервуары относятся к объектам, отказ одного из элементов которых ведет к отказу всей конструкции. Поэтому при проектировании резервуаров и их сооружении должен соблюдаться принцип равнонадежности конструктивных элементов (кровли, стенки, днища), что не всегда осуществляется на практике. На основании статистического анализа результатов обследований резервуаров установлено, что основной причиной снижения эксплуатационной надежности резервуаров является коррозия металлоконструкций.

В результате измерений характерных параметров коррозионных повреждений, выполненных при выполнении ремонта РВС-20000 № 5 ЛПДС "Торгили" в апреле 1999 года были получены зависимости условного диаметра коррозионного повреждения от его глубины (рис. 3) и высотного расположения коррозионного повреждения от его глубины.

100 90 80 70

60

Оу, 50 мм

40 30 20 10 о

О 0.5 1 1,5 2 2.5 3 3.5

Ь, мм

Рис. 3. Зависимость условного диаметра коррозионного повреждения от его глубины.

Далее в главе рассмотрено напряженно-деформированное состояние стенки резервуара при коррозионном износе. Для достоверного решения этой задачи предложено выполнять прогноз изменения толщины стенки при равномерной сплошной коррозии по следующей зависимости:

А(/) = Ав - V/. (1)

где И0 - начальная толщина; V = v0■eaa - скорость коррозии с учетом действия напряжения о; а - константа материала; у0- скорость коррозии ненапряженного элемента; еаа - поправка Гутмана; I - время эксплуатации.

Анализ результатов расчета по формуле (1) показал, что наибольшая глубина коррозионных повреждений стенки возможна в зоне действия максимальных напряжений, т.е. на высоте П),7 м от уторного шва. При этом необходимо отметить тот факт, что высота коррозионных повреждений первого пояса стенки резервуаров, эксплуатируемых в ОАО «Сибнефтепровод», на практике не превышает 0,3 м.

Опыт диагностирования РВС показывает, что для отдельных групп резервуаров, эксплуатируемых в равных условиях без применения антикоррозионной защиты, можно выполнить прогноз изменения толщины в зависи-

мости от срока эксплуатации. Для подтверждения практического опыта были выполнены сравнительные расчеты по приведенной методике. Например, для РВС-20000, эксплуатируемого без антикоррозионной защиты в течение 20 лет, максимальная глубина коррозии составит 5 мм. Эти результаты хорошо согласуются с опытом диагностирования РВС.

Оценка степени концентрации напряжений в зоне коррозионной язвы выполнялась по формулам:

^тах ~~ ® нетто ' ^ст '

Ь (2)

^ нетто ® и > '

И-а

где о„ - номинальное напряжение; Л - толщина вне язвы; а - глубина язвы. Теоретический коэффициент концентрации напряжений а„ вычисляем:

. . Ь И <*„ =1+2.1—•

а =1 + 4

р Л-6

ь И V и-ь .

и-ь

при Ь<|; (3)

при Ь>(4)

. ,„Ь 1,12-0,96% , ...

а. =1 + 3,57----р-^-гг при ¿<с<10<1,

й 1-ул(1-и%) (5)

где с - длина язвы; й - ширина язвы; Ъ - глубина язвы; р - радиус закругления в вершине.

По приведенной методике была оценена степень концентрации напряжений в зоне коррозионных язв, геометрические параметры которых получены при исследовании РВС-20000 №5 ЛПДС «Торгили». Установлено, что коэффициент концентрации изменяются в пределах 1,4...2,1, а максимальные напряжения составят 239,9 МПа, что не превышает предела текучести материала стенки резервуара.

В третьей главе описаны лабораторные и экспериментальные исследования влияния наплавки на склонность металла к хрупкому разрушению,

выполненные автором. Проанализировав производственный опыт, был сделан вывод, что при сравнительно небольших затратах можно отремонтировать наплавкой изношенные детали машин и металлических конструкций, что позволяет восстановить их работоспособность. Способы наплавки зависят от типа производства, условий проведения работ (полевые, производственные), размеров и форм деталей и узлов, наличия оборудования и сварочных материалов.

Однако для резервуаров подобных методов ремонта до настоящего времени не было разработано. Поэтому для исследования влияния глубины наплавки на свойства металла был выполнен ряд исследований.

Для оценки влияние сварки на склонность металла к хрупкому разрушению исследованию подвергались образцы, имеющие различные значения

отношения то~н~вно"оГм°^а"лаЛа • При этом работа разрушения А^

может быть представлена, как сумма работ, затрачиваемых на образование Аобр и распространение трещины Ар. Соотношение между величинами этих составляющих определяется не только природой стали, но также формой образца, видом надреза, условиями испытания. При остром надрезе, для зарождения трещины потребуется небольшая энергия и ударная вязкость будет определяться, главным образом, работой распространения трещины Ар. В другом крайнем случае, при отсутствии надреза, ударная вязкость будет определяться только работой зарождения трещины А^. Работа зарождения трещины больше работы, затрачиваемой на распространение трещины.

Работу распространения трещины Ар определяли следующим образом. При каждой температуре испытывали два вида образцов — один стандартный с радиусом надреза И=\ мм, другой с /?-0,1 мм. После испытаний строили графики, по которым путем экстраполяции определялась работа распространения трещины при нулевом радиусе надреза. Схема определения работы распространения трещины показана на рис.4.

Работа разрушения образца с Я=1

О 0,1 1 Я, мм

Рис. 4. Схема определения работы распространения трещины.

Испытания проводили при температурах 20°, 0°, минус 20°, минус 40° и минус 60°С. Испытания на ударную вязкость проводили на маятниковом копре МК-30.

Влияние глубины наплавки на величину ударной вязкости изучали следующим образом. В пластинах размером 55x12x300 мм, вырезали пазы размером 15хй, где А — глубина паза. Глубина паза составляла 1,2,3,4,5,6,7 и 8 мм. Пластины с нарезанными пазами показаны на рис.5. После этого производили наплавку и выполняли испытания. Количество образцов в одной серии испытаний составило 240 штук.

Рис. 5. Вид пластин с нарезанными пазами.

По результатам испытания установлено, что при 0°С работа разрушения более сильно зависит от радиуса надреза, чем при комнатной температуре. При температурах минус 20°, минус 40° и минус 60°С наблюдается следующая закономерность (рис. 6): работа разрушения у основного металла оказывается ниже, чем у образцов с наплавкой.

А, Дж-10 24 22 20 18 16 И 12 10 8 б 4 2

О

А ра :пр т «иг

= 1 ММ

'•V

,1 мм

1 2345678 Ь, мм

а) при 20°С

А,Джх10, 24 22 20 . 18 16 . 14 . 12 . 10 8 6 4 2.

О

Ар

1=1

Ретууктгп^ наг^рньгс

ист.

V

Зпчент, регламен. гарошнмые ГОСТ дм основного

■1=0,1 мм

1 234 5678 Ь, мм

б) при минус 40°С

Рис.6. Влияние глубины наплавки и радиуса надреза на работу разрушения и работу распространения трещины при различных температурах испытания:

При увеличении наплавки до 3-х мм работа разрушения растет, а затем начинает уменьшаться и при глубине наплавки 8 мм работа разрушения у образцов становится немного ниже, чем у основного металла. При этих температурах работа разрушения очень сильно зависит от радиуса надреза. Необходимо отметить, что радиус надреза 11=0,1 мм - достаточно острый и экстраполяция на нулевое значение радиуса незначительно изменяет работу разрушения образцов. Наплавка глубиной до 3 мм не только не ухудшает свойства металла, а наоборот повышает ударную вязкость образцов. Дальнейшее повышение глубины наплавки до 8 мм понижает ударную вязкость. Но и в этом случае значения ударной вязкости намного превышают значе-

\

\

I

ния, регламентированные ГОСТ. Причем, необходимо отметить, что при глубине наплавки 8 мм образец по всему сечению состоит из наплавленного металла. Тем не менее работа разрушения этого образца выше значений, регламентированных ГОСТ.

Установлено, что максимум на кривой зависимости работы разрушения от глубины наплавки обусловлен следующими причинами. При наплавке идут два процесса, по разному влияющие на склонность стали к хрупкому разрушению. С одной стороны при наплавке происходит нагрев образца. Причем, чем больше величина наплавленного металла, тем выше температура нагрева образцов. Нагрев образцов приводит к снижению внутренних напряжений, возникающих в металле. В результате этого процесса склонность металла к хрупкому разрушению уменьшается. С другой стороны — при наплавке ухудшается структура, причем тем сильнее, чем больше глубина наплавки. Этот процесс усиливает склонность к хрупкому разрушению. Сумма двух процессов и дает максимум на кривой зависимости работы разрушения от глубины наплавки.

Таким образом, результаты, полученные в лабораторных условиях, позволили сделать следующие выводы:

1. Свойства металла в местах наплавки в лабораторных условиях выше значений, регламентированных ГОСТ. Это дает основания рекомендовать сварку для ремонта коррозионных раковин, образовавшихся в резервуарах для хранения нефтепродуктов при длительной эксплуатации.

2. Работа распространения трещины в сталях, применяемых для сооружения резервуаров, при температурах минус 40°С падает до нуля. С целью повышения надежности резервуаров после их монтажа и ремонта необходимо проводить специальные мероприятия, такие как тепловая обработка для снятия внутренних напряжений, возникающих в металле, либо термокомпенсация РВС в зимнее время года, например, нефтью (не допускать полного опорожнения).

З.Для наиболее достоверного обоснования применения электродуговой наплавки для ремонта металлических конструкций резервуаров необходимо выполнить промышленный эксперимент на реальном РВС при выполнении капитального ремонта.

В четвертой главе приведены результаты промышленного эксперимента на реальном резервуаре, выполненного в ходе его капитального ремонта при участии автора.

Для эксперимента был выбран РВС-20000 №2 ЛПДС "Торгили". С наружной стороны резервуара по специальной технологии были установлены тензометрические датчики (рис. 7). Заплавлялся участок 170x100 мм в 100 мм от уторного шва. Предварительно удалили коррозию шлифмашинкой на глубину, превышающую на 1 мм глубину максимально глубокой каверны.

14 вертмкачыюго шва на РВС-20000 №2 ЛПДС «Торгили».

Поскольку величина деформации металлоконструкции заранее не прогнозировалась, исходили из того, что погонная энергия наплавки должна быть минимальна. При этом предполагалось, что деформации металлоконструкции минимизируются и сварочная ванна будет более однородна, но по-

скольку исследовались "пограничные" состояния, то наплавку выполняли электродами 4 мм на токе 110-120 А за 5 проходов. Как выяснилось впоследствии, при таких режимах сварки происходит частичный самоотпуск, что плодотворно воздействует на изменение пластических свойств стали 09Г2С.

Результаты измерения деформации показали, что в окрестностях зоны наплавки напряжения изменяются в пределах 10-15 МПа (при стт=330 МПа), что находится в пределах погрешности результатов измерений. Таким образом было доказано, что напряжения в конструкции при наплавке носят локальный характер и не оказывают сколько-нибудь заметных изменений в НДС конструкции в целом. Это касается и листов окрайки.

Затем из стенки резервуара вырезали фрагмент и изготовили из него образцы, на которых исследовали микроструктуру металла и определили механические свойства: пределы прочности и текучести, относительное удлинение и сужение, а также ударную вязкость при комнатной и отрицательных (0, минус 20, минус 40, минус 60, минус 80 °С) температурах. По результатам микроструктурного анализа сделаны следующие выводы:

1. Серьезных дефектов таких как непровары, неметаллические включения, видманштетгова структура в наплавленном металле не обнаружено;

2. Стенка в месте наплавки прогрелась на всю толщину. Поэтому структура основного металла за наплавленным металлом отличается от структуры металла не испытавших температурных воздействий от наплавки.

3. Температура нагрева на наружной поверхности основного металла в месте наплавки достигала 650...700 °С, что привело к рекристаллизации металла. Поскольку наплавка выполнялась без дополнительной теплоизоляции, то степень деформации на наружной поверхности резервуара составила «7%, что является критической величиной и зерна выросли при нагреве до 650... 700 °С.

4. В результате выполнения промышленного эксперимента металлографическими исследованиями не установлено ограничений к широкому

промышленному применению ремонтов металлоконструкций РВС методом электродуговой наплавки.

5. Основным дефектом наплавленного металла является сильная разно-зернистость, что теоретически должно приводить к ухудшению механических свойств металла в месте наплавки, поэтому на следующем этапе исследовались изменения прочностных свойств металла.

Для исследования изменения прочностных свойств использовались стандартные образцы, вырезанные из стенки реального резервуара после выполнения промышленного эксперимента. Испытывались образцы из основного металла и с наплавленными зонами. Испытание на растяжение проводили на плоских образцах, на машине Р-10. Испытания проводили при комнатной температуре по ГОСТ 1497-78. Результаты испытаний представлены в табл. 1.

Таблица 1

Механические свойства и производные величины для стали 09Г2С

по ГОСТ и полученные при исследовании

Состояние металла ст., МПа МПа 5,% 0,4-5

ГОСТ 19282-73 460 330 0,72 21 — 8,4

Основной металл 556 358 0,64 33 56 13,2

Наплавленный металл 576 421 0,73 23 40 9,2

Испытания на растяжение показали, что прочность наплавленного металла несколько выше, а пластичность — ниже, чем у основного металла. Повышение прочности связано с нагревом металла до высоких температур, при которых происходит растворение углерода в твердом растворе, а переход углерода из перлита в твердый раствор приводит к повышению прочности и снижению пластичности.

Ударную вязкость определяли на стандартных образцах (ГОСТ 945478) размером 10x10x55 мм с радиусом надреза 1 мм. Испытания проводили на маятниковом копре МК-30. Отрицательные температуры получали с помощью жидкого воздуха. В качестве охлаждающей жидкости использовали авиационный керосин. Температуру замеряли низкотемпературным градусником. Для термостатирования образцы выдерживались при заданной температуре 15 мин и быстро переносились из термостата на копер.

Результаты испытаний показали (рис. 8), что при комнатной температуре значение ударной вязкости у наплавленного металла даже выше, чем у основного металла. Причем следует отметить, что при изготовлении ударных образцов из наплавленного металла надрез (глубиной 2 мм) делался со стороны основного металла для того, чтобы сохранить наплавленный слой и усилить его влияние на величину ударной вязкости и, не смотря на это, значения ударной вязкости наплавленных образцов выше, чем у образцов из основного металла.

<3, Дж/см2

70-60 50 + 40 30 20 10

-80 -60 -40 -20 0 20 Т,°С Рис. 8. Влияние температуры на величину ударной вязкости основного (-) и наплавленного (-----) металла.

В целом по главе сделан вывод, что с точки зрения механических свойств наплавку можно рекомендовать для ремонта коррозионных повреждений стальных резервуаров, но по результатам фрактографического анализа изломов ударных образцов с наплавленным металлом глубина наплавки не должна превышать 0,6 I (где I — толщина стенки резервуара).

В пятой главе предложено практическое внедрение результатов исследований при ремонтах металлоконструкций резервуаров, имеющих коррозионные повреждения.

Показано, что снижение допустимых уровней налива РВС может быть использовано как временный метод ремонта коррозионных повреждений металлоконструкций РВС. Получены зависимости между напряжениями, действующими в стенке резервуара, и высотой налива нефти с учетом глубины коррозионных повреждений.

Описана аналитическая модель и выполнены расчеты, обосновывающие возможность выполнения ремонта металлоконструкций с коррозионными повреждениями при помощи бандажа, как временной меры для сохранения несущей способности стенки резервуара до следующего капитального ремонта (рис. 9).

о„„, МПа ft¡, М2

13 12 11 10 9 8 7

Фактическая толщина стенки, мм

Рис. 9. Зависимость максимальных напряжений в стенке резервуара (—) и минимальной площади поперечного сечения бандажа (—) от фактической толщины стенки: 1,2- РВС-20000; 3,4 - РВС-10000.

В главе разработана технология восстановления проектной толщины стенки резервуара методом электродуговой наплавкой, которая получила опытно-промышленное внедрение на ЛИДС «Западный Сургут» при капитальном ремонте РВС-20000 №4, что позволило получить подтвержденный экономический эффект в размере 233252 рубля. На основе проведенных исследований разработан проект руководящего документа, регламентирующего ремонт металлоконструкций резервуаров методом электродуговой наплавки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1.В результате статистической обработки результатов экспериментальных исследований получены зависимости условного диаметра и высотного расположения коррозионных повреждений стенки от их глубины.

2. Предложена методика прогнозирования развития сплошной коррозии и степени концентрации напряжений в зоне коррозионной язвы металлоконструкций резервуара.

3. В результате исследования механических свойств основного и наплавленного металла установлено, что при электродуговой наплавке происходит увеличение предела текучести на 17-19 %, предела прочности на 4-6 % и ударной вязкости на 13 %. При этом все значения механических характеристик металла, наплавленного на форсированных режимах и при отсутствии теплоизоляции, выше нормируемых значений для основного металла.

4. Экспериментально доказано, что наплавка глубиной до 3 мм повышает ударную вязкость образца в целом. Дальнейшее увеличение глубины наплавки несколько понижает значения ударной вязкости, однако и в этом случае значения превышают требования ГОСТ 19282-73. Экспериментальные исследования работы разрушения и распространения трещины в интервале температур минус 60°С ... + 20°С показали, что при температуре минус

40°С работа распространения трещины падает до нуля, как у основного, так и у наплавленного металла.

5. Выполнено опытно-промышленное внедрение технологии восстановления проектной толщины стенки резервуара электродуговой наплавкой на ЛПДС «Западный Сургут» при капитальном ремонте РВС-20000 №4 и получен подтвержденный экономический эффект в размере 233252 рубля. По результатам исследований разработан проект руководящего документа, регламентирующий электродуговую наплавку в качестве метода ремонта металлоконструкций резервуаров, имеющих коррозионные повреждения.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Никишин A.B., Хоперский Г.Г., Саяпин М.В., Овчар З.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния РВС-20000, имеющего несовершенства геометрической формы. Тез. докл. международной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири". - Тюмень, 1996.

2. Никишин A.B., Овчар З.Н., Саяпин М.В. Исследование возможности применения сварки для ремонта резервуаров, пораженных коррозией. Тез. докл. региональной научно-технической конференции "Новые материалы и технологии в машиностроении". - Тюмень, 1997.

3. Никишин A.B., Сапухин В.А. Исследование возможности использования покрытий фирмы "Диамант" для ремонта резервуаров, пораженных коррозией. Тез. докл. региональной научно-технической конференции "Новые материалы и технологии в машиностроении". - Тюмень, 1997.

4. Никишин A.B., Тарасенко A.A., Макаров А.И. и др. Методы ремонта элементов конструкций стальных вертикальных цилиндрических резервуаров после длительной эксплуатации / Инструкция АООТ "Сибнефтепровод". -Тюмень, 1997.-264 с.

5. Никишин A.B., Тарасенко A.A., Прокофьев В.В., Николаев H.B. и др. Ремонт РВС / Электронный учебник на CD-диске. - Тюмень, 1997.

6. Никишин A.B., Хоперский Г.Г., Саяпин М.В. Исследование возможности применения сварки для ремонта коррозионных повреждений металлоконструкций резервуаров // Известия вузов / Нефть и газ. - 1997, № 6.

7. Никишин A.B., Кораблев В.А., Овчар З.Н. Изменение свойств сталей объектов транспорта нефти после длительной эксплуатации. Тез. докл. I международной научно-практической конференции «Безопасность транспортных систем». - Самара, 1998.

8. Никишин A.B., Овчар З.Н., Саяпин М.В. Исследование возможности применения наплавки для ремонта резервуаров, пораженных коррозией. Тез. докл. XIV Уральской школы металловедов-термистов «Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов». — Ижевск, 1998.

9. Никишин A.B., Овчар З.Н., Саяпин М.В. Ошибки монтажа, приводящие к снижению эксплуатационной надежности резервуаров. Тез. докл. I международной научно-практической конференции «Безопасность транспортных систем». - Самара, 1998.

10. Никишин A.B., Сапухин В.А. Исследование покрытий фирмы «Диамант» для ремонта резервуаров, пораженных коррозией. Тез. докл. XIV Уральской школы металловедов-термистов «Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов». - Ижевск, 1998.

Соискатель

Никишин A.B.

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ конструкций резервуаров, эксплуатируемых на объектах трубопроводного транспорта Западно-Сибирского региона.

1.2. Методы защиты резервуаров от коррозии.

1.3. Анализ отечественной и зарубежной нормативной документации, регламентирующей параметры коррозионных повреждений металлоконструкций.

1.4. Анализ методов ремонта резервуаров на примере ОАО «Сибнефтепровод».

1.5. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ РЕЗЕРВУАРА ПРИ КОРРОЗИОННОМ ИЗНОСЕ.

2.1. Статистический анализ результатов технического диагностирования резервуаров.

2.2. Напряженно-деформированное состояние резервуара при коррозионном износе.

2.2.1. Обзор работ, посвященных коррозионному износу.

2.2.2. Определение напряжений при сплошной коррозии.

2.2.3. Определение напряжений при язвенной коррозии.

ВЫВОДЫ ПО 2 ГЛАВЕ.

ГЛАВА 3. ЛАБОРАТОРНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ НАПЛАВКИ НА СКЛОННОСТЬ МЕТАЛЛА К ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ.

3.1. Применение наплавки в промышленности.

3.2. Методика испытаний.

3.3. Результаты испытаний.

3.3.1. Работа наплавленного металла на сжатых волокнах.

3.3.2. Работа наплавленного металла на растянутых волокнах.

ВЫВОДЫ ПО 3 ГЛАВЕ.

ГЛАВА 4. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СВАРКИ ДЛЯ РЕМОНТА РЕЗЕРВУАРОВ.

4.1. Промышленный эксперимент по ремонту стенки РВС-20000 методом электродуговой наплавки металла.

4.2. Результаты металлографического исследования.

4.2.1. Структура наплавленного металла.

4.2.2. Структура слоя неполного расплавления.

4.2.3. Структура слоя перегрева.

4.2.4. Структура слоев нормализации и неполной перекристаллизации

4.2.5. Структура слоя рекристаллизации.

4.2.6. Выводы по результатам микроструктурного анализа.

4.3. Исследование механических свойств металла в месте наплавки.

4.4. фрактографический анализ изломов образцов.

4.5. Электродные потенциалы в зоне наплавки.

ВЫВОДЫ ПО 4 ГЛАВЕ.

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ РЕМОНТАХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ РЕЗЕРВУАРОВ, ИМЕЮЩИХ КОРРОЗИОННЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ.

5.1. Снижение допустимых уровней налива РВС в зависимости от глубины коррозионных повреждений.

5.2. Восстановление несущей способности усилением стенки резервуара бандажами.

5.3. Восстановление проектной толщины стенки резервуара электродуговой наплавкой.

5.4. Практическая реализация выполненных исследований.

ВЫВОДЫ ПО 5 ГЛАВЕ.

Каждая шестая доменная печь работает на коррозию — таков итог пагубного действия коррозии, приводящей к разрушению конструкций, понижению качества продукции, а также к авариям и несчастным случаям на производстве /33/.

Коррозия — это процесс разрушения металлов вследствие химического, электрохимического или биохимического взаимодействия их с окружающей средой. Коррозия протекает самопроизвольно согласно законам кинетики возможных термодинамических реакций и приводит к понижению свободной энергии металла, в результате чего образуются более устойчивые в термодинамическом отношении соединения. Термин «коррозия» произошел от латинского слова «сошшо» — разъедание.

В России ежегодные прямые убытки от коррозии сопоставимы с вложениями в наиболее крупные отрасли народного хозяйства. Размеры косвенных убытков значительно выше. Принято считать /60/, что около 10 % массы ежегодного производства черных металлов расходуется на возмещение потерь металлов от коррозии. Расходы, связанные с изготовлением конструкций, многократно превышают стоимость разрушенного металла. Ремонт сооружений, как правило, исключительно дорогостоящее мероприятие из-за больших затрат труда и применения дорогих дефицитных материалов. Наряду с прямыми и косвенными убытками практически всегда имеются не поддающиеся экономической оценке последствия коррозии: загрязнение окружающей среды (в результате утечки нефти и нефтепродуктов, газов, сточных вод и т.д.), аварийные ситуации в промышленности и на транспорте, обеднение природных ресурсов, понижение плодородия почв и др.

Исследованиям механизма коррозии металлов и вопросами защиты резервуаров и трубопроводов от коррозии посвящены труды отечественных 6 ученых Гутмана Э.М. /26, 27, 28/, Абдулина И.Г. /1/, Ажогина Ф.Ф. /2/, Боро-давкина П.П. /10/, Буренина В.А. /12, 13, 14/, Гоника A.A., Худякова М.А. /22/, Зиневича А.М. /33/, Тарасенко A.A. /86, 90, 92/, Яковлева А.И. /102/ и других, а также зарубежных исследователей Кариуса К. /108/, Эванса У.Р. /111, 112, 113/, Улига Х.Х /123/ и др.

По данным работы /11/, в системе трубопроводного транспорта нефти постоянно находится в ремонте около 20 % всех резервуаров, а оставшийся резервуарный парк эксплуатируется с ограничением уровня заполнения в среднем на 15 % с целью обеспечения гарантий безаварийной эксплуатации. Таким образом, по причине низкой надежности в системе трубопроводного транспорта нефти не используется около 30 % емкостей резерву арного парка, что при недостаточной резервуарной обеспеченности /15, 17, 31, 87/ существенно снижает эффективность системы трубопроводного транспорта в целом.

Некоторыми авторами установлена тенденция увеличения числа внезапных отказов РВС, удорожание ремонтов и увеличение объема ремонтных работ. Исследования, проведенные в /89/, показывают, что основной причиной резкого снижения уровня эксплуатационной надежности и эффективности РВС является изношенность основных фондов. Например, в ОАО «Сиб-нефтепровод» свыше 20 лет, т.е. с превышением нормативного срока эксплуатации, функционируют 74 резервуара (49,7 %) общей емкостью 1110 тыс. м (табл. В. 1, рис. В. 1).

Без сомнения существенную помощь в решении проблемы коррозии может оказать прогнозирование процесса развития коррозии металлов на длительные сроки (до 100 лет) на основе сравнительно кратковременных испытаний, а также использование справочных данных. Однако сложность и многообразие форм коррозионных процессов служат серьезным препятствием для научно обоснованного прогнозирования коррозии металлов. Справочные данные и методики, как правило, относятся к технически чистым металлам и стандартным сплавам в простых (чистых) коррозионных средах, а еле

Рис.В.1. Распределение резервуарной емкости ОАО «Сибнефтепровод» по сроку эксплуатации. 8

Коррозию относят к поверхностным явлениям и классифицируют по тем изменениям, которые происходят с поверхностью металла в результате протекания процесса коррозии.

При взаимодействии всей поверхности металла с окружающей средой наблюдается общая, или сплошная, коррозия, а при взаимодействии части поверхности — местная, или локальная.

Различают два вида общей коррозии — равномерную и неравномерную. При общей неравномерной коррозии вся поверхность металла покрыта продуктами коррозии, под которыми имеются более глубокие поражения— каверны. К этому же виду, коррозии относится и структурно-избирательная коррозия, когда один из компонентов сплава растворяется с большей скоростью, чем другой.

Местная (локальная) коррозия характеризуется разрушением отдельных участков поверхности металла, причем она бывает нескольких видов /38/:

- коррозия пятнами, когда диаметр пятна значительно превышает глубину проникновения коррозии;

- язвенная коррозия, при которой диаметр пораженного участка соизмерим с глубиной проникновения;

- точечная (питтинговая) коррозия, когда диаметр пораженного участка значительно меньше глубины проникновения;

- межкристаллитная коррозия, когда разрушение сосредоточено по границам зерен.

Местная коррозия более опасна, чем общая, так как при сравнительно небольших потерях металла полностью выходят из строя дорогостоящие конструкции.

Механические воздействия на металл (внешние воздействия, внутренние напряжения, вибрация) ускоряют коррозионный процесс; в таких случаях наблюдаемое разрушение конструкций называют коррозией под напряжени9 ем (коррозионное растрескивание) и коррозионной усталостью. Разрушение металлов может протекать по границам кристаллитов или в их толще. В последнем случае коррозия называется транскристаллитной.

В зависимости от условий контактирования металла с коррозионно-активными растворами различают коррозию

- при полном погружении;

- при неполном погружении;

- при периодическом погружении;

- струйную.

С ростом добычи нефти значительно увеличился объем строительства стальных наземных емкостей для хранения нефти и нефтепродуктов. Добыча нефти увеличивалась главным образом за счет крупных нефтяных месторождений восточных районов страны. Отличительной чертой нефтей этих районов является большое содержание в них сернистых соединений, хлоридов, карбонатов, механических примесей и воды.

В настоящее время основной объем нефти добывается методом поддержания пластового давления (ППД) с применением заводнения нефтяных пластов различными поверхностными водами. Повышение нефтеотдачи путем заводнения пластов без стерилизации закачиваемых вод приводит к весьма опасной ситуации — заражению пластов и нефтяных скважин корро-зионно-опасными микроорганизмам, такими как сульфатовосстанавливаю-щие бактерии, тионовые бактерии, углеводородоокисляющие бактерии и другие. При заводнении, попадая через системы ППД в нефтяные пласты, бактерии формируют свой биоценоз, который со временем в значительных количествах продуцирует биогенный сероводород, вызывающий коррозию всего нефтепромыслового оборудования.

Особую тревогу вызывают коррозионные разрушения нижних поясов у резервуаров для хранения нефтепродуктов. Положение осложняется еще и тем, что на нефтяных месторождениях Урала, Поволжья и Западной Сибири

10 большинство РВС изготовлено из стали 09Г2С, которая характеризуется низкой коррозионной стойкостью.

Результаты бактериологического анализа, выполненного в резервуар-ных парках Нижневартовского УМН показали, что в 1996 г. многие резервуары были заражены микрофлорой: Самотлорский парк — на 92 %, Урьев-ский — на 96 %, Нижневартовский — на 76 %.

Нефти, содержащие большое количество серы (сернистые и высокосернистые нефти), являются весьма агрессивными средами, вызывающими коррозионные разрушения резервуаров изнутри.

Первой подготовкой нефтей к переработке является так называемый холодный отстой в резервуарах, расположенных на промыслах. Это позволяет значительно снизить содержание воды и соли.

При хранении нефти в стальных резервуарах происходит отстой. Вода, содержащаяся в нефти, собирается в нижней части резервуара, образуя так называемый слой подтоварной воды, содержащей соли и сернистые соединения.

Верхние пояса и кровля стальных резервуаров подвергаются коррозии паровоздушной среды. Вопросы коррозии и защиты верхних поясов и кровли стальных резервуаров подробно освещены в литературе и в данной работе не рассматриваются.

Как известно, образование подтоварной воды в резервуарах с сернистой нефтью приводит к появлению коррозии, носящей электрохимический характер. При этом необходимо отметить, что составные части нефти — парафины, углеводороды ароматические и непредельные — коррозионно не активны к металлам вообще и к железу в частности. Например, резервуары без внутренней антикоррозионной защиты, используемые для хранения только малосернистой нефти Шаимского месторождения и эксплуатируемые на НПС «Тюмень-Ш» уже более 30 лет на нефтепроводе Шаим-Тюмень, совер

11 шенно не имеют признаков действия какой-либо коррозии на внутренней поверхности стенки и днища.

Актуальность работы. Опыт эксплуатации резервуаров предприятий трубопроводного транспорта Западной Сибири показал, что коррозионные повреждения нижних поясов и днищ резервуаров наблюдаются весьма часто и уже через 8-10 лет могут привести к сквозным дефектам, при благоприятных для развития коррозии условиях (агрессивные примеси в нефти, повышенное содержание воды и т.п.).

Сквозные дефекты днищ и стенок резервуаров, образовавшиеся в результате коррозии металлоконструкции, могут привести к потере нефти и нефтепродуктов, при этом нарушается нормальная работа резервуаров и создаются условия возникновения пожаров.

Один из способов борьбы с коррозией — это применение антикоррозионной защиты. До недавнего времени в качестве защитного покрытия внутренней поверхности стенки и днища РВС широко использовался материал "Спрут", который на практике оказался низкоэффективным.

В настоящее время большое внимание уделяется антикоррозионной защите резервуаров, но как показывает опыт эксплуатации, возрастает доля ремонтов, связанных с устранением коррозионных повреждений. Это связано с тем, что при сооружении резервуаров антикоррозионной защиты внутренней поверхности стенки и днища не было, либо в ее в качестве использовался материал "Спрут", нанесение которого предполагало высокое качество подготовки поверхности. Однако эти требования зачастую не выполнялись, что сводило практически к нулю эффективность покрытия, а в некоторых случаях, даже усиливало скорость коррозии, вследствие щелевого эффекта.

Ремонт коррозионных повреждений, как правило, выполняется заменой металлоконструкций РВС, что требует значительных материальных и трудовых вложений. Например, за 1998 год был выполнен ремонт 11 резервуаров с заменой части первого пояса стенки, при этом затраты только на металло

12 прокат в среднем составили свыше 1,5 млн. руб. на 1 РВС. Поэтому совершенствование методов ремонта резервуаров с коррозионными повреждениями является актуальной задачей.

Научная новизна работы заключается в результатах выполненных промышленных и лабораторных экспериментов, впервые полученных автором. Основными из них являются:

1. Выполнен статистический анализ результатов измерения коррозионных повреждений резервуаров системы трубопроводного транспорта Западной Сибири, установлены зависимости геометрических размеров и месторасположения коррозионных язв от глубины поражения;

2. Установлено и изучено влияние глубины наплавки на изменение величины ударной вязкости отремонтированного участка и на работу распространения трещины;

3. Установлены зависимости свойств наплавленного металла от условий и температуры эксплуатации;

4. Исследовано влияние наплавки на изменение механических свойств металла;

5. Обоснована возможность применения наплавки для ремонта коррозионных повреждений резервуаров.

Практическая ценность. Научно обосновано применение электродуговой наплавки — как метода ремонта коррозионных повреждений металлоконструкций резервуаров, позволяющего значительно снизить трудоемкость и стоимость работ.

По результатам исследований разработан проект руководящего документа, регламентирующего применение наплавки при ремонте коррозионных повреждений металлоконструкций резервуаров.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» в г. Тюмени, 1996 г.; региональ

13 ной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» в г. Тюмени, 1997 г.; XIV Уральской школе металловедов-термистов «Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов» в г. Ижевске, 1998 г.; 1-ой международной научно-практической конференции «Безопасность транспортных систем» в г. Самаре, 1998 г. Основное содержание работы опубликовано в 10 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 198 страниц, в том числе 73 рисунка, 24 таблицы, список литературы содержит 124 наименований, в том числе 22 — на иностранных языках.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В результате статистической обработки результатов экспериментальных исследований получены зависимости условного диаметра и высотного расположения коррозионных повреждений стенки от их глубины.

2. Предложена методика прогнозирования развития сплошной коррозии и степени концентрации напряжений в зоне коррозионной язвы металлоконструкций резервуара.

3. В результате исследования механических свойств основного и наплавленного металла установлено, что при электродуговой наплавке происходит увеличение предела текучести на 17-19 %, предела прочности на 4-6 % и ударной вязкости на 13 %. При этом все значения механических характеристик металла, наплавленного на форсированных режимах и при отсутствии теплоизоляции, выше нормируемых значений для основного металла.

4. Экспериментально доказано, что наплавка глубиной до 3 мм повышает ударную вязкость образца в целом. Дальнейшее увеличение глубины наплавки несколько понижает значения ударной вязкости, однако и в этом случае значения превышают требования ГОСТ 19282-73. Экспериментальные исследования работы разрушения и распространения трещины в интервале температур минус 60°С . + 20°С показали, что при температуре минус 40°С работа распространения трещины падает до нуля, как у основного, так и у наплавленного металла.

5. Выполнено опытно-промышленное внедрение технологии восстановления проектной толщины стенки резервуара электродуговой наплавкой на ЛПДС «Западный Сургут» при капитальном ремонте РВС-20000 №4 и получен подтвержденный экономический эффект в размере 233252 рубля. По результатам исследований разработан проект руководящего документа, регламентирующий электродуговую наплавку в качестве метода ремонта металлоконструкций резервуаров, имеющих коррозионные повреждения.

150

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

РВС — резервуар вертикальный сварной

НДС — напряженно-деформированное состояние

НПС — нефтеперекачивающая станция

ЛДПС — линейная производственно-диспетчерская станция

УМН — управление магистральных нефтепроводов

ОАО — открытое акционерное общество

ОАО «СНП» — ОАО «Сибнефтепровод»

МН — магистральный нефтепровод

АК — акционерная компания

ЛКМ — лакокрасочные материалы

РК — радиографический контроль

НТД — нормативно-техническая документация

СВБ — сульфатовосстанавливающие бактерии

ППД — поддержание пластового давления

ИФС — изолирующие фланцевые соединения

151

1. Абдуллин КГ. Коррозионно-механическая прочность нефтегазовых трубопроводных систем. Дисс. докт. техн. наук. -Уфа, 1987.-437 с.

2. Ажогин Ф.Ф., Иванов С.С. Новые достижения в области теории и практики противокоррозионной защиты металлов. Сб. докл. семинара по коррозии. Звенигород, 1980. -М., 1981, с.93.

3. Аистов A.C., Фокин М.Ф. Расчет элементов магистральных нефтепроводов на малоцикловую долговечность // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. 1981, № 6. - С. 19-23.

4. Антипъев В.Н., Стояков В.М., Чепурский В.Н., Ченцов А.Н. Методы определения остаточного ресурса нефтепроводов. -М.:Транспресс,1995. -48 с.

5. Арзунян A.C. Резервуары с безмоментной кровлей для хранения нефти и нефтепродуктов. -М.: ЦНИИТЭнефть, 1956. -С. 72

6. Артамонов В.В., Асеев A.A. Повышение точности интегрирующих АЦП для тензорезисторных датчиков // Приборы и системы управления, -1985, №9. -С.28.

7. Беляев Б.И., Корниенко B.C. Причины аварий стальных конструкций и способы их устранения. -М.: Стройиздат, 1968. -205 с.

8. Березин В.Л., Гумеров А.Г., Ращепкин К.Е., Ясин Э.М. Об эксплуатационной надежности нефтезаводских резервуаров // НТС труды НИ-ИТранспортнефть / Транспорт и хранение нефтепродуктов. -1985, вып.4. -С.204-207.

9. Березин В.Л., Шутов В.Е. Прочность, устойчивость резервуаров и трубопроводов. -М.: Недра, 1973.-198 с.

10. Бородавкин П.П., Садырин Ю.К. Ремонт металлических резервуаров // Научно-технический обзор ВНИИОЭНГ, 1967. -76 с.152

11. Буренин В. А. Прогнозирование индивидуального остаточного ресурса стальных вертикальных резервуаров. Дисс. докт. техн. наук. -Уфа, 1994. -270 с.

12. Буренин В.А., Исламгулова Г.Ф. О характере коррозии листов конструкции стального вертикального цилиндрического резервуара // Тез. докл. сб.: Актуальные проблемы нефти и газа. -Уфа, 1984.-е. 89.

13. Буренин В.А., Исламгулова Г.Ф., Московская O.A. Определение минимально допустимой толщины поясов корпуса стальных вертикальных цилиндрических резервуаров // Тез. докл. сб.: Актуальные проблемы нефти и газа. -Уфа, 1984. с. 89.

14. Буренин В.А., Московская O.A. Определение предельной толщины стенки резервуара // Тез. докл. сб.: Вузовская наука — научно-техническому прогрессу. -Уфа, 1986. с. 4.

15. Веревкин Р.И., Ржавский Е.Л. Повышение надежности резервуаров, газгольдеров и их оборудования. М.: Недра, 1980. - 284 с.

16. Вороненко Б.И. Коррозионное растрескивание под напряжением низколегированных сталей (обзор) II. Влияние легирующих элементов. Защита металлов, 1997, т.ЗЗ, №5, с.472-488.

17. Галеев В.Б. Эксплуатация стальных вертикальных резервуаров в сложных условиях. -М.: «Недра», 1981. -149 с.

18. Галеев В.Б., Сощенко Е.М., Черняев Д.А. Ремонт магистральных трубопроводов и оборудования перекачивающих станций. -М.: Недра, 1965, -208 с.

19. Галеев В.Б., Сощенко Е.М., Черняев Д.А. Ремонт магистральных трубопроводов и оборудования перекачивающих станций // 2 издание. -М.: Недра, 1968, -292 с.

20. Гоник A.A., Худяков М.А. Хрупкое разрушение нижних листов корпусов резервуаров в результате макрогальванической коррозии // Защита от коррозии и охрана окружающей среды. -1995, №10.95. -С. 2-5.

21. ГОСТ Р 51164-98. Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии.

22. Гумеров А.Г. Исследование напряженно-деформированного состояния нефтезаводских резервуаров при их эксплуатации. Дисс. канд. техн. наук. -М., 1968. -123 с.

23. Гумеров А.Г., Зайнуллин P.C., Ямалеев K.M., Росляков A.B. Старение труб нефтепроводов. -М.: Недра, 1995. 218 с.

24. Гутман Э.М. Механохимия металлов и защита от коррозии. -М.: Металлургия, 1981. 270 с.

25. Гутман Э.М., Амосов Б.В., Худяков М.А. Влияние коррозионной усталости материала нефтепроводов на надежность // Нефтяное хозяйство. -1977. с. 59-61.

26. Гутман Э.М., Зайнуллин P.C., Шаталов А.Т. и др. Прочность газопромысловых труб в условиях коррозионного износа. М.: Недра, 1984. - 76 с.

27. Дайчик М.Л., Григоровский H.H., Хуршудов Г.Х Методы и средства натурной тензометрии. -М.: Машиностроение, 1989. -234 с.

28. Должанский П.Р. Контроль надежности металла объектов котлонадзора: Справочное пособие. -М.: Недра, 1985. 263 с.

29. Ентус Н.Р. Техническое обслуживание и ремонт резервуаров. -М.: Химия, 1982.-238 с.

30. Закс Jlomap. Статистическое оценивание. -М., Статистика, 1976.154

31. Зиневич A.M., Глазков В.И., Котик ВТ. Защита трубопроводов и резервуаров от коррозии. М.: Недра, 1975. - 288 с.

32. ЪА. Корниенко B.C., Поповский Б.В. Сооружение резервуаров. -М.: Стройиздат, 1971. -224 с.

33. Крамер Г. Математические методы статистики. -М.: Статистика,1976.

34. Куров О.В., Василенко И.И. Защита металлов. 1981, т.17, №3, с.266.

35. Кушнаренко В.М., Масюто О.М. О механизме серводородного растрескивания сталей //Металловедение и термическая обработка металлов. -1993.-№2, с.5-8.

36. Кушнир В.Н., Попов Г.И., Неволин В.Г. Коррозия и защита оборудования систем подготовки нефти и сточных вод // Обзорная информация ВНИИОЭНГ / Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. М.: ВНИИОЭНГ, 1978.-72 с.

37. Лизин Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. -М.: Машиностроение, 1985, -202 с.

38. Московская O.A. Разработка методов оптимизации сроков технического обслуживания и ремонта стальных вертикальных резервуаров. Дисс. канд. техн. наук. -Уфа, 1984.

39. Никишин A.B., Кораблев В.А., Овчар З.Н. Изменение свойств сталей объектов транспорта нефти после длительной эксплуатации. Тез. докл. I ме155жду народной научно-практической конференции «Безопасность транспортных систем». Самара, 1998.

40. Никишин A.B., Овчар З.Н., Саяпин М.В. Исследование возможности применения сварки для ремонта резервуаров, пораженных коррозией. Тез. докл. региональной научно-технической конференции "Новые материалы и технологии в машиностроении". Тюмень, 1997.

41. Никишин A.B., Овчар З.Н., Саяпин М.В. Ошибки монтажа, приводящие к снижению эксплуатационной надежности резервуаров. Тез. докл. I международной научно-практической конференции «Безопасность транспортных систем». Самара, 1998.

42. Никишин A.B., Тарасенко A.A., Макаров А.И. и др. Методы ремонта элементов конструкций стальных вертикальных цилиндрических резервуаров после длительной эксплуатации / Инструкция АООТ "Сибнефтепровод". -Тюмень, 1997.-264 с.

43. Никишин A.B., Тарасенко A.A., Прокофьев В.В., Николаев Н.В. и др. Ремонт РВС / Электронный учебник на CD-диске. Тюмень, 1997.156

44. Никишин A.B., Хоперский Г.Г., Саяпин M.B. Исследование возможности применения сварки для ремонта коррозионных повреждений металлоконструкций резервуаров // Известия вузов / Нефть и газ. 1997, № 6.

45. Отчет по хозяйственному договору № 36/97. Измерение наведенного потенциала в резерву арном парке Нижневартовского УМН ОАО "Сиб-нефтепровод". -Екатеринбург, 1997.

46. Попов A.A. Коррозионностойкие стали для морских условий. Защита от коррозии и охрана окружающей среды, 1997, №4-5, с.46-47.

47. Правша и инструкции по технической эксплуатации металлических резервуаров и очистных сооружений. -М.: Недра, 1977. -464 с.

48. Правила речного регистра РСФСР, т. 3. М.: Транспорт, 1989.

49. Правша технической эксплуатации резервуаров и инструкции по их ремонту. -М: Недра, 1988, -269 с.

50. Рассошинский A.A. Металлография сварных швов. -М., "Машгиз", 1961,295 с.

51. Рачев X., Стефанова С. Справочник по коррозии: Пер. с болг. / Перевод Нейковского С.И.; под ред. и с предисл. Н.И. Исаева. М.: Мир, 1982. - 520 с.

52. РД 153-39-030-98. Методика ремонта дефектных участков магистральных нефтепроводов по результатам внутритрубной диагностики.157

53. РД 34.10.130-96. Инструкция по визуальному и измерительному контролю. -М., 1996.

54. РД 34.17.439-96. Методические указания по техническому диагностированию и продлению срока службы сосудов, работающих под давлением. -М., 1996.

55. РД 39-0147103-360-89. Инструкция по безопасному ведению сварочных работ при ремонте нефте- и продуктопроводов под давлением. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1989.

56. РД 39-0147103-356-85. Инструкция по определению периодичности технического обслуживания, ремонта и норм отбраковки стальных вертикальных цилиндрических резервуаров. Уфа, 1986. 44 с.

57. РД 39-0147103-385-87. Правила технической эксплуатации резервуаров магистральных нефтепроводов. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1988. - 282 с.

58. РД 39-110-91. Инструкция по ликвидации аварий и повреждений на магистральных нефтепроводах. Уфа: ИПТЭР, 1992.

59. РД 39-30-1284-85. Руководство по обследованию и дефектоскопии вертикальных стальных резервуаров. -М.:1985.

60. РД 51-108-86. Инструкция по технологии сварки и резке труб при производстве ремонтно-восстановительных работ на магистральных газопроводах. М.: ВНИИГАЗ, 1986.

61. РД-08-95-95. Положение о системе технического диагностирования сварных вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов. -М.: 1995.

62. Рекомендации по восстановлению несущей способности цилиндрических резервуаров способом усиления стенки стальными кольцевыми бандажами. -Астрахань, ЦНИИЛ, 1984.

63. Рекомендации по эксплуатации резервуаров, усиленных методом постановки кольцевых бандажей. -Астрахань, ЦНИИЛ, 1984.158

64. Розенштейн КМ. Аварии и надежность стальных резервуаров. -М.: «Недра», 1995. -253 с.

65. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. -М.: «Наука», 1971. -192 с.

66. Сафарян М.К. Металлические резервуары и газгольдеры. -М. Недра, 1987.-200 с.

67. Сафарян М.К. Сооружение металлических резервуаров. -М.: Недра, 1988. -163 с.

68. Сафарян М.К, Иванцов О.М. Проектирование и сооружение стальных резервуаров. -М., Гостоптехиздат, 1961, -328 с.

69. Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т. / Редкол.: Г.А. Николаев (пред.) и др. М.: Машиностроение, 1979.

70. СНиП2.05.06-85. Магистральные трубопроводы. -М., 1985.

71. СНиП 3.03.01-87. Несущие и ограждающие конструкции // Госстрой СССР. -М., ЦИПТ Госстроя СССР, 1988. -192 с.

72. СНиП 11-23-82. Стальные конструкции. // Госстрой СССР. -М., ЦИПТ Госстроя СССР, 1982.

73. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия // Госстрой СССР. -М., ЦИПТ Госстроя СССР, 1985.

74. Сотников С.Н., Мангушев Р.А. Проектирование и строительство резервуаров на слабых грунтах. М.: ВНИИОЭНГ, -51 с.

75. Справочник по объектам котлонадзора. Под ред. И.А. Молчанова. -М: Энергия, 1974.

76. Тарасенко А.А. Измерительный комплекс ИСД-ТТ. Информационный листок // Экспонат ВДНХ СССР / Павильон "Газовая промышленность" (серебряная медаль).-М.,1991, 4 с.

77. Тарасенко А.А. Исследование свойств защитных покрытий для РВС, применяемых в ОАО "Сибнефтепровод" // Тез. докл. международного семи159нара-совещания "Новые технологии обслуживания и ремонта резервуаров". • М., АК "Транснефть", 1997.

78. Тарасенко A.A. Напряженно-деформированное состояние вертикальных стальных резервуаров при ремонтных работах. -М. Недра, 1999. -286 с.

79. Тарасенко A.A. Напряженно-деформированное состояние крупногабаритных резервуаров при ремонтных работах: Дисс. канд. техн. наук. -Тюмень, 1991,254 с.

80. Тарасенко A.A. Разработка научных основ методов ремонта вертикальных стальных резервуаров: Дисс. докт. техн. наук. -Тюмень, 1999, 297 с.

81. Тарасенко A.A., Зыкова В.К. Исследование коррозии металла резервуара для хранения нефтепродуктов // Тез. докл. региональной научно- технической конференции "Новые материалы и технологии в машиностроении", -Тюмень, ТюмГНГУ, 1997.

82. Тарасенко A.A., Тнмербулатов Г.Н. Устройство для измерения деформаций растяжения и изгиба // Патент Российской федерации № 2047084.

83. Тензорезисторы КФ4 и КФ5. Техническое описание и инструкция по наклейке. -Киев: ПО "Веда", 1988.

84. Тесов H.H. Повышение надежности и долговечности устройств электрохимической защиты подземных трубопроводов от коррозии // Обзорная информация ВНИИОЭНГ / Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. М.: ВНИИОЭНГ, 1979. - 44 с.

85. Халдеев Г.В., Сюр А.Н., Харламов Ю.А., Дорофеев А.Г. Оценка скорости коррозии металла по данным электрохимических измерений // Обзор160ная информация ВНИИОЭНГ / Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. М.: ВНИИОЭНГ, 1979. - 44 с.

86. Хомикомб Р. Пластическая деформация металлов. -М., Изд-во Мир, 1972, 396 с.

87. Черняев В. Д. Состояние и перспективы развития системы магистральных нефтепроводов России // Трубопроводный транспорт нефти. 1995, № 2. - С. 2-8.

88. Черняев В.Д., Черняев КВ., Березин В.Л., Стеклов О.И., Васильев Г.Г. Системная надежность трубопроводного транспорта углеводородов. -М.: Недра, 1997.-517 с.

89. Чикинева Т.Н. О показателях надежности стальных резервуаров для нефтепродуктов // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. 1982, вып. 11.-С. 16-18.

90. Чикинева Т.Н. Оценка долговечности и безотказности стальных резервуаров для нефтепродуктов / Сер. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. М.: ВНИИОЭНГ, 1977. - 28 с.

91. Шутов В.Е. Оптимизация резервуарных конструкций для хранения нефтепродуктов. Автореферат дисс. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук. -М„ МИНХ и ГП, 1983, -37 с.

92. Яковлев А.И. Коррозионное воздействие сероводорода на металлы. -М., ВНИИЭгазпром, 1972. -42 с.

93. API specification for welded oil storage tanks. API Std. 12c, 13th ed„ September 1955. -API. Dallas, 1955, 83 pp. 15 ill., Supplement, 6 pp.161

94. API Standard 650. Welded Steel Tanks for Oil Storage. Ninth Edition, July 1993. Addendum 1, December 1994. Addendum 2, December 1995. Addendum 3, December 1996.

95. API Standard 653. Tank Inspection, Repair, Alteration, and Reconstruction. Manufacturing, Distribution and Marketing Department. Second Edition, December 1995. Addendum 1,December 1996.

96. Carius C. Ber. über die Korrosiostagung. 1935 (VDI-Verlag), 5, 1936, s.61-72.

97. CAN3-Z183-M86. Oil pipeline system.

98. Denham J.B., Rüssel J., Wills C.M.R How to design a 600000 lbs tank. -Hydracarbon Projess, 1968, V, vol.47, №5.

99. Evans U.R. An Introduction to Metallic Corrosion, Arnold, London,1963.

100. Evans U.R. Metallic Corrosion, Passivity and Protection, 2nd edn., Arnold, London, 1946.

101. Evans U.R. The Corrosion and Oxidation of Metals, Edward Arnold, London, 1969.

102. Gackenbach R. E. Materials Selection for Process Plants, Reinhold, New York, 1960.

103. Hepner I.L. Materials of Construction for Chemical Plant. Leonard Hill, London, 1962.

104. Noordhof G. S., reported by U. R. Evans. Proc. International Congress of Pure and Applied Chemistry, London, 5, 743, 1947.

105. Polar I.P. A Guide to Corrosion Resistance, Climax Molybdenum Company, New York, 1961.

106. RabaldE. Corrosion Guide, Eisevier Publishing Company, Amsterdam,1968.

107. Ritter P. Korrosionstabellen nichtmetallischer Werkstoffe SpringerVerlag, Wien, 1956.162

108. Semikawo O.J. Iron and steel Inst. Jap. 1983, №13, p.1357.

109. Sverepa Cf. O. Werkst, u. Korrosion, 9, 533 (1958).

110. Thompson A.W., Bernstein I.M. Advances in corrosion sienca and technology. Ed. Fontana M.G., Staehle R.W.N.Y.; Plenum Press, 1980.

111. UhligH. H. Corrosion and Corrosion Control, Wiley, New York, 1963.

112. Werner M. Werkst, u. Korrosion, 3, 347 (1952).166