автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Средства очистки и контроля внутренних поверхностей резервуаров методом углекислотного бластинга

На правах руштЬси

005007666

Васильцов Артем Сергеевич

СРЕДСТВА ОЧИСТКИ И КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ РЕЗЕРВУАРОВ МЕТОДОМ УГЛЕКИСЛОТНОГО БЛАСТИНГА

¿циальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ЯНВ 2012

Красноярск-2011

005007666

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (г. Красноярск)

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Сургутский институт нефти и газа (филиал) Тюменского государственного нефтегазового университета» (г. Сургут).

Защита диссертации состоится «20> января 2012 года в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.05 при Сибирском федеральном университете по адресу: г. Красноярск, ул. Киренского, 26 в ауд. УЖ 115.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского федерального университета.

Автореферат разослан «Ш> декабря 2011 года.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Подвезенный Валерий Никифорович

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор

Журавлев Валентин Михайлович

кандидат технических наук, доцент

Бразовский Василий Владимирович

Ученый секретарь диссертационного совета

О.В. Непомнящий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсификация деятельности нефтепродукто-обеспечения привела к тому, что существующие технологии уже не обеспечивают требуемых объемов, темпов и качества очистки резервуаров от нефтяных загрязнений, оказываются малоэффективными и высоко затратными. Они также не удовлетворяют требованиям норм промышленной, пожарной и экологической безопасности.

Из проведенного анализа существующих методов очистки наиболее близким, отвечающим требованиям к технологическому процессу, является криогенный бластинг с применением в качестве рабочей среды гранул сухого льда. Впервые идея использования углекислого газа для получения сухого льда возникла в начале XX века, в СССР - была выдвинута советским ученым, профессором Строгановым С.Н. В дальнейшем к работе был привлечен Ленинградский институт холодильной промышленности, составивший проект завода сухого льда. Исследования по вопросам практического применения низкотемпературных свойств диоксида углерода проводили такие ученые как член-корреспонденты АН СССР A.A. Саткевич и И.А. Одинг, доктора наук, профессора JT.M. Розенфельд, А.Г. Ткачев, Н.В. Липин и другие исследователи. Применение твердой фазы диоксида углерода для очистки поверхностей впервые было предложено в конце XX века американским изобретателем Walter Н. Whitlock. Однако отсутствие теоретических (научных) основ метода очистки поверхностей диоксидом углерода, сложность и дороговизна оборудования не способствуют его широкому применению в России.

В связи с этим, разработка теоретических основ, исследование процесса очистки внутренних поверхностей резервуаров методом углекислотного бла-стинга и разработка аппаратных средств для реализации метода являются актуальными задачами, получение результатов которых позволит установить дальнейшую целесообразность широкого применения предлагаемого метода в нефтегазовой отрасли.

Цель работы. Исследование методов очистки внутренних поверхностей резервуаров, разработка алгоритма контроля качества очищенной поверхности и аппаратных средств очистки методом углекислотного бластинга.

Задачи исследований.

1. Исследовать существующие методы очистки резервуаров, определить конструкционно-технологические требования, предъявляемые к резервуарам и процессу их очистки, а также разработать алгоритм контроля качества очищенной поверхности.

2. Разработать математический аппарат, позволяющий определять основные параметры процесса удаления нефтяных загрязнений.

3. Разработать информационно-измерительный комплекс с целью контроля параметров процесса очистки поверхностей, методом углекислотного бластинга.

4. Исследовать метод углекислотного бластинга и уточнить механизм удаления нефтяных загрязнений с внутренних поверхностей резервуаров;

5. Разработать и внедрить криогенную систему очистки внутренних поверхностей резервуаров.

Объект исследований - процесс очистки внутренней поверхности резервуаров методом углекислотного бластинга.

Предмет исследований - повышение качества удаления нефтяных загрязнений с внутренних поверхностей резервуаров, контроль параметров процесса удаления загрязнений и качества очищенной поверхности.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались потенциометрический и частотомерный методы измерения параметров процесса, исследование нефтепродуктов на основе термодинамической теории адгезии, также применялись визуальный и люминесцентный методы контроля.

Достоверность научных положений и выводов, полученных автором, обеспечивается корректным использованием математического аппарата, необходимым объемом экспериментальных исследований, удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментально полученных зависимостей,

4

непротиворечивостью исследованиям других авторов, использованием сертифицированного измерительного оборудования, позволяющего с достаточной точностью осуществлять измерения величин требуемых параметров, обработкой полученных результатов с применением средств вычислительной техники и программного обеспечения. Все выводы и алгоритмы получены со строгим доказательством выдвигаемых положений.

На защиту выносятся:

Алгоритм контроля качества очищенной поверхности.

Научно обоснованный метод очистки внутренних поверхностей резервуаров от нефтяных загрязнений.

Разработанный информационно-измерительный комплекс контроля параметров процесса и качества очищенной поверхности.

Результаты экспериментальных исследований параметров метода углеки-слотного бластинга и уточненный гипотетический механизм удаления загрязнений с внутренних поверхностей резервуаров дисперсной струей диоксида углерода.

Криогенная система очистки внутренних поверхностей резервуаров методом углекислотного бластинга.

Научная новизна:

1. Разработан алгоритм процесса обработки информационных сигналов и предоставления результатов контроля качества очищенной поверхности.

2. Предложен метод аппаратного контроля параметров процесса при очистке поверхностей методом углекислотного бластинга.

3. Предложен и исследован научно обоснованный метод углекислотного бластинга для очистки внутренних поверхностей резервуаров от нефтяных загрязнений.

4. Разработана, внедрена и испытана криогенная система очистки внутренних поверхностей резервуаров, позволяющая значительно уменьшить взрывоопасность процесса очистки.

Значение для теории. Разработаны теоретические основы процесса удаления нефтяных загрязнений с внутренних поверхностей резервуаров методом углекислотного бластинга.

Значение для практики. Предложенный метод очистки углекислотным бластингом и разработанная криогенная система, могут быть применены в отраслях нефтедобычи и нефтепереработки. Результаты диссертационной работы внедрены на АЗС №1 ООО «Ачинскнефтепродукт», что подтверждено актом внедрения.

Личный вклад автора. Автором лично разработан алгоритм контроля качества очищенной поверхности, создана опытно-экспериментальная установка со встроенным информационно-измерительным комплексом, позволяющая проводить контроль параметров процесса очистки, проведены эксперименты и получены результаты, определяющие параметры метода углекислотного бластинга, разработана криогенная система для реализации метода очистки. Направления исследований и теоретические основы процесса очистки сформулированы при участии научного руководителя.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научных мероприятиях: II Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 50-летию первого полета человека в космос; III Международная научно-практическая конференция «Проблемы диагностики и эксплуатации автомобильного транспорта»; IV Международная заочная конференция «Актуальные вопросы современной техники и технологии»; V Международная заочная конференция «Актуальные вопросы современной техники и технологии».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 1 статья из списка изданий, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка из 77 наименований и одного приложения. Работа выполнена на 111 страницах, включая 32 рисунка и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, поставлены цель и задачи исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе произведен обзор загрязнений, образующихся в резервуарах при хранении нефти и нефтепродуктов. Загрязнения характеризуются большим содержанием асфальто-смолистых веществ, карбенов и карбоидов, представляющих собой твердые эмульгаторы. Отложения в резервуарах характеризуются большим содержанием неорганических соединений, представляющих собой в основном, песок, продукты коррозии, а также пирофорные отложения. Определены основные конструкционно-технологические требования к резервуарам, эксплуатирующимся в настоящее время на территории России. Произведена классификация очисток резервуаров по их назначению. Для каждого назначения очистки установлены требования современных норм по качеству очищенной поверхности.

Разработан алгоритм контроля качества очищенной внутренней поверхности резервуара в зависимости от назначения очистки. Произведен подбор комплекса приборов и методов контроля качества очищенной поверхности (рис. 1).

Первоначально, после очистки, с целью проведения огневых работ, ремонтных работ без применения открытого огня и градуировки, проводится анализ атмосферы резервуара на наличие паров углеводородов. При периодической очистке резервуаров или смене марки нефтепродукта, а также для выполнения предварительного контроля при проведении ремонтных работ без применения открытого огня проводится визуальный осмотр внутренних поверхностей и конструкций. Для более эффективного проведения визуального контроля необходимо применение люминесцентного метода. При подготовке резервуара к

выполнению работ по нанесению антикоррозионного покрытия и ремонтных

7

работ без применения открытого огня производится контроль качества очистки внутренней поверхности резервуара методом протирки.

Рисунок 1 - Алгоритм контроля качества очищенной поверхности резервуаров

Проведен анализ и дана оценка существующим методам очистки резервуаров и применяемого при этом оборудования. Результаты анализа указывают на то, что известные методы в должной мере не обеспечивают удаление нефтяных загрязнений до существующих норм, либо не отвечают нормам экологической и пожарной безопасности.

Установлено, что наиболее близким, отвечающим требованиям к технологическому процессу, является криогенный бластинг с применением в качестве рабочей среды гранул сухого льда, однако отсутствие теоретических (научных) основ данного метода, сложность и дороговизна оборудования не способствуют его широкому применению в России.

В соответствии с вышеизложенным, дальнейшим направлением диссертационной работы является исследование процесса очистки резервуаров от

нефтяных загрязнений методом углекислотного бластинга и разработка аппаратных средств для реализации этого метода.

Во второй главе представлен математический аппарат, позволяющий количественно определить остаточное содержание нефтяных загрязнений на внутренних поверхностях резервуаров, оценить качество очистки конструкционных материалов.

Суммарное количество нефтяных загрязнений (Му), удаляемых из резервуара, определяется уравнением:

Ш = Маа+М, (1)

где Ма4 - масса нефтяных загрязнений, адсорбированных наружной поверхностью конструкционных материалов, кг;

М - масса нефтяных загрязнений в устьях пор материала, кг.

В работе глубинные загрязнения принимаются как загрязнения устьев пор, так как здесь находится основной объем глубинных загрязнений.

Количество нефтяных загрязнений, находящихся в устьях пор, равно количеству загрязнений, поступивших в чистящее вещество, в единицу времени:

<Ш' с1М

17 =~17' (2)

где М' - масса нефтепродукта в чистящем веществе, кг; т - время очистки, с.

Определено основное условие, обеспечивающее очистку поверхности, при котором нефтяные загрязнения отделяются от поверхности, когда динами-

ческое давление струи (Р) в зоне загрязнения превысит работу адгезии загрязнения (1¥а).

УУа (3)

Получено основное уравнение массопереноса загрязнений из устьев пор, определена эффективность очистки р0. Получено уравнение, позволяющее определить динамическое давление струи в зависимости от расстояния / и угла наклона а. Где / - расстояние от среза сопла до очищаемой поверхности, а а -угол наклона струи относительно очищаемой поверхности.

Таким образом, данные уравнения позволяют определять основные параметры процесса, управляя которыми можно достигать наибольшей эффективности очистки внутренних поверхностей резервуаров методом углекислотного бластинга.

Третья глава диссертационной работы посвящена разработке опытно-экспериментальной установки со встроенным информационно-измерительным комплексом для контроля параметров процесса очистки и качества очищенной поверхности. Среди задач, решаемых при создании опытно-экспериментальной установки, следует выделить три основных направления: первое - измерение количества рабочей среды;

второе - непосредственное измерение низкотемпературного поля объекта с помощью температурных датчиков;

и третье - визуализация и обработка измеренных величин. Автором разработана опытно-экспериментальная установка для очистки поверхностей потоком диоксида углерода и встроенный информационно-измерительный комплекс для оперативного сбора и контроля значений параметров углекислотного бластинга (рис. 2). Погрешность измерений иформаци-онно-измерительного комплекса составляет по температуре ±0,75 °С, по расходу 1,8%. Сбор данных о температурах на исследуемой поверхности осуществлялся через преобразователь интерфейса, предназначенного для взаимного

электрического преобразования сигналов интерфейсов USB и RS-485, на персональный компьютер (ПК) с установленным на нем программным обеспечением (ПО) SCADA-система OWEN PROCESS MANAGER.

Рисунок 2 - Схема опытно-экспериментальной установки для очистки поверхностей методом углекислотного бластинга со встроенным информационно-измерительным комплексом 1 - баллон углекислотный с запорным вентилем; 2 - редуктор; 3 - рукав высокого давления; 4 - распыляющее приспособление; 5 - образец поверхности резервуара; 6 - поток рабочей среды; 7-ДРТ-4; 8-частотомер; 9-ТП085; 10-2ТРМ1; 11, 12, 13, 14, 15, 16,-кабель МКЭШ 2x0,75; 17, 18, 19, 20,21 -ТМ-006; 22-ТРМ 138; 23 -кабель сетевой КВПЭф-5е 1x2x0,52; 24 - АС-4; 25 - кабель ШВ 2.0 А-В; 26 - ПК.

ПО предназначено для осуществления связи ПК с вторичными приборами, подключенными через преобразователь интерфейса, а также возможность создания схемы технологического процесса на мониторе ПК и сохранения этой схемы для последующего использования. Процесс сбора данных предусматривает опрос всех приборов с периодичностью, отдельно задаваемой для каждого прибора, отображение результатов этого опроса, а также сохранение указанных пользователем значений в файлы протокола.

Для наиболее точной работы программно-аппаратного комплекса была произведена его настройка и корректировка в соответствии с эксплуатационной документацией. Проведено тестирование комплекса измерением эталонных

температур Т = О °С (в среде тающего льда) и при Т = -196 °С (в жидком азоте). Установлено, что погрешность измерений не выходит за допустимый предел.

Отличительной особенностью функционирования информационно-измерительного комплекса является система единого времени, позволяющая производить измерение и сбор текущих значений даты и времени и показаний температурных датчиков.

Таким образом, создана экспериментальная установка для исследования параметров процесса углекислотного бластинга с использованием жидкой фазы диоксида углерода, решена задача метрологического контроля параметров рабочей среды. Организованная система контроля параметров позволяет получать оперативные данные по состоянию температурного поля объекта.

В четвертой главе выполнено исследование процесса очистки внутренних поверхностей резервуаров методом углекислотного бластинга. Для начала определены адгезионные характеристики таких загрязнений, как масло М8В и ДТл. Далее проведено исследование рабочей струи и определены ее основные параметры. Также исследована эффективность очистки поверхности конструкционных материалов резервуаров потоком диоксида углерода. Установлен характер температурного воздействия на конструкционные материалы резервуаров. На основе результатов проведенных исследований уточнен гипотетический механизм удаления загрязнений методом углекислотного бластинга.

Количественной характеристикой адгезии является удельная работа, выражающаяся сопротивлением разрушению адгезионного соединения по межфазной границе под действием внешних усилий (напряжений отрыва, отслаивания, сдвига, вырыва, и т.п.). Работа адгезии жидкости к твердому телу определена при помощи уравнения Дюпре-Юнга, значения приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Работа адгезии исследуемых нефтепродуктов

ДТл М8В Битум марки БНК 90/40

W„ Н/м 51,86-10"J 59,26-10° 39701*

♦Справочные данные

Полученные значения позволят в дальнейшем теоретически определить возможность (или невозможность) удаления исследуемых нефтепродуктов с конструкционных материалов резервуаров при исследовании динамического воздействия струи на очищаемую поверхность.

Исследование рабочей струи двухфазного потока диоксида углерода проводилось для определения ее рабочих параметров при очистке поверхностей углекислотным бластингом, а также подтверждение возможности удовлетворения основного условия, обеспечивающего очистку поверхности при котором загрязнения отделяются от поверхности, когда динамическое давление струи в зоне загрязнения превысит работу адгезии загрязнения. Экспериментальное исследование рабочей струи проводилось с использованием фото и видеофиксации (рис. 3). Установлено, что при увеличении расстояния от среза сопла до очищаемой поверхности четко наблюдалось, что струя по длине до 0,2 м находится в компактном состоянии, а по длине более 0,20 м распыляется.

Рисунок 3 - Струя рабочей среды

В результате исследований получены зависимости: плотности струи, коэффициента сжатия, ее скорости, диаметра, площади пятна контакта на поверхности и силы удара струи о поверхность в зависимости от расстояния сопла до поверхности (табл. 2). Эксперимент, проведенный при угле струи к поверхности 75...80° показал, что выбранный угол наклона позволяет направлять отделившиеся загрязнения в противоположную сторону от воздействия рабочей струи, при этом, повторно не загрязняя уже очищенные участки.

Исследование эффективности очистки поверхности потоком диоксида углерода позволит установить возможность применения углекислотного бла-

13

стинга при очистке внутренних поверхностей резервуаров до норм качества чистоты поверхности.

Таблица 2 - Значения основных параметров струи при изменении расстояния

от сопла до поверхности

/, м р, кг/м3 Е и, м/с d, м F, м2 Р, Н/м при а=90° Р, Н/м при а=75°

0 750 1 105 0,0040 0,0000126 1041,9 1018,1

0,02 735 0,85 89,5 0,0047 0,0000173 1018,2 994,7

0,04 720 0,57 59,85 0,0069 0,0000374 964,6 . 941,9

0,06 705 0,43 45,15 0,0092 0,0000664 954,3 931,8

0,08 690 0,34 35,7 0,0115 0,0001038 942,8 920,5

0.1 675 0,29 30,45 0,0138 0,0001495 935,7 913,5

0,12 660 0,25 26,25 0,0160 0,0002009 913,6 891,7

0,14 645 0,22 23,1 0,0182 0,00026 894,9 872,3

0,16 630 0,2 21 0,0204 0,0003267 881,7 860,3

0,18 615 0,18 18,9 0,0227 0,0004045 863,6 842,5

0,2 600 0,16 16,8 0,0250 0,0004867 834,2 813,5

Количественное определение эффективности очистки поверхности проводились весовым методом, путем взвешивания чистых образцов, площадью 0,01 м2. В качестве загрязнения было применено моторное масло М8В. Далее взвешивание образцов проводилось после нанесения загрязнения и периодически, в течение обработки, до окончания убыли загрязнения, каждые 2 с. (рис. 4).

Эффективность очистки методом углекислотного бластинга составила 89,2%. После очистки образцов производился их контроль качества методом протирки, полученные результаты удовлетворяют современным требованиям. По такому же алгоритму проводилось исследование эффективности очистки с использованием в качестве загрязнения битума марки БНК 90/40. Экспериментально установлена невозможность удаления такого загрязнения с поверхности методом углекислотного бластинга при выбранных параметрах. Также было визуально обнаружено, что под влиянием динамического и криогенного воздействия происходило зарождение и образование трещин в загрязнении.

Температурные исследования метода углекислотного бластинга позволят установить характер влияния низких температур рабочей среды на конструкционные материалы резервуаров при очистке внутренних поверхностей (рис. 5).

а 6

Рисунок 5 - Температурные исследования метода углекислотного бластинга а - схема расположения датчиков температур ТП-006 на исследуемой поверхности 1, 2, 3, 4, 5 - ТП-006; б -зона воздействия рабочей струи; б - динамика изменения температуры

очищаемой поверхности

Это необходимо в связи с тем, что стали марок СтЗсп и 09Г2С, являясь основными конструкционными материалами существующих в настоящее время

резервуаров, имеют нижний эксплуатационный температурный предел до -40°С и -70°С соответственно.

Эксперимент проводился путем подачи на исследуемую поверхность рабочей струи зигзагообразно, слева - направо и сверху - вниз. При этом, контроль температурного поля производился датчиками температуры ТП-006 в количестве 5 единиц, размещенных на тыльной стороне поверхности (рис. 5 а). Результатом экспериментального температурного исследования является тем-пературно-временные зависимости (рис. 5 б).

Экспериментально установлено, что имеется возможность применения углекислотного бластинга для очистки резервуаров при отрицательных температурах окружающей среды.

Опираясь на вышеприведенные результаты исследований, произведено уточнение гипотетического механизма удаления загрязнений с внутренних поверхностей конструкционных материалов резервуаров. Схематично, уточненный гипотетический механизм удаления загрязнений при очистке внутренних поверхностей резервуаров методом углекислотного бластинга, представлен на рис. 6. При ударе рабочей струи о загрязненную поверхность (рис. 6.а), создается динамическое влияние на поверхностные загрязнения с зарождением в них трещин (рис. 6.6). После непродолжительного воздействия струи, загрязнения охлаждаются с образованием в них трещин, далее загрязнения начинают отделяться от поверхности (рис. б.в). При соударении двухфазной рабочей струи с поверхностью объекта, к твердым частицам диоксида углерода, подводится огромное количество тепла от стенок резервуаров, частицы мгновенно нагреваются и переходят в газообразное состояние. Газ, проникая в пространство между загрязнениями и очищаемой поверхностью, образует так называемый «газовый клин», отделяющий под собственным давлением частицы загрязнений от поверхности (рис. б.г). Отделенные загрязнения далее уносятся с поверхности потоком газообразного диоксида углерода в попутном направлении истечения струи из сопла (рис. б.д).

Рисунок 6 - Уточненный гипотетический механизм удаления загрязнений с внутренних поверхностей конструкционных материалов резервуаров методом углекислотного бластинга 1 - сопло с рабочей струей; 2 - нефтяные загрязнения; 3 - устье поры; 4 - пора; 5 - обрабатываемая поверхность; б - рабочая струя; 7 - зарождение трещины; 8 - трещины; 9 - эффект «газового клина»; 10 - удаление отделенных от поверхности загрязнений

Таким образом, на основе результатов, проведенных нами исследований, предложен уточненный гипотетический механизм удаления загрязнений с внутренних поверхностей резервуаров при их очистке методом углекислотного бластинга, представляющий собой совокупность температурного и механического воздействий струи, протекающих непрерывно. При этом удаление отделившихся загрязнений с поверхности происходит также рабочей струей.

В пятой главе проведена разработка криогенной системы очистки, на основе результатов проведенных исследований, для реализации метода углекислотного бластинга и приведены практические результаты внедрения разработанной системы на действующем предприятии.

В отличие от современного существующего оборудования криогенной очистки гранулами твердого диоксида углерода, при которых процесс очистки осуществляется в несколько этапов, в нашей криогенной системе мы достигли требуемого качества очистки, исключив недостатки существующих технологий. При этом:

- получение твердых частиц диоксида углерода происходит непосредственно на месте производства работ, в предлагаемой криогенной системе очистки, путем редуцирования жидкой фазы С02 в редукционном клапане до давления 0,52...0,55 МПа;

- подача рабочей струи на очищаемую поверхность осуществляется под действием собственного давления паров диоксида углерода, находящихся в источнике;

- для придания системе очистки мобильности и высокой производительности, источник жидкой фазы С02, изотермическая транспортная цистерна, смонтирована на шасси механического транспортного средства.

Криогенная система очистки (рис. 7) функционирует следующим образом.

Рисунок 7 - Схема криогенной системы очистки внутренних поверхностей резервуаров

В доставленной к объекту очистки изотермической транспортной цистерне 1, установленной на шасси транспортного средства 2, находится диоксид углерода в жидкой фазе под собственным давлением 7,0...7,5 МПа. После открытия запорного клапана 3, диоксид углерода по теплоизолированному рукаву высокого давления 4 попадает к распыляющему приспособлению 5. В распыляющем приспособлении жидкая фаза С02, через регулирующий клапан 6, после его открытия, по соединительной трубке 7 попадает к редукционному клапану 8. Редукционный клапан 8 настраивается на рабочее давление 0,52...0,55 МПа, которое контролируется манометром 10. На выходе из редукционного клапана образуется дисперсная смесь из твердого и газообразного диоксида уг-

лерода. Далее смесь, через трехходовую соединительную трубку 9, попадает в сопло 11, в котором формируется рабочая струя 12 двухфазной смеси, которая далее подается на очищаемую поверхность 13 резервуара.

Внедрение криогенной системы очистки проводилось на АЗС №1 предприятия ООО «Ачинскнефтепродукт», что подтверждено актом внедрения. Производилась очистка резервуара горизонтального стального (РГС), объемом 50 м3, предназначенного для хранения дизельного топлива.

Очистка осуществлялась путем подачи рабочей струи сверху вниз, под углом к очищаемой поверхности 75-80°, на расстоянии 0,18...0,20 м от среза сопла, зона захвата струей разового прохода составляет 0,6... 1 м, ширина одного прохода составляет =0,025 м.

Из проведенного внедрения выявлены следующие результаты:

качество очищенной поверхности соответствует современным требованиям;

на проведение работ по очистке резервуара с удалением из него собранных загрязнений затрачено 4 часа, что в 2-4 раза меньше чем при производстве работ существующими методами;

на очистку внутренней поверхности РГС 50 м3, было затрачено 200 л жидкой фазы диоксида углерода;

температура атмосферы в резервуаре, при температуре окружающей среды 20±2°С, не понижалась ниже минус 8°С.

Основными преимуществами предлагаемого метода и криогенной системы очистки являются высокая производительность работ и значительное увеличение взрывобезопасности процесса очистки. А также возможность применения углекислотного бластинга для очистки резервуаров при отрицательных температурах окружающей среды, что дает неоспоримое преимущество перед методами с применением в качестве моющих средств воды и водных моющих растворов.

Таким образом, подтверждено, что углекислотный бластинг является практичным и действенным методом очистки и имеет перспективы широкого применения в нефтегазовой отрасли.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе конструкторско-технологических требований, предъявляемых к резервуарам и контролю качества их очистки, разработан алгоритм контроля качества очищенной поверхности, позволяющий с достоверной точностью оценить качество поверхности на соответствие установленным требованиям нормативно-технической документации.

2. Разработан математический аппарат, позволяющий определять параметры процесса удаления нефтяных загрязнений.

3. Разработан информационно-измерительный комплекс с целью контроля параметров процесса очистки поверхностей, методом углекислотного бла-стинга.

4. Исследован метод углекислотного бластинга и уточнен гипотетический механизм удаления загрязнений с внутренних поверхностей резервуаров.

5. Разработана и внедрена криогенная система очистки внутренних поверхностей резервуаров.

Таким образом, можно с уверенностью констатировать факт о достижении поставленной цели данной работы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДЕССИРТАЦИИ

а) статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Васильцов A.C. Механизм удаления диоксидом углерода углеводородных загрязнений с конструкционных материалов резервуаров / A.C. Васильцов, В.Н. Подвезенный // Вестн. КузГТУ. - Кемерово, 2011. -№ 5. - С. 71-74.

б)прочие публикации

2. Васильцов A.C. Механизм очистки резервуаров криогенным бла-стингом с учетом удаления капелярно-конденсированных остатков углеводородов [Электронный ресурс] / A.C. Васильцов // Молодежь и наука 2011:сб. науч. тр. / СФУ. - Красноярск: 2011, - Режим доступа: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn201 l/thesis/s2/s2 Ol.pdf. - Загл. с экрана.

3. Васильцов A.C. Современные методы зачистки резервуаров для нефти и нефтепродуктов / A.C. Васильцов, В.Н. Подвезенный, С.И. Иванова. -Красноярск: ИПК СФУ, 2009. -203 с.

4. Васильцов A.C. Механизм очистки топливных баков автомобилей жидким диоксидом углерода / A.C. Васильцов, В.Н. Подвезенный // Проблемы диагностики и эксплуатации автомобильного транспорта: мат-лы науч.-практ. конф. / ИрГТУ. - Иркутск, 2011. - №3. - С. 23-29.

5. Васильцов A.C. Экспериментальная установка криогенного бла-стинга / A.C. Васильцов, В.Н. Подвезенный, А.Г. Малькевич // Актуальные вопросы современной техники и технологии: сб. докл. / Липецк: ИЦ «Гравис», 2011.-№4.-С. 86-93.

6. Васильцов A.C. Механизм удаления углеводородных поверхностных и глубинных загрязнений конструкционных материалов резервуаров. / A.C. Васильцов // Актуальные вопросы современной техники и технологии: сб. докл. / Липецк: ИЦ «Гравис», 2011. - №4. - С. 93-97.

7. Васильцов A.C. Аппарат для очистки внутренних поверхностей резервуаров методом углекислотного бластинга и результаты его внедрения на предприятии / A.C. Васильцов, В.Н. Подвезенный // Актуальные вопросы современной техники и технологии: сб. докл. / Липецк: ИЦ «Гравис», 2011. - №5. -С. 38^12.

Подписано в печать 30.11.2011 Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,2 Тираж 100 экз. Заказ 5559

Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041 Красноярск, пр. Свободный, 82а Тел/факс (391)206-26-58,206-26-49 E-mail: print_sfu@mail.ru; http://lib.sfu-kras.ru

61 12-5/1835

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

На правах рукописи / /

У

Васильцов Артем Сергеевич

Средства очистки и контроля внутренних поверхностей резервуаров методом углекислотного бластинга

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор, В.Н. Подвезенный

Красноярск - 2011 /

Содержание

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ РЕЗЕРВУАРОВ С УЧЕТОМ КОНСТРУКЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ И РАЗРАБОТКА АЛГИРТМА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ОЧИЩЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ.............................7

1.1. Конструкционно-технологические требования к резервуарам

и процессу их очистки.........................................................................................7

1.2. Разработка алгоритма контроля качества очищенной поверхности резервуаров..................................................................................13

1.3. Анализ существующих методов очистки внутренних поверхностей резервуаров от нефтяных загрязнений...................................18

1.4. Анализ существующего оборудования для очистки внутренней поверхности резервуаров методом углекислотного бластинга............................................................................................................29

1.5. Выводы и задачи исследований................................................................31

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УДАЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ МЕТОДОМ УГЛЕКИСЛОТНОГО БЛАСТИНГА.............................................33

2.1. Массообмен при удалении нефтяных загрязнений с

внутренних поверхностей резервуаров...........................................................33

2.2. Определение эффективности процесса очистки.....................................38

2.3. Теоретические основы процесса струйной очистки методом углекислотного бластинга................................................................................41

2.4. Выводы........................................................................................................46

ГЛАВА 3. ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ УДАЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ...........................47

3.1. Разработка опытно-экспериментальной установки со

встроенным информационно-измерительным комплексом контроля параметров процесса очистки..........................................................47

3.2. Настройка и тестирование информационно-измерительного комплекса............................................................................................................54

3.3. Выводы........................................................................................................59

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТОДОМ УГЛЕКИСЛОТНОГО БЛАСТИНГА.............................................60

4.1. Исследование адгезионной прочности нефтяных загрязнений.............60

4.2. Исследование рабочей струи потока диоксида углерода с определением ее параметров............................................................................67

4.3. Исследование эффективности очистки поверхности конструкционных материалов резервуаров потоком диоксида углерода..............................................................................................................74

4.4. Температурные исследования процесса при очистке внутренних поверхностей резервуара углекислотным бластингом.............81

4.5. Уточнение гипотетического механизма удаления загрязнений............87

4.6. Выводы........................................................................................................90

ГЛАВА 5. КРИОГЕННАЯ СИСТЕМА ОЧИСТКИ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ РЕЗЕРВУАРОВ....................................................................92

5.1. Разработка криогенной системы очистки внутренних

поверхностей резервуаров для реализации метода........................................92

5.2. Внедрение криогенной системы очистки в производственный процесс................................................................................................................95

5.3. Выводы......................................................................................................100

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................................................................102

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................103

ПРИЛОЖЕНИЕ А................................................................................................111

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена вопросам очистки внутренних поверхностей резервуаров от нефтяных загрязнений и контролю качества очищенной поверхности.

При эксплуатации резервуаров, предназначенных для хранения нефтепродуктов, на предприятиях добычи, нефтепереработки и нефтепродуктообеспечения необходимо, согласно современным требованиям нормативно-технической документации, проведение очистки различного назначения до установленного качества.

Так, при первичном рассмотрении вопроса исследований определены конструкционно-технологические требования к очистке резервуаров, сформулированы основные требования к технологическому процессу очистки.

Произведен анализ существующих методов очистки и применяемого при этом оборудования. Существующие в настоящее время методы очистки резервуаров в должной мере не обеспечивают удаление нефтяных загрязнений до существующих норм, высокотрудозатратны, либо не обеспечивают норм экологической и пожарной безопасности. Применяемые при этом устройства и очистные комплексы являются технически сложными, дорогостоящими и требующими специализированного обслуживания.

На основе результатов анализа установлено, что наиболее близким, отвечающим требованиям к технологическому процессу, является криогенный бластинг с применением в качестве рабочей среды гранул сухого льда, однако отсутствие теоретических (научных) основ данного метода, сложность и дороговизна оборудования не способствуют его широкому применению в России.

Также практически не изучен вопрос извлечения нефтяных загрязнений из устьев пор конструкционных материалов резервуаров. Наличие этого вида загрязнений в настоящее время не принимается во внимание, однако это отрицательно влияет на качество очищаемой поверхности.

Таким образом, целью настоящей диссертационной работы является исследование методов очистки внутренних поверхностей резервуаров, разработка алгоритма контроля качества очищенной поверхности и аппаратных средств очистки методом углекислотного бластинга.

Поставлены следующие задачи диссертационной работы:

1. Исследовать существующие методы очистки резервуаров, определить конструкционно-технологические требования, предъявляемые к резервуарам и процессу их очистки, а также разработать алгоритм проведения контроля качества очищенной поверхности.

2. Разработать математический аппарат, позволяющий определять основные параметры процесса удаления нефтяных загрязнений.

3. Разработать информационно-измерительный комплекс с целью контроля параметров процесса очистки поверхностей, методом углекислотного бластинга.

4. Исследовать метод углекислотного бластинга и уточнить механизм удаления нефтяных загрязнений с внутренних поверхностей резервуаров;

5. Разработать и внедрить криогенную систему очистки внутренних поверхностей резервуаров.

На защиту выносятся:

алгоритм проведения контроля качества очищенной поверхности, научно обоснованный метод очистки внутренних поверхностей резервуаров от нефтяных загрязнений.

разработанный информационно-измерительный комплекс контроля параметров процесса и качества очищенной поверхности.

результаты экспериментальных исследований параметров метода углекислотного бластинга и уточненный гипотетический механизм удаления загрязнений с внутренних поверхностей резервуаров дисперсной струей диоксида углерода.

криогенная система очистки внутренних поверхностей резервуаров методом углекислотного бластинга.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

разработан алгоритм процесса обработки информационных сигналов и предоставления результатов контроля качества очищенной поверхности.

предложен метод аппаратного контроля параметров процесса при очистке поверхностей методом углекислотного бластинга.

предложен и исследован научно обоснованный метод углекислотного бластинга для очистки внутренних поверхностей резервуаров от нефтяных загрязнений.

разработана, внедрена и испытана криогенная система очистки внутренних поверхностей резервуаров, позволяющая значительно уменьшить взрывоопасность процесса очистки.

Результаты внедрения разработанной криогенной системы очистки указали на значительное увеличение производительности работ и уменьшение взрывоопасное™ процесса очистки, а также на возможность применения углекислотного бластинга для очистки резервуаров при отрицательных температурах окружающей среды, что дает неоспоримое преимущество перед методами с применением в качестве моющих средств воды и водных моющих растворов.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ РЕЗЕРВУАРОВ С УЧЕТОМ КОНСТРУКЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ И РАЗРАБОТКА АЛГИРТМА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ОЧИЩЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

1.1. Конструкционно-технологические требования к резервуарам и

процессу их очистки.

Развитие нефтедобычи и сети объектов нефтепродуктообеспечения сопровождаются увеличением масштабов и ростом нефтяных загрязнений и отходов, вызывающих нарастание экологической угрозы, увеличением загрязнения окружающей среды. Интенсификация деятельности нефтепродуктообеспечения приводит также к тому, что существующие технологии очистки уже не обеспечивает требуемых объемов, темпов и качества очистки промышленных и хозяйственных объектов от нефтяных загрязнений, оказываются высоко затратными и не соответствуют современным требованиям промышленной, пожарной экологической безопасности [1].

Загрязнения резервуаров, предназначенных для хранения нефти и нефтепродуктов, характеризуются большим содержанием асфальто-смолистых веществ, карбенов и карбоидов, представляющих собой твердые эмульгаторы, что создает значительные трудности при их очистке [2].

Высокомолекулярная органическая часть загрязнений, представляющая собой гидрофобные частицы, находящиеся в виде коллоидного раствора, обладает высокоэмульгирующей способностью по отношению к воде [3]. Образование органических веществ, входящих в состав загрязнений, происходит под влиянием факторов, которые отражены на рис. 1.1.

Рисунок 1.1- Структурная схема образования органических загрязнений в резервуарах

Отложения в резервуарах после хранения нефтепродуктов характеризуются большим содержанием неорганических соединений, представляющих собой в основном, песок и продукты коррозии.

Так же при хранении сернистых нефтей и нефтепродуктов на внутренних поверхностях резервуаров образуются, при участии коррозионных процессов, пирофорные отложения, содержащие сульфиды железа РеБ, Ре82, оксиды железа БеОз и Ре04, нефтепродукты и свободную серу. Опасность пирофорных отложений заключается в их свойстве самовоспламеняться при контакте с кислородом воздуха, что может привести к дальнейшему взрыву паровоздушной смеси в полости резервуара.

Источником загрязнений могут являться также микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности. Так после 14 месяцев хранения 4000 м дизельного топлива в 1 мл отстоявшейся подтоварной воды обнаружено 62 млн. колоний бактерий, на границе вода - дизельное топливо 196 млн. колоний [4].

Большое влияние на состав загрязнений в резервуарах оказывают смешение различных сортов нефтепродуктов, многократные подогревы и длительные сроки эксплуатации резервуаров без периодических очисток, т. е. происходит накопление большого количества осадков, их уплотнение и образование твердой массы [5].

Также при анализе загрязнений очень важно учитывать загрязнения, находящиеся в устьях пор конструкционных материалов резервуаров. Поскольку поверхностный слой конструкционного материала не является однородным и имеет дефекты [6], которые схематически рассматриваются как трещины, щели клиновидного сечения (поры), неравномерно распространенные по его поверхности и глубине [7], то загрязнению подвергается не только наружная часть поверхностного слоя металла, но и его внутренняя.

В начальный период налива нефтепродукта в резервуар за счет процессов сорбции, вызванных контактом металла топлива, происходит загрязнение наружного слоя поверхности металла топливом - образуется поверхностное загрязнение. В дальнейшем за счет диффузионных процессов нефтепродукт проникает в устья пор и в результате адсорбции [8] заполняет их, образуя при этом глубинное загрязнение конструкционного материала.

Процесс очистки загрязненных поверхностей резервуаров давно превратился в актуальнейшую проблему настоящего времени как с позиции экологической и пожарной безопасности, так и с точки зрения огромных финансовых затрат.

В настоящее время в эксплуатации находятся резервуары со следующими основными конструкционно-технологическими особенностями: предназначенные для хранения нефти и нефтепродуктов, резервуары горизонтальные стальные (РГС) объемом 4...200 м3, резервуары вертикальные стальные (РВС) объемом 50...200000 м3, конструкционные материалы резервуаров в основном из марок сталей СтЗсп и 09Г2С; с

патрубками для приема-выдачи товарной продукции, для монтажа дыхательных и предохранительных клапанов, люки световые и люк-лазы, минимальным диаметром Бу=600 мм [9], с понтоном, плавающей крышей, оборудованные лестницами и площадками обслуживания.

Современные усредненные нормы времени на механизированную очистку резервуаров по [10] представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1- Нормы времени на механизированную очистку резервуаров

Тип резервуа ра Норма времени на 10 м , ч

Мой ка Откачка насыщенного моющего раствора Протирка внутренних поверхносте й Удаление льда с днища (нижней части) резервуара Суммарное время зачистки

В весенне-летний период В осенне-зимний период

РВС 2,86 0,5 4,80 7,40 8,16 15,56

РГС 3,56 0,5 4,80 7,40 8,86 16,26

Очистка резервуаров по назначению подразделяется на несколько типов.

1) Периодическая очистка, производится в соответствии с [11]:

- не менее двух раз в год - для топлива реактивных двигателей, авиационных бензинов, авиационных масел и их компонентов, прямогонных бензинов (допускается при наличии на линии закачки средств очистки с тонкостью фильтрования не более 40 мкм очищать резервуары не менее одного раза в год);

- не менее одного раза в год - для присадок к смазочным маслам и масел с присадками;

- не менее одного раза в два года - для остальных масел, автомобильных бензинов, дизельных топлив, парафинов и аналогичных по физико-химическим свойствам нефтепродуктов.

Серьезной проблемой, при периодической очистке резервуаров 2 раза в год (1 раз в полугодие), является отрицательная температура окружающей

среды в осенне-зимний период времени. Так как, в таком случае, применение в качестве чистящих средств воды и водных моющих растворов практически невозможно.

Металлические резервуары для нефти, мазутов, моторных топлив и аналогичных по физико-химическим свойствам нефтепродуктов следует зачищать по мере необходимости, определяемой условиями сохранения их качества, надежной эксплуатации резервуаров и оборудования.

Периодическая очистка выполняется с целью исключения преждевременного выхода резервуара из строя из-за накопления загрязнений.

2) Очистка при смене нефтепродуктов предусматривает освобождение от остатков хранимого нефтепродукта и удаление загрязнений со стенок и днища емкости [8, 10]. Периодичность такой зачистки зависит от возможности закачки нефтепродукта, смешение которого с остатками и загрязнениями не допускается.

3) Очистка при проведении градуировки, проводится также с освобождением резервуара от остатков хранимого нефтепродукта и удалением загрязнений со стенок и днища. Проводится с целью безопасного проведения градуировочных работ внутри резервуара.

4) Очистка при подготовке резервуара к проведению в нем огневых работ (газо-электросварка, резка, пайка, нагрев поверхностей), после выполнения этого вида очистки должна быть исключена опасность взрыва газовоздушной смеси внутри резервуара.

5) Очистка резервуара для проведения ремонтных работ без применения открытого огня и образования искр (холодная сварка, нанесение антикоррозионного покрытия). Для производства работ по нанесению и ремонту антикоррозионного покрытия на внутреннюю поверхность резервуаров необходимо обеспечить максимально чистую поверхность, удовлетворяющую [12].

Качество внутренней очищенной поверхности и состояние атмосферы резервуара по окончании процесса обработки оценивается в зависимости от назначения очистки [10] и приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2 - Требования, предъявляемые к чистоте поверхностей и

атмосфере резервуаров в зависимости от назначения очистки

Назначение очистки Требования к чистоте поверхностей и атмосферы

Стенка Днище

Периодическая по [11] Допускается пленка нефтепродукта; металл может иметь налет ржавчины Допускается пле�