Применение уточненных методов для расчета на прочность и оценки остаточного ресурса оборудования по подготовке и транспортировке газа тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

Журавлев Дмитрий Витальевич

ПРИМЕНЕНИЕ УТОЧНЕННЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ И ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ОБОРУДОВАНИЯ ПО ПОДГОТОВКЕ И ТРАНСПОРТИРОВКЕ ГАЗА

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/

Москва - 2004

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре динамики и прочности машин

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В.П. Чирков

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Черний Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор Николаев Василий Павлович

Ведущая организация:

ДОАО Центральное конструкторское бюро нефтеаппаратуры

Защита диссертации состоится 18 июня 2004 г. в 13 часов в аудитории Б-404 на заседании диссертационного совета Д-212.157.11 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан _2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук,

профессор

М.Н. Кирсанов

Общая характеристика работы

Актуальность. Колонное оборудование для подготовки газа к транспорту и его переработки относится к ответственным инженерно-техническим сооружениям газо/нефтеперерабатывающих производств, катастрофические отказы которого могут привести к серьезным экологическим и экономическим последствиям, риску для жизни и здоровья людей. Замена оборудования, выработавшего проектный ресурс, требует больших капиталовложений и в ряде случаев экономически не оправдана (например, при эксплуатации месторождений с истощенными запасами). В настоящее время актуальной проблемой является разработка методов технического диагностирования, позволяющих определять остаточный ресурс такого оборудования (далее сосуды, аппараты) с учетом всего спектра обнаруживаемых при обследованиях дефектов и несовершенств конструкции.

В нефтегазовой отрасли оценка технического состояния и остаточного ресурса сосудов и аппаратов, выработавших назначенный срок службы, опирается на нормативно-техническую документацию: методики, методические указания и т.п. Охватывая достаточно широкий круг вопросов, эти документы основной акцент делают на контроле технического состояния неразру-шающими методами, который является необходимой, но лишь частью работ, проводимых при диагностировании технического состояния сосуда. Существующие методики не позволяют учесть возможную опасность разрушения сосудов от всех обнаруженных в них дефектов.

В данной работе рассматриваются уточненные методы анализа допустимости дефектов конструкций. Это вероятностные методы, основанные на распределениях Пуассона и Вейбулла, позволяющие исследовать общую и язвенную поверхностную коррозию металла.

С другой стороны, существующие отраслевые стандарты не позволяют адекватно учесть в расчетах все нагрузки, которым подвергается сосуд во время эксплуатации. Это связано с тем, что объекты газо-, нефтехимических производств относятся к мелкосерийному производству, характеризуются индивидуальной нагруженностью как изнутри (разные среды и технологические параметры), так и снаружи (разные природно-климатические условия).

В работе приводятся уточненные расчеты на прочность отдельных аппаратов с применением программного комплекса А№У8, основанного на методе конечных элементов.

Целью диссертационнойработы является усовершенствование методов вероятностной оценки остаточного ресурса оборудования, подвергшегося коррозионному воздействию в процессе длительной эксплуатации, и уточнение прочностных расчетов аппаратов, расчетные схемы которых не описываются в рамках существующих нормативных стандартов.

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

Основные задачи:

- на основе современных статистических методов разработать алгоритмы и программное обеспечение для оценки остаточного ресурса оборудования, выработавшего назначенный срок службы, подвергшегося в процессе эксплуатации коррозионному воздействию;

- разработать адекватные модели конструкций для расчетов на прочность при действии сейсмических, ветровых и эксплуатационных нагрузок.

Методы исследования. Для расчетов на прочность, устойчивость и сейсмостойкость сосудов (аппаратов, конструкций) применялся программный комплекс ANSYS, основанный на методе конечных элементов. Использовались: анализ собственных частот и форм колебаний методом итераций в подпространстве, статический и динамический анализ поведения конструкции, спектральный анализ и анализ устойчивости. Остаточный ресурс оборудования оценивался как детерминистическими, так и вероятностными методами.

Научная новизна состоит в разработке методики наиболее полной оценки остаточного ресурса сосудов и аппаратов вероятностными методами с учетом статистических разбросов размеров обнаруженных дефектов, а также надежности систем неразрушающего контроля; уточненном решении задач на прочность, устойчивость и сейсмостойкость с помощью конечно-элементного трехмерного моделирования объектов исследования.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов численного анализа и сопоставлением результатов с экспериментальными и теоретическими данными, полученными другими исследователями.

Практическая ценность. Разработанные в диссертации методы, алгоритмы и программы могут быть использованы проектными и научно-исследовательскими организациями, связанными с решением проблем оценки технического состояния и ресурса оборудования, сейсмостойкости и устойчивости сосудов и аппаратов.

Апробацияработы и публикации. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на семинаре «Прочность и надежность нефтегазового оборудования», организаторы Минатом России, ИЦП МАЭ, ГУЛ НИКИЭТ. 19-20 сентября 2000 г., Москва;

- на Четвертой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 1-2 марта, 2001 г., Москва;

- на Четвертой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. 20-23 сентября 2001 г., Москва;

- на Международной конференции «Проблему надежности машин и конструкций». 19-22 сентября 2002 г., Минск;

- на научном семинаре кафедры динамики и прочности машин, МЭИ, Москва (2002 - 2004 г.г.).

По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, сводки результатов и списка литературы. Объем работы 136 страниц, включая 71 рисунок, 5 таблиц. Список литературы включает 110 наименований.

Краткое содержание работы

В первой главе проведен обзор литературы по теме; освещены общие данные по оборудованию для подготовки и переработки газа, газового конденсата; выбраны объекты исследования. Рассмотрены условия эксплуатации, виды и основные причины коррозионных поражений металлических конструкций, а также других дефектов металла корпуса и сварных соединений сосудов давления. Подробно описаны общепринятые подходы определения остаточного ресурса, продления срока службы оборудования.

Вторая глава посвящена решению задач расчета на прочность и устойчивость нефтегазового оборудования под действием эксплуатационных, сейсмических и ветровых нагрузок.

Расчет на прочность реактора для окисления сероводорода в газе

Реактор представляет собой горизонтально расположенный на опорах цилиндрический сосуд с днищами, работающий под внутренним избыточным давлением р = 5МПа. Он имеет также внутренние устройства, создающие дополнительную нагрузку на опоры и на корпус.

ГОСТ 26.202-84 устанавливает нормы и методы расчета на прочность сосудов и аппаратов, статически нагруженных опорными узлами: несущими ушками, опорными лапами, седловыми опорами, опорными стойками. Стандарт не распространяется на сосуды, содержащие внутренние технологические устройства, которые крепятся к стенкам обечайки при помощи уголков. Для учета дополнительных напряжений от этих устройств, а также для уточнения напряжений от опорных конструкций проведено полномасштабное трехмерное моделирование с использованием программного пакета ANSYS. Вес внутренних устройств моделируется, как распределенная на уголки нагрузка. Расчетная модель, сформированная из оболочечных конечных элементов, показана на рис.1. В результате проведенных расчетов получена картина распределения полей эквивалентных напряжений в элементах реактора (рис.2). Максимальные напряжения, возникающие в окрестности опорных стоек, составляют 90,6 МПа, что удовлетворяет условию прочности.

Рис.1. Конечно-элементная модель Рис.2. Распределение эквивалентных

реактора для окисления напряжений в корпусе и стойках

сероводорода реактора

Расчет на устойчивость колонного аппарата

Проверку устойчивости аппарата, работающего под внутренним давлением или без давления, проводят по ГОСТ Р 51.274-99. Согласно этому стандарту проверка устойчивости корпуса аппарата в рабочих условиях и условиях испытания проводится по формуле:

где ¥ - осевое сжимающее усилие,

М - расчетный изгибающий момент.

Рассматривается задача устойчивости колонного аппарата - регенератора диэтиленгликоля (ДЭГ), (рис.3,а) с учетом ветровой нагрузки. Колонна состоит из двух цилиндрических обечаек с толщиной стенки 20мм, соединенных коническим переходом. Внутренний диаметр верхней обечайки равен 1600мм, нижней - 2000мм. Колонна установлена на цилиндрической опоре с толщиной стенки 10мм. В теплообменной части вырезаны два технологических окна для проведения ремонта.

Колонна моделируется четырехузловыми оболочечными элементами с девятью степенями свободы. Ветровая нагрузка прикладывается как распределенная нагрузка на элементы колонны, расположенные со стороны преимущественного направления ветра. Она складывается из статической и динамической составляющей. Расчеты показывают, что суммарная величина ветровой нагрузки Р = 2000 Н/м2.

Максимальные мембранные напряжения в колонне расположены в зоне, представленной на рис.3,б и составляют <Ут^= 20 МПа. Максимальные поверхностные напряжения в колонне расположены в той же зоне и составляют СТ{,01= 25 МПа. Расчетное моделирование показало, что при принятых размерах окон конструкция имеет достаточный запас устойчивости.

Рис.3. Регенератор ДЭГ (а) и поля распределения напряжений в зоне вырезки окон (б)

Расчет на сейсмостойкость пылеуловителя с прикрепленными трубопроводами

Для определения расчетных усилий, возникающих в аппаратах колонного типа постоянного и переменного сечения (таких как, например, абсорберов, адсорберов, пылеуловителей, печей для нагрева газа и т.д.) от сейсмических воздействий, предприятия-проектанты нефтегазового оборудования используют ГОСТ Р 51274-99.

Этот стандарт предусматривает в качестве расчетной схемы аппарата колонного типа консольный упруго защемленный стержень. Аппарат по высоте разбивается на ряд участков. Вес аппарата принимается сосредоточенным в середине участка. Сейсмические силы прикладываются горизонтально в серединах участков. В ряде случаев такая схема не позволяет получить правильного результата. Полное объемное моделирование аппарата и разбиение его конечно-элементной сеткой помогает избежать потери местных концентраторов напряжений, а также учесть любые конструктивные особенности.

Для примера взят пылеуловитель с вертикальным способом исполнения и прикрепленные к нему трубопроводы (рис.4). Пылеуловитель состоит из цилиндрической опоры, верхнего и нижнего днищ и обечайки. Трубопроводы крепятся к обечайке посредством фланцевых соединений. Особенностью пылеуловителя является наличие концентраторов напряжений в местах крепления трубопроводов, определение которых не предусматривает расчет по ГОСТР 51274-99.

В качестве сейсмического воздействия взят спектр ответа горизонтальных колебаний при сейсмичности 9 баллов из норм расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (рис.5).

Рис.5. Обобщенный спектр ответа горизонтальных колебаний при К=0.02 и сейсмичности 9 баллов

Рис.4. Конечно-элементная модель пылеуловителя с трубопроводами.

В принятой расчетной схеме МКЭ-анализа используются балочные и оболочечные элементы из библиотеки элементов Л№У8 для построения различных частей конструкции.

Задача решается в два этапа. Вначале находятся собственные частоты и собственные формы колебаний, затем методом спектрального анализа вычисляются эквивалентные напряжения.

При решении проблемы собственных значений используются матрицы жесткости К и инерции С:

(К-о2С)у = 0, (2)

где - квадрат собственной частоты, V — ХУ-мерный собственный вектор.

Далее проводится спектральный анализ, в котором собственные частоты и формы колебаний конструкции и заданный спектр используются для вычисления перемещений и напряжений в модели. Используется одноточечный спектральный анализ, при этом один спектр (или семейство спектров) прикладывается в каждую точку модели. Вектор ускорений для каждой формы колебаний вычисляется из собственного вектора с использованием модальных коэффициентов.

Модальные перемещения, скорости и ускорения комбинируются для получения обобщенного ответа структуры.

В результате анализа получены поля распределения эквивалентных напряжений в конструкции. На рис.6 показаны концентраторы напряжений на корпусе аппарата в зонах крепления трубопроводов. Максимальные эквивалентные напряжения при анализе на сейсмосмостойкость с трубопроводами и без них расположены в зоне днища и составляют 74 -5-75 МПа. В зоне крепления трубопроводов максимальные эквивалентные напряжения дости-гают37 МПа.

Если не учитывать рабочие условия данного аппарата, условие прочности безусловно выполняется. Но в рабочих условиях пылеуловитель работает под внутренним давлением 7,5МПа. Проведен статический расчет на прочность сосуда от внутреннего давления. Распределение полей эквивалентных напряжений в элементах пылеуловителя показано на рис.7. Максимальные эквивалентные напряжения расположены в зоне крепления трубопроводов и составляют 221 МПа. Расчетное моделирование показало, что в данной задаче суммарные эквивалентные напряжения от сейсмонагрузки и внутреннего давления не превышают допускаемые по ГОСТ 14249-89.

Расчет на сейсмостойкость печи для нагрева газа

Печь для нагрева газа (рис.8) состоит из дымовой трубы, переходника, полой конвекционной камеры и опорного узла. Опорный узел состоит из опорных стоек, представляющих собой коробчатые сварные соединения и раскосы, выполненные из швеллера.

Особенностью конструкции печи для нагрева кислого газа является ее установка на опорах-стойках. ГОСТ Р 51274-99, в котором в качестве расчетной схемы колонного аппарата предусмотрен консольный упруго защемленный стержень, в данном случае не позволяет провести решение задачи.

При решении методом конечных элементов используются балочные, оболочечные и объемные элементы из библиотеки элементов ANSYS для построения различных частей конструкции. Заданием объемным элементам за-

ранее рассчитанной плотности учитывается вес внутренних устройств в переходнике и конвекционной камере.

Рис.6. Распределение эквивалентных напряжений в зонах крепления трубопроводов

Рис. 7. Распределение эквивалентных напряжений в пылеуловителе от внутреннего давления

Рис.8. Конечно-элементная модель печи для нагрева газа

Рис.9. Распределение полей эквивалентных напряжений в элементах конструкции

Заданием балочным элементам собственных моментов инерции, площади поперечного сечения и расстояний до главных осей симметрии, учитывается профиль опорных стоек и раскосов. Задача решается по схеме, аналогичной расчету на сейсмостойкость пылеуловителя. Результаты расчетов при расчетной сейсмичности 8 баллов приводятся в виде распределения полей деформаций и напряжений в конструкции (рис.9).

В результате эквивалентные напряжения в опорных стойках оказались выше допускаемых. Данный метод решения обеспечил высокую точность результатов, что позволило подобрать номер профиля в опорных стойках, обеспечивающий прочность конструкции при заданной сейсмонагрузке.

В третьей главе рассматриваются вероятностные модели накопления повреждений. Проведен статистический расчет остаточного ресурса абсорбера, подвергшегося общей коррозии с использованием распределения Пуассона. Выполнено сравнение полученных результатов с результатами расчетов по существующим в отрасли методикам оценки остаточного ресурса.

Статистический расчет остаточного ресурса сосуда давления по результатам диагностического обследования проведен на примере колонного аппарата на цилиндрической основе «Абсорбер ДЭА», установленного на Астраханском ГПЗ, установка 141. Аппарат изготовлен ПО «Волгограднеф-темаш» в 1985 г., регистрационный №25771, заводской №38839, введен в эксплуатацию 16.01.87 г. Схема абсорбера показана на рис.10, в таблице 1 приведены размеры основных элементов сосуда.

Расчет остаточного ресурса проводился на основе данных неразру-шающего контроля, проведенного в III квартале 1997 г. Анализ коррозионного процесса проводился на основе информации о начальной номинальной толщине элементов с учетом максимальных отклонений на толщину листа, и измеренной текущей толщине элементов по данным ультразвуковой толщи-нометрии. В результате контроля был выявлен процесс поверхностного повреждения металла корпуса сосуда - общая коррозия, неравномерно распределенная по высоте сосуда. Результаты анализа коррозионного процесса представлены графически в виде распределения параметров коррозионного процесса по сечениям (по высоте сосуда) на рис. 11 и рис. 12.

Первые 5 и последние 5 сечений относятся соответственно к нижнему и верхнему днищам, остальные - к сечениям обечаек, отсчитываемым снизу вверх (номер 6 на рисунках соответствует среднему значению в точках 1- 4 на схеме контролируемых участков на рис.13, номер 7 - среднему значению в точках 5-8 и т.д.). На рис.14 нижняя кривая соответствует номинальной толщине, верхняя - толщине с максимальным допуском по толщине листа.

Из рисунков видно, что распределение коррозии по высоте сосуда очень неравномерное. Наиболее интенсивно коррозионные процессы протекают в зоне 1 - 4 обечайки и верхнего днища. Положение участка с максимальными значениями параметров процесса коррелирует с положением пат-

рубка входа кислого газа, а участка с минимальными значениями - патрубка подачи аминового раствора.

В качестве характерного размера дефекта / бралась глубина коррозионного повреждения. Критические значения /♦= 9 мм для обечаек и /»=15 мм для днищ рассчитаны по нормативным документам (категория сосуда - II). Вычисления проводились отдельно для каждой обечайки и для днищ.

Вероятность отказа на момент проведения контроля вычисляется по формуле:

га

Г~ верхнее днище

аГ

корпус

Н2

Н1

иГ

ч нижнее днище

г

V

А1 - вход ДЭА (аминового раствора)

А2 - вход газа

F - выход остатка

Т - выход газа

Н1, Ш, НЗ - люки-лазы

Рис.10. Схема абсорбера

Табл. 1

Наименование элемента Длина (высота), мм Внутренний диаметр, мм Толщина стенки, мм

Обечайка корпуса 15240 3600 28

Днища эллиптические 3600 32

Рис.11. Распределение осредненной по окружной координате глубины коррозионного повреждения металла по сосуду (мм)

Рис.12. Распределение скорости коррозионного процесса (мм/год)

Я = 1/(/—/0),/ - математическое ожидание размеров обнаруженных дефектов, /0- порог обнаружения, /»(/)■• вероятность обнаружения дефекта размером /. Используя данные ультразвуковой толщинометрии для составляющих частей аппарата, можно вычислить математическое ожидание размеров обнаруженных дефектов. Порог обнаружения для ультразвукового толщиномера типа УТ-93П, которым производились измерения, составляет /о=0,1мм. Таким образом, можно вычислить вероятность отказа элемента на момент контроля Н0.

Рис.13. Схема ультразвукового контроля

Анализируя данные предшествующих измерений, можно прийти к выводу, что скорость коррозионного процесса V является случайной величиной. Для каждой обечайки или для днища эта величина колеблется в определенных границах |/тт>^тах] (см- рис. 12). Здесь учтено, что при изготовлении обечаек и днищ, образующих данный аппарат, возможно отклонение толщины стенок от нормативного значения в допустимых ГОСТом пределах. Моделировалось несколько реализаций I . Для этого многократно генерировалась случайная величина х, равномерно распределенная на отрезке [0;1]. Реализации I' моделировались как

^ — 'шш Ошах — ^гпт )'х •

Размер дефекта в начальный момент времени 10 известен из результатов контрольных измерений. Если скорость коррозионного процесса постоянна, то легко вычислить размер дефекта в любой момент времени / > ^.

Дтя каждой реализации V фиксируется момент времени г, когда нарушается условие

/(0<Ь. (3)

Вероятность отказа в произвольный момент времени можно вычислить как

N

(4)

где п($- число реализаций в момент времени t с нарушением условия (3), ■У- общее число реализаций (в данном расчете N= 200).

Для более точного вычисления вероятности отказа необходимо учесть также случайный характер порогового значения и критического размера дефекта (в данном случае предельной глубины коррозии). В этом случае вероятность отказа, найденная описанным выше способом, имеет смысл условной вероятности. Если предположить, что случайная величина критического размера дефекта и его пороговое значение не взаимосвязаны, то для вычисления безусловной вероятности отказа используется формула полной вероятности

(5)

Здесь //(/0,/*,/)-« вероятность отказа, вычисленная по формуле (4), р{1$),

- плотности вероятности параметров. Для этих параметров принимались априорные равномерные распределения на отрезках, составляющих 10% от номинальных значений.

При помощи стандартного датчика случайных чисел моделировались реализации ¡0 и /»,, Далее численно находилась вероятность отказов (5). Результаты вычислений вероятности отказа представлены на рис. 14.

Расчетное значение остаточного ресурса 0* находится как корень уравнения

Н(в)=Н>.

Как видно из графиков, на момент контроля самой опасной является

,-3

обечайка №2, для которой Я0 =3,949-10 .. При допустимой вероятности отказов Н, =0,001 остаточный ресурс, определяемый вероятностью отказов самого опасного сечения абсорбера, составляет года.

Для сравнительного анализа использовались расчеты остаточного ресурса данного аппарата согласно методике РД 26-10-87 «Оценка надежности химического и нефтяного оборудования при поверхностном разрушении», дата введения 01.01.1988, а также остаточный ресурс обечаек корпуса рассчитывался по «Методике вероятностной оценки остаточного ресурса технологических стальных трубопроводов».

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 29 31 33 35 37 39 время, лет

29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59

время, лет

Рис.14. Графики вероятности отказа обечаек и днищ абсорбера

На основе информации о текущей эксплуатации сосуда сделано заключение, что предложенная методика оценки остаточного ресурса дает более верный результат.

Основные выводы и результаты работы

1. Проведен обзор литературных данных по описанию методов технического диагностирования сосудов и аппаратов газовой и нефтехимической промышленности и расчета ресурса оборудования, выработавшего назначенный срок службы.

2. Составлены базы данных по анализу технической документации нефтегазового оборудования и первичной обработке статистической информации, выбраны объекты исследования.

3. Проведены расчеты на прочность методом конечных элементов пылеуловителя с прикрепленными к нему трубопроводами и печи для нагрева кислого газа, находящихся в рабочих условиях и под действием сейсмической нагрузки.

4. Выполнены расчеты на прочность реактора для окисления сероводорода в газе и на устойчивость колонного аппарата - регенератора диэти-ленгликоля с учетом ветровой нагрузки.

5. Проведен статистический расчет остаточного ресурса абсорбера, подвергшегося общей коррозии. Выполнен сравнительный анализ результатов расчета по предлагаемой методике вероятностной оценки остаточного ресурса с результатами расчетов по существующим методикам оценки остаточного ресурса оборудования.

Публикации по теме диссертации

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Журавлев Д.В. Статистическая оценка остаточного ресурса абсорберов по результатам диагностического обследования // Тезисы докладов Четвертой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. 25-27 сентября 2001 г., Москва. - С. 169.

2. Журавлев Д.В., Чирков В.П., Муравин Е.Л. Применение программного пакета А№У8 к расчетам нефтегазового оборудования колонного типа на сейсмостойкость // Тезисы докладов Четвертой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. 25-27 сентября 2001 г., Москва. -С. 170.

3. Журавлев Д.В. Надежность, безопасность и остаточный ресурс оборудования по подготовке, переработке и транспортировке газа // Аннотированный сборник диссертационных работ аспирантов и специалистов газовой отрасли - М.: ООО «ВНИИГАЗ», 2001. - С. 3-5.

4. Журавлев Д.В., Муравин Е.Л., Чирков В.П. Расчеты на прочность и сейсмостойкость конструкций нефтегазового оборудования с использованием программного пакета А№У8 // Газовая промышленность. Научно-технический сборник. - 2001. - №6. - С. 43-56.

5. Журавлев Д.В., Чирков В.П., Муравин Е.Л. Вероятностная оценка остаточного ресурса нефтегазового оборудования по результатам диагностического обследования // Тезисы докладов международной конфе-

ренции «Проблемы надежности машин и конструкций». 24-26 сентября 2002 г., Минск, Беларусь. - С. 49-50.

6. Журавлев Д.В., Чирков В.П. Муравин Е.Л. Применение программного пакета ANSYS к расчетам нефтегазового оборудования на сейсмостойкость // Тезисы докладов седьмой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. 27-28 февраля 2001 г., Москва. Т.З. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. // Издательство МЭИ,2001 г. -С.250-251.

Подписано в печап>/^££ Зак. № Тир. т Пл. Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

Введение. Цель и содержание диссертации.

1. Обзор литературы.

1.1. Проблемы обеспечения безопасности эксплуатации и продления срока службы нефтегазового оборудования, выработавшего назначенный ресурс.

1.2. Основные сведения о сосудах и аппаратах по подготовке и транспортировке газа.

1.2.1. Абсорберы.

1.2.2. Адсорберы.

1.2.3. Сепараторы.

1.2.4. Теплообменное оборудование.

1.2.5. Циклонные пылеуловители.

1.3. Дефекты и деградационные процессы в корпусах и сварных соединениях нефтегазового оборудования после длительной эксплуатации и методы их диагностирования.

1.3.1. Деградация механических свойств материалов.

1.3.2. Виды охрупчивания.

1.3.3. Коррозионно-эрозионные процессы в сосудах и аппаратах.

1.4. Параметры технического состояния и техническое диагностирование.

1.5. Сбор, систематизация и анализ технической документации.

1.6. Понятие ресурса и применяемые детерминистические методы его оценки.

1.7. Практические примеры оценки технического состояния сосудов и аппаратов.

2. Расчеты на прочность и сейсмостойкость конструкций нефтегазового оборудования с использованием программного пакета ANSYS.

2.1. Расчет на сейсмостойкость пылеуловителя с прикрепленными к нему трубопроводами.

2.2. Определение собственных частот и форм колебаний методом итераций в подпространстве.

2.3. Спектральный анализ.

2.4. Расчет на сейсмостойкость печи для нагрева кислого газа.

2.5. Расчет на прочность реактора для окисления сероводорода в газе.

2.6. Расчет на устойчивость колонного аппарата с учетом ветровой нагрузки.

3. Вероятностные методы оценки остаточного ресурса промыслового оборудования при поверхностном разрушении.

3.1. Данные диагностического обследования.

3.2. Статистический расчет остаточного ресурса абсорбера, подвергшегося общей коррозии, с использованием распределения Вейбулла.

3.3. Оценка остаточного ресурса обечаек абсорбера по методике вероятностной оценки остаточного ресурса технологических стальных трубопроводов.

3.4. Уточненный расчет остаточного ресурса абсорбера.

3.4.1. Оценка вероятности отказов по данным диагностики.

3.4.2. Оценка остаточного ресурса.

3.4.3. Результаты расчетов.

3.5. Выводы.

Предпосылками к изучению проблемы надежности и оценки остаточного ресурса несущих (силовых) конструкций технических устройств опасных производственных объектов газо-, нефтехимических производств стали, во-первых, исследования по оценке показателей надежности сооружений и конструкций, проводимые на кафедре Динамики и прочности машин Московского энергетического института [98]. Во-вторых, возникла необходимость проверить эффективность разработанных методов применительно к таким сооружениям, как абсорберы, адсорберы, печи для нагрева газа, ректификационные колонны, пылеуловители и сепараторы (далее сосуды, аппараты), т.е. к оборудованию, работающему на установках сбора, транспортировки и переработки газа и газового конденсата.

Основными причинами возникновения аварийных ситуаций, перерастания их в аварии и катастрофы являются, как правило, отказы технических систем вследствие ошибок в проектировании, нарушения технологии изготовления, условий и режимов эксплуатации, а также природных явлений типа землетрясений, ураганов и др. Для конструкций и сооружений, длительное время находящихся в эксплуатации, причиной отказа могут стать коррозия, деградация свойств материалов, предельные уровни накопленных повреждений, образование и неконтролируемое распространение трещин [48,54,58,59].

Проблемы наблюдения за изменением сопротивляемости разрушению и адекватного уточнения времени безопасной эксплуатации промышленных объектов особенно актуальны в настоящее время, когда эксплуатационные параметры для большинства действующих аппаратов нефтяной и газовой промышленности практически достигли предельных значений, а проектный срок их коммерческого использования близок к завершению.

В нефтегазовой отрасли оценка технического состояния и остаточного ресурса сосудов и аппаратов, выработавших назначенный срок службы, опирается на нормативно-техническую документацию: методики, методические указания и т.п. [58-66]. Охватывая достаточно широкий круг вопросов, эти документы основной акцент делают на контроле технического состояния неразру-шающими методами, который является необходимой, но лишь частью работ, проводимых при диагностировании технического состояния сосуда. Существующие методики не позволяют учесть возможную опасность разрушения конструкций от всех обнаруженных в них дефектов. В данной работе рассматриваются новые методы анализа допустимости дефектов конструкций. Это вероятностные методы механики разрушения, которые учитывают статистические разбросы размеров обнаруженных дефектов, данные по механическим свойствам материала, а также надежность систем неразрушающего контроля.

С другой стороны, существующие отраслевые стандарты не позволяют адекватно учесть в расчетах все нагрузки, которым подвергается сосуд во время эксплуатации. Это связано с тем, что объекты газо-, нефтехимических производств относятся к мелкосерийному производству, характеризуются индивидуальной нагруженностью как изнутри (разные среды и технологические параметры), так и снаружи (разные природно-климатические условия).

В начале работы над диссертацией была поставлена цель — дать максимально приближенную к реальной оценку технического состояния сосуда, выработавшего назначенный срок службы или эксплуатируемого в условиях индивидуальной нагруженности. Реалистичность оценок в данной работе обоснована следующими положениями: в задачах оценки остаточного ресурса:

• отказ от распространенной детерминированной квазистатической постановки задачи [72], учет развития коррозии как случайного процесса во времени, применение распределения Пуассона для статистической оценки остаточного ресурса оборудования;

• сравнение и анализ проведенных расчетов с оценками по существующим методикам; в расчетах на прочность:

• проведение численного эксперимента для различных вариантов нагружения с большой точностью, используя метод конечных элементов и проводя объемное математическое моделирование конструкции;

• сравнение результатов с расчетами по существующим отраслевым нормативным документам.

Данная работа выступает как анализ и существенное расширение существующих методик оценки технического состояния и продления срока службы оборудования. Были составлены база данных и программа по оценке технического состояния оборудования, методам неразрушающе го контроля и статистической обработке результатов измерений.

Диссертация состоит из 3 глав. Первая глава содержит обзор литературы по теме. В ней освещены общие данные по оборудованию для подготовки и переработки газа и газового конденсата, выбираются объекты исследования. Рассмотрены условия эксплуатации, виды и основные причины коррозионных поражений металлических конструкций, а также других дефектов металла корпуса и сварных соединений сосудов давления. Подробно описываются общепринятые подходы определения остаточного ресурса, продления срока службы оборудования.

Во второй главе решены задачи расчетов на сейсмостойкость пылеуловителя с прикрепленными к нему трубопроводами, печи для нагрева кислого газа, на устойчивость колонного аппарата — регенератора диэтиленгликоля под действием ветровой нагрузки, на прочность реактора для окисления сероводорода в газе. Эти примеры демонстрируют целесообразность применения метода конечных элементов и объемного моделирования конструкции.

В третьей главе рассматриваются вероятностные модели накопления повреждений. Проведен статистический расчет остаточного ресурса абсорбера, подвергшегося общей коррозии с использованием распределения Пуассона. Выполнено сравнение результатов с результатами расчетов по существующим в отрасли методикам оценки остаточного ресурса.

1. Обзор литературы

3.5. Выводы

В ходе работы для определения достоверной оценки остаточного ресурса были проанализированы действующие в отрасли методики.

Из результатов расчета а также сведений по эксплуатации очевидно, что более точных результатов удалось достичь, используя предложенную в диссертационной работе методику вероятностной оценки остаточного ресурса.

Данная методика наиболее чувствительна к точкам замеров, где выявлены отдельные каверны, размер которых значительно превосходит средний по обечайке, и может применяться для расчета нефтегазового оборудования, подвергшегося действию язвенной коррозии.

Кроме того, она позволяет использовать статистическую информацию, полученную в результате диагностического обследования, работает в условиях неполноты информации о дефектах с учетом их возможного пропуска, учитывает влияние различных случайных факторов и типы предельных состояний.

Методика оценки остаточного ресурса с использованием распределения Вейбулла грубо экстраполирует данные неразрушающего контроля, нечувствительна к отдельным дефектам, имеет ряд неточностей и может привести к ошибочным выводам. Однако она выигрывает меньшей трудоемкостью работ.

Используя применительно к обечайкам абсорбера методику вероятностной оценки остаточного ресурса технологических стальных трубопроводов, в основу которой заложено гауссовское распределение, в случаях, когда рабочее состояние обечайки близко к предельному, получен нулевой остаточный ресурс, хотя по результатам неразрушающего контроля оборудование находится в исправном состоянии.

Таким образом, предложенная и реализованная методика оценки остаточного ресурса трудоемка, но дает наиболее точные результаты и заметно уменьшает погрешность ошибки.

Заключение

В диссертации решается проблема оценки остаточного ресурса нефтегазового оборудования (на примере абсорбера), выработавшего назначенный срок службы, а также решены задачи уточненных расчетов на прочность сосудов и аппаратов, находящихся в эксплуатации, расчетные схемы которых, выполненные в рамках существующих отраслевых стандартов, неадекватно описывают условия нагружения. Основные результаты работы следующие.

1. Проведен обзор литературных данных по описанию методов технического диагностирования сосудов и аппаратов газовой и нефтехимической промышленности и расчета ресурса оборудования, выработавшего назначенный срок службы.

2. Составлены базы данных по анализу технической документации нефтегазового оборудования и первичной обработке статистической информации, выбраны объекты исследования.

3. Проведены расчеты на прочность методом конечных элементов пылеуловителя с прикрепленными к нему трубопроводами и печи для нагрева кислого газа, находящихся в рабочих условиях и под действием сейсмической нагрузки.

4. Выполнены расчеты на прочность реактора для окисления сероводорода в газе и на устойчивость колонного аппарата — регенератора диэтиленгли-коля с учетом ветровой нагрузки.

5. На основе данных диагностического обследования проведен статистический расчет остаточного ресурса абсорбера, подвергшегося общей коррозии. Выполнен сравнительный анализ результатов расчета по предлагаемой методике вероятностной оценки остаточного ресурса с результатами расчетов по существующим методикам оценки остаточного ресурса оборудования.

1. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. М.: Химия, 1978.-277 с.

2. Бабицкий И.Ф., Вихман Г.Л., Вольфсон С.И. Расчет и конструирование аппаратуры нефтеперерабатывающего завода. М.: Недра, 1965. - 904с.

3. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1982. - 448 с.

4. Безопасность России. Функционирование и развитие сложных народнохозяйственных, технических, энергетических, транспортных систем, систем связи и коммуникаций. М.: МГФ «Знание», 1998. Т.1. - 444 е., Т.2. -410 с.

5. Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. М.: Недра, 1986. - 261с.

6. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир, 1989.-540 с.

7. Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Математико-статистические методы экспертных оценок. М.: Статистика, 1980. - 327 с.

8. Бидерман B.JT. Теория механических колебаний. М.: Высшая школа, 1980.-408 с.

9. Биргер И.А. Стержни, пластины, оболочки. М.: Физматлит, 1992. -392 с.

10. Биргер И.А., Шнейдерович P.M., Шорр Б.Ф. Расчет на прочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1966. - 615с.

11. Богданофф Дж., Козин Ф. Вероятностные модели накопления повреждений. М.: Мир, 1989. - 341 с.

12. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М.: Стройиздат, 1982. - 352 с.

13. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.

14. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990.- 448 с.

15. Болотин В.В. Случайные колебания упругих систем. М.: Наука, 1979. -336 с.

16. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. М.: Издательство литературы по строительству. 1990. - 448с.

17. Болотин В.В. Статистическая теория сейсмостойкости сооружений // Известия АН СССР. Механика и машиностроение. 1959. - №4. -С. 123-129.

18. Болотин В.В., Радин В.П., Чирков В.П. Применение метода статистического моделирования для оценки сейсмического риска конструкций // Известия РАН. Механика твердого тела. -1997. №6. - С. 168-175.

19. Болотин В.В., Чирков В.П. Асимптотические оценки для вероятности безотказной работы по моделям типа «нагрузка-сопротивление» // Проблемы машиностроения и надежности машин, 1992. №6. -С.3-10.

20. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. - 370 с.

21. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах/Ред.: В.В. Болотин. Т.1. М.: Машиностроение, 1998. - 504 с.

22. Гетманский Э.Д., Кланчук О.В., Кригман JI.E. Защита газопроводов нефтяных промыслов от сероводородной коррозии. М.: Недра, 1998.- 200 с.

23. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М.: Издательство стандартов. - Введ. 01.01.1990.

24. ГОСТ 27.201-81 Надежность в технике. Оценка показателей надежности при малом числе наблюдений с использованием дополнительной информации. Основные положения. М.: Издательство стандартов. - Введ. 01.07.1981.

25. ГОСТ 27.503-81 (СТ СЭВ 2836-81) Надежность в технике. Система сбора и обработки информации. Методы оценки показателей надежности. М.: Издательство стандартов. - Введ. 01.07.1981.

26. ГОСТ 27.504-84 Надежность в технике. Методы оценки показателей надежности по цензурированным выборкам. М.: Издательство стандартов. -Введ. 01.07.1984.

27. ГОСТ 5272-68. Коррозия металлов. Термины. М.: Издательство стандартов. - Введ. 01.07.1968.

28. ГОСТ 24755-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчёта укрепления отверстий. М.: Издательство стандартов. - Введ. 01.07.1989.

29. ГОСТ 27.410-87 Надежность в технике. Методы контроля показателей надежности и планы контрольных испытаний на надежность. М.: Издательство стандартов. - Введ. 01.07.1987.

30. ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. М.: Издательство стандартов. - Введ. 01.07.1989.

31. ГОСТ Р 51274-99 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Определение расчетных усилий для аппаратов колонного типа от ветровых нагрузок и сейсмических воздействий. М.: Издательство стандартов. - Введ. 01.01.2000.

32. ГОСТ Р 51273-99. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. М.: Издательство стандартов. - Введ. 01.01.2000.

33. ГОСТ 25859-83. Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках. М.: Издательство стандартов. - Введ. 01.07.1984.

34. ГОСТ 26202-84. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность обечаек и днищ от воздействия опорных нагрузок. М.: Издательство стандартов. - Введ. 01.07.1984.

35. ГОСТ 25215-82.Сосуды и аппараты высокого давления. Обечайки и днища. Нормы и методы расчета на прочность. М.: Издательство стандартов.-Введ. 01.07.1982.

36. ГОСТ 24846-81. Грунты. Методы измерения деформаций зданий и сооружений. М.: Издательство стандартов. - Введ. 01.07.1981.

37. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения. М.: Издательство стандартов. - Введ. 01.07.1989

38. Гумбель Э. Статистика экстремальных значений. М.: Мир, 1965. -450 с.

39. Дьяконов В.П. Справочник по применению PC MatLAB. М.:' Наука, 1993.- 112с.

40. Елохин А.Н. Анализ и управление риском: теория и практика / Изд. 2-е, исправленное и дополненное. М.: ЗАО «Индустриальный риск», 2002. - 200 с.

41. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1981. - 240 с.

42. Журавлев Д.В. Надежность, безопасность и остаточный ресурс оборудования по подготовке, переработке и транспортировке газа // Аннотированный сборник диссертационных работ аспирантов и специалистов газовой отрасли. М.: ООО «ВНИИГАЗ», 2001. - С. 3-5.

43. Журавлев Д.В., Муравин E.JL, Чирков В.П. Расчеты на прочность и сейсмостойкость конструкций нефтегазового оборудования с использованием программного пакета ANSYS // Газовая промышленность. Научно-технический сборник. 2001. - №6. - С. 43-56.

44. Зорин Е.Е., Ланчаков Г.А., Степаненко А.И., Шибнев А.В. Работоспособность трубопроводов. Расчетная эксплуатационная надежность. Часть 1. -М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. 244 с.

45. Калинина В.Н. Панкин В.Ф. Математическая статистика. М.: Высшая школа, 1998.-336с.

46. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978. - 512 с.

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

48. Коваленко И.Н. Случайные процессы. Справочник. М.: Наука, 1983. - 432с.

49. Коррозионное растрескивание и хрупкость. М.: Машгиз, 1961. - 188 с.

50. Лифшиц В.И. Татаринов В.Г. Основные положения остаточного ресурса сосудов и аппаратов // Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2000.-№8.-С. 8-10.

51. Матвиенко Ю.Г. Физика и механика разрушения твердых тел. М.: Эди-ториал УРСС, 2000. -76 с.

52. Матвиенко Ю.Г. Модели и критерии трещиностойкости в проблемах безопасности и живучести // Проблемы машиностроения и надежности машин, 2001. №5. - С.117-126.

53. Матсоон Э. Электрохимическая коррозия. М.: Металлургия, 1991. - 158 с.

54. Методика вероятностной оценки остаточного ресурса технологических стальных трубопроводов. М.: НТП «Трубопровод», 1995. - 37 с.

55. Методика прогнозирования остаточного ресурса безопасной эксплуатации сосудов и аппаратов по изменению параметров технического состояния. Центрхиммаш, 1993. 39 с.

56. Методические рекомендации MP 159-85. Надежность в технике. Выбор видов распределений случайных величин. -М.: ВНИИНМАШ, 1985. -40 с.

57. Методические рекомендации. Надежность в технике. Система сбора и обработки информации. Методы оценки показателей надежности в случае многократно усеченных выборок. М.: ВНИИНМАШ, 1986. - 34 с.

58. Методические рекомендации MP 198-86. Надежность в технике. Методы оценки и контроля индивидуальных показателей надежности. М.: ВНИИНМАШ, 1986. - 62 с.

59. Методические рекомендации МР248-87. Методы оценивания точности результатов испытаний машин. М.: ВНИИНМАШ, 1987. - 66с.

60. Методические рекомендации MP 88-83 «Надежность в технике. Методы расчета и контроля индивидуальных показателей надежности», М.: НИИХИММАШ, 1983. - 78 с.

61. Методики оценки последствий аварий на опасных производственных объектах // Сб. документов. Серия 27, Вып. 2. М.: ГУП НТЦ «Промышленная безопасность», 2001. - 224 с.

62. Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, подконтрольных Госгортехнадзору России // Безопасность труда в промышленности, 1996. №3. - С.45-51.

63. Морозов Е.М. Матвиенко Ю.Г. Методические основы исследований в механике рахзрушения // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2002. Т. 68. - №1. - С. 84-88

64. Мяченков В.И., Мальцев В.П., Майборода В.П. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов. М.: Машиностроение, 1989. -520с.

65. ПБ 10-115-96. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. М.: ПИО ОБТ. - Введ .01.01.1996.

66. ПБ 03-246-98. Правила проведения экспертизы промышленной эксплуатации. М.: ПИО ОБТ. - Введ .01.01.1996.

67. ПНАЭ Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. М.: Атомэнергоиздат, 1989.-500 с.

68. Положение о порядке выполнения расчета остаточного ресурса сосудов и аппаратов. Иркутск: ИркутскНИИхиммаш, 1996. 90 с.

69. Пугачев B.C. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Наука, 1979.-496 с.

70. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Том1. Под ред. И.А. Биргера. М.: Машиностроение. 1968. - 831с.

71. Райе Дж. Матричные вычисления и математическое обеспечение. М.: Мир, 1984.-264 с.

72. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука,1979.744 с.

73. РД 26-10-87. Методические указания. Оценка надежности химического и нефтяного оборудования при поверхностном разрушении. М., 1987. -73 с.79