Применение уточненных методов для расчета на прочность и оценки остаточного ресурса оборудования по подготовке и транспортировке газа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Журавлев, Дмитрий Витальевич

• Журавлев, Дмитрий Витальевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Журавлев, Дмитрий Витальевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение уточненных методов для расчета на прочность и оценки остаточного ресурса оборудования по подготовке и транспортировке газа»

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

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Журавлев, Дмитрий Витальевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Журавлев, Дмитрий Витальевич, 2004 год

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