ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ
ХИМИЧЕСКОГО И НЕФТЯНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ РАЗРУШЕНИИ
Р.Г.МАННАПОВ
(НИИхиммаш)
ВВЕДЕНИЕ
Применение новых нефтехимических процессов и конструкционных материалов обуславливает необходимость оценки надежности разработанного оборудования в короткие сроки. Традиционные статистические методы, используемые при оценке надежности изделий массового производства, для многих видов химического и нефтяного оборудования малопригодны, так как для их применения необходима однородная статистическая информация об отказах. Такую информацию невозможно получить для оборудования, выпускаемого в единичных экземплярах или малыми сериями и эксплуатируемого в различных условиях, поскольку даже незначительные изменения в составе технологических сред и параметров технологических процессов часто вызывают значительное изменение скорости коррозии и других видов разрушения оборудования. Поэтому оценка надежности многих видов химического и нефтяного оборудования осуществляется индивидуально для каждой единицы изделия по результатам периодических обследований. К такому оборудованию относятся сосуды, работающие под давлением, резервуары, колонная и теплообменная аппаратура, различные реакторы, аппараты с перемешивающими устройствами и др.
В процессе эксплуатации химического и нефтяного оборудования на его поверхностях и в объеме металла могут возникать различные виды повреждений и дефектов: коррозионные поражения разного характера - от сплошной равномерной коррозии до локальной (питтинговой, язвенной, межкристаллитной); трещины различной природы возникновения, эрозионный и кавитационный износ, нарушения сплошности металла вследствие ползучести и других причин. Распределение повреждений по поверхности оборудования обусловлено детерминированными причинами, а также стохастическими свойствами процессов разрушения, закономерности которых почти не изучены. Поэтому, как правило, методики обследования оборудования направлены в основном на выявление максимальных повреждений без определения характера их распределения по поверхности.
Общие недостатки применяемых методов оценки работоспособности оборудования - качественный характер или неопределенная достоверность результата при количественной оценке. Такой подход в ряде случаев приводит к существенным ошибкам в прогнозировании ресурса оборудования и последующим потерям от преждевременных отказов оборудования или неполного использования его ресурса.
В последние годы выполнен ряд работ по исследованию статистических закономерностей поверхностного разрушения оборудования и конструкционных материалов, результаты которых позволили разработать метод оценки надежности оборудования с использованием дополнительной информации о статистическом распределении поражений по поверхности оборудования. В обзоре приведены основные положения данного метода, а также статистические закономерности, положенные в основу этого метода.
РАБОТОСПОСОБНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
Надежность оборудования обеспечивается при правильном его конструировании, выборе материалов, качественном изготовлении и стабильной эксплуатации в установленных режимах с выполнением всех предусмотренных видов технического обслуживания. При проектировании выбор материалов осуществляется на основе опыта эксплуатации оборудования в аналогичных средах либо в результате лабораторных исследований образцов материалов в условиях, близких к эксплуатационным. Сравнительные испытания различных материалов позволяют выбрать для заданных условий наиболее стойкие из них. Однако в реальных условиях эксплуатации параметры технологических сред часто отличаются от регламентированных (заданных) вследствие колебаний в составе природного сырья (нефти, газа, конденсата, руд, воды), содержания в нем вредных примесей, агрессивных компонентов, абразивных частиц, колебаний температуры процесса, скоростей потоков и других причин. Поэтому даже при правильно выбранных конструкционных материалах и качественном изготовлении на поверхности оборудования при эксплуатации могут возникать повреждения различного вида и величины. На рис.1 приведена гистограмма частот скоростей эрозионного изнашивания 127 роторов центробежных сепараторов СОС 501, эксплуатируемых в одинаковых биохимических производствах. Данные определены по результатам периодических обследований.
Химическое и нефтяное оборудование, к которому относятся различные машины, агрегаты и аппараты, нередко эксплуатируется в специфических условиях, при особых режимах нагружения, подвергается характерным видам повреждений. В таких случаях оценка его надежности возможна только после проведения специальных исследований. Но многим видам оборудования (или их элементам) свойственны также и общие признаки потери работоспособности, в частности, обусловленные коррозионно-эрозионным разрушением поверхностей типа оболочек. Так, для сосудов наиболее характерны следующие повреждения [1]: трещины, возникающие чаще всего в местах загибов, отбортовок, в заклепочных швах и местах приварки опор и колец жесткости; коррозионные повреждения поверхностей сосуда, особенно в нижней части и в местах опор; механический (эрозионный) износ, чаще всего наблюдаемый у сосудов, снабженных внутренними вращающимися устройствами, а также в местах движения рабочей среды с повышенной скоростью;износ запорных устройств крышек с откидными болтами; остаточные деформации, возникающие вследствие ползучести металла у элементов сосудов, работающих при температуре стенки, превышающей 475°С.
Оценка работоспособности оборудования по результатам периодических обследований обычно осуществляется путем выявления возникших повреждений, определения их величины и сопоставления с предельно допустимыми значениями повреждений [1 - 3]. Выявленные дефекты относят к допустимым или недопустимым и принимают решение о возможности дальнейшей эксплуатации, необходимости ремонта оборудования или снятия его с эксплуатации. В табл.1 приведены основные эксплуатационные дефекты оборудования, способы их выявления и возможность эксплуатации.
Предусмотренные «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» технические освидетельствования (внутренние осмотры и гидравлические испытания) позволяют качественно оценивать износ сосуда и его состояние на момент испытания, но не дают представления об остаточной надежности сосуда и достаточности ее для обеспечения безопасной эксплуатации на период до следующего технического освидетельствования. Количественную оценку надежности позволяют дать замеры скорости коррозии и величины износа, определение характеристик механических свойств, микроструктурный анализ, а также контроль сплошности сварных соединений [1].
Таблица 1
|
Дефекты |
Способ
выявления |
Допустимость эксплуатации |
|
Трещины ползучести, ус- Коррозионные поврежде-
|
Визуально-оптический, ка-
|
Эксплуатация металла
с
тре-
То
же |
Методы выявления и измерений величины повреждений могут быть различными в зависимости от преобладающего характера разрушения оборудования в конкретных условиях. В табл.2 приведена общая характеристика методов контроля поверхностного разрушения, получивших наиболее широкое распространение. При контроле сплошности металла и сварных швов используют ультразвуковые и радиографические методы, рассмотренные в работах [1, 2, 13, 18].
Прогнозирование надежности оборудования обычно осуществляется по схеме . Через определенные периоды эксплуатации t1, t2 и т. д. измеряют максимальные величины 'возникших повреждений (износа, коррозии, деформаций) h1, h2 и т, д. и экстраполируют зависимость до предельно допустимой величины повреждений hп. Такой метод позволяет получить достаточно точные оценки показателей надежности, если известен вид зависимости h(t) и при измерениях значений h определяются действительно максимальные значения повреждений, т.е. осуществляется сплошной контроль поверхностей оборудования.
Вид зависимости h(t) установлен для многих видов разрушения. При некоторых видах коррозии и изнашивания (трение, эрозионное) зависимость износа от времени линейная: h(t) = h0 + ct, где h0, ct - постоянные величины для заданных условий. Некоторые другие виды зависимостей h(t) рассмотрены ниже.
Измерение максимальных величин повреждений часто осуществляется выборочно по различным причинам: из-за ограниченного доступа к обследуемым поверхностям, большой их площади (поверхности резервуаров достигают 10000 м2 ) и др. Число измерений на поверхности назначается произвольно, чаще всего пропорционально площади обследуемых аппаратов. Например, в работе [1] для сосудов, заглубленных в грунт, установлена норма - 6 измерений на 1 м2, для реакторов получения сероуглерода измерения должны осуществляться по углам квадрата со стороной 100 мм, т. е. по 100 измерений на 1 м2, для разварников пищевых производств - по 25 измерений на 1 м2, для технологических трубопроводов - 3 измерения на 20 м трубопровода и т.д. Статистическая обработка результатов измерений и оценка их достоверности действующими нормативными документами не предусмотрена, поэтому число измерений назначается без учета степени неравномерности коррозии и износа по поверхности. Неопределенность степени достоверности результатов измерений обусловливает в ряде случаев необоснованно высокую трудоемкость измерений при сплошном контроле, а при выборочном контроле может приводить к ошибкам в прогнозировании и последующим потерям от преждевременных отказов или неполного использования ресурса оборудования.
Использование статистических закономерностей поверхностного разрушения металлов позволяет устранить вышеуказанные недостатки и обеспечить объективную оценку надежности оборудования по результатам испытаний (эксплуатации) ограниченной продолжительности. Разработка и применение методических указаний [49] дают возможность на научной основе прогнозировать надежность оборудования.
Для успешного использования статистических методов необходимо хорошо представлять возможности этих методов, применимость их к различным видам разрушения, знать причины и особенности неравномерности поверхностного разрушения оборудования, его математическое описание. Поскольку до сих пор данные вопросы в комплексе не рассматривались, в настоящем обзоре изложены основные аспекты указанного подхода к прогнозированию надежности оборудования с учетом возможности и необходимости его практического применения.
ПРИЧИНЫ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
И ПАРАМЕТРЫ ЕГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
Различные участки поверхностей оборудования при эксплуатации повреждаются неравномерно. Источники такой неравномерности можно условно разделить на две группы: детерминированные (конструктивно-технологические) и стохастические (обусловленные случайными явлениями). К детерминированным источникам необходимо отнести различие условий нагружения разных участков поверхностей оборудования: различие температур, скоростей и концентраций технологических сред, содержания в них абразивных частиц, степени аэрации, механических напряжений и деформаций, а также наличие невыявленного при контроле брака изготовления или ремонта. Стохастическими источниками неравномерности разрушения различных участков поверхности, находящихся в одинаковых условиях нагружения, являются неизбежные для данного уровня технологии изготовления структурная и химическая неоднородность основного металла и сварных соединений (наличие в металле различных структурных фаз, неметаллических включений, пор, ликвации и др.), отклонение геометрических размеров в элементах оборудования и сварных швов (в пределах допусков) и связанное с этим различие в них деформаций и напряжений, случайные колебания распределения технологических потоков по поверхности оборудования и другие.
Влияние первой группы факторов обычно наиболее велико и очевидно, поэтому основное внимание при обследовании в большинстве методик направлено