image
energas.ru

Коррозия Территории Нефтегаз № 1 (36) 2017

Диагностика

»  01.04.2017 11:00 РАЗРАБОТКА СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДИК ДИАГНОСТИКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ МЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ
Вертикальные стальные резервуары большого объема являются значимым звеном в технологической цепочке трубопроводного транспорта нефти. Поэтому эти сооружения должны находиться в исправном состоянии весь период эксплуатации. Несмотря на довольно большой опыт, накопленный в последние годы в резервуаростроении, резервуары для нефти и нефтепродуктов остаются одними из наиболее опасных объектов. Для безотказной работы необходимо периодически проводить диагностику технического состояния резервуаров. В статье произведен анализ статистических данных, полученных с применением используемых в настоящее время методов неразрушающего контроля (НК) для определения текущего технического состояния и диагностирования вертикальных стальных резервуаров. На основе метода экспертных оценок проведено сравнение этих методов неразрушающего контроля. Выявлен наиболее пригодный в производственных условиях и безопасный для персонала метод, который следует применять при диагностике уторных и стыковых соединений резервуаров, – ультразвуковой метод контроля. В работе приводится разработанная методика определения возможных дефектов с использованием ультразвукового контроля (УЗК). Она является более эффективной и рациональной для контроля сварных соединений в резервуарах большого объема по сравнению с существующими методиками и не предполагает ни опорожнения резервуара, ни нарушения фундамента и основания резервуара, позволяя выявлять дефекты на ранней стадии развития.
Ключевые слова: методы неразрушающего контроля, сварные соединения, резервуары вертикальные стальные, диагностика оборудования, пьезоэлектрические преобразователи.
Открыть PDF


Поскольку вертикальные стальные резервуары большого объема являются одним из ключевых звеньев технологической цепочки трубопроводного транспорта нефти, эти сооружения должны находиться в исправном техническом состоянии весь период эксплуатации. Несмотря на довольно большой опыт в резервуаростроении, накопленный за последние годы, резервуары для нефти и нефтепродуктов остаются одними из наиболее опасных объектов. 

Это связано с целым рядом причин, из которых наиболее характерными являются:

• высокая пожаро- и взрывоопасность хранимых продуктов;

• большие размеры конструкций и связанная с этим протяженность сварных швов, которые трудно проконтролировать по всей длине;

• несовершенства геометрической формы, неравномерные просадки фундамента и оснований;

• высокая скорость коррозионных процессов;

• малоцикловая усталость отдельных зон стенки конструкции;

• сложный характер нагружения конструкции в зоне уторного шва в сочетании с практическим отсутствием контроля сплошности этих сварных соединений.

Image_002.png

Рис. 1. Процентное соотношение применяемых методов НК при диагностике вертикальных стальных резервуаров

Исследования в области повышения надежности конструкции резервуаров вертикальных стальных (РВС) являются актуальными, поскольку разрушение резервуаров влечет за собой потери не только экономические, но и экологические и даже человеческие.

На основе статистических данных было определено значение регулярного технического диагностирования объекта (резервуара), которое в зависимости от объема произведенных операций подразделяется на полное и частичное. Полное включает различные виды контроля и осуществляется с периодичностью не менее одного раза в 10 лет, при том что частичное – не менее одного раза в 5 лет. 

Наиболее распространенными методами определения технического состояния резервуаров являются:

• визуально-измерительный;

• радиографический;

• ультразвуковой;

• капиллярный или магнитопорошковый;

• токовихревой;

• измерение твердости;

• гидравлические испытания;

• пневматические испытания.

Image_003.png

Рис. 2. Процентное соотношение дефектов в сварных соединениях РВС:

I – в трубопроводе; II – в днище; III – в монтажных швах; IV – в патрубке; V – в стенке; VI – в уторных соединениях

На основе анализа литературы [1, 2] была построена гистограмма, наглядно показывающая процентное соотношение используемых методов НК для определения текущего состояния и диагностики вертикальных стальных резервуаров. Исходя из данной гистограммы можно сделать вывод, что УЗК является одним из наиболее распространенных методов диагностики резервуаров.

С использованием метода экспертных оценок было проведено сравнение первых четырех наиболее распространенных методов, при этом оценка осуществлялась в рейтинговых баллах от 0 до 5, где 0 – метод не позволяет обнаружить заявленный показатель, 5 – метод обеспечивает 100%-е обнаружение. Результаты рейтинга методов, а также показатель, по которому они сравнивались, сведены в таблицу.

При использовании метода экспертных оценок заданные количественные величины представляют собой мнение эксперта и принимаются на основе априорной информации, опыта проведения методов НК и анализа литературных источников, отражающих информацию по данному вопросу.

В результате проведенного анализа получаем таблицу экспертных оценок по методам (табл. 1).

Image_005.png

Рис. 3. Схемы возможных образований трещин в уторном соединении РВС:

1 – окрайка; 2 – вертикальная стенка; 3 – внешний сварной шов; 4 – внутренний шов; 5 – хранимый нефтепродукт; I – усталостная трещина первого рода; II – усталостная трещина второго рода; III – усталостная трещина третьего рода

Определение обобщенной оценки каждого метода определяется по средневзвешенному показателю. Результаты анализа показателей табл. 1 приведены в табл. 2.

Таким образом, устанавливаем, что наиболее рациональным методом, который следует применять при диагностике уторных и стыковых соединений резервуаров, является ультразвуковой метод контроля.

При анализе технической документации (журналы планово-предупредительного ремонта) резервуара (10 тыс. м3) были выявлены наиболее распространенные дефекты. На рис. 2 представлена гистограмма распределения, наглядно показывающая процентное соотношение дефектов в сварных соединениях резервуаров.

Из гистограммы видно, что наиболее частое возникновение и развитие дефектов происходит в уторных соединениях. Как показывает практика, зарождение и образование трещин, возникновение дефектов в уторных соединениях может происходить по трем характерным направлениям, представленным на рис. 3.

На практике очень часто приходится определять наличие трещин и расслоений в зоне внутреннего сварного шва, уторного соединения вертикальной стенки и окраек. Данная задача решается, но с относительно большими затратами и только после полного опорожнения РВС от нефтепродукта.

Image_004.png

Рис. 4. Схема определения характерной горизонтальной трещины во внутреннем сварном шве:

а) схема прохождения ультразвука при наличии горизонтальной трещины в сварном шве; б) схема прохождения ультразвука при отсутствии горизонтальной трещины в сварном шве:

1–4 – зоны установки акустического датчика; 5 – окрайка; 6 – вертикальная стена; 7 – внешний сварной шов; 8 – внутренний сварной шов; 9 – акустический датчик; 10 – горизонтальная трещина

В ранее разработанных методиках УЗК предлагается метод определения ожидаемых трещин на основе использования ультразвукового толщиномера и модифицированного высокочувствительного магнитоупругого тестера для оценки действующих и «остаточных» напряжений.

Определение горизонтальной трещины по такой методике следующее: окрайка в зоне нахождения внутреннего сварного шва должна зачищаться снизу от коррозии для обеспечения акустического контакта датчика прибора ультра-
звукового толщиномера и металла окрайки, затем датчик устанавливается снизу на защищенное место окрайки непосредственно под внутренним сварным швом с обеспечением полного акустического контакта.

В случае наличия между окрайкой и вертикальной стенкой или внутренним сварным швом любой микротрещины или микрорасслоения посланный ультразвуковой сигнал отражается от верхней плоскопараллельной поверхности и вновь возвращается в тот же приемно-передающий датчик, так как ультразвуковой толщиномер работает с одним и тем же универсальным датчиком в режиме эхолокации (рис. 4а), соответственно, при установке датчика в зоны 2–4. При этом на цифровом табло прибора будет высвечиваться только толщина окрайки с точностью 0,1 мм, что является ярким признаком наличия горизонтальной микротрещины в исследуемом сварном шве.

Image_006.png
Рис. 5. Схема контроля с пьезоэлектрическим преобразователем П121-2,5-65°-14

При установке датчика в зону 1 на рис. 4а и в зону 4 на рис. 4б, когда горизонтальная трещина в сварном шве отсутствует, ультразвук без каких-либо потерь пройдет через окрайку непосредственно в сварной шов и, дойдя до его верхней поверхности, отразится от нее под углом, синхронным углу ее наклона к горизонту, что не позволит указанному сигналу вновь вернуться в датчик, что в данном случае также является наглядным и косвенным признаком отсутствия в сварном шве ожидаемой горизонтальной трещины.

К сожалению, в условиях производства данная методика оказывается не вполне пригодной вследствие затруднения установки датчика пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) под днище резервуара. Очевидно, что в силу недостатков этого метода, основными из которых являются опорожнение резервуара и подрыв подсыпки основания резервуара, необходимы разработка и внедрение способа, который был бы применим в условиях производственного этапа.

Image_007.png
Рис. 6. Схема контроля с пьезоэлектрическим преобразователем П121-5,0-65°-8

Нами было проведено исследование, включавшее установку различных датчиков около внешнего сварного шва. На основе наблюдений было получено графическое отображение проведения эксперимента, изображенное на рис. 5–8, а характеристики датчиков ПЭП сведены в табл. 3. Цель исследования заключалась в определении дефектов в швах резервуаров и подборе ПЭП, а также в выработке методики диагностики сварных соединений резервуара.

Image_008.png

Рис. 7. Схема контроля с пьезоэлектрическим преобразователем П121-5,0-70°-8

Image_009.png

Рис. 8. Схема контроля с пьезоэлектрическим преобразователем П121-5,0-65°-003

На рис. 5 изображен поиск дефектов ПЭП (П121-2,5-65°-14) с углом ввода 65°. Поиск дефектов таким ПЭП позволяет определять дефекты сварных соединениях однажды отраженным лучом. При перемещении ПЭП по поверхности стального листа (А, Б, В) видно, что меняется область обнаружения, – соответственно, таким методом можно обнаружить дефекты во всем сварном шве. Однако, возможно, остается область сварного соединения вне зоны контроля вследствие физики ультразвуковой волны, тогда можно оставшуюся часть сварного шва проконтролировать с обратной стороны сварного соединения (рис. 7).

На рис. 6 и 8 показана аналогичная ситуация с разницей лишь в параметрах ПЭП (табл. 3). Но наибольший интерес представляет рис. 7, так как с помощью устройства (ПЭП), изображенного на нем, можно проконтролировать весь сварной шов, не прибегая к усложнению процесса (когда необходимо переставлять ПЭП на другую сторону сварного шва).

Проанализировав схемы, можно сделать вывод, что по сравнению с ранее предложенной описанная методика является более эффективной и рациональной для контроля сварных соединений в резервуарах большого объема, так как этот способ не требует ни опорожнения резервуара, ни нарушения подсыпки основания резервуара, в то же время позволяя выявлять дефекты на ранней стадии развития и не допуская возникновения аварийных ситуаций.

 

Таблица 1. Сравнение методов НК по ключевым показателям

Показатель

Методы НК

УЗК

ВИК

МК

РК

1

Возможность определения внутренних дефектов

5

0

5

4

2

Мобильность

3

5

2

1

3

Определение координаты дефектов

5

3

4

4

4

Оценка размеров дефектов

5

2

5

4

5

Определение остаточной толщины металла днища и стенки

5

0

5

5

6

Безвредность для человека

4

5

2

1

7

Отсутствие специальных веществ для проведения контроля

4

5

2

0

 

 

Таблица 2. Определение средневзвешенного показателя

Обозначение метода

 

 

УЗК

31

6,2

ВИК

20

4

МК

25

5

РК

19

3,8

 

Таблица 3. Используемые датчики УЗК

Наименование

Заводской номер

Длина, мм

Высота, мм

Стрела ввода, мм

Угол ввода, град.

1

П121-2,5-65°-14

00521

41

21

10,5

65

2

П121-5,0-65°-8

01028

34

22

7,5

65

3

П121-5,0-70°-8

01049

34

22

7,0

70

4

П121-5,0-65°-003

643

28

22

7,5

65



← Назад к списку