ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ ОТНОСИТЕЛЬНО ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ

ЗАЩИТА РВС

И.М. Розенштейн, НПП «ФОРТ»

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ ОТНОСИТЕЛЬНО ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ

Хрупкое разрушение вертикальных стальных сварных резервуаров связано с внутренними растягивающими напряжениями в области сварных швов. Внешние напряжения существенной роли не играют. Анализ аварий показал, что хрупкие трещины возникают в перекрестиях сварных монтажных швов первого и второго поясов. Термическая обработка этих областей во время монтажа резервуара существенно повысит его надежность или полностью исключит опасность хрупкого разрушения, практически не повышая его стоимости и не увеличивая сроков монтажа.

Опыт показывает, что вероятность разрушения вертикального стального сварного резервуара, РВС, для хранения нефти и нефтепродуктов, спроектированного, смонтированного и эксплуатируемого (в смысле ремонтов) в соответствии с нормативными документами, статистически мала. Рассуждения в терминах статистики здесь уместны, т.к. расчет РВС выполняется по предельному состоянию, на ней основанному. Все это так, когда речь идет об опасности вязкого разрушения. Значения нормативного сопротивления устанавливались на основании выборки из журналов заводских лабораторий металлургических заводов. Далее величину расчетных сопротивлений рассчитывали, применяя различные понижающие коэффициенты, численные значения которых не имеют и не могу иметь никаких обоснований, кроме «на всякий случай».

Поскольку современные проекты РВС по сути являются «привязкой» типовых проектов, разработанных еще коллективами ведущих специализированных проектных и научных

коллективов СССР, то надежность РВС относительно вязкого разрушения вполне обеспечена. Следует учесть и то, что РВС является консервативной конструкцией, изменения в которую с тех пор не вносились. Нужно отметить, что стенки российских (советских) РВС - самые тонкие в мире. Однако не известен ни один случай вязкого разрушения РВС,рассчитанного по предельному состоянию, более научно обоснованному, чем расчет по допускаемым напряжениям, при котором толщина стенки оказывается толще, а РВС - дороже.

Когда же возникает вопрос об опасности хрупкого разрушения, то определенность в оценке их надежности исчезает что при расчете по предельному состоянию, что - по допускаемым напряжениям: никакого соответствующего расчета в нормативных документах нет.

Интуитивно (и по умолчанию)считается, что надежность РВС в отношении хрупкого разрушения обеспечена, если сталь удовлетворяет требованию к регламентированным значениям

ударной вязкости и температуры ^ег0. Выполнение этих требований обеспечивает условие, при котором 10рег ниже критической температуры вязко-хрупкого перехода при испытании соответственно образцов Менаже или Шарпи на ударном копре Шарпи. Предполагается, что ^рег согласуется с расчетной температурой района эксплуатации РВС таким образом, что хрупкое разрушение РВС ожидать не приходится. Доказательств этой декларации не существует. Более того, известны случаи хрупкого разрушения РВС, изготовленных из стали, отвечающей требованиям проекта [1][2]. Величина не является константой стали, в зависимости от методики ее определения она может принимать самые различные значения. Обширное исследование, проведенное под эгидой Международного института сварки в нескольких странах, показало: значение является реакцией на конкретный метод испытания [3] и, следовательно, достоверной связи с не имеет. Это подтверждается и тем, что наблюдались хрупкие разрушения РВС, изготовленных из стали, отвечаю-

\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

щей всем требованиям проекта и ГОСТ, т.е. условие 1к0 < 1°рег выполнялось. Следует иметь в виду, что надежность относительно хрупкого разрушения стали и сварной конструкции, из которой она сварена, различные вещи, из-за охрупчивающего влияния сварки. Еще Н.С. Стрелецкий отмечал, что разрушения сварных конструкций случаются и при напряжениях ниже расчетных [4]. Если к этому добавить, что хрупкие разрушения РВС (и других типов конструкций) происходят при постоянном усилии, в т.ч. и равном нулю, и ничто не предвещает его появления, то, вероятно, можно заключить, что опасность хрупкого разрушения не зависит или несущественно зависит от внешних усилий. Для реализации процесса разрушения необходима энергия. Единственным или основным источником энергии, расходуемым на возникновение и распространение хрупких трещин,являются внутренние сварочные напряжения. Лабораторные эксперименты показали, что этой упругой энергии достаточно для нестабильного распространения

не одной хрупкой трещины, целого пучка [1 ].

Энциклопедическое определение прочности формулируется как способность материала или конструкции выдерживать внешние усилия не разрушаясь. Для случая хрупкого разрушения это определение недействительно. Следовательно, и прочностной расчет для хрупкого разрушения по определению в терминах напряжения невозможен. Невозможен и расчет прочности для внутренних напряжений из-за полной неопределенности схемы нагружения. Предлагается модель разрушения, объясняющая несущественное влияние внешнего напряжения на хрупкое разрушение стальной сварной конструкции. Возникновение хрупкой трещины, вероятно, становится возможным при следующем условии. В некоторой микроскопической области, находящейся в сварном соединении около случайного дефекта - концентратора напряжения в области растягивающего напряжения,равного от (непосредственно у сварного шва

№ 2 \\ февраль \ 2010

всегда есть такая область), возникло случайное сочетание нескольких факторов, повышающих склонность стали к хрупкому разрушению. Это основной температурный фактор, на фоне которого становится возможным хрупкое разрушение. На условия возникновения хрупкой трещины у вершины дефекта - концентратора величина внешнего напряжения о << от или о = 0 в соседних с дефектом областях расчетного сечения не оказывает влияния, т.к. о является лишь некоторой добавкой к величине внутреннего напряжения. У вершины дефекта, где уже имеется внутреннее напряжение, равное стт , добавка внешнего напряжения может вызвать микропластическую деформацию, однако суммарное о останется близким к о. Величина внешнего о, усредненная на все расчетное сечение, не содержит полезной информации и не может быть использована для оценки опасности хрупкого разрушения стальной сварной конструкции. Об условиях возникновения хрупкой трещины у дефекта сварного соединения ничего

ЗАЩИТА РВС

достоверно не известно. Можно лишь говорить об охрупчивающих факторах, но об их количественных значениях ничего не известно. В середине прошлого века Робертсон установил, что хрупкое разрушение имеет две стадии: 1-возникновение хрупкой трещины, и 2- нестабильное распространение. Реализация 1-й стадии сопровождается макропластической деформацией, и, следовательно, для ее реализации необходимо напряжение не ниже ст . Развитие макро-пластических деформаций возможно только при росте внешнего усилия, что невозможно у конструкций при постоянной нагрузке. При хрупком разрушении стальных сварных конструкций 1-я стадия не реализуется, что подтверждает отсутствие макропластической деформации. 1-я стадия является своеобразным энергетическим барьером,подобно сифону. Каким-то образом этот барьер «обходится», «выпадает». Механизм этого события неизвестен [1], что породило ряд литературных вариантов. Еще имеются тысячи страниц, в которых проводится количественный анализ процесса возникновения трещины, анализ риска, надежности. В основу всех расчетных схем положено, что возникновение нестабильной (для низкоуглеродистых свариваемых сталей - только хрупкой) трещины происходит в одну стадию - первую, т.е. именно ту, которая при хрупком разрушении стальных сварных конструкций всегда отсутствует. Ну как тут не вспомнить героя рассказа Ю.Тынянова «Поручик Киже». Нерадивый писарь в царском указе вместо слов «поручики же» записал «поручик Киже». Поручика направляли в караул, для чего было велено считать его живым, ссылали в Сибирь, он женился, у него родился сын, по слухам, похожий на него.

Приведенные выше данные позволяют обосновать экономный способ предотвращения хрупкого разрушения РВС. Он сводится к устранению внутренних напряжений. Применение термической обработки сварных соединений для снятия внутренних напряжений известно давно.

Новизна заключается в том, что для этого не требуется проводить термическую обработку всех сварных соединений РВС. Их общая длина может в зависимости от вместимости РВС достигать нескольких километров. Из анализа хрупких разрушений РВС можно заключить, что хрупкие трещины появляются только в определенных местах [1]. У РВС, смонтированных методом рулонирования, это перекрестия первого и второго поясов монтажных швов и т-образное соединение первого пояса с уторным швом. Эти швы выполняются ручной дуговой сваркой. Остальные швы выполняются автоматической сваркой на заводских стендах, где перекрестия подвергаются дефектоскопии. С начала применения метода рулонирования не известен ни один случай хрупкого разрушения заводского шва. Достаточно термообработать участки длиной по 100 мм от центра перекрестия и т-образного соединения. У РВС вместимостью 10000 м3 имеется два монтажных сварных шва. Следовательно, необходимо провести термообработку всего 2,1м шва из имеющихся у стенки РВС примерно 2000 м, что можно выполнить в процессе монтажа и практически не повысить стоимость РВС.

Хрупкое разрушение угрожает только новым резервуарам. Оно случается во время гидравлического испытания или в первую зиму и очень редко - во вторую, напоминая его синоним - хладноломкость. Хрупкое разрушение РВС не связано с накоплением повреж-

дений, с уменьшением его ресурса в ходе эксплуатации. Оно вызывается изначально имевшимися дефектами. Парадоксально, но опасность хрупкого разрушения снижается со временем эксплуатации. Вероятно, в ходе эксплуатации происходит стабилизация дефектов, снижение величины внутренних напряжений. Следовательно, термическую обработку швов целесообразно делать у РВС, находящихся в эксплуатации не более трех лет: в этом возрасте хрупкие разрушения РВС не известны, или после капитального ремонта с применением сварки. Целесообразность применения термической обработки для повышения надежности РВС относительно хрупкого разрушения можно сравнить с идеей строить защитную стенку, предлагаемой ГОСТ Р 52910 - 2008 [5]. Защитная стенка предлагается не для повышения надежности РВС, она должна защитить окружающую природу от поражения в случае разрушения РВС, а не предотвратить его разрушение. Это предложение не имеет достаточного расчетного подтверждения. Практика эксплуатации говорит о прямо противоположном. В г.Ионаве (Литва) произошло разрушение РВС вместимостью 15000 м3 для хранения жидкого азота. Защитная железобетонная стенка толщиной 1000 мм, а не тонкая стальная была разрушена корпусом РВС, улетевшим на несколько десятков метров.

вывод

Предлагается теоретически обоснованный экономичный метод защиты РВС от хрупкого разрушения, практически не увеличивающий их стоимость и продолжительность монтажных работ.

Метод заключается в выборочной термической обработке отдельных участков сварных соединений.

Литература:

1. Розенштейн И.М. Аварии и надежность стальных резервуаров. М.: Недра, 1995. 253 с.

2. Розенштейн И.М. Особенности хрупкого разрушения сварных стальных конструкций// Заводская лаборатория. 2007. №.

3. Ргovisional Report on an Internationl Investigation of Brittle Fracture, Welding in the World. 1965? V.3, n2.

4. Стрелецкий Н.С. К вопросу о развитии методики расчета по предельным состояниям. М.: МИСИ, 1966. 57с.

5. ГОСТ Р 52910 - 2008. «Резервуары вертикальные цилиндрические стальные для нефти и нефтепродуктов. Технические условия».

1Э-я международная выставка «Электрооборудование для энергетики, электротехники и электроники; энерго-и ресурсосберегающие технологии, бытовал электротехника»

7-

шшш.elehfro-expo.ru

Россия, Москва, Центральный выставочный комплекс «Экспоцентр»

Организатор:

ЗАО «Экспоцентр»

ЭКСПОЦЕНТР

МЕЖДУНАРОДНЫЕ ВЫСТАВКИ И КОНГРЕССЫ а