Дергачев А.Н., младший научный сотрудник ОАО НТЦ «Промышленная безопасность»

В нефтегазовой отрасли эксплуатируется большое число оболочковых конструкций для хранения, транспортировки и переработки различных нефтепродуктов, а также пожаро- и взрывоопасных жидкостей. Резервуары занимают особое место среди оболочковых конструкций. Резервуарные парки – одно из главных и в то же время самое слабое звено в цепи нефтепродуктообеспечения. Число отказов в резервуарных парках, в том числе аварийных, велико. Низкая надежность резервуаров связана, в первую очередь, с тем, что подавляющее большинство резервуаров вертикальных стальных (РВС ) эксплуатируются дольше назначенного ресурса, равного 20-25 годам [14].

На развитие хрупкого разрушения существенно влияют свойства сталей. Вероятность хрупкого разрушения увеличивается при понижении пластических свойств (охрупчивании) металла. В такой же качественной зависимости находится частота разрушения от ударной вязкости основного металла. В большей степени влияние ударной вязкости сказывается при наличии значительных концентраций напряжений.

Многие стали под влиянием ряда факторов могут перейти из вязкого состояния в хрупкое. К таким факторам можно отнести: понижение температуры, наличие объемно-напряженного состояния в сварных швах или околошовной зоне, в которых могут наблюдаться дефекты в виде непроваров и микроскопических трещин, изменение скорости нагружения и уровня взлива нефтепродуктов в РВС.

Дефекты играют важную роль при оценке возможности разрушения резервуара. Непровары, подрезы, шлаковые включения – все это может при определенных обстоятельствах являться первопричиной аварии. Процесс роста дефекта до критической величины может длиться годами.

При малоцикловом нагружении в нагруженных элементах резервуара (стенке, окрайке днища) сначала возникают усталостные повреждения, которые постепенно развиваются до образования трещин. В связи с этим процесс развития дефектов и расчет ресурса можно разделить на две стадии: на стадию накопления усталостных повреждений и на стадию развития трещин до критического размера, при достижении которого происходит катастрофическое разрушение конструкции. В основном, ресурс резервуара определяется исчерпанием его несущей способности в результате циклического нагружения и появления и развития усталостных трещин. Исключение составляют резервуары, для которых основным повреждающим фактором является коррозионный износ. Это, например, резервуары, работающие под сырой нефтью и расположенные в районах нефтяных месторождений и имеющих достаточно высокую температуру продукта.

Отметим наиболее слабые места РВС. Наиболее подвержены дефектам сварные швы. Со временем отклонения от норм, допущенные при изготовлении, перерастают в критические трещины. Сюда относятся все без исключения виды сварных соединений. Каждый шов служит концентратором напряжений.

Согласно исследованиям Международного института сварки (МИС), 48 из 117 повреждений, то есть примерно 40% разрушений сварных соединений сосудов и трубопроводов, вызваны технологическими дефектами, заложенными при изготовлении и монтаже [7].

Рис. 1. Статистическая выявляемость плоскостных дефектов в сварных соединениях ультразвуковой дефектоскопией (УЗД) и радиографией (n=Кв/К, где К – общее количество дефектов, Кв – количество выявленных дефектов)

Таблица

Оценка выявляемости дефектов различными методами (видами) неразрушающего контроля

Изучив статистику разрушения резервуаров, можно отметить тот факт, что зачастую трещина начинает образовываться в уторном шве, в месте соединения стенки с днищем. Однако существуют и другие сценарии. Трещины, наплывы, подрезы и непровары являются основными факторами, способствующими разрушению. В целом же резервуар рушится под воздействием нескольких факторов, постепенно ухудшающих пластические свойства материала уже с первого дня эксплуатации емкости. Сюда относятся: осадка основания РВС, малоцикловая усталость отдельных зон стенки конструкции, сложный характер нагружения конструкции в зоне уторного шва в сочетании с практическим отсутствием контроля сплошности этих сварных соединений; также возможно влияние некачественного ремонта резервуара и холодных климатических условий. Образование и развитие трещины же является венцом воздействия всех вышеперечисленных причин.

Таким образом, разрушения сварных соединений следует рассматривать как сумму повреждений, обусловленных наличием технологических дефектов и снижением работоспособности, вызванной изменением структурно-фазового состояния металла сварного шва и зоны термического влияния в процессе длительной эксплуатации.

Рассмотрим методы оценки качества сварных соединений резервуаров, для чего обратимся к нормативной документации на РВС. ПБ 03-605-03 «Правила устройства вертикальных стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов» [1] устанавливает следующие виды неразрушающего контроля сварных соединений: радиография или ультразвуковая дефектоскопия – для выявления наличия внутренних дефектов, магнитография или цветная дефектоскопия – для контроля наличия поверхностных дефектов с малым раскрытием.

Радиографический контроль является обязательным для всех резервуаров емкостью 1 тыс. м3 и более. Наряду с радиографическим контролем может применяться рентгенотелевизионный контроль согласно установленным нормативным документам.

Ультразвуковая дефектоскопия упоминается лишь как один из возможных методов контроля.

Магнитопорошковая или цветная дефектоскопия в равной степени применима к РВС согласно ПБ 03-605-03. Соответственно, данный документ устанавливает радиографический контроль как основной для выявления внутренних дефектов, магнитопорошковая или цветная дефектоскопия применяются для обнаружения поверхностных дефектов с малым раскрытием.

РД 08-95-95 «Положение о системе технического диагностирования сварных вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов» [2] устанавливает ультразвуковой, рентгенографический либо другие виды контроля, в зависимости от результатов визуального осмотра. Этот же документ ссылается на СНиП 3.03.01-87 [3] в части оценки качества сварных швов.

РД 34.21.526-95 «Типовая инструкция по эксплуатации металлических резервуаров для хранения жидкого топлива и горячей воды» [4] предлагает использовать в зависимости от конфигурации и местоположения швов гамма- или рентгенографирование, ультразвуковой контроль, магнитопорошковую или цветную дефектоскопию.

СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции» [3] также не указывает, какой вид контроля применять для каких швов. Стоит учесть тот факт, что последний документ был разработан более 20 лет назад, когда не были развиты некоторые методы контроля, применяемые сегодня, однако это действующий документ, с требованиями которого приходится считаться.

Возьмем более новый документ, разработанный ОАО СКБ «Транснефтеавтоматика», – «Правила технической эксплуатации резервуаров» [5]. Этот документ также ссылается на СНиП 3.03.01-87 [3], но уже в части нормирования дефектов по результатам контроля. Для выявления глубинных дефектов опять же предложены ультразвуковая дефектоскопия и рентгенография, а для определения поверхностных дефектов магнитопорошковая дефектоскопия. Помимо этого упомянут акустико-эмиссионный контроль днища резервуара, в том числе 100% длины уторного шва и контроль монтажного шва.

Итак, что же мы имеем, исходя из требований нормативных документов. Для контроля глубинных дефектов, в основном, применяется ультразвуковой и рентгенографический контроль, для контроля поверхностных дефектов – магнитопорошковая или цветная дефектоскопия, лишь в одном документе упомянут акустико-эмиссионный контроль.

Нельзя не отметить тот факт, что акустический и радиационный виды имеют значительные различия характеристик выявляемых дефектов. Рассмотрим их подробнее.

Приведу графическое сравнение статистики выявляемости плоскостных дефектов ультразвуковой дефектоскопией и радиографией (рис. 1 и 2) [10].

В общем случае рентгенографический и гаммаграфический методы обладают относительно низкой чувствительностью к трещинам по сравнению с ультразвуковым методом. При этом для обнаружения объемных дефектов (раковины, поры, включения) эффективнее применять радиационные методы. Лучшую выявляемость непроваров и несплавлений обеспечивает ультразвуковой метод. Рентгенографический метод обеспечивает выявление лишь трети подобных дефектов. Больший процент перебраковки (в 2-3 раза) дает ультразвуковой метод [9].

Рентгенография является в целом более мягким методом контроля.

Очевидно, что два этих вида дефектоскопии не равноценны по своим характеристикам. В идеале их надо применять в комплексе. Рентгенография дает широкую информацию о размерах дефектов. При ультразвуковой дефектоскопии можно определять условную протяженность дефектов, высоту или эквивалентную площадь [9].

Для наглядности приведем сравнительную таблицу выявляемости дефектов различными методами (видами) неразрушающего контроля (табл.) [10].

Другой момент, который стоит отметить, состоит в том, что все вышеперечисленные документы в разделе контроля качества сварных соединений акцентируют внимание непосредственно на швах, упуская из вида околошовную зону. Испытания на сопротивление усталости показывают, что зачастую разрушение металла происходит по линии перехода шва на основной металл [6, 8]. Факт высокой вероятности зарождения трещины в зоне термического влияния никак не учтен в нормативных документах. Соответственно, и дефект, обнаруженный в околошовной зоне, воспринимается с точки зрения нормативной документации как более мягкий, чем обнаруженный в шве. Результаты исследований же показывают обратную картину. Для большинства низколегированных и низкоуглеродистых сталей металл шва обладает большей прочностью и сопротивлением усталости, чем металл зоны термического влияния. Отсюда следует вывод о целесообразности не менее тщательного контроля поверхности вблизи сварного соединения.

Нормативная документация по контролю сварных швов нефтяных резервуаров не учитывает также материал, из которого изготовлена конструкция. Между тем свойства сталей, использованных в производстве РВС, могут в значительной степени отличаться друг от друга.

Так, согласно ПБ 03-605-03 [1], допускается использование как низкоуглеродистой, так и низколегированной стали. Оговариваются механические свойства материалов, однако не уделено должного внимания тому, что низкоуглеродистые и низколегированные стали несколько по разному воспринимают наличие остаточных напряжений, а также тот факт, что механические свойства околошовной зоны будут различны при использовании этих двух материалов. Установлено, что твердость низколегированной стали в зоне термического влияния будет меньше, чем твердость основного металла и значительно меньше, чем твердость металла шва. Иначе дело обстоит с использованием низкоуглеродистых сталей. Здесь твердость материала в зоне термического влияния выше, чем у основного металла, однако ниже, чем у металла шва [7].

Рис. 2. Вероятность выявления плоскостных дефектов разной площади в сварных соединениях ультразвуковой дефектоскопией (УЗД) и радиографией (Рг)

Отличие существует и в том, каким образом концентраторы напряжений влияют на свойства низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Лучшее сопротивление развитию дефектов, а следовательно и разрушению, демонстрируют низколегированные стали [6].

Таким образом, можно сделать вывод, что имеющиеся документы не в полной мере проработаны в области контроля качества сварных швов. Не учтена различная выявляемость дефектов ультразвуковым и радиационным методами контроля, отсутствуют отдельные требования к контролю околошовной зоны, требования к нормированию выявленных несплошностей не зависят от материала конструкций. Также в большинстве документов мало внимания уделено контролю уторного шва как наиболее проблемного в резервуаре.

Все чаще специалисты говорят о необходимости перехода от дефектоскопии к дефектометрии, что подразумевает не только регистрацию дефектов, но и определение их опасности для объекта контроля. В связи с этим целесообразным выглядит пересмотр имеющейся НТД с учетом возможности применения новых методов контроля, таких как метод акустической эмиссии, по крайней мере, для контроля наиболее ответственных элементов резервуара. Целесообразно изменить подход к оцениванию выявленных дефектов: учитывать марку стали, а также регламентировать контроль зоны термического влияния.

Литература:

1. ПБ 03-605-03 «Правила устройства вертикальных стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов». М., Ростехнадзор.

2. РД 08-95-95 «Положение о системе технического диагностирования сварных вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов». М., Ростехнадзор.

3. СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции». М., Государственный строительный комитет СССР.

4. РД 34.21.526-95 «Типовая инструкция по эксплуатации металлических резервуаров для хранения жидкого топлива и горячей воды». М., РАО ЕЭС России.

5. Правила технической эксплуатации резервуаров. М., ОАО СКБ «Транснефтеавтоматика».

6. Выносливость сварных соединений низколегированных сталей / В.И. Труфяков, Ю.А. Стеренбоген, П.П. Михеев, А.В. Бабаев//Автомат. Сварка. – 1966, № 11, с.1-6.

7. Труфяков В.И. Прочность сварных соединений при переменных нагрузках. – Киев: Наук. думка, 1990. – 238 с.

8. Труфяков В.И. Усталость сварных соединений. – Киев: Наук. думка, 1973. – 216 с.

9. Сравнение выявляемости дефектов при ультразвуковом и радиографическом контроле стыковых сварных соединений толщиной 30-40 мм / Волченко В.Н., Лупачев В.Г. // Дефектоскопия, 1989, № 8, с. 12-17.

10. Разработка методологии обеспечения промышленной безопасности металлических конструкций карьерных экскаваторов / Коновалов Н.Н. // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. – М., 2005.

11. Выявляемость естественных дефектов сварных швов методами просвечивания и ультразвуком / Л.М. Яблоник, В.А. Щукин, Ф.Я. Заславский, Н.В. Рыльская // Комплексная дефектоскопия сварных и паяных соединений: Сб. статей. – М.: МДНТП, 1975, с. 68-72.

12. Некоторые вопросы достоверности обнаружения и измерения дефектов сварных швов /Щербинский В.Г. // Комплексная дефектоскопия сварных и паяных соединений: Сб. статей. – М.: МДНТП, 1975, с. 142-149.

13. Повышение достоверности автоматизированного ультразвукового контроля /Сыркин М.М. //Дефектоскопия, 2003, № 2, с.11-23.

14. Причинно-следственный анализ аварий вертикальных стальных резервуаров / Кондрашова О.Г., Назарова О.М. // Нефтегазовое дело, 2004, № 2, с. 21-29.

15. Определение остаточного ресурса нефтепродуктопроводов с дефектами на основе анализа режима нагружения и принципа линейного накопления повреждений / Рафиков С.К., Аллаяров У.Э. // Нефтегазовое дело, 2006, № 7, с. 32-38.