CC BY
59
Лисовский О.Н., Яруллин В.А.
ОАО «Системы и технологии обеспечения безопасности. Техдиагностика»
E-mail: [email protected]
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА И УСЛОВИЙ ПРОДЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ АДСОРБЕРА ЦЕОЛИТНОЙ ОЧИСТКИ ГАЗА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ТЕРМОСИЛОВОЙ НАГРУЗКИ
Основываясь на анализе нормативных требований нефтегазового оборудования по критерию усталостного растрескивания, собственных расчетно-экспериментальных исследованиях был разработан и апробирован усовершенствованный подход к оценке несущей способности (прочности) и продления ресурса эксплуатации адсорбера цеолитной очистки газа при термосиловых циклических нагрузках.
Ключевые слова: температурные напряжения, малоцикловая усталость, ресурс.
На объектах переработки газа часть сосудов и аппаратов эксплуатируется при повторно-переменных (циклических) термосиловых воздействиях. Такие воздействия обусловлены уровнями рабочих температур и скоростями нагрева - охлаждения при циклическом характере эксплуатации. На рисунке 1 представлено распределение списочного состава сосудов и аппаратов Газоперерабатывающего завода Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения по уровням рабочей температуры. Сведения об условиях эксплуатации показывают, что, как правило, сосуды и аппараты относящиеся к 4 уровню испытывают циклические повторно-переменные нагрузки при пусках-остановках, выходах на режим, регулировании, периодическом технологическом изменении параметров.
К настоящему времени подавляющая часть этих сосудов и аппаратов выработали ресурс циклической работоспособности, установленный их проектно-конструкторской документацией. В соответствии с нормативными требованиями [1, 2] ресурс продления их эксплуатации должен определяться при диагностировании. Учитывая высокую потенциальную опас-
Рисунок - 1. Распределение сосудов и аппаратов по уровням рабочей температуры: 1-до 100°С, 2- свыше 100°С (включая 3, 4), 3- свыше 200°С (включая 4), 4- свыше 300°С.
ность усталостного растрескивания металла сосудов и аппаратов, эксплуатируемых при термосиловых нагрузках, задача определения ресурса и условий продления их эксплуатации при диагностировании является актуальной.
В настоящей работе изложен разработанный подход к определению ресурса и условий продления эксплуатации на примере адсорбера цеолит-ной очистки газа. Основные эксплуатационные параметры адсорбера, изготовленного производственным объединением «Ижорский завод» им. Жданова, г. Колпино, определенные по результатам анализа технической и эксплуатационной документации, приведены в таблице 1.
Нормы расчета на прочность сосудов и аппаратов при малоцикловых нагрузках [3] предлагают два метода проверки малоцикловой прочности: упрощенный, сводящийся к определению по таблицам коэффициентов учитывающих местные напряжения и тип сварного соединения; уточненный, основанный на определении напряжений для линейно-упругого материала по теории пластин, оболочек, колец и балок. Уточненный расчет на малоцикловую усталость исследуемого адсорбера выполнен с использованием фактических данных о его техническом состоянии, параметров нагрузочного режима, полученных при диагностировании и с применением моделирования и метода конечных элементов. Расчетная модель адсорбера представлена на рисунке 2.
В расчетах рассматривались следующие режимы эксплуатации адсорбера: регенерация - давление не более 4,2 МПа и температура +300°С - 4 часа; полный прогрев до рабочей температуры (стенки) +300°С; охлаждение -снижение температуры до +45°С при давлении
5,0 МПа - 4 часа; адсорбция - при давлении 5,2 МПа и температуре не более +45°С - 16 часов.
На основе анализа циклограммы представлена зависимость изменения температуры от времени и изменения скорости нагрева, охлаждения нижнего днища (рис. 3). По результатам выполненных анализов технической, эксплуатационной документации получена модель на-груженности адсорбера по температуре нижнего днища.
Максимальная температура составила +122°С в конце цикла регенерации, максимальная скорость нагрева и охлаждения 40°С/час в начале цикла регенерации и охлаждения (рис. 3).
При расчете тепловых полей использовались значения коэффициентов теплоотдачи от стенки сосуда к среде (или от среды к стенке), обеспечивающие совпадение расчетных и экспериментальных значений температуры нижнего днища (рис. 3)
Оценка прочности адсорбера при малоцикловых нагрузках выполнялась по кривым усталости, полученным по [4] для соответствующих материалов (рис. 4)
По результатам расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) сосуда выявлены наиболее нагруженные потенциально опасные узлы (НПОУ) конструкции, которыми являются - узел врезки патрубка штуцера «О» в нижнее днище и узел крепления нижнего днища к опоре.
Наибольшие амплитуды напряжений по расчету наблюдаются у верхнего края внутреннего вылета патрубка и у стыка днища с опорной конструкцией (рис. 5). Пересчет в условные упругие напряжения (с поправкой на форму диаграммы деформирования по [4]) дает значения амплитуд напряжений соответственно 106 МПа и 54 МПа и допускаемые числа циклов более - 105.
Расчет развития возможных дефектов (не-сплошностей) выполнялся с целью проверки, могут ли дефекты быть обнаружены при периодическом контроле раньше, чем они достигнут размера, при котором разрушение приобретет лавинообразный характер, т. е. коэффициент интенсивности напряжений (КИН) достигает допускаемого значения (для 16ГНМА составляет [К] = 15 МПам05). В расчетах учитывались только напряжения от внутреннего давления, поскольку:
- тепловые напряжения являются само-уравновешенными, т. е. снижаются при росте трещины и не могут приводить к катастрофическому разрушению;
- с ростом температуры допускаемое значение КИН повышается.
Результаты расчетов приведены на рисунке 6 и могут быть напрямую использованы для выбора методов и средств контроля сосуда при запланированном диагностическом обследовании.
Так же выполнялась оценка возможности роста дефектов (несплошностей) вследствие термоциклирования и достижения ими критической длины. Определение циклического ресурса сосуда при малоцикловых нагрузках выполнено путем интегрирования уравнения Пэриса - Эрдогана, описывающего кинетику роста трещины и разрушения:
— = С-АКТ
где АК: - размах коэффициента интенсивности напряжений; С и т - параметры циклической трещиностойкости металла.
Определение размаха коэффициента интенсивностей напряжений выполнено с учетом изменения прогнозируемых размеров повреждения АК^). Результаты расчетов [Ц и АК^) представлены на рисунке 7.
Таблица 1. Данные об элементах корпуса адсорбера
Обозначение элемента Обечайка | Днище
Внутренний диаметр, мм 4000
Толщина стенки, мм 90 |120
Материал 16ГНМА
Расчетное давление, МПа 6,4
Расчетная температура, °С +350
Режим работы периодический, 444 цикла/год
Наименование режимов адсорбция регенерация охлаждение
Рабочее давление, МПа 5,2 4,2 5,0
Рабочая температура, С <+45 +45 +300 +300 +45
Продолжительность режима, час 16 - 4 - 4
Днище
эллиптическое
Обечайка
Опорная
обечайка
Штуцер "Ъ2'
Рисунок 2. Расчетные модели: а) адсорбера, б) днища со штуцером, опорной обечайкой и теплоизоляцией.
Время, ч
Время, ч
Рисунок 4. Расчетные кривые усталости: 16ГНМА - материал корпуса, 09Г2С - материал днищ штуцеров
Рисунок 6. Допустимые длины трещин (мм): а) в радиальном направлении; б) в окружном направлении,
соответствующие допускаемому значению КИН
K
18
12
[КI]
0 20 [Ь] 40 60 80 100
Рисунок 7. График зависимости КИН К: от величины размеров прогнозируемого повреждения Ь
I, МПа м1/2 • * • •• гч*
• • • • • 1-3 • » • • •
т, ос" 5? £ 9 10-5 И1’93+ 0,1 • • • 3
V1"* 1
Таким образом, на основе полученных значений параметров С и т кинетического уравнения роста трещины и разрушения металла, а также размаха КИН с учетом изменения прогнозируемых размеров повреждения АК1(Ь) определено значение циклического ресурса:
м
|а^; (й) ~тйН
N = -й-----------'
С
Полученное расчетное значение циклического ресурса сосуда с выявленной несплошностью сварного шва составляет не менее 4000 циклов.
Выводы
Результаты выполненных расчетов адсорбера показывают, что НПОУ лимитирующим прочность и долговечность всей конструкции на прогнозируемый период эксплуатации являются:
- узел врезки патрубка штуцера Л2» в нижнее днище;
- узел крепления нижнего днища к опоре.
Условие возникновения и развития дефектов в НПОУ при фактических скоростях нагрева / охлаждения не реализуется.
Расчетное значение допускаемого числа циклов нагружения элементов адсорбера до перехода в предельное состояние по механизму усталостного растрескивания составляет не менее 4000 циклов.
Для обеспечения безопасности дальнейшей эксплуатации адсорбера и предупреждения возникновения условий усталостного растрескивания металла в конструктивных элементах, местах концентраторов напряжений и сварных швах адсорбера дефекты (несплошности) металла размером более 3 мм в радиальном направлении (рис. 6а) и более 5 мм в окружном направлении (рис. 6б) не допускаются.
28.01.2011
Список литературы:
1. РД 03-484-02. Положение о порядке продления срока безопасной эксплуатации технических устройств, оборудования и сооружений на опасных производственных объектах.
2. РД 03-421-01. Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов.
3. ГОСТ Р 52857.6-2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность при малоцикловых нагрузках.
4. ПНАЭ Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок.
Сведения об авторах:
Лисовский Олег Николаевич, ведущий инженер ОАО «Техдиагностика», е-таИ: [email protected] Яруллин Виталий Альвирович, ведущий инженер ОАО «Техдиагностика», е-таП: [email protected]
460047, г. Оренбург, ул. Юных Ленинцев, 22
UDC 681.5:620.19 Lisovskiy O.N., Yarullin V.A.
E-mail: [email protected], [email protected]
DEFINITION OF THE RESOURCE AND CONDITIONS OF PROLONGATION OF OPERATION ADSORBER ZEOLITE CLEARING OF GAS AT INFLUENCE CYCLIC TEMPERATURE-POWER LOADS
As a matter of analysis of standard requirements of the oil and gas equipment by criterion fatigue fissure, own it is settlement-experimental researches was the advanced approach to an estimation of bearing strength and a resource of prolongation of resource operation adsorber zeolite clearing of gas at cyclic loads temperature-power load.
Key words: temperature stress, temperature-power load, low-cycle fatigue, resource.
Bibliography:
1. RD 03-484-02. Statement on the procedure of extension of time period of safe operation of technical devices, equipment and structures at hazard production facilities.
2. RD 03-421-01. Methodical instructions for performance of diagnostic of engineering status and determination of residual life of vessels and equipment.
3. GOST R 52857.6-2007. Vessels and equipment. Norms and methods for strength calculation. Strength calculation under low-cycle loadings.
4. PNAE G-7-002-86. Norms for strength calculation of equipment and pipelines of nuclear power units.
