Местная термическая обработка сварных соединений вертикальных стальных резервуаров для хранения нефтепродуктов

Дата публикации: 
22.04.2015

хранение нефти

Хрупкое разрушение конструкций приобрело массовый характер во второй половине XIX в. с началом применения дешевой стали, обогащенной кислородом и азотом при продувке в конверторе. Тогда же возник интерес к оценке склонности стали к хрупкому разрушению. После многолетних дискуссий в 1905 г. были стандартизованы ударные испытания образцов Шарпи и Менаже на маятниковом копре Шарпи. Однако дискуссии по этому поводу не прекратились до настоящего времени. И сейчас нет однозначного мнения - гарантирует ли выбор стали для сварной конструкции по таблицам СНиП, которые составлены с учетом результатов ударных испытаний образцов Менаже, избавление от хрупкого разрушения. В России имеется много сторонников перехода на образцы Шарпи. В качестве обоснования приводятся не результаты научных исследований, а литературные декларации. Нет четкого представления о том, какие из этих образцов лучше позволяют оценить опасность хрупкого разрушения стальных сварных конструкций. Мысль о равноценности образцов Шарпи и Менаже в прогнозировании хрупкого разрушения даже не допускается. По умолчанию предполагается, что правильный выбор стали для сварной конструкции по таблицам СНиП избавляет от опасности хрупкого разрушения. Однако хрупкие разрушения сварных конструкций редко, но случаются. При расследовании аварий выясняется, что сталь, из которой была сварена конструкция, отвечает всем требованиям сертификата, в том числе и по ударной вязкости при регламентированной температуре, а конструкция - всем требованиям проекта. Исследование, проведенное Международным институтом сварки, показало, что различные образцы дают разные оценки склонности стали к хрупкому разрушению, и корреляция между ними не известна. И еще нужно учесть, что склонность к хрупкому разрушению стали и сварной конструкции - совсем не одно и то же. Можно только утверждать, что хрупкое разрушение сварной конструкции, выполненной из стали с гарантированным значением ударной вязкости при более низкой температуре, менее вероятно, чем в случае с гарантированным значением ударной вязкости стали при более высокой температуре. И никаких количественных оценок.

В поисках причины хрупкого разрушения резервуаров вертикальных сварных (далее РВС) были проанализированы материалы расследований их аварий и результаты лабораторных исследований плоских и цилиндрических стальных и сварных образцов. РВС - удобный объект для исследования хрупкого разрушения, поскольку разрушения происходят при статической нагрузке, одноосном напряженном состоянии. Траектория хрупкой трещины может достигать нескольких метров, а характер ее поверхности позволяет сделать вывод о том сохранялось ли исходным напряжение при ее нестабильном распространении или оно менялось.

Анализ позволил установить: хрупкое разрушение РВС происходит, разумеется, при климатических температурах и постоянном внешнем напряжении часто в разы ниже расчетного сопротивления. Этот вывод отвечает заключению о том, что «повышение запасов или снижение напряжений не повышают надежности стальной сварной конструкции в отношении хрупкого разрушения, так как аварии происходят и при правильном расчете и завышенных запасах».

В лабораторных испытаниях разрушение образцов всегда происходит при напряжении не ниже предела текучести, при возрастающей нагрузке и глубоком охлаждении вершины искусственного концентратора. В месте возникновения хрупкой трещины в сварном соединении РВС никогда не наблюдается макроскопическая деформация, поскольку для ее появления и развития необходимы возрастание нагрузки и затраты энергии. При испытании образцов хрупкое разрушение происходит в две стадии: возникновение хрупкой трещины при возрастающих нагрузке и макропластической деформации и ее нестабильное распространение.

Стадия возникновения хрупкой трещины, сопровождающаяся развитием макропластической деформации и поглощением большого количества энергии, - своеобразная защита, энергетический барьер, предотвращающий сварную конструкцию от хрупкого разрушения. Здесь уместна аналогия с сифоном. Каким образом «обходится» энергетический барьер неизвестно.

Возникновение хрупкой трещины в РВС при внешнем напряжении (не превышающем допустимый уровень) и климатической температуре - исключительное случайное событие. Таким его делает отсутствие макропластической деформации - одного из консервативных свойств стали. Появление хрупкой трещины в лабораторном глубоко охлажденном образце с искусственным концентратором напряжения, сопровождаемое макропластической деформацией, - достоверное событие. Несмотря на различие процессов разрушения, оба они приводят к одинаковому результату: образованию кристаллографического хрупкого излома. Вероятно, возникновение хрупкой трещины становится возможным при случайном раскалывании одного или нескольких зерен около концентратора напряжения в области, охрупченной сваркой. После сварки появляются структуры перегрева, возникают внутренние напряжения, повышается критическая температура хрупкости стали. Случайность сочетания факторов, способствующих возникновению хрупкой трещины (конкретный вклад каждого из них), не поддается оценке. При расследовании хрупких разрушений РВС зачастую обнаруживаются геометрически и более суровые дефекты, чем тот, из которого возникла трещина.

Опыт расследования хрупких разрушений РВС показал, что они случаются при внешнем напряжении ниже расчетного (чаще всего в разы). Этот вывод достоверен, поскольку стенка резервуара нагружена гидростатическим давлением, работает в условиях статики и ее перегрузка невозможна.

Робертсоновские испытания, проведенные на образцах из низкоуглеродистых сталей, показали, что напряжение не оказывает влияния на переходную температуру хрупкости. Следовательно, можно предположить, что напряжения от внешних усилий не играют существенной роли в хрупком разрушении РВС, что в терминах напряжения невозможно представить склонность стали или сварной конструкции к хрупкому разрушению. Полностью исключить хрупкое разрушение РВС можно только, если идеально сварить его из стали идеальной поставки. Но исключить опасность хрупкого разрушения РВС статистически невозможно.

Опасность хрупкого разрушения можно существенно снизить, применив местную термическую обработку сварных соединений. Этот способ давно и успешно используют для трубопроводов и сосудов, работающих под давлением, есть нормативные документы, существует несколько методик, опубликованы монографии, производится недорогое оборудование. Для РВС эти методики никогда не применяли. Видимо, останавливало то обстоятельство, что в РВС длина сварных соединений измеряется километрами. Суть нового предложения заключается в том, что в любом РВС, как показал анализ разрушений, хрупкие трещины зарождаются лишь в ограниченном числе мест: в монтажных сварных соединениях, т.е. выполненных на монтажной площадке. Речь идет только о РВС, изготовленных методом рулонирования, а таких большинство. Их сооружают из рулонов, сварка которых - особо сложная задача, так как часто не удается избежать остаточных деформаций после разворачивания рулонов. У кромок рулонов остаются участки с радиусом меньше проектного. Типичные места, в которых когда-либо зафиксировано зарождение хрупких трещин, - пересечения монтажных и заводских сварных соединений нижних поясов стенки РВС. Местная термическая обработка приведет к снятию в значительной степени внутренних напряжений в сварных соединениях, устранению структур перегрева и улучшению структуры стали. Благоприятное влияние местной термической обработки многократно подтверждено при ее применении для сварных соединений сосудов, работающих под давлением, и трубопроводов.

Целесообразна разработка регламента для проведения местной термической обработки отдельных участков сварных монтажных швов РВС. Данные, накопленные о местной термической обработке сварных соединений, позволяют утверждать, что ее применение сделает опасность хрупкого разрушения РВС маловероятной. Важно и то обстоятельство, что для РВС можно применить оборудование и технологию, ранее разработанную для сосудов и трубопроводов. Продолжительность термообработки невелика, оборудование известно. Ее предполагается проводить в ходе сооружения РВС, что не удлинит сроков его сооружения и не отразится заметно на стоимости.

резервуар для нефти