Анализ причин повреждения стальных вертикальных резервуаров

Одним из необходимых условий обеспечения эффективной и безопасной эксплуатации резервуаров является их прочность, под которой понимают способность конструкции воспринимать усилия рабочих нагрузок, не разрушаясь и не образуя пластических деформаций сверх установленных величин. Наблюдаемые на практике повреждения происходят в результате недостатков конструктивного характера (неправильный расчет, неудачный выбор материала), дефекты изготовления (скрытые внутренние дефекты материала, некачественная подгонка и сварка), нарушение принятых режимов работы, отсутствие или неисправности средств защиты от перегрузок, некачественного технического обслуживания и ремонта.

Причины повреждения стальных вертикальных наземных резервуаров можно классифицировать следующим образом:

- повреждения в результате механических воздействий;

- повреждения в результате температурных воздействий;

- повреждения в результате химических воздействий.

Весь комплекс причин повреждений (разрушений) связан с тем, что резервуары работают в сложном напряженно-деформационном состоянии, вызываемом одновременным действием гидростатического давления хранимого нефтепродукта, чередующимся избыточным давлением или вакуумом, значительным перепадом температур, ветровой и снеговой нагрузками, сейсмическими явлениями, неравномерными осадками и так далее. К этому следует добавить агрессивное воздействие на металлические резервуары как хранимого нефтепродукта и содержащихся в нем химически активных примесей, так и атмосферных осадков, почвенных вод. Все это должно определять требования, предъявляемые к материалам, применяемым в строительстве резервуаров.

Под механическими воздействиями подразумеваются воздействия, которые возникают в результате превышения расчетных нагрузок на оборудование при сохранении его расчетной прочности. Типичным примером такого воздействия является повышение давления из-за несвоевременного удаления вытесняемой паровоздушной смеси при закачке резервуара. Это происходит при загрязнении или обледенении огнепреградителя, когда пропускная способность дыхательной системы не соответствует скорости налива. По этой же причине возникает и вакуум при опорожнении резервуара, что приводит к смятию корпуса. В практике для исключения таких моментов, необходимо периодически контролировать состояние дыхательных устройств. Пропускная способность дыхательных линий и клапанов должна соответствовать скорости закачки жидкости, необходима установка предохранительных устройств.

Другой из причин повреждения корпуса резервуара может стать чрезмерная посадка резервуара по отношению к трубопроводу в результате некачественно выполненного основания при монтаже.

Низкие температуры окружающего воздуха в зимний период могут стать причиной образования трещин, когда возникает опасное явление хладоломкости стали, связанное с падением ударной вязкости. Для устранения этого производят систематическое наблюдение за стенками резервуаров, теплоизоляцией и утеплением, снижают уровень жидкости в наиболее холодное время года, для снижения давления на низлежащие кольца стенок, выбирают стойкие к температурным воздействиям материалы.

Действие высоких температур от теплового излучения очагов пожара от соседних горящих резервуаров или в обваловании.

Расчет количества нефти, выходящей при полном разрушении резервуара, при подаче ее по трём трубопроводам, а также количество испарившейся нефти и объём, в котором при этом может образоваться горючая концентрация

Объём резервуара V = 5000 м³, степень заполнения е = 0,8, температура 30°С, диаметр трубопроводов D_тр = 530 мм, расход насоса q = 500 м³/ч. Время отключения трубопроводов принимается равным 120 с, время испарения разлившейся жидкости 1 ч, расстояние от аппарата до задвижек на трубопроводах 10 м. Нефть находится в аппарате при атмосферном давлении.

Количество горючих веществ, выходящих наружу при полном разрушении аппарата, определяют по формуле:

G_п=G_ап+G^/_тр+G^//_тр, (12)

Где G_п - количество веществ, выходящих из системы при полном разрушении аппарата, кг;

G_ап - количество веществ, выходящих из разрушенного аппарата, кг;

G^/_тр, G^//_тр - количество веществ, выходящих из трубопроводов (соответственно) до момента отключения и после закрытия задвижек или других запорных устройств, кг.

Для аппаратов с жидкостями определяется по формуле:

G_П,Ж=(V_ап×е+åq_i,н×t+åL_i,тр×f_i,тр)×r_t,ж, (13)

где V_ап - внутренний объём аппарата 5000 м³;

е - степень заполнения аппарата;

q_i,н - расходы насосов

L_i,тр, f_i,тр - соответственно длина 10 м и сечение участков трубопровода (м²) (от аварийного аппарата до запорного устройства), из которого происходит истечение жидкости;

r_t,ж - плотность жидкости 823 кг^.м^–3 ;

t - время отключения трубопроводов 120 с = 0,033 ч.

е = 0,8

q = 500 м³/ч,

G_П,Ж = (5000×0,8+500×0,033+1×10×0,220)×823 = 3 307 390,1 кг.

, (14)

Количество испарившейся жидкости определяется по формуле:

, (15)

где W - интенсивность испарения кг^.с^–1.м^–2;

F_и - площадь испарения, принимается, что 1 л разливается на 1 м²;

t = 1 ч = 3600 с - время испарения .

Интенсивность испарения определяется по формуле :

, (16)

где h -коэффициент, принимаемый в зависимости от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения, при проливе жидкости вне помещения допускается принимать h=1;

Р_н - давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости t_р;

М = 91,3 кг/кмоль, молярная масса.

Давление насыщенного пара: P_s(30°С) = 29,7 кПа

Определяем интенсивность испарения:

Определяем объем вылившейся нефти:

Согласно п.38[8] принимаем, что все содержимое аппарата поступает в окружающее пространство 1л = 0,15 м³

, (17)

F = 4 018 700,8×0,15=602 805,12

Тогда количество испарившейся жидкости равно:

m = 28,4×10^–5×602 805,12×3600=616 307,9 кг.

Определяем объём взрывоопасной концентрации по формуле:

, (18)

где j_н,г,без - нижний концентрационный предел воспламенения кг/м³, определяется по формуле:

, (19)

где V_t - молярный объём паров при рабочих условиях м^3.кмоль^–1;

, (20)

где V_о = 22,4135 м^3.кмоль^–1 - молярный объём паров при нормальных условиях;

Т₀ = 273,15К - температура при нормальных физических условиях;

Т_р = 30°С - рабочая температура;

Р₀ = 101,325 кПа - давление при нормальных условиях;

Р_общ - общее давление в системе (по условию нефть находится в аппарате при атмосферном давлении 101,325 кПа).

Значит:

;

Тогда:

,

Следовательно, объём взрывоопасной концентрации составит:

.

Одним из способов предотвращения развития пожара и превращения его в крупный или особо крупный является аварийный слив огнеопасных жидкостей из технологических аппаратов и трубопроводов, оказавшихся в опасной зоне. Аварийный слив может быть осуществлен с помощью специальных устройств или с использованием обычных технологических коммуникаций и емкостей. Необходимость устройства аварийных сливов определяется соответствующими нормами[5].Очень важно при аварийной или аварийно-пожарной ситуации быстро слить из аппарата жидкость, перегрев которой может закончиться самопроизвольным термическим разложением продуктов и взрывом.