Диагностика технического состояния ректификационной колонны

Диагностика технического состояния ректификационной колонны

Диагностика технического состояния ректификационной колонны

Введение

толщинометрия дефектоскопия колонна контроль

Техническое диагностирования - процесс определения технического состояния объекта диагностирования с определенной точностью. Результатом диагностирования является экспертное заключение о техническом состоянии объекта с указанием при необходимости места, вида и причин дефектов (повреждений) с разработкой рекомендаций по обеспечению условий безопасной эксплуатации диагностируемого оборудования.

Объект технического диагностирования - изделие и его составные части или заготовки, техническое состояние которых подлежит определению (ГОСТ 20911-89).

Дефект - событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния. В соответствии с ГОСТ 17102, термин дефект определяют как каждое отдельное несоответствие объекта диагностирования (потенциально опасного технического устройства) требованиям, установленным нормативной документацией.

Сосуды, аппараты и трубопроводы, работающие под внутренним давлением, относятся к сложным техническим системам. Находящееся в эксплуатации оборудование на предприятиях нефтегазового комплекса, в химических, нефтеперерабатывающих и других отраслях промышленности имеет большой диапазон как по назначению, так и по характеру его эксплуатации.

Значительная его часть работает в жёстких условиях при температурах от криогенных -160°С до высоких +1200°С и давлении от глубокого вакуума до 300 МПа и более с различными продуктами, вызывающими большую скорость коррозии и эрозии металлов.

Износ основных промышленно-производственных фондов увеличивается ежегодно в среднем на 3% и в настоящее время составляет около 70%. На предприятиях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности действует большое количество импортного и отечественного оборудования, выработавшего проектный срок эксплуатации или не имеющего расчетного срока эксплуатации.

Ввиду сложившейся экономической ситуации замена такого оборудования на новое практически ограничена, а с другой стороны создается реальная опасность разрушения оборудования и возникновения экологических последствий.

Одним из аспектов решения проблем промышленной безопасности нефтегазохимических производств является дальнейшее совершенствование методологии оценки остаточного ресурса работы оборудования, т.е. определение времени наработки аппарата до перехода его в предельное состояние при установленных режимах и условиях эксплуатации.

Методы прогнозирования работоспособности длительно проработавших сварных аппаратов должны базироваться на таких критериях, которые бы учитывали временные процессы накопления повреждений в металле. Одним из основных аспектов решения проблем безопасности нефтегазохимических производств является дальнейшее совершенствование методологии оценки остаточного ресурса безопасной работы оборудования.

Концепция и принципы оценки ресурса безопасной эксплуатации длительно действующего оборудования должны основываться на последних достижениях в областях теории надежности, физического металловедения, механики разрушения и неразрушающих методов контроля.

Задачами технического диагностирования колонны К-2, установки АВТ-1 цеха №14 НПЗ являются:

контроль технического состояния, т.е. проверка соответствия параметров качества колонного аппарата требованиям технической документации и определение на этой основе одного из видов технического состояния (работоспособное, исправное, неисправное, неработоспособное и т.п.);

поиск места и определение причин отказа (неисправности);

прогнозирование технического состояния, т.е. определение технического состояния колонны с заданной вероятностью на предстоящий интервал времени (остаточного ресурса), в течение которого сохранится работоспособное (исправное) состояние объекта.

Диагностируемый объект - изготовленная в 1954 году колонна К-2 установки АВТ-1 цеха №14 на данный момент времени выработала свой проектный срок эксплуатации, также закончился период предъявляемым к колонне требованиям промышленной безопасности, технического состояния и возможности ее дальнейшей эксплуатации. Эти причины являются основанием для оценки соответствия диагностируемого объекта предъявляемым к нему требованиям промышленной безопасности, согласно ПБ 03-576-03.

1. Конструкторско-технологическая характеристика технического устройства

В химической технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Путем переноса одного вещества или более компонентов из фазы в фазу можно разделять как гетерогенные, так и гомогенные системы (газовые смеси, растворы жидкостей и др.), причем наиболее часто процессы массопередачи используют для разделения гомогенных систем.

В промышленности применяется в основном следующие процессы массопередачи: между газовой (паровой) и жидкой, между газовой и твердой, между твердой и жидкой, а также между двумя жидкими фазами. Колонна К-2 в данной курсовой работе как раз и представляет процесс массопередачи между жидкими фазами - бензиновой и керосиновой фракций.

Для обеспечения контактирования потоков пара (газа) и жидкости

в процессах ректификации и абсорбции применяются аппараты различных конструкций, среди которых наибольшее распространение получили вертикальные аппараты колонного типа. Аппараты этого типа могут быть классифицированы в зависимости от рабочего давления, технологического назначения и типа контактных устройств. В зависимости от применяемого давления колонные аппараты подразделяются на атмосферные, вакуумные и колонны, работающие под давлением.

Ректификационные колонны нефтеперерабатывающих заводов

представляют собой вертикальные цилиндрические аппараты, снабженные внутри ректификационными тарелками (насадками) и другими вспомогательными устройствами в виде отбойников различных конструкций, распределителей ввода сырья, перераспределителей потоков, штуцеров для отбора фракций и другим оборудованием. Отбойные устройства устанавливаются в определенных местах по высоте колонн и служат для отделения от паров увлекаемых ими частиц жидкости. Устройства ввода предназначены для обеспечения равномерного распределения по сечению колонны потоков жидкости (сырья, орошения) и паров (парового орошения).

Назначение аппарата - отделение легких фракции от перерабатываемого нефтепродукта.

Материальное исполнение: Ст3 / Сталь 15К +08Х13.

В данном аппарате используется биметалл, который изготавливается плакированием. Заключается в совместной горячей прокатке или волочении основного и защитного металлов. Сцепление между металлами осуществляется в результате диффузии под влиянием совместной деформации горячей заготовки.

Преимущества биметалла: высокое качество соединения слоев, пластичность, жаропрочность. Коррозионная стойкость и надежность плакированных листов многократно выше рядовой стали с покрытием, при значительно меньшей трудоемкости. Недостатки биметалла: различная свариваемость металлов, диффузия легирующих элементов при сварке в зоне шва, уменьшение коррозионно-стойкости в зоне шва.

Уникальные свойства биметаллов объясняются тем, что основной слой (углеродистая или низколегированная сталь) обеспечивает конструктивную прочность и другие механические свойства изделий, а плакирующий слой (нержавеющая сталь, никель, титан, медь, алюминий или другие металлы), который находится в контакте с агрессивной средой, обеспечивает требуемую коррозионную стойкость, причем, не только против общей, но и против язвенной, и питтинговой коррозии.

Высокая прочность соединения слоев в таких биметаллах делает их технологичными, исключает вероятность расслоений при резке, формовке, сварке, в том числе монтажной. Срок службы изделий из биметалла на порядок выше, чем изделий из углеродистых и низколегированных сталей.

Свойства сталей:

Ст3 / Сталь 15К

Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества марок Ст3 / Сталь 15К имеют свариваемость без ограничений. Стали не являются флокеночувствительными и не склонны к отпускной хрупкости. Назначение - несущие элементы сварных и не сварных конструкций и деталей, работающих при положительных температурах.

Х13

Сталь коррозионно-стойкая и жаростойкая ферритного класса. Свариваемость - ограниченно свариваемая. Склонность к отпускной хрупкости - склонна при температурах 400-500 ºС.

Химический состав металла по ГОСТ

Диагностируемое техническое устройство представляет собой вертикальный, цилиндрический аппарат колонного типа, цельносварной с эллиптическими днищами, технологическими штуцерами и люками - лазами. Колонна К-2 изготовлена в 1954 году на заводе им. Орджоникидзе, г. Подольск. На НПЗ эксплуатируется с 1955 года на установке АВТ-1 цеха №14.

Таблица 1 - Характеристика и режимы работы колонны

Таблица 2. Сведения об основных конструктивных элементах объекта

Таблица 3. Сведения о штуцерах

Таблица 4. Виды сварки, сварочные материалы

Сведения об изоляции и / или наружных и внутренних покрытиях: корпус аппарата снаружи окрашен и теплоизолирован.

Сведения о термообработке: термообработка не проводилась.

Сведения о контроле качества сварных соединений при изготовлении: проведено рентген. Просвечивание и ультразвуковой контроль сварных соединений в объеме 15,4%.

Таблица 5. Данные о системе технического обслуживания:

2. Разработка программы технического диагностирования колонны К-2 АВТ-1 цеха №14 НПЗ

.1 Общая часть

Настоящая программа разработана в соответствии с требованиями «Правила проведения экспертизы промышленной безопасности» (ПБ 03-246-98), «Положение о порядке проведения экспертизы промышленной безопасности в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности» (РД 09-539-03), «Порядок продления срока безопасной эксплуатации технических устройств, оборудования и сооружений на опасных производственных объектах. Утв. 30.06.2009 г.», «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» (ПБ 03-576-03), «Руководящие указания по эксплуатации и ремонту сосудов и аппаратов, работающих под давлением ниже 0,07 МПа (0,7 кгс/см²) и вакуумом» (РУА-93), «Инструкция по техническому надзору и эксплуатации сосудов, работающих под давлением, на которые не распространяются Правила Госгортехнадзора» (ИТНЭ-93), «Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов» (РД 03-421-01), «Методика диагностирования технического состояния и определения остаточного ресурса технологического оборудования нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств» (ДиОР-05), «Технические указания - регламент по эксплуатации и обследованию оборудования установок каталитического риформинга и гидроочистки, работающих в водородосодержащих средах» (далее «Регламент»), «Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных» (ПБ 03-584-03), Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов (ПБ 03-593-03) и определяет объем и порядок проведения технического диагностирования с целью определения срока дальнейшей безопасной эксплуатации.

2.2 Основная часть

3. Оперативная (функциональная) диагностика системы автоматизации

Функциональная диагностика включает в себя работы по регистрации параметров технического состояния оборудования, его технологических параметрах и нагруженности, условиях взаимодействия с окружающей средой, дефектоскопии в процессе эксплуатации (без остановки работы). Они осуществляются на участке оборудования непрерывно или дискретно в соответствии с предварительно разработанной и согласованной с органами, ответственными за эксплуатацию участка, программой, с использованием штатного приборно-измерительного комплекса.

При этом параметрами технического состояния оборудования могут быть:

характеристики металла (предел текучести σ_0,2, прочности σ_В и трещиностойкости I_С, относительное удлинение δ и сужение ψ, отношение предела текучести и прочности К_ТВ и др.);

коэффициенты запасов прочности (по пределам текучести n_т, прочности n_в и трещиностойкости n_кс, устойчивости n_у, долговечности при малоцикловых нагрузках n_N и механо-химической коррозии n_t и др.);

технологические показатели (температура, давление, режим работы, вибрация и др.).

В программах функциональной (оперативной) диагностики должны быть также предусмотрены задания режимов функционирования обследуемого элемента оборудования и дополнительная установка специальной измерительной и диагностической аппаратуры. Результаты оперативной диагностики оформляются в виде протоколов или соответствующих актов, заключения или отчета. Для бездействующего и демонтированного оборудования функциональной диагностики не предусматривается.

4. Визуальный и измерительный контроль

В России, требования к организации и порядку проведения визуального и измерительного контроля (ВИЗК) оборудования энергетических объектов, устанавливает «Инструкция по визуальному и измерительному контролю» РД 34.10.130-96.

В соответствии с этим НТД ВИЗК на стадии начального контроля выполняется в соответствии с «Программой входного контроля», которая разрабатывается предприятием, выполняющим входной контроль. В этом документе должны указываться виды изделий, подлежащих контролю, виды и объем контроля, способы контроля, включая схемы выполнения замеров контролируемых параметров, нормативные показатели допустимых отклонений.

При визуальном контроле состояния основного материала и сварных соединений оборудования и трубопроводов проверяют:

отсутствие (наличие) механических повреждений поверхностей;

отсутствие (наличие) формоизменения изделий (деформированные участки, коробления, провисания, выход трубы из ряда и других отклонений от первоначального расположения);

отсутствие (наличие) трещин и других поверхностных дефектов, образовавшихся (получивших развитие) в процессе эксплуатации;

отсутствие коррозионного и эрозионного дефектов поверхностей;

отсутствие наружного износа изделия (оборудования, трубопровода, поверхностей нагрева и других изделий;

Результаты анализа технической документации и ВИЗК оформляются в виде акта. В дальнейшем результаты учитывают при определении объема и вида дальнейших диагностических работ и должны содержать вышеуказанные сведения. По результатам визуального осмотра с учетом обнаруженных повреждений может корректироваться программа работ.

Результаты ВИЗК по трубчатой печи приведены в Акте:

5. Выборочный контроль неразрушающими физическими методами дефектоскопии

5.1 Ультразвуковая толщинометрия

Ультразвуковая толщинометрия (УЗТ) в настоящее время широко применяется при измерении толщины разнообразных объектов как при изготовлении, так и при их освидетельствовании. Однако, до настоящего времени в России не создано Государственного стандарта, определяющего основные требования к методике проведения таких работ и оценке полученных результатов. Наиболее полно и на современном уровне вопросы УЗТ отражены в ПНАЭГ-7-031 унифицированных методик контроля, действующих в ядерной энергетике.

Основные условия применения УЗТ:

недоступность для измерения механическим измерительным инструментом;

эквидистантность поверхности контроля и противоположной поверхности.

При диагностировании технического состояния длительно проработавших аппаратов измерение толщины всех стенок конструктивных элементов аппарата (обечаек корпуса, днища, патрубков штуцеров, горловины люков-лазов и др.) производится ультразвуковыми приборами, отвечающими требованиям ГОСТ 28702 «Контроль неразрушающий. Общие технические требования».

При наличии коррозии металла непосредственными замерами устанавливают степень ослабления сечения элементов. По уменьшению толщины стенки определяют также скорость протекания коррозионных процессов.

По результатам ультразвуковой толщинометрии (УЗТ) аппарат может быть допущен к эксплуатации, если толщина стенок несущих конструктивных элементов аппарата (обечаек и днищ корпуса, патрубков, штуцеров и люков и т.п.) не менее минимальной (отбраковочной) расчетной величины для этих элементов.

При достижении предельно-допустимого значения толщины стенок конструктивных элементов аппарата эти части заменяют, подвергают восстановлению ремонтом или снижают рабочее давление до величины, определенной поверочным расчетом на прочность.

Ультразвуковой метод неразрушающего контроля основан на способности ультразвуковых колебаний отражаться от внутренних неоднородностей контролируемой среды.

Для измерения толщины применяют обычно эхо-импульсный метод. При этом толщину стенки изделия определяют по длительности прохождения ультразвукового импульса t или по времени между повторно отраженными импульсами. Импульс упругих ультразвуковых колебаний, распространяясь в металле с определенной скоростью С, многократно отражается от противоположных поверхностей и при обратном ходе отдает пьезоэлементу часть энергии. Из-за поглощения и рассеяния ультразвуковых колебаний каждый последующий импульс несет меньшую энергию. Интервал времени между двумя последовательными импульсами прямо пропорционален измеряемой толщине.

Для измерения толщины металла конструктивных элементов аппарата применяют малогабаритные высокоточные эхо-импульсные толщиномеры для ручного контроля (в том числе автокалибрующиеся), представляющие собой портативные приборы массой 0,15-2,0 кг с автономным питанием и цифровыми индикаторами. Для расширения возможностей они комплектуются преобразователями различных типов с рабочими частотами от 2 до 25 МГц, в том числе для измерения при повышенных измеряемых температурах изделий. В них в основном применяют раздельно-совмещенные преобразователи различных конструкций и совмещенных специальных типов, имеющие малую мертвую зону. В толщиномерах часто предусматривают возможность запоминания результатов измерений с последующей распечаткой их на принтере.

На рисунке 1 дана схема аппарата с указанием мест замера толщины стенок. Полученные данные представлены в протоколе по ультразвуковой толщинометрии.

5.2 Ультразвуковая дефектоскопия

Ультразвуковая дефектоскопия (УЗД) наряду с радиографической является регламентируемым методом контроля качества сварных сосудов и аппаратов в соответствии с требованиями действующих НТД.

Ультразвуковая дефектоскопия аппаратов должна проводиться в соответствии с требованиями ГОСТ 14782 и ОСТ 26-2044. УЧД предназначена для контроля продукции на наличие дефектов (обнаружение дефектов) типа нарушений сплошности и однородности материалов и их сварных соединений для измерения глубины и координат их залегания.

Выбранный метод оценки уровня накопленных повреждений является безусловным методом НК технического состояния аппарата. Ультразвук может прощупывать трещино-подобные дефекты самых разных размеров (от долей мм) и пространственного положения (выходящие на поверхность и в глубине). Ультразвук отражается от имеющихся повреждений, трещин, пор, как солнечный луч от зеркала. Оборудование для его осуществления очень транспортабельно.

Важные его преимущества перед радиационными методами - более надежные выявления опасных дефектов типа трещин и тонких непроваров, высокая производительностъ и меньшая стоимость.

Перед началом ультразвукового контроля зачищают поверхность сварного соединения на расстоянии 50-180 мм с каждой стороны шва, удаляя брызги металла, остатки шлака и окалину. Зачистку выполняют ручной шлифовальной машинкой, а при необходимости еще и напильником или наждачной шкуркой.

Чтобы обеспечить акустический контакт между щупом-искателем и изделием, зачищенную поверхность металла непосредственно перед контролем тщательно протирают и наносят на нее слой контактной смазки. В качестве смазки при меняют автол марок 6, 10,18, компрессорное, трансформаторное или машинное масло.

Настраивая дефектоскоп на поисковую чувствительность, определяют способ прозвучивания, тип преобразователей и пределы их перемещения, а также характер ожидаемых дефектов. Особое внимание уделяют тем дефектам, когда их поверхность перпендикулярна к акустической оси преобразователя.

Правильность показаний дефектоскопа проверяют на эталонах сварных швов с заранее определенными дефектами.

Стандартные образцы применяют при ультразвуковой дефектоскопии для проверки и настройки основных параметров аппаратуры и метода.

Ультразвуковой контроль сварных швов корпуса аппарата выполнен в объеме 16,5% их длины. Результаты ультразвуковой дефектоскопии приведены в таблице 2.

5.3 Цветная дефектоскопия

Сварные соединения аппаратов должны подвергаться контролю цветной и магнитной дефектоскопии в случае, когда невозможно проведение ультразвуковой дефектоскопией (УЗД) или просвечиванием или при наличии требований технического проекта.

Цветная дефектоскопия (ЦД) применяется для выявления в сварных швах и околошовной зоне поверхностных дефектов. Контроль должен проводиться по отраслевой инструкции И 26-7-74 «Контроль методом цветной дефектоскопии», разработанный ВНИИПТхиммашем (г. Пенза).

При цветной дефектоскопии в протоколах должны отражаться трещины в основном и наплавленном металле, а также поры и шлаковые включения диаметром более 1 мм.

Цель гидравлического (пневматического) испытания - проверка прочности и герметичности сварных соединений и всех элементов аппаратуры.

Гидравлическому испытанию подлежат:

а) все трубные, сварные, литые, фасонные и другие элементы и детали, а также арматура котлов и трубопроводов, если они не подвергались гидравлическому испытанию на местах их изготовления (возможно применение ультразвуковой дефектоскопии);

б) элементы котлов и трубопроводов в собранном виде;

в) котлы, паронагреватели после окончания их изготовления или монтажа;

г) все сосуды после их изготовления;

д) трубопроводы пара и горячей воды всех категорий со всеми элементами и их арматурой после окончания монтажа.

Порядок проведения испытания должен быть оговорен в техническом проекте и указан в инструкциях предприятия изготовителя по монтажу и эксплуатации сосудов.

Гидравлические испытания змеевиков должны производиться с крепежом и прокладками, предусмотренными в технической документации.

Значение пробного гидравлического давления определяется по формуле:

,                                       (6.1)

где    P - расчетное давление берется из условий давления на входе в змеевик, Мпа,

[σ]₂₀ - допустимое напряжение для материала змеевика или его элементов при температуре 20°С, МПа,

[σ]_t - допустимое напряжение для материала змеевика при рабочей температуре, МПа.

Время выдержки змеевика под давлением должно быть 10 мин., после чего давление снижается до рабочего, при этом давлении должен быть произведен осмотр змеевика. Сварные швы обстукиваются молотком весом на более 1,5 кг.

Результаты испытания считаются положительными, если при их проведении отсутствуют:

1)  падение давления по манометру;

2)      течь, потения в сварных соединениях;

)        остаточные деформации.

Значения пробного давления в результате испытаний заносятся в паспорт.