Изложен обобщенный подход к техническому диагностированию трубопроводов аммиачных холодильных установок с анализом возможных причин возникновения аварийных ситуаций.
Ключевые слова: трубопроводы аммиачных холодильных установок, техническое диагностирование
Трубопроводы являются одним из трех основных элементов аммиачных холодильных установок (АХУ), представляющие собой объекты повышенной опасности, и потому полноправно подпадающие под действие Федерального закона № 116-Ф3 от 21.07.1997 г. «О промышленной безопасности опасных производственных объектов». Их техническое диагностирование со всем комплексом работ по полноте и сроках регламентируется РД 09–241–98 «Методические указания по обследованию технического состояния и обеспечения безопасности при эксплуатации аммиачных холодильных установок» и РД 09–244–98 «Инструкция по проведению диагностирования технического состояния сосудов, трубопроводов и компрессоров промышленных аммиачных холодильных установок» с Изменением № 1 (РДИ 09–513(244)-02.
Техническое диагностирование трубопроводов АХУ должно проводиться путем выполнения комплекса научно-технических мероприятий по исследованию коррозионного состояния, неразрушающему контролю, анализу прочности и др. и определения по результатам такого исследования их соответствия требованиям действующей нормативной документации и ресурса их дальнейшей безопасной эксплуатации. На АХУ диагностированию подлежат нагнетательный трубопровод на участке от компрессора до первого сосуда АХУ и всасывающий трубопровод на участке от последнего сосуда АХУ до компрессора. Диагностирование аммиачных трубопроводов в общем случае предусматривает проведение следующих работ:
анализ технической документации,
визуальный контроль и анализ коррозионного состояния трубопроводов,
проведение толщинометрии,
неразрушающий контроль сварных соединений,
проведение расчетов на прочность,
пневмоиспытания с контролем методом акустической эмиссии или гидроиспытания.
Если техническая документация на трубопроводы отсутствует или она не соответствует по результатам визуального контроля фактической конструкции трубопроводов, то дополнительно проводятся работы по составлению конструктивных схем трубопровода по их фактическому исполнению. При технической необходимости проводится дополнительное исследование механических свойств, структуры и химического состава металла, измерение твердости.
Диагностирование трубопроводов камер охлаждения, коллекторов, а также других устройств из труб проводится по специальным методикам, учитывающим конструктивные особенности данных устройств, которые разрабатываются организациями, проводящими диагностирование, или экспертными организациями.
При диагностировании аммиачных трубопроводов необходимо обращать внимание на возможные отклонения от требований нормативной документации и характерные дефекты, которые могут оказывать влияние на безопасность эксплуатации. К таким отклонениям и дефектам относятся:
несоответствие фактического конструктивного исполнения трубопроводов требованиям проекта (расположения и вида опор, геометрических размеров и формы, применения труб с размерами, не предусмотренными проектом и др.);
нарушение норм проектирования, например, отсутствие в некоторых случаях температурных компенсаторов.
Эти отклонения приводят к перегрузке отдельных узлов трубопроводов, а также к неравномерной нагрузке на опоры (перегрузке, либо нагрузке, не соответствующей расчету по направлению — «на отрыв»). Нормативные условия прочности на таких участках не выполняются, что может привести к снижению ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов и аварии.
коррозия наружных поверхностей труб из-за воздействия внешних коррозионных факторов;
эрозионно-коррозионный износ внутренней поверхности труб.
Эти дефекты приводят к уменьшению толщин стенок труб, вплоть до значений, при которых не обеспечиваются предусмотренные нормативной документацией условия прочности. При язвенной коррозии возможно образование сквозных отверстий в трубах.
дефекты в сварных швах, которые возникли на стадии монтажа в сварных стыках труб и в процессе эксплуатации могли развиться до опасных размеров;
дефекты типа трещин коррозионного растрескивания, которые при длительном воздействии аммиака могут возникать в сварных швах малоуглеродистых сталей, не подвергнутых локальной термообработке (отпуску) или локальному пластическому деформированию для уменьшения или полного снятия остаточных растягивающих сварочных напряжений.
Эти дефекты могут привести к образованию сквозных трещин, а при определенных условиях, например, при низких температурах, способствующих охрупчиванию металла, к хрупкому разрушению сварных стыков.
наличие участков трубопроводов, подвергавшихся ремонту с применением сварки или огневых воздействий при отсутствии у владельца требуемой технической документации на проведение таких работ (удостоверений сварщиков, технологий, методик и результатов контроля и т. п.);
отсутствие сертификатов качества изделий: труб, материалов, арматуры и использование нестандартных узлов, патрубков, заглушек, отводов, фасонных деталей, изготовленных на месте монтажа, ремонта или путем переделки стандартных деталей.
При таких отклонениях возможны скрытые дефекты (изменение структуры и охрупчивание металла, дефекты сварного шва из-за неправильного выбора электродов, режимов сварки и т. д.), которые могут привести к возникновению аварийной ситуации.
При анализе технической документации изучаются паспорт трубопровода и прилагаемая к нему проектная, эксплуатационная, ремонтная и другая документация. В результате должны быть установлены наличие и правильность заполнения паспорта; наименования проектной и монтажной организаций; даты монтажа и ввода трубопровода в эксплуатацию; объем и вид неразрушающего контроля сварных соединений при монтаже трубопровода и его результаты; расчетные и рабочие параметры трубопровода; конструктивная схема трубопровода; сведения о нештатных ситуациях в период эксплуатации трубопровода, об их причинах, а также о ремонтных работах. Особое внимание при этом следует обращать на наличие проектной конструктивной схемы трубопровода, в которой должны быть указаны расположение и конструкция опор, геометрия трубопровода и применяемые размеры труб (диаметры и толщины). При наличии проектной конструктивной схемы проводится контроль ее соответствия фактическому исполнению трубопровода. Если конструктивная схема отсутствует, то выполняются работы по ее составлению.
Визуальный контроль трубопровода и анализ его коррозионного состояния проводятся с целью определения при наличии проектной документации соответствия конструктивного исполнения трубопровода проекту; коррозионного состояния металла трубопровода; внешних условий, как то состояния окружающей среды, наличия неблагоприятных факторов, влияющих на безопасность эксплуатации трубопровода, и др. При определении соответствия трубопровода проекту внимание обращается на сортамент труб, расположение и конструкцию опор, геометрические размеры и форму трубопровода, наличие непредусмотренных проектом или отсутствие предусмотренных участков. При этом определяется также соответствие трубопровода требованиям Правил устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов и Правил устройства и безопасной эксплуатации аммиачных холодильных установок. При анализе коррозионного состояния трубопроводы без термоизоляции подвергаются визуальному контролю в объеме 100 %. Трубопроводы с термоизоляцией подвергаются выборочному контролю. При этом зоны осмотра, освобожденные от изоляция, должны находиться на прямолинейных участках на расстоянии не более 10 м друг от друга; в случаях, когда длина прямолинейного участка не превышает 20 м, зоны осмотра должны находиться на расстоянии не более 5 м друг от друга; гибы, отводы и участки сопряжений труб разных диаметров должны подвергаться осмотру в объеме 100 %; в перечисленных выше зонах изоляция должна быть удалена на участке длиной не менее 100 мм; если при осмотре в какой-либо из зон под снятой изоляцией будут выявлены значительные коррозионные поражения металла (сплошная или точечно-язвенная коррозия, глубина которой составит более 0,5 мм), то осмотру с удалением изоляции должен быть подвергнут весь участок трубопровода, коррозионное состояние которого вызывает сомнение; удаление изоляции и осмотр проводятся в обоих направлениях от зоны, в которой первоначально выявлена повышенная коррозия. Особое внимание при осмотре должно быть обращено на участки трубопровода в местах установки деревянных опор, где часто наблюдается повышенная коррозия из-за накопления влаги деревом. Если при осмотре будут выявлены участки, на которых трубопровод подвергается неблагоприятным внешним воздействиям, например, заливается водой, то такие участки должны осматриваться по всей длине с удалением изоляции, а наличие нештатных источников воздействия на трубопровод должно быть отмечено в акте визуального контроля, который составляется по его результатам.
Для измерения толщин стенок труб используется преимущественно ультразвуковая толщинометрия. При этом измерения толщин производятся на трубопроводах без изоляции на каждом участке, ограниченном сварными швами, не менее, чем в трех сечениях (около сварных швов и в средней части участка); на трубопроводах с изоляцией в сечениях, подготовленных для визуального контроля; на гибах без изоляции по каждой стороне гиба не менее, чем в трех сечениях от места гиба до ближайшего сварного шва. В гибах со снятой для визуального контроля изоляцией — в пределах открытого участка. В каждом сечении измерения должны проводиться в четырех точках через 90° по окружности трубы; в тех случаях, когда измерения в чтырех точках из-за сложности доступа невозможны, число точек измерения в сечении может быть уменьшено, но не более, чем до двух точек. При измерении толщин стенок гибов необходимо обратить особое внимание на растянутую зону в сечении с максимальной кривизной. На участках трубопровода, на которых измеренные толщины стенок различаются более чем на 10 %, необходимо выполнять повторные измерения по сетке с шагом не более 15 мм. Результаты толщинометрии оформляются в виде протокола, в котором должны быть представлены схема расположения точек контроля и численные значения толщин в этих точках.
Для выявления дефектов в элементах трубопроводов АХУ могут быть использованы следующие методы неразрушающего контроля:
акустико-эмиссионный контроль (АЭ-контроль),
ультразвуковая дефектоскопия (УЗД),
радиографическая дефектоскопия (РД),
цветная дефектоскопия (ЦД),
магнитопорошковая дефектоскопия (МПД),
вихретоковая дефектоскопия (ВТД).
При выборе метода контроля (или сочетания нескольких методов) и определения его объема необходимо руководствоваться результатами визуального контроля и анализа техдокументации на трубопровод. В случае если при изготовлении (монтаже) трубопровода контроль сварных швов не проводился (или данные о контроле отсутствуют), трубопровод подвергается АЭ-контролю по всей длине трубопровода или УЗД, либо РД в объеме не менее 10 % сварных стыков труб. Если при изготовлении (монтаже) трубопровода контроль сварных швов был выполнен (имеются соответствующие данные), то при диагностировании проводится АЭ-контроль в объеме не менее 25 % длины трубопровода или УЗД, либо РД в объеме не менее 5 % сварных стыков труб. Если при визуальном контроле будут выявлены зоны, в которых возможно наличие трещин, то металл в этих зонах подвергается ЦД, МПД или ВТД в объеме 100 % поверхности зон. Если при неразрушающем контроле любым из перечисленных методов будут выявлены недопустимые дефекты, то трубопровод должен быть подвергнут АЭ-контролю в объеме 100 % его длины или УЗД, либо РД в объеме 100 % сварных стыков труб.
Следует особо подчеркнуть, что основным методом неразрушающего контроля трубопроводов АХУ является АЭ-контроль, позволяющий выявить склонные к развитию дефекты сварных швов и основного металла при охвате 100 % длины трубопровода. АЭ-контроль трубопроводов АХУ при этом проводится в соответствии с РД 03–131–97 «Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов». Использование же УЗД или РД требует значительных экономических затрат, обусловленных, в частности, необходимостью демонтажа и последующего монтажа теплоизоляции, и вызывает технические проблемы, связанные часто с отсутствием доступа к контролируемому месту, тогда как во многих случаях стыковые швы труб имеют корневые непровары из-за односторонней сварки, которые при выявлении их УЗД или РД не поддаются однозначной оценке по степени влияния на безопасность эксплуатации трубопровода. Вместе с тем УЗД или РД, а также ЦД, МПД и ВТД должны использоваться в каждом случае обнаружения при АЭ-контроле источника акустически активных сигналов для уточнения вида и размеров дефекта — источника таких сигналов, а также в других случаях, когда это необходимо по решению специалистов, проводящих диагностирование. Давление в трубопроводе при АЭ-контроле должно создаваться пневматически. Допускается нагружение трубопровода гидравлически при условии обеспечения полного удаления воды и просушки трубопровода после испытаний. При гидроиспытаниях должна обеспечиваться прочность трубопровода и опор с учетом весовых нагрузок.
Завершающим этапом технического диагностирования является анализ прочности трубопровода, при выполнении которого определяются фактические нагрузки на его элементы, распределение нагрузок на опоры, устанавливаются запасы прочности на момент диагностирования и соответствие трубопровода требованиям действующей нормативной документации на технологические трубопроводы. Расчет трубопровода на прочность включает в себя следующие этапы:
оценка статической прочности (расчет на действие весовых нагрузок, внутреннего давления, усилий промежуточных опор в рабочем состоянии);
расчет нагрузок на опоры и оборудование (сосуды, компрессоры и другие элементы АХУ); в расчете учитываются внутреннее давление, весовая нагрузка, усилия промежуточных опор в рабочем состоянии, температурное расширение (температурная компенсация);
оценка усталостной прочности (расчет производится на действие температурного расширения);
расчет для нерабочего (холодного) состояния на совместное действие всех нагрузок.
Для выполнения расчетов трубопровода на прочность осуществляется построение расчетной модели (схемы). Расчетной моделью трубопровода является линейно-упругая пространственная стержневая система, которая с достаточной точностью отражает условия нагружения, физико-механические, а также геометрические характеристики рассматриваемого трубопровода. В целях упрощения формирования исходных данных и анализа результатов расчета трубопровод условно разделяется на участки. Точки сопряжения или граничные точки участков называются узлами. Точки сопряжения участков с жестким основанием системы, например, соединения трубопровода с компрессором называются концевыми защемлениями или заделками. Участком расчетной модели трубопровода может быть любая неразветвляющаяся часть системы, ограниченная двумя узлами или узлом и концевым защемлением. Расчетная модель трубопровода может состоять из одного или нескольких участков и должна иметь, по крайней мере, одно концевое защемление. Расчетные (граничные) сечения отрезков, где определяются перемещения, нагрузки и напряжения, назначаются в точках сопряжения прямых труб с дуговыми коленами, в местах приложения сосредоточенных нагрузок, установки опор, переходов, тройников и т. п. В результате расчета определяется соответствие нормативным требованиям в области прочности всех элементов трубопровода. Перегруженные (или работающие на отрыв) опоры, перегруженные узлы и другие отклонения от норм прочности должны быть зафиксированы в выводах по результатам расчета, а указанные опоры и узлы — отмечены на схеме трубопровода. Возможность безопасной эксплуатации трубопровода с выявленными при неразрушающем контроле дефектами, за исключением трещин, допускается определять расчетом на прочность с использованием методов механики разрушения.
После завершения всех диагностических работ трубопровод подвергается пневмоиспытанию. При этом пневмоиспытание трубопровода может быть заменено гидроиспытанием при условии обеспечения его прочности от воздействия весовых нагрузок при заполнении водой и возможности полного удаления воды и просушки трубопровода после гидроиспытания. В тех случаях, когда при неразрушающем контроле трубопровода использовался АЭ-контроль, пневмо- или гидроиспытания могут не проводиться.
Таков самый общий подход к техническому диагностированию трубопроводов АХУ. В заключение следует подчеркнуть, что наиболее опасным дефектом в трубопроводах АХУ является коррозионное растрескивание. Поэтому при их техническом диагностировании выявлению коррозионного растрескивания следует уделять наибольшее внимание и, как следствие этого, для своевременного обнаружения данного дефекта сокращать сроки продления эксплуатации трубопроводов АХУ до очередного их технического диагностирования. Следует также осуществлять периодическое проведение АЭ-мониторинга трубопроводов АХУ в процессе их эксплуатации.
