Современные тенденции и противоречия при проектировании, изготовлении и эксплуатации резервуаров. С. Н. Сухонин, В. А. Шакина, А. Н. Суверко (№3, 2015)

С.Н. Сухонин,
Начальник отдела ООО «Экспертный центр»,

эксперт в области промышленной безопасности

E-mail: SuhoninSN@gaz.ru

 

В.А. Шакина,
Ведущий специалист ООО «Экспертный центр»,

эксперт в области промышленной безопасности

 

А.Н. Суверко,

Ведущий специалист ООО «Экспертный центр»,

эксперт в области промышленной безопасности

(г. Нижний Новгород)

 

Приведен обзор нормативно-технической документации применительно к сосудам и резервуарам. Проведено сравнение классификации сосудов по ПБ 03-584-03 и по ГОСТ Р 52630 – 2012. Показано, что сосуды для взрывоопасной, пожароопасной, токсичной среды относятся к 1 группе сосудов. Приведены нормативные документы для выполнения расчета на прочность сосудов и аппаратов. Показана необходимость расчета на прочность и устойчивость резервуаров от опорных нагрузок, а для подземных резервуаров от наружного давления грунта. Приведены сведения о прибавке на коррозию. Приведены примеры использования на химически опасных объектах оборудования не соответствующего требованиям промышленной безопасности.

 

Ключевые слова: резервуары, сосуды, расчет на прочность, химически опасный объект, экспертиза промышленной безопасности.

Modern trends and contradictions in the design, manufacture and operation of reservoirs

S. N. Sukhonin Head of department

V. A. Shakina, A. N. Suverko Leading specialists

Experts in industrial safety, LLC “Expertise Center”, Nizhny Novgorod

The review of the specifications and technical documentation in relation to vessels and tanks is provided. Comparison of classification of vessels by PB 03-584–03 and in accor-dance with GOST P 52630–2012 is carried out. It is shown that vessels for explosive, fire-dangerous, and toxic environment belong to group of vessels 1. Normative documents for performance of calculation on durability of vessels and devices are provided. Need of calculation of durability and stability of tanks from basic loadings, and for underground tanks from the external pressure of soil is shown. Data on an increa-se on corrosion are provided. Use facts are given in chemically dangerous objects of the equipment which isn›t conforming to requirements of industrial safety.

Keywords: tanks, vessels, strength calculation, chemically dangerous objects, examina-tion of industrial safety

 

 

Резервуар – это стационарный сосуд, предназначенный для хранения газообразных, жидких и других веществ.

На резервуары распространяются требования ПБ 03-584-03 «Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных».

Ранее действующие, в настоящее время отмененные «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» ПБ 03-576-03, за период своего действия сформировали у специалистов, работающих в области промышленной безопасности, стойкое представление, что все, что под давлением свыше 0,07 МПа – это поднадзорно Ростехнадзору, это опасно и требует особого внимания. В отношении резервуаров у многих сложилось ошибочное мнение, что резервуары не так опасны, (не подлежат регистрации),  требования к резервуарам четко не обозначены в нормативной документации и поэтому можно совершенно свободно, на свое усмотрение и проектировать и изготавливать и эксплуатировать резервуары, опираясь на свое, часто совершенно не правильное представление о данном вопросе.

В настоящее время с совершенствованием нормативной документации в сфере промышленной безопасности требования к оборудованию химически опасных объектов ужесточаются.

Примененное оборудование (технологическое оборудование, машины и трубопроводная арматура) должно соответствовать требованиям Технического регламента Таможенного союза «О безопасности машин и оборудования» (ТР ТС 010/2011), принятого решением Комиссии Таможенного союза от 18 октября 2011 г. N 823.

При применении аппаратов, работающих под избыточным давлением, должны быть представлены документы о соответствии примененного оборудования требованиям Технического регламента Таможенного союза «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением» (ТР ТС 032/2013), принятого решением Совета Евразийской экономической комиссии от 2 июля 2013 г. N 41.

В ГОСТ Р 52630 – 2012 дана новая классификация сосудов в зависимости от расчетного давления, температуры стенки и характера рабочей среды принципиально отличающаяся от классификации сосудов по ПБ 03-584-03.

По ПБ 03-584-03 сосуды, работающие под давлением среды ниже 0,07 МПа для взрывоопасной, пожароопасной среды или 1-го, 2-го класса опасности (резервуары) относятся к группе 5а (табл. 1 раздел 2  ПБ 03-584-03.

По ГОСТ Р 52630 – 2012 сосуды для взрывоопасной, пожароопасной, токсичной среды 1-го, 2-го, 3-го класса опасности по ГОСТ 12.1.007 независимо от расчетного давления и температуры относятся к 1  группе сосудов (табл. 1 раздел 4  ГОСТ Р 52630 – 2012)

Соответственно по ГОСТ Р 52630 – 2012  практически все резервуары относятся к 1 группе сосудов (за исключением резервуаров для воды и сред 4 класса опасности) и требования к резервуарам, как к сосудам первой группы увеличены: контроль сварных швов ультразвуковым или радиографическим методом – 100% длины шва (при сварке обечаек и труб, приварке днищ к обечайкам следует применять стыковые швы с полным проплавлением. Допускается применять нахлесточные сварные швы для приварки укрепляющих колец и опорных элементов); плоские днища могут применяться только из поковок) и т.д.

В ГОСТ Р 52630 – 2012 «Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия»  четко указано, что расчет на прочность сосудов и их элементов следует проводить в соответствии с ГОСТ Р 52857.1 – ГОСТ Р 52857.11, ГОСТ Р 51273, ГОСТ Р 51274, ГОСТ 30780.

Для каждого резервуара должен быть выполнен расчет на прочность  и приложен к паспорту сосуда. Но достоверность и объем расчета определяется квалификацией расчетчика. Для сосуда, работающего под давлением основным является расчет на избыточное давление, расчет укрепления отверстий. Толщина стенки определяется из условий прочности и устойчивости и плюсуется с прибавкой на коррозию и плюсовым допуском листа.

Для резервуаров, (сосудов работающих под давлением не выше 0,07 МПа), расчет от внутреннего давления дает очень небольшие расчетные толщины стенки, что не дает гарантии прочности и устойчивости резервуара. Для резервуаров необходимо выполнять расчет обечаек и днищ от воздействия опорных нагрузок. Для резервуаров большого диаметра и длины этот расчет является определяющим в выборе толщины стенки. Кроме того для подземных резервуаров в обязательном порядке должен выполняться расчет на прочность и устойчивость от наружного давления грунта.

При расчете на прочность сосудов и аппаратов необходимо учитывать прибавку к расчетным толщинам элементов сосудов и аппаратов.

Прибавка к расчетной толщине для компенсации коррозии (эрозии) назначается с учетом условий эксплуатации, расчетного срока службы, скорости коррозии (эрозии). При двустороннем контакте с коррозионной или эрозионной средой прибавку С₁ для компенсации коррозии или эрозии должны соответственно увеличивать (п.12.3 ГОСТ Р 52857.1-2007 Нормы и методы расчета на прочность).

С₁= а × t

где: а – скорость коррозии мм/год;

t – количество лет эксплуатации.

При равномерной коррозии минимальная толщина стенок элементов корпуса сосуда должна быть не менее расчетной с учетом эксплуатационной прибавки на коррозию. В качестве расчетной (отбраковочной) величины различных конструктивных элементов сосудов принимается наибольшая толщина, полученная из расчетов на прочность и устойчивость при различных режимах эксплуатации и испытания. Если минимальная толщина стенки равна расчетной без эксплуатационной прибавки, то возможность дальнейшей эксплуатации сосуда и остаточный срок его службы устанавливаются при условии изменения рабочих параметров эксплуатации. (РД 03-421-01  п. 4.1.3.2.).

Прибавка на коррозию напрямую зависит от скорости коррозии, но скорость коррозии одного и того же металла или сплава в зависимости от условий может меняться в десятки и сотни раз. На сосуды и аппараты, установленные на открытом воздухе,  кроме внутренней коррозии  от контакта с содержимым аппарата, воздействует еще и атмосферная коррозия. Скорость атмосферной коррозии зависит от степени влажности воздуха и от степени загрязненности воздуха и характера этих загрязнений. Воздух практически всегда содержит влагу и в условиях атмосферы промышленных предприятий насыщен различными агрессивными газами, загрязнен твердыми частичками солей, пылью.  Такие газы, как СО2, SO2, NH3  и др. содержатся в промышленной атмосфере в большом количестве. Эти вещества растворяются во влажном воздухе и в атмосферных осадках, превращаются в растворы кислот, щелочей, солей и представляют большую опасность для металлических конструкций. Так снег на одном химическом заводе содержал около 1% кислоты (в пересчете на соляную) и около 0,3 % солей. Присутствующие в атмосфере газы адсорбируются пленкой влаги, сконденсированной на поверхности металла и усиливают электрохимическую коррозию. Чаще всего промышленная атмосфера содержит сернистый газ, который может окисляться до серного ангидрида, который при взаимодействии с влагой образует серную кислоту. Повышенное содержание влаги в воздухе при наличии даже не значительных количеств сернистого газа вызывает особенно сильную коррозию железоуглеродистых сталей. Коррозионный процесс также усиливается при наличии на поверхности металлических конструкций твердых частичек угля, пылинок песка и т.д.  Эти загрязнения могут являться центрами капиллярной конденсации влаги и кроме того вредное воздействие оказывает контакт этих частиц со сталью.

Продукт коррозии – это как правило, гидрат окиси железа, покрывает поверхность металла рыхлым осадком, не защищающим металл от дальнейшего разрушения. При поступлении кислорода коррозия металла будет проходить до полного его разрушения. На рис. 1, 2 приведен пример коррозионных повреждений сварных швов и сквозного коррозионного повреждения опоры сосуда. Опорные стойки сосуда не очищались от продуктов коррозии и покрывались лакокрасочным покрытием поверх ржавчины, что привело к сквозному коррозионному повреждению.

Другим фактором, влияющим на скорость атмосферной коррозии, является неравномерность процесса во времени. Как правило, в начальный период скорость процесса коррозии небольшая, но в дальнейшем эта скорость увеличивается. На скорость  коррозии также оказывают большое влияние резкие температурные колебания. При снижении температуры вечером и ночью относительная влажность воздуха увеличивается иногда настолько, что выпадает роса, этого вполне достаточно для развития коррозионного процесса.

Кроме того, иногда коррозионные процессы протекают с распадом структурных составляющих, изменением физико-механических свойств металлов и сплавов (потерей металлического звука, резким снижением механической прочности вследствие нарушения связи по границам кристаллитов).

Так как процессы коррозии зависят от большого количества факторов, прогнозирование скорости коррозии на длительный срок вызывает большие трудности.

Тем не менее до настоящего времени существуют недобросовестные организации, гонящиеся за сверхприбылью, изготавливающие резервуары из металла толщиной 4 мм со сроком службы 50 лет, не оснащенные необходимым оборудованием (дыхательными клапанами, указателями уровня и т.д), сварные швы выполняются внахлест.  Владельцы таких «уникальных технических устройств», очень быстро видят, как этот «практически вечный» резервуар превращается в совершенно деформированное, покрытое вмятинами и выпучинами аварийно-опасное устройство, требующее немедленного вывода из эксплуатации.

Вопрос экономической эффективности, который в настоящее время превалирует над всеми остальными, часто приводит к выбору самых дешевых вариантов оборудования, совершенно не соответствующих требованиям промышленной безопасности.

Добросовестные организации, проектирующие и выпускающие резервуарное оборудование, соответствующее современным требованиям, поставлены в условия недобросовестной конкуренции с фирмами однодневками, выигрывающими заказы на тендерах и быстроисчезающими с рынка, после поставки своей «одноразовой» продукции.

Отдельно хочется обратить внимание на влияние конструктивных особенностей элементов сосудов и аппаратов на коррозионный процесс. Требования о необходимости применять  стыковые швы с полным проплавлением при сварке обечаек и труб, приварке днищ к обечайкам очень важны для обеспечения длительной безопасной эксплуатации емкостного оборудования. Известно, что при сварке внахлест, металл между швами корродирует гораздо интенсивнее, чем остальная конструкция  из-за наличия термических напряжений, остающихся в поясе после сварки. Кроме того продукты коррозии имеют меньшую плотность, чем сам металл и соответственно больший объем. Это обстоятельство вызывает концентрацию напряжений, усиление коррозии и может привести к образованию трещин. Большое значение на развитие коррозионных процессов оказывает наличие застойных зон. Узел сопряжения плоских днищ с обечайкой  является застойной зоной, что ведет к образованию неравномерного слоя осадков, который невозможно непрерывно удалять по мере его выпадения. Этот слой осадка может создать гальванический элемент и стать источником электрохимической коррозии. Поэтому предпочтительными для резервуаров являются конические и эллиптические днища. Что и нашло свое отражение в  ГОСТ Р 52630 – 2012, плоские днища примененные для резервуаров для взрывоопасной, пожароопасной, токсичной среды 1-го, 2-го, 3-го класса опасности могут быть изготовлены только из поковок, т.е. конструкция данных днищ будет исключать наличие застойных зон.

В данной статье хотелось бы рассмотреть еще один вопрос, также характеризующий разрыв между жесткими требованиями к техническим устройствам применяемым на ХОПО и реальным положением дел на отдельных объектах.

Существует очень опасная тенденция, когда забракованное по результатам экспертизы промышленной безопасности техническое устройство заменяется Владельцем на новое – не соответствующее требованиям промышленной безопасности -  по назначению, по условиям эксплуатации и т.д. 

За период работы приходилось сталкиваться с подобными фактами:

• Взамен забракованных передвижных емкостей для кислот и щелочей были закуплены емкости из полипропилена. Данные емкости изготовлены из материалов стойких к кислотам и щелочам, но предназначены для пищевых продуктов и не оборудованы необходимыми устройствами (воздушным клапаном, срабатывающим при заполнении и опорожнении емкости,  уровнемером и т.д.). Конструктивное исполнение емкости не соответствует требованиям промышленной безопасности.
• Взамен стационарных резервуаров для кислот и щелочей (25 м³ , 50 м³) покупаются емкости, предназначенные для воды, не оборудованные никакими устройствами, не имеющие даже дыхательных клапанов, устанавливаются на автомобильные упоры (вместо седловых опор). Герметичность процессов налива, хранения отсутствует, устойчивость обечайки к опорным нагрузкам не соблюдена, и как результат огромный коррозионный износ и общая деформация корпуса сосуда. Выход из строя сосуда за 2-3 года.  (Рис. 3 Негерметичный люк через который производилось заполнение емкости. Рис. 4 Сквозная коррозия верхней части обечайки около люка).

      Одним из важнейших условий обеспечения требований промышленной безопасности на ХОПО является устранение разрыва в возросших требованиях к проектированию, изготовлению, эксплуатации технических устройств и воплощением в жизнь этих требований.

      Решение этой проблемы не произойдет мгновенно, это длинный и тяжелый путь, но главное – это движение в нужном направлении. Важную роль в данном вопросе играет повышение квалификации специалистов, осуществляющих деятельность в области промышленной безопасности.

 

Список литературы

 

1. ПБ 03-584-03 «Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных» Сер. 03-Вып. 2-М.:ЗАО НТЦ ПБ,2013-104с
2. ГОСТ Р 52630 – 2012 «Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия. – М.: Стандартинформ, 2013
3. РД 03-421-01 «Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов. Сер. 3-Вып. 17-М.:ЗАО НТЦ ПБ,2002-130с
4. Технический регламент Таможенного союза "О безопасности машин и оборудования" (ТР ТС 010/2011), принятого решением Комиссии Таможенного союза от 18 октября 2011 г.
5. N 823. Опубликовано  25 сентября 2009г. в "Российской газете" - Федеральный выпуск №5005
6. Технический регламент Таможенного союза "О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением" (ТР ТС 032/2013). Сер. 20 Вып. 14-М.ЗАО «НТЦ исследований проблем промышленной безопасности», 2014.-76с
7. ГОСТ Р 52857.1 –2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования. –М.:Стандартинформ, 2008
8. ГОСТ Р 52857.2-2007, Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек. М.:Стандартинформ, 2008
9. ГОСТ Р 52857.3-2007, Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Укрепление отверстий в обечайках и днищах при внутреннем и внешнем давлениях. Расчет на прочность обечаек и днищ при внешних статических нагрузках на штуцер. М.:Стандартинформ, 2008
10. ГОСТ Р 52857.5-2007, Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет обечаек и днищ от воздействия опорных нагрузок. М.:Стандартинформ, 2008
11. И.Я. Клинов Коррозия химической аппаратуры и коррозионностойкие материалы/ под редакцией Н.П. Жук. - 3-е издание, переработанное и дополненное – М.: Машгиз, 1960.-511 с.