Đánh giá trạng thái kỹ thuật bể trụ đứng có khuyết tật dạng vết lõm

A.S.Dmitriyeva, Lâm Bích Hồng, A.A.Lyagova Đại học Mỏ Saint-Petersburg, Liên bang Nga Email: [email protected]

Tóm tắt

Phân tích trạng thái ứng suất của bể chứa có khuyết tật dựa theo điều kiện vận hành và sự phân bố của khuyết tật sẽ giúp giảm chi phí sửa chữa, giảmmứcđộnguyhiểm trong trường hợp xảy ra tình huống khẩn cấp.

Bài báo phân tích và so sánh các hạn chế của khuyết tật dạng vết lõm ở bể chứa theo các quy định của quốc tế và Liên bang Nga về thiết kế và vận hành các bể chứa bằng thép. Đồng thời giới thiệu kết quả của những nghiên cứu hiện nay về sự hình thành và ảnh hưởng của khuyết tật vết lõm lên trạng thái ứng suất của bể chứa.

Bể chứa dầu và các sản phẩm dầu mỏ chịu tác động của tải trọng, nhiệt độ, môi trường. Kết cấu bể chứa có thể bị khuyết tật do không hoàn thiện về thiết kế, công nghệ, cũng như sự tác động của các yếu tố ngoại lực trong quá trình vận hành. Do đó cần đánh giá ảnh hưởng của khuyết tật đến trạng thái kỹ thuật và khả năng tiếp tục vận hành bể chứa; đánh giá trạng thái ứng suất và tuổi thọ của cấu trúc kim loại, trong đó có bể trụ đứng bằng thép để lưu trữ dầu và các sản phẩm dầu mỏ.

Trong thực tế có nhiều bể trụ đứng bằng thép được sử dụng lâu hơn tuổi thọ quy định và có khuyết tật do các lỗi thiết kế, thay đổi điều kiện vận hành, thay đổi tải trọng và tác động bên ngoài, do sự thay đổi tính chất các thành phần cấu trúc bể chứa sau thời gian dài sử dụng, hay do sự thay đổi bề dày do ăn mòn.

Các công ty vận hành thường quan tâm đến việc kéo dài tuổi thọ bể chứa và khả năng làm việc của những bể chứa có khuyết tật. Do vậy, cần phải đánh giá mức độ nguy hiểm của các khuyết tật đã phát hiện trong quá trình chẩn đoán để chứng minh khả năng vận hành an toàn của bể chứa sau này.

И.С.Сафина và cộng sự [1] đã phân tích kết quả chẩn đoán kỹ thuật của hơn 60 bể trụ đứng bằng thép trong giai đoạn 2009 - 2014. Hình 1 là sơ đồ thể hiện tỷ lệ các loại khuyết tật nguy hiểm nhất xuất hiện trên bể trụ đứng bằng thép [1].

Hình 1 cho thấy loại khuyết tật phổ biến trên bể trụ đứng bằng thép là vết lồi và vết lõm (chiếm 18%). Dạng khuyết tật này hình thành trong quá trình vận hành bể chứa, do sụt lún nền móng bể chứa, phá vỡ công nghệ lắp ráp và sửa chữa cấu trúc kim loại. Đây cũng chính là nguồn gốc ứng suất bổ sung làm giảm độ vững chắc của thân bể chứa, giảm tuổi thọ và độ bền của bể. Khuyết tật dạng vết lồi làm tập trung ứng suất ở vùng có khuyết tật dưới tác dụng của áp suất trong, là nguyên nhân hình thành các vết lồi lõm thứ cấp. Sự xuất hiện các khuyết tật thứ cấp này có thể làm mất đi sự vững chắc cũng như phá hủy độ khít của bể chứa. Ngoài ra, đặc trưng của loại khuyết tật thứ cấp này là đa dạng về hình thù, kích thước, vị trí phân bố và nguyên nhân hình thành.

Konstantin Rasiulis và cộng sự [2], hướng tới lý thuyết cổ điển về khuyết tật, phân chia khuyết tật trên bể chứa thành 2 nhóm cơ bản là “sắc nhọn” (“harp defects” - vết nứt, vết trầy xước) và “mềm” (“soft defects” - vết lồi, vết lõm, vết phồng rộp). Konstantin Rasiulis và cộng sự [3] cho rằng trong các quy định về thiết kế bể chứa bằng thép thì khuyết tật nhóm “sắc nhọn” được quan tâm và vấn đề về khuyết tật “mềm” ít được chú ý. Khuyết tật hình dạng được xem là yếu tố thứ cấp trong quá trình vận hành bể chứa. Ví dụ Transneft chỉ quy định giá trị cho phép của độ võng (chiều sâu) vết lõm nhưng không tính đến kích thước, hình dạng, vị trí của vết lõm trên thành bể chứa [4].

Như vậy cần thiết phải đánh giá ảnh hưởng của khuyết tật “mềm” lên trạng thái ứng suất của bể chứa bằng thép nhằm xác định sự vận hành an toàn nhất có thể cho đến khi bể chứa được đưa vào bảo trì sửa chữa theo kế hoạch. Bài báo này phân tích và so sánh các quy định về thiết kế, vận hành bể chứa bằng thép của Liên bang Nga với các tiêu chuẩn của Mỹ, Nauy, châu Âu trên tiêu chí giá trị cho phép của độ võng khuyết tật dạng vết lõm và điều kiện vận hành tiếp của các bể chứa có loại khuyết tật này. Các văn bản quy phạm được phân tích, so sánh gồm có RD 153-112-017-97 “Hướng dẫn về chẩn đoán và đánh giá tuổi thọ còn lại của bể trụ đứng bằng thép” [5], RD 23.020.00-KTN-296-07 “Sách hướng dẫn về đánh giá trạng thái kỹ thuật của bể chứa” [4], RD 08-95- 95 “Điều lệ về hệ thống chẩn đoán kỹ thuật bể trụ đứng bằng thép hàn chứa dầu và sản phẩm dầu khí” [6], tiêu chuẩn của Mỹ API Standard 650 “Bể chứa bằng thép hàn để chứa dầu” [7], tiêu chuẩn châu Âu EN 1993-1-6 Euro- code 3 “Thiết kế cấu trúc bằng thép”[8] và tiêu chuẩn của Na Uy NORSOK Standard“Thiết kế cấu trúc bằng thép”[9].

Các tài liệu trên hạn chế kích thước của vết lõm trong quá trình tháo lắp và vận hành bể chứa theo độ sâu của khuyết tật. Kích thước “độ sâu” (f ) không được vượt quá giá trị được xác định theo tỷ lệ đường kính vết lõm. Bảng 1 thống kê giá trị cho phép độ sâu khuyết tật dạng vết lõm trong quy định của từng nước.

Trong đó, tiêu chuẩn châu Âu EN 1993-1-6 Eurocode 3 có sự phân chia chi tiết (gồm 3 mức độ), các nước còn lại chỉ sử dụng giá trị trung bình độ lệch của các khuyết tật. Các giá trị này không ảnh hưởng và không được xem xét khi tính toán độ bền của bể chứa. Các giới hạn được đưa vào đặc tính chung và không chú trọng đến vị trí phân bố của khuyết tật, bề dày của thành bể chứa, điều kiện vận hành...

Theo các quy định [4, 6], khi phát hiện khuyết tật dạng vết lõm, vết lồi, bể chứa chỉ có thể tiếp tục vận hành nếu các tính toán ứng suất chứng minh rằng trên thành của cấu trúc kim loại không có giá trị tới hạn ứng suất và khuyết tật không ảnh hưởng đến độ bền của thành bể. Đối với giá trị tới hạn ứng suất trên thành bể trụ đứng cần đưa ra giới hạn mà theo đó ứng suất tương đương được so sánh với giá trị cho phép, tức giới hạn dẻo của thép (elastic limit/yield strength). Điều kiện này được quy định rõ trong các văn bản trên.

Như vậy, cơ sở tiêu chuẩn kỹ thuật về thiết kế và vận hành bể chứa trụ đứng bằng thép quy định mâu thuẫn về kích thước cho phép của khuyết tật dạng vết lõm. Khi phát hiện khuyết tật “mềm” cần phân tích, đánh giá ảnh hưởng của khuyết tật lên trạng thái ứng suất của bể chứa, trong đó xem xét hình dạng khuyết tật, vị trí phân bố trên thành bể, tải trọng vận hành và bề dày thành bể. Phân tích này có thể được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn, mà ngày nay được sử dụng rất phổ biến như một phương pháp cơ bản trong lĩnh vực cơ học kết cấu hiện đại. М.А.Глянько [10] đã sử dụng phần mềm ANSYS để đánh giá trạng thái ứng suất của bể chứa có khuyết tật dạng vết lõm, có tính đến điều kiện vận hành thực tế, đồng thời trình bày kết quả tính toán để chứng minh việc phát hiện và phân tích khuyết tật trên bể chứa đảm bảo mức độ nguy hiểm thấp nhất. Cách tiếp cận đánh giá trạng thái bể chứa có khuyết tật dạng vết lõm cho phép tiếp tục vận hành bể chứa kèm theo giảm mức rót và tải trọng bể chứa; sửa chữa thường kỳ (tiểu tu) hay sửa chữa lớn (đại tu).

Các thông tin này là cơ sở để hoàn thiện các văn bản quy phạm tiêu chuẩn kỹ thuật [4 - 6, 11] liên quan đến công tác đánh giá tuổi thọ của bể trụ đứng, cũng như khả năng vận hành bể có khuyết tật dạng vết lồi, trong trường hợp khuyết tật đó có kích thước tới hạn nhưng không dẫn đến hình thành giới hạn ứng suất trên bể chứa.

Tài liệu tham khảo

1. И.С.Сафина, П.А.Каузова, Д.А.Гущин. Оценка технического состояния резервуаров вертикальных стальных. ТехНадзор. http://www.strategnk.ru/ section/148/. 2016.

2. Konstantin Rasiulis, Michail Samofalov, Antanas Šapalas. Application of the non-linear Fe models to estimate effect of soft defects on thin walls of steel cylindrical tanks. Journal of Civil Engineering and Management. 2006; 12(2): p.169 - 179.

3. Konstantin Rasiulis, Kestutis Gurkšnys. Analyses of the stress intensity of the cylindrical tank wall at the place of the geometrical defect. Journal of Civil Engineering and Management. 2010; 16(2): p.209 - 215.

4. РД-23.020.00-КТН-296-07. Руководство по оценке технического состояния резервуаров. ОАО «АК«Транснефть». 2007.

5. РД 153-112-017-97. Инструкция по диагностике и оценке остаточного ресурса вертикальных стальных резервуаров. ЗАО Нефтемашдиагностика. 1997.

6. РД 08-95-95. Положение о системе технического диагностирования сварных вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов. АО ВНИИмонтажспецстрой. 2013.

7. American Petroleum Institute. API Standard 650: Welded tanks for oil storage. 1993.

8. European Committee for Standardization. Eurocode 3: Design of steel structures. Part 1 - 6: Strength and stability of shell structures. EN 1993-1-6. 2007.

9. Norwegian Standard. Norsok standard: Design of steel structures. 1998.

10. М.А.Глянько. Оценка технического состояния и расчет напряженно-деформированного состояния стенки резервуара. Технические науки - от теории к практике: сбoрник стaтeй по материaлaм. LI междунарoдной научнo - практичecкой конфepeнции. Новосибирск: Сибак. 2015.

11. Руководство по безопасности вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности». 2013.

12. В.Б.Галеев. Аварии резервуаров и способы их предотвращения. ГУП Уфимский полиграфкомбинат. 2004.

13. В.В.Евдокимов, Н.А.Труфанов, О.Ю.Сметанников. Дифференцированный подход к определению допустимых размеров вмятин на поверхности стенки вертикальных цилиндрических резервуаров. Промышленное и гражданское строительство. 2006; 6: C.73.

14. Л.Ю.Могильнер. Расчет допустимых условий эксплуатации стенки резервуара с дефектами геометрии на основе данных технического диагностирования. Трубопроводный транспорт. 2009; 4: С.64.

15. А.А.Шеин, А.В.Кокодеев. Влияние осесимметричных геометрических несовершенств корпусов стальных вертикальных цилиндрических резервуаров на их устойчивость и долговечность. Техническое регулирование в транспортном строительстве. 2015.

ASSESSMENT OF THE TECHNICAL CONDITION OF VERTICAL STEEL TANKS WITH “DENT” DEFECT

A.S.Dmitriyeva, Lam Bich Hong, A.A.Lyagova

Saint-Petersburg Mining University, Russia

Email: [email protected]

Summary

According to standards, the presence of crack-like defects, dents and secondary dents requires immediate withdrawal of operation of the tanks for repair and maintenance. Results of studies conducted by scientists show that with regular technical inspection and monitoring of tanks, safe operation of reservoirs with such defects is still possible. Analysis of the stress-strain state of a particular tank with defects, taking into account the operating conditions and the location of the defects, will reduce the costs of repairing the tank, as well as reduce the level of risks in case of emergencies.

This article analyses and compares the imposed restrictions on the "dent" defects in steel tanks according to Russian and international regulatory documents about designing and operation of steel tanks. Besides, the results of modern studies about formation and influence of this defect on the stress-strain state of reservoirs are also given.

pvn.vn