Разработка листового проката для металлоконструкций вертикальных резервуаров хранения нефти

Гладштейн Л.И., Востров В.К., Пемов И.Ф. Якушев Е.В.

Специалистами ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова», ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» и ОАО «Уральская Сталь» совместно подготовлены условия разработки нового эффективного листового проката для конструкций вертикальных резервуаров хранения нефти и нефтепродуктов.

В отечественном резервуаростроении наметилась определенная тенденция к увеличению объема резервуаров и продвижения их строительства в климатические районы с низкими температурами. В настоящее время максимальный объем типового резервуара составляет 50 тыс. м3, и на основе специальных технических условий (СТУ) в различных районах страны построены нефтебазы с объемом резервуаров 100 тыс. м3, например, парк резервуаров нефтепроводной системы Каспийского трубопроводного консорциума (ТУ КТК-58021). Разработаны также СТУ на резервуары объемом 100 тыс. м3 по заказу ОАО «АК “Транснефть”» для нефтеналивного терминала магистрального нефтепровода «Восточная Сибирь – Тихий океан». Расчетная температура в районах строительства может достигать –53 °С, а в ряде случаев и –60 °С. Эти особенности и ряд других обусловливают выбор материала для основных несущих металлоконструкций при проектировании, ремонте и реконструкции резервуаров.

Традиционным материалом для изготовления конструкций резервуаров в РФ служит толстолистовая низколегированная сталь 09Г2С, поставляемая в горячекатаном состоянии по ГОСТ 19281. Согласно действующим нормам, класс прочности этого проката (минимальный гарантируемый предел текучести) сильно зависит от толщины листов и быстро снижается с ее увеличением. Так, для листов толщиной 8–10 мм он составляет 345 МПа, а для листов толщиной 20–30 мм всего 295 МПа. Низкий предел текучести материала листов увеличивает массу необходимого металла, повышает трудоемкость и сроки изготовления конструкций, увеличивает общую стоимость сооружений (например, объем сварки при выполнении стыковых швов стенки резервуара возрастает пропорционально квадрату толщины листов). Однако не только низкая прочность и значительная толщина листов стали 09Г2С в конструкциях являются ее недостатками. Хладостойкость этой стали также сильно снижается с увеличением толщины листа. Хладостойкость элементов конструкций определяется температурой, при которой происходит переход от вязкого разрушения металла к хрупкому. Различают две такие температуры: ТК1 – критическая температура хрупкости, при которой поверхность хрупкого разрушения в изломе растягиваемого образца достигает 50%, и ТК2 – критическая температура хрупкости, при которой исчезает макропластическая деформация элемента и напряжение разрушения снижается до предела текучести.

Таким образом, обеспечение надежности и конструкционной (механической) безопасности металлоконструкций из листов стали 09Г2С большой толщины проблематично. Так, если, например, для резервуаров РВС-30 000 толщина наиболее нагруженного нижнего пояса стенки из листов стали 09Г2С составляет (без припуска на коррозию) только 19–20 мм, то для РВСПК-100 000 эта толщина составит 38–40 мм. В сравнении с этим по СТУ толщина нижнего пояса стенки из стали класса прочности С390 для РВСПК-100 000 равна (без припуска на коррозию) 28,9 мм, а минимальная толщина окраечного кольца из этой же стали составляет 21,9 мм.

Третьим недостатком проката из стали 09Г2С (как и проката из любой другой стали, изготовленного по обычной технологии) является склонность к инициированному водородом коррозионному растрескиванию. Этот вид повреждения металлоконструкций резервуаров наблюдается достаточно часто, особенно при хранении продуктов, содержащих сероводород. Установлено, что возникновению коррозионного растрескивания способствуют присутствие в стали примесей – серы, фосфора, сурьмы, олова, а также неоднородности двух типов – текстуры. Первая текстура образована неметаллическими включениями – особенно вредны вытянутые пластинчатые включения сульфида марганца. Вторая текстура – металлографическая (или полосчатость) образована раздельным расположением в виде слоев разных структурных составляющих, например, феррита и перлита. Существуют способы избежать этой неоднородности. Устранение первой текстуры достигается модифицированием неметаллических включений при выплавке стали. Вторая текстура устраняется термической обработкой готового проката, включающей в себя быстрое охлаждение – закалку.

В работе ЦНИИПСК инициированные водородом коррозионные разрушения стали 09Г2С наблюдали при обследовании резервуаров Самарской НПС. Резервуары объемом 20 000 м3 (№ 14, 18, 22 и 24) были изготовлены из стали с достаточно мелкозернистой структурой, но с относительно высоким содержанием серы (0,050%), вследствие чего в металле присутствовало большое количество тонких вытянутых пластинчатых включений сульфида марганца (тип II по классификации Симса). Важная особенность этих включений заключалась в том, что в результате коррозии многие из них утратили сцепление с металлической матрицей и разделили листы на тонкие слои.

Коррозионное повреждение резервуаров происходило в два этапа. На первом – у мест контакта с хранимым продуктом в стенке резервуара перпендикулярно к поверхности листа вдоль контура вертикального монтажного сварного шва росла магистральная трещина. Ее рост был вызван электрохимической коррозией и анодным растворением. На втором этапе после пересечения трещиной 20–30% толщины листа вид разрушения резко менялся и приобретал характер ступенчатого растрескивания. Возникала сложная система «горизонтальных» и «вертикальных» микротрещин. «Горизонтальные» совпадали с расположением сульфидных пластинчатых включений. «Вертикальные» объединялись в новую магистральную трещину, однако ее траектория не являлась прямым продолжением первой. На поверхности разрушения при этом появлялась ступенька. Изменение направления роста микротрещин и образование ступенек неоднократно повторялись. Подробно образование подобной трещины описано в работе.

Итак, недостатки традиционного материала листовой стали 09Г2С – низкие прочность и сопротивление хрупкому разрушению, склонность к коррозионным повреждениям – не гарантируют необходимой надежной и безопасной эксплуатации крупногабаритных резервуаров, а также препятствуют повышению технико-экономической эффективности эксплуатации этих сооружений.

Другим аргументом применения в резервуаростроении сталей более высокой прочности может служить концепция взрывобезопасных (взрывозащищенных) резервуаров. Аварийной ситуацией для резервуаров является повышение (скачок) давления в газовом пространстве (между поверхностью хранимого продукта и стационарной крышей) вследствие воспламенения паров в резервуаре либо по причине перегрева от соседнего горящего резервуара. Пример такой аварийной ситуации и необходимости ее учета при проектировании – пожар и выгорание четырех резервуаров РВС-20 000 парка ЛПДС «Конда» системы магистральных нефтепроводов «Сибнефтепровод» 22 августа 2009 г.

Если резервуар со стационарной крышей проектируется под нормируемое внутреннее давление, то он должен сохранять прочность всех трех составляющих его элементов – стенки, крыши, днища с окраечным кольцом при воздействии всех расчетных нагрузок. При превышении внутреннего давления при пожаре и взрыве внутри резервуара может быть разрушен один или несколько из этих элементов (или соединения между ними), что приведет к разливу нефти, пожару и возможному уничтожению всей нефтебазы. При этом конструкции резервуаров, хотя и запроектированы как сооружения повышенного уровня ответственности (по нормам ПБ 03-605–03, СНиП 2.01.07–85, СНиП 2.09.03–85, ГОСТ 31385–2008 и стандартам организаций), фактически не имеют необходимой живучести. Но если при проектировании резервуара учесть возможность аварийной ситуации, связанной с возникновением во внутреннем пространстве пожара и взрыва, то будет создана взрывобезопасная конструкция, когда при резком повышении внутреннего давления разрушается и сбрасывается часть или вся крыша, но стенка и соединение стенки с окраечным кольцом сохранят свою прочность. В этом случае из-за пожара и взрыва выгорает только один резервуар, а остальные остаются неповрежденными. Как следствие, для сохранения прочности стенки, окраечного кольца и нижнего уторного узла резервуара во время взрыва (аварийной ситуации) требуется применение стали более высокой прочности с повышенными значениями трещино- и хладостойкости.

Решение проблемы может быть достигнуто разработкой и применением проката из новой низколегированной стали с более высокой прочностью, хорошей свариваемостью, высоким сопротивлением хрупкому разрушению и низкой склонностью к коррозионному растрескиванию. Образцы такой продукции и современная металлургическая технология позволяют это сделать. Пример такой продукции – прокат из разработанной тремя указанными выше организациями новой марганцово-никелевой стали, микролегированной молибденом, ванадием, ниобием и титаном. Сталь 08Г2НМФБ была разработана для элементов сварных соединительных узлов пространственных покрытий крупных инженерных сооружений. Элементы этих узлов эксплуатируются в сложном напряженно-деформированном состоянии (НДС) и требуют высоких физико-механических свойств.

Химический состав стали 08Г2НМФБ, мас. %: С 0,06–0,09; Si 0,15–0,35; Mn 1,4–1,6; S не более 0,005; P не более 0,015; Cr не более 0,20; Cu не более 0,20; Ni 0,50–0,70; Mo 0,03–0,08; V 0,04–0,06; Nb 0,03–0,05; Al 0,02–0,05; Ti 0,005–0,020; N не более 0,009.

Техническими условиями (ТУ 14-1-5547–2007) для проката в состоянии после термической обработки (закалки и отпуска) в прутках диам. до 100 мм гарантируются следующие механические свойства (одинаковые вдоль и поперек направления прокатки), не менее:

• – временное сопротивление ?в = 530 МПа;
• – предел текучести ?т = 390 МПа;
• – относительное удлинение ?5 = 20%;
• – относительное сужение ? = 50%;
• – ударная вязкость на образцах с острым надрезом при температуре –40 °С KCV–40 = 50 Дж/см2.

Свариваемость гарантируется при углеродном эквиваленте Сэ не более 0,45% и параметре стойкости против растрескивания Рст не более 0,21%. Подробное исследование подтвердило высокие механические свойства стали и ее хорошую свариваемость. Наиболее высокие результаты получены при определении сопротивления хрупкому разрушению. Ударная вязкость KCV при –40 °С достигала 450 Дж/см2. Температуры хрупкости Т50 (доля вязкой составляющей в изломе образца ?50%) и Т29 (KCV ? 29 Дж/см2) расположены ниже –60 °С.

Специалисты ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова» провели расчет технико-экономической эффективности применения листов низколегированной стали 08Г2НМФБ класса прочности 390 в металлоконструкциях вертикальных резервуаров вместо традиционного проката стали 09Г2С классов прочности от 345 до 265 (в зависимости от толщины листовых элементов). Расчет проводили с использованием метода приведенных затрат, а также современных цен на металлопродукцию и расходов на транспортирование, изготовление и монтаж конструкций.

Расчет включал в себя три следующие операции:

• – определение изменения массы основного металла, обусловленное применением более прочной стали;
• – расчет удельной стоимости металлоконструкций «в деле» при изготовлении их из традиционной и новой стали;
• – определение изменения стоимости металлоконструкций для эквивалентного количества традиционного и нового материала (собственно экономический эффект).

В качестве объектов для расчета рассматривались металлоконструкции крупногабаритных резервуаров РВСПК объемом 30 000 м3 и более.

Для традиционной стали 09Г2С класс прочности Кт принимали как средневзвешенное его значение для трех классов прочности всех элементов из проката разной толщины, входящих в конструкцию резервуара – 265, 295 и 325: Кт = а·265 + b·295 + с·325 = 295, где а, b, с – доли элементов разной толщины в конструкции резервуара.

Для новой стали 08Г2НМФБ принят класс прочности Кн = 390. В качестве преобладающей схемы НДС элементов конструкций резервуара принято растяжение – сжатие. При этом показатели снижения массы конструкций от замены материала – коэффициент приведения Пн и коэффициент экономии массы qн составляют Пн = Rн/Rт = 390/295 = 1,322, где Rн/Rт – расчетные сопротивления новой и традиционной стали; qн = Пн – 1 = 0,322.

Удельную стоимость металлоконструкций «в деле» определяли по формуле Сд = 1,32(Сом + Си)+1,15Ст+1,14См, руб/т, где 1,32; 1,15 и 1,14 – коэффициенты, учитывающие заготовительно-складские расходы, а также рентабельность изготовления и монтажа конструкций; Сом, Си, Ст и См – совокупность удельных затрат на основные материалы, на изготовление конструкций, на транспортирование, на монтаж соответственно. Сом определяли по формуле Сом = 1,035Котх·Цм, где Котх = 1,05 – эмпирический коэффициент; Цм – цена металла, руб/т.

Согласно данным ОАО «Уральская Сталь», цену стали 08Г2НМФБ приняли Цмн = 37 500 руб/т, традиционной стали 09Г2С Цмт = 24 000 руб/т (цены и другие виды затрат принимали без НДС и дополнительных приплат).

В соответствии с информацией, полученной от ОАО «АК “Транснефть”» 12.09.2011, средние затраты на изготовление, транспортирование и монтаж металлоконструкций резервуаров типа РВС-20 000 и РВСП-20 000 из традиционной стали в текущем строительстве (2010–2012 гг.) на разных объектах компании составляли: Сит = 79 214 руб/т; Ст = 2731 руб/т; Смт = 54 442 руб/т.

Для удельных расходов в конструкциях из новой стали были введены коэффициенты увеличения трудоемкости изготовления и монтажа Кин и Кмн, равные 1,2, поэтому Син = СитКин = 79 214·1,2 = 95 057 руб/т; Смн = СмтКмн = 54 442·1,2 = 65 330 руб/т. Удельная стоимость металлоконструкций «в деле» с учетом всех затрат равна: – из традиционной стали Сдт = 1,32(Соит + Сит) + 1,15Стб + 1,14Смт = = 1,32(1,035·1,05·24 000 + 79 214) + 1,15·2731 + + 1,14·54 442 = 204 195 руб/т; – из новой стали Сдн = 1,32(1,035·1,05·37 500 + 95 057) + + 1,15·2731 + 1,14·65 330 = 256 886 руб/т.

Удельный экономический эффект от замены традиционной стали в металлоконструкциях резервуаров новой высокопрочной сталью определяли по формуле Эуд = Сдт Пн – Сдн = 204 195·1,322 – 256 886 = 13 059 руб/т.

Общий экономический эффект может быть определен как произведение удельного экономического эффекта и массы применяемой новой стали Э = Эуд·Gн, руб.

Проведено сравнение металлоконструкций трех крупногабаритных резервуаров, свидетельствующее о значительном технико-экономическом эффекте в результате применения проката из новой стали.

Мы полагаем, что разработка проката из новой стали для конструкций резервуаров должна финансироваться организациями, осуществляющими добычу и транспортирование нефти. Эта работа в дальнейшем, несомненно, будет способствовать увеличению производительности и даст заметный технико-экономический эффект.

Работа должна включать в себя следующие этапы:

• – составление, согласование и утверждение Технических условий на толстолистовой прокат низколегированной стали класса прочности 390 марки 08Г2НМФБ с хорошей свариваемостью, высоким сопротивлением хрупкому разрушению и пониженной склонностью к коррозионному растрескиванию в листах толщиной 12–50 мм;
• – разработку Технологического регламента изготовления опытно-промышленной партии проката из новой стали с использованием приемов новой металлургической технологии;
• – изготовление в ОАО «Уральская Сталь» по разработанным ТУ и Технологическому регламенту опытно-промышленной партии новой стали. Определение механических, технологических и эксплуатационных свойств проката, включая сопротивление коррозионному разрушению;
• – разработку рекомендаций по применению сварочных материалов и технологических приемов сварки при изготовлении и монтаже конструкций резервуаров из новой стали;
• – обобщение результатов проделанной работы и подготовку решения о применении новой стали для изготовления резервуаров объемом до 100 000 м3 (а возможно, и более).

Ориентировочная стоимость всей работы, по нашим подсчетам, составляет около 6,5 млн руб. Ее продолжительность не должна превышать одного года.

Заключение

Последние разработки новых низколегированных сталей повышенной и высокой прочности и современная металлургическая технология указывают на возможность повышения эксплуатационных характеристик металлоизделий путем выбора рационального химического состава проката стали и прогрессивных приемов его изготовления. С использованием этих принципов разработана новая низколегированная сталь 08Г2НМФБ класса прочности 390 с хорошей свариваемостью и высоким сопротивлением хрупкому разрушению. Применение стали этого типа может обеспечить повышение конструкционной безопасности металлоконструкций резервуаров и даст значительный технико-экономический эффект.