Способы повышения безопасности эксплуатации цистерн для сжиженных углеводородных газов

Нормами МПС [4] определены характеристики безопасности как функция качества железнодорожной транспортной системы, включающей подвижной состав. Железнодорожные вагоны-цистерны для перевозки сжиженных углеводородных газов и легкого углеводородного сырья (далее по тексту — цистерны) являются специализированным типом подвижного состава. По действующим Правилам курсирования так называемого «собственного» железнодорожного подвижного состава [6] цистерны приписаны к станциям железных дорог по месту расположения предприятий полигона эксплуатации. Курсирование цистерн разрешено по сети железных дорог колеи 1520 мм без ограничений с возможностью перестановки на тележки узкой колеи для следования по железным дорогам колеи 1435 мм.

В общем виде перевозимый в цистернах груз — сжиженные углеводородные газы и легкое углеводородное сырье — представляют собой фракции предельных и непредельных углеводородов от Сз до С5 и Сб включительно (далее по тексту — СУГ), всего более тридцати пяти наименований продуктов, разрешенных к перевозке железнодорожным транспортом в установленном порядке (см. приложение 2). При нормальных условиях СУГ хранятся и транспортируются под избыточным давлением [24,125], поэтому на котлы цистерн распространяется действие «Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» Госгортехнадзора России [2]. Кроме этого, в силу своих физико-химических свойств, СУГ, при транспортировании их железнодорожным транспортом, являются опасными грузами, поэтому на организацию перевозок, содержание цистерн в технически исправном состоянии, ремонт и техническое обслуживание цистерн распространяется действие требований «Правил безопасности при перевозке опасных грузов железнодорожным транспортом» [3], а также требований промышленной безопасности при эксплуатации опасных производственных объектов. В этой связи железнодорожные цистерны должны удовлетворять требованиям российских и международных действующих нормативных документов [1,10,11], определяющих порядок эксплуатации подвижного состава для перевозки опасных грузов. При этом чрезвычайно важными для обеспечения безопасности перевозок являются параметры основного элемента конструкции цистерн — котла в виде сосуда, работающего под давлением [2], и техническое состояние сливо-наливной арматуры.

Серийно выпускавшиеся вагоностроительной промышленностью цистерны были спроектированы с использованием конструктивных решений, применявшихся при проектировании стационарных емкостей для хранения СУГ [125]. Комплект конструктивного оборудования, необходимый для выполнения технологических операций наполнения, опорожнения, контроля уровня наполнения и полноты слива жидкой фазы СУГ из сосудов цистерн и обеспечивающий безопасную эксплуатацию цистерн, включал в себя запорную, контрольную арматуру и предохранительные устройства (далее по тексту — запорно-предохранительная и контрольная арматура цистерн — ЗПА). ЗПА в соответствии с требованиями Правил [2,5] устанавливалась в верхней зоне сосуда на крышке основного фланца котла. В качестве контрольных приборов конструкцией предусматривался набор труб контроля предельного уровня наполнения, контроля полноты слива жидкости и дренажа неиспаряющихся остатков СУГ. Контрольные трубы оборудовались запорными вентилями кислородного типа.

Сосуд (далее по тексту — котел) цистерны, как правило, конструктивно выполнялся в виде толстостенного сосуда, работающего под избыточным внутренним давлением величиной до 20 атм (2,0 МПа) [2,4,5]. Котел изготавливался из 3-х и более колец — царг, двух штампованных эллиптических днищ и патрубка люка-лаза с основным фланцем котла, на крышке которого устанавливалась ЗПА. К установленным на крышке основного фланца котла узлам ЗПА закреплялся пучок сливо-наливных и контрольных труб. Перемещения свободных концов труб в нижней зоне котла вдоль продольной и поперечной осей симметрии цистерны ограничивались кронштейном в виде ловушки, удерживающей нижний конец трубного пучка над зоной расположения штампованного полусферического элемента малого диаметра на нижней образующей котла — поддона. Конструктивное расположение трубного пучка должно было обеспечить полноту слива жидкости и возможность дренажа неиспарившихся остатков СУГ из котла цистерны при подготовке к наливу СУГ. На рис. 1 показан общий вид крышки основного фланца в сборе с трубным пучком и ЗПА, а также пространственное расположение сборочной единицы в котле цистерны.

Котлы, учитывая степень потенциальной опасности перевозимого продукта [5,24,125], изготавливались по регламентированной технологии, требования к которой установлены специальными Правилами [2], предусматривающей операции выборочного неразрушающего контроля сварных швов, а также термообработку сварной оболочки в сборе. Технико-экономические параметры первых модификаций выпускавшихся цистерн не позволяли реализовать изменившиеся допускаемые на путях МПС осевые и погонные нагрузки. Следовательно, возникла необходимость совершенствования конструкции цистерн в части увеличения объема котла за счет увеличения его диаметра (см. приложение 1).

Перевозимые в цистернах СУГ могут содержать тяжелые неиспаряю-щиеся примеси и влагу, которые за длительный период эксплуатации накапливаются в поддоне котла и осложняют выполнение операций слива-налива, особенно в условиях низких температур. Производящийся в условиях эксплуатации местный подогрев котла в зоне поддона для обеспечения полноты слива, по существу, является нарушением установленных регламентов эксплуатации опасных производственных объектов и нарушением условий безопасной эксплуатации цистерн [5,16]. Кроме того, наличие выштамповки в нижней образующей толстостенной оболочки котла, конструктивно являющейся концентратором напряжений, крайне негативно влияло на надежность конструкции и требовало специальных технологических приемов при изготовлении котлов для частичного уменьшения влияния указанного фактора, а именно термообработки котла в сборе (высокий отпуск при температуре +600° С).

Рис 1. Арматура в сборе: 1-вентиль угловой (жидкой фазы) — 2-клапан предохранительный- 3-клапан скоростной- 4-труба слива-налива- 5, 14-хомуты- 6-вороика- 7-пробка- 8-вентиль угловой (газовой фазы) — 9-манометродержатель- 10, 11, 12-вентили кислородного баллона- 13-опора- 15-гильза- 16-болт- 17-шайба.

Перечисленные выше положения были подтверждены экспериментально при неоднократных разрушающих испытаниях котлов цистерн внутренним давлением на предельные нагрузки, проводившихся специалистами МИИТа, НИИ-ХИММАШа и РГП «СГ-Транс» при участии автора [18,101].

Цистерны для СУГ требуют в эксплуатации определенных ограничений по уровню динамических перегрузок при маневровых соударениях. В некоторой степени перегрузки ранее нормировались требованиями п. 15, 16 ПТЭ [17], где скорость маневрового соударения была принята равной 5 км/час. Однако, начиная с 1993 г., эти ограничения были фактически отменены, что привело к увеличению числа повреждений ЗПА и трубных пучков газовых цистерн. Обрыв труб, предназначенных для слива жидкой фазы СУГ, приводил к невозможности разгрузки цистерн по штатной технологии, что в свою очередь требовало длительного простоя цистерн под операциями слива, либо нештатной технологической операции испарения и сброса паровой фазы СУГ на факел.

Для объективной оценки технического состояния цистерн и разработки обоснованных мероприятий по усовершенствованию узлов и деталей специалистами МИИТа при участии автора совместно с филиалами РГП «СГ-Транс» было проведено обследование парка цистерн, приписанных к различным предприятиям всего полигона эксплуатации в различных регионах страны. На основании результатов комиссионных осмотров техническое состояние основных элементов ходовых частей, тормозов и других унифицированных элементов вагонов в целом признано удовлетворительным. Вместе с этим в ходе осмотров был выявлен ряд недостатков. Наиболее характерными из них являются повреждения ударной розетки, деформация верхнего листа хребтовой балки в зоне ударной розетки и трещины в лапах крепления Котла. Подобные дефекты наблюдались примерно у 65% количества осмотренных цистерн независимо от года постройки, что свидетельствует о роспуске их с сортировочных горок и недостаточной эффективности серийных поглощающих аппаратов автосцепки [18,75]. Техническое состояние котлов цистерн оценивалось по результатам внутреннего осмотра и гидравлических испытаний (ВОГИ), проводящихся в соответствии с требованиями Госгортехнадзора каждые шесть лет [2].

В результате анализа установлено, что выявленные при проведении исследований дефекты можно разделить на две группы. Первая группа характеризует состояние наплавленного металла сварных швов котла и основного металла в околошовных зонах термического влияния. К таким дефектам относятся: непровар, поры и раковины в самом сварном шве, которые устраняются обычно при проведении ВОГИ с последующим неразрушающим контролем ремонтных участков. Кроме того, с введением в 1974 г. в технологический процесс изготовления операции 100%-ного неразрушающего контроля качества сварных швов, появление дефектов в виде непроваров, раковин и пор в сварных швах сведено к минимуму. Вторая группа дефектов обусловлена действием перевозимых СУГ на металл котла, в т. ч. коррозией. Для определения параметров коррозии были проведены измерения толщины основного металла и сварных швов элементов котлов, построенных из различных марок стали, и эксплуатируемых в течение 20 — 28 лет для перевозки всей номенклатуры СУГ (см. табл. 2 приложения 1). Такие условия эксплуатации позволили предположить, что вследствие коррозии возможно уменьшение толщины металла стенок котла. Причем в наибольшей степени этот вид дефектов должен проявиться в нижней части котла в месте расположения поддона и на уровне раздела фаз, соответствующем уровню наполнения в 85% объема котла. При анализе отклонений фактической толщины металла царг и штампованных элементов котла от паспортных данных установлено, что эти отклонения в основном укладываются в поле допусков на толщину листов металла при прокате и на погрешность измерений в пределах от минус 1,1 до плюс 1,8 мм при номинальной толщине листа 24 — 26 мм. Проведенные измерения позволили получить экспериментальное подтверждение низкой коррозионной активности СУГ и сделать вывод о том, что коррозия металла котла незначительна и в последующем ее можно не учитывать при расчете котлов на прочность [97]. Особое внимание при анализе технического состояния цистерн уделялось визуальному контролю состояния основного фланца котла с установленной ЗПА. Узел в сборе, обеспечивая безопасность транспортировки СУГ по железным дорогам, несет на себе основную долю расходов по содержанию цистерн в исправном состоянии. Анализ выявленных повреждений позволил определить наиболее уязвимые места конструкции пучков сливо-наливных и контрольных труб, которыми являлись зоны соединения труб со скоростными клапанами [18].

Перспектива перехода на производство и эксплуатацию цистерн с увеличенным диаметра котла создавала условия резкого ухудшения эксплуатационных режимов для указанной зоны при увеличивающихся динамических нагрузках. Конструктивно комплект ЗПА включал запорную арматуру — угловые вентили с закрепленным на штоке клапаном с плоским кольцевым уплотнением «металл по металлу» и коническим кольцевым уплотнением «металл по металлу» на обратном ходе. При этом, учитывая наличие твердых частиц и запирающее прямое действие затвора против направления движения потока среды не могло быть обеспечено необходимое гарантированное контактное давление уп-лотнительных поверхностей, и как следствие, не могла быть гарантирована требуемая герметичность затвора, соответствующая классу, А ГОСТ 9544–2005 [12], особенно при знакопеременных динамических перегрузках. Это обстоятельство приводило к возникновению утечек опасных грузов в пути следования, нарушению безопасности перевозок опасных грузов и большим трудозатратам для устранения неисправностей.

ЗПА цистерн создавалась без учета динамических режимов, действующих на оборудование и узлы вагонов в эксплуатации [13]. В то же время Нормами для расчета вагонов [4] определено, что уровень продольных перегрузок, действующих на вагон, может достигать 1,9 — 12,0 g при груженом и порожнем режиме соответственно. В этой связи для повышения безопасности перевозок опасных грузов необходимо было решить комплекс задач по повышению надежности ЗПА при характерных эксплуатационных режимах.

Предохранительным устройством котла цистерны является пружинный полноподъемный предохранительный клапан с пропускной способностью, определенной из условия воздействия естественного теплопритока при суточных колебаниях температуры и площади поверхности испарения СУГ, спроектированный и установленный на цистерне согласно требований Правил [2,14,15]. Однако ряд аварий с тяжелыми последствиями, связанными с при попаданием газовых цистерн в очаг пожара, потребовал проведения специальных исследований по обеспечению пожаровзрывоопасности в аварийных ситуациях и выбора конструктивных решений [7, 23,104,105]. Реальные аварийные ситуации с цистернами на сливо-наливной эстакаде и в пути следования показаны на рис. 2, 3 и 4. На рис. 4 показана аварийная ситуация в пути следования с пожаром в результате разрушения оболочки котла по верхней образующей. Наиболее вероятное и характерное дальнейшее неконтролируемое развитие подобной аварийной ситуации приводит к активному испарению большого количества СУГ, образованию облака СУГ, и в результате, объемному взрыву газовоздушной смеси. Последствия взрыва показаны на рис. 5, при этом для оценки энергии взрыва следует учесть, что толщина листа изображенного на рисунке поврежденного раскрытого котла составляет 24 мм. [8, 9]. Необходимо отметить, что международными Правилами и стандартами предусмотрено нормирование площади проходного сечения в зависимости от объема сосуда [10, 11]. Проводившиеся при участии автора исследования по обеспечению пожаровзрывобе-зопасности эксплуатации цистерн позволили уточнить требуемые параметры предохранительного клапана, обеспечивающие пропускную способность при минимальном диаметре или при минимальной площади проходного сечения, необходимую для удовлетворения требований пожаровзрывобезопасности [8].

Актуальность настоящей работы обусловлена тем, что при проектировании нового поколения цистерн для перевозки СУГ с улучшенными технико-экономическими параметрами возникла необходимость учета реальных динамических режимов нагрузок, действующих на ЗПА цистерн и трубные пучки.

Рис. 2. Пожар в результате аварии при операциях слива-налива СУГ.

Рис. 3. Пожар вследствие аварийной ситуации в пути следования.

Рис. 4. Пожар с разрывом верхней образующей котла цистерны в результате аварийной ситуации в пути следования.

Рис. 5. Последствия аварии с разрывом оболочки котла цистерны, испарением СУГ и объемным взрывом газовоздушной смеси.

Целью работы является анализ конструктивных решений, использовавшихся ранее при проектировании ЗПА цистерн для перевозки СУГ, разработка предложений по совершенствованию методов проектирования и конструкторских испытаний элементов цистерн, влияющих на безопасность перевозок опасных грузов с учетом основных эксплуатационных режимов, включая динамические режимы, возникающие на сортировочных горках.

Научная новизна настоящей работы заключается в том, что на основании результатов экспериментальных исследований и анализа эксплуатационной надежности ЗПА цистерн для перевозки СУГ определены динамические режимы воздействия на узлы ЗПА и сформулированы требования по проектированию и конструкторским испытаниям арматуры нового поколения цистерн.

Для достижения цели работы потребовалось решить следующие практические задачи:

— провести объективный анализ технического состояния и работоспособности существующей ЗПА, а также пучка сливо-наливных и контрольных труб;

— для целей проектирования ЗПА, предназначенной для применения на цистернах с увеличенным диаметром котла, выбора методов конструкторских испытаний и определения критериев соответствия проектируемой ЗПА условиям эксплуатации, уточнить динамические перегрузки, действующие на узлы ЗПА и трубного пучка, для выбора перспективных вариантов конструкции;

— на основании исследований динамических режимов разработать пути совершенствования ЗПА и определить конструктивное исполнение основных узлов, включая компоновочную схему установки пучка сливо-наливных и контрольных труб в котле;

— провести стендовые конструкторские испытания и эксплуатационную проверку перспективных вариантов ЗПА и разработать технические условия для серийного производства;

— разработать методику эксплуатационных испытаний и на основании анализа их испытаний определить фактические сроки безотказной работы ЗПА, установить обоснованные и подтвержденные эксплуатационные нормативы по регламентному обслуживанию ЗПА, необходимые для разработки эксплуатационно-ремонтной документации.

4.5. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

4.5.1. Разработаны технические требования к новым узлам ЗПА, которые устанавливают, что арматура подвергается воздействию циклических нагрузок (циклическим изменениям параметров рабочей среды), ЗПА цистерн должна соответствовать требованиям по обеспечению безопасности перевозок, таким как обеспечение прочности и герметичности оболочки сосуда при всех эксплуатационных режимах, включая аварийные.

4.5.2. В связи с тем, что запорная арматура управления сливом наливом цистерн работает в двух фиксированных положениях, целесообразно применение в качестве запорной арматуры вентилей с шаровым затвором. Учитывая устойчивую работу шарового крана и надежное уплотнение затвора при противоположных направлениях потока, принципиально нового узла запорной арматуры цистерн. Принципиальный недостаток шаровых затворов, которым является снижение степени герметичности при низком давлении, можно достаточно эффективно компенсировать конструктивными приемами.

4.5.3. Запорный вентиль кислородного типа. Для сохранения возвратно поступательного движения штока и обеспечения герметичности сальникового узла в конструкции вентиля кислородного типа целесообразно применить сильфон-ную сборку сальникового узла.

4.5.4. Признано нецелесообразным и опасным применение предохранительного клапана с наружным расположением пружины. Для повышения надежности пружинных предохранительных клапанов целесообразно переработать конструкцию.

4.5.5. Экспертная оценка результатов эксплуатационной проверки нескольких типов арматуры определила, что наиболее приемлемым вариантом в эксплуатационных условиях России является применение арматуры изготовления ПК «Сплав».

4.5.6. Разработаны программы и методики конструкторских стендовых и эксплуатационных испытаний, позволяющие существенно сократить время на отработку конструкции арматуры цистерн для опасных грузов. При разработке и испытаниях узлов ЗПА газовых цистерн в соответствии с эксплуатационными режимами установлены дополнительные виды стендовых конструкторских испытаний.

4.5.7. В результате эксплуатационных испытаний получены положительные показатели надежности узлов ЗПА. По критериям прочности и надежности арматуры принято решение об увеличении межремонтного ресурса между регламентным профилактическим ремонтом в два раза, что согласовано Ростехнад-зором (см. приложение 8).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Предложения и рекомендации по повышению надежности реализованы как при модернизации эксплуатационного парка цистерн ОАО «СГ-транс», так и при производстве серийных цистерн на заводах вагоностроительной промышленности, так и при разработке перспективных конструкций цистерн. Эла-стомерными поглощающими аппаратами автосцепки с повышенной энергоемкостью оборудованы более пяти тыс. цистерн эксплуатационного парка ОАО «СГ-транс» с объемом котла 75 м моделей 15−908 и 15−1519. Аннулирован поддон котла в конструкции серийно выпускаемых цистерн моделей 15−908 и 15−1519, также аннулированы дренажные трубы, дренажный и уравнительный вентили ЗПА. Изменена конструкция крепления сливо-наливных и контрольных труб, а также их пространственное расположение при установке на котле цистерны.

Наиболее полно рекомендации применены при разработке перспективной конструкции цистерны модели 15−9503 с объемом котла 95,0 м. В качестве запорной арматуры применены шаровые краны, установлен предохранительный клапан и сильфонные вентили кислородного типа производства ПК «Сплав». Пучок сливо-наливных и контрольных труб установлен вдоль продольной оси симметрии котла. Конструкция цистерны модели 15−9503 защищена Свидетельством на полезную модель № 24 668 от 20 августа 2002 г. с участием автора.

Разработанные и испытанные с учетом изложенных в настоящей работе рекомендаций узлы ЗПА обладают достаточной надежностью для обеспечения безопасности перевозок и обеспечивают установленный техническими требованиями ресурс. Ростехнадзор согласовал увеличение вдвое межремонтного периода между регламентным ремонтом узлов ЗПА, а следовательно между плановым профилактическим ремонтом цистерн, с одного года до двух лет. При выполнении настоящей работы получено четырнадцать патентов на изобретения.

По итогам выполненной работы получены следующие научные и практические результаты:

1. На начальном этапе исследований при сборе и математической обработке статистической информации об отказах и повреждениях узлов и деталей цистерн, включая ЗПА, был сделан вывод о недостаточной надежности отдельных узлов ЗПА. К наиболее повреждаемым в эксплуатации узлам ЗПА и элементам конструкции, с последующим появлением их отказов, относятся угловые вентили, контрольные вентили кислородного типа, пучки сливо-наливных и контрольных труб. Для выбора направлений совершенствования наиболее повреждаемых узлов и деталей ЗПА необходимо определить наиболее характерные эксплуатационные режимы с целью учета возникающих динамических перегрузок при проектировании усовершенствованных узлов, а также провести анализ возможных конструктивных исполнений основных узлов ЗПА цистерн. Анализ применяемых технических решений в арматуростроении для других отраслей промышленности позволил сделать вывод о необходимости разработки узлов ЗПА новой конструкции с учетом наиболее жестких реальных эксплуатационных режимов.

2. Установлено, что процесс динамического воздействия при соударении цистерн, оборудованных пружинно-фрикционными поглощающими аппаратами, сопровождается вибрационными нагрузками, связанными с силовой характеристикой поглощающих аппаратов и деформациями элементов конструкции цистерн. Повышение надежности конструкции цистерны и узлов ЗПА за счет снижения величины действующих динамических нагрузок может быть обеспечено применением эластомерных поглощающих аппаратов автосцепки, существенно снижающих уровень динамических напряжений в элементах конструкции цистерны по сравнению с вариантом установки пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов, и тем самым снижает вероятность возникновения повреждений оболочки котла. Существенное влияние на надежность конструкции цистерн также оказывает напряженно-деформированное состояние котла от действия нагрузок при различных эксплуатационных режимах. Анализ экспериментальных данных по исследованиям НДС котла, полученных различными организациями России и зарубежными фирмами, позволили рекомендовать решения по исключению из конструкции котла концентраторов напряжений, получить более равнопрочную конструкцию оболочки и исключить избыточную ЗПА и контрольные трубы.

3. Проведен анализ конструктивного исполнения котла, вследствие которого сделаны рекомендации об исключении из конструкции котла поддона, дренажного и контрольного вентилей кислородного типа и дренажных трубок из конструкции пучка сливо-наливных и контрольных труб. По условиям прочности может быть снижена толщина стенок крайних царг котла на 10%. Эти рекомендации были реализованы при серийном производстве нового поколения цистерн с котлами увеличенного объема моделей: 15−908R, 15−9503. Изготовление котлов цистерн без поддона позволит снизить уровень напряженного состояния этой зоны до 60 — 70% допускаемых напряжений. Переход на серийный выпуск цистерн без поддона повышает их эксплуатационную надежность за счет ликвидации дренажного вентиля и дренажной трубы.

4. Надежность конструкции цистерн может быть повышена за счет увеличения устойчивости пучка сливо-наливных и контрольных труб к восприятию динамических нагрузок при различных эксплуатационных режимах. Применение пучка труб с усилением в виде фермы, установленного в котле в плоскости продольной оси котла, приводит к значительному снижению динамических перегрузок в трубах арматуры по отношению к типовой арматуре, установленной по типовой схеме, что обеспечит снижение вероятности обрыва труб. По результатам сравнительных прочностных испытаний пучков сливо-наливных и контрольных труб сделаны рекомендации по модернизации пучка сливо-наливных и контрольных труб с ферменным закреплением труб и установкой его на фланце котла с поворотом на 90° по продольной оси котла от ранее применявшейся. Данная рекомендация в разной степени относится и к разрабатываемым цистернам с диаметром котла 3,2 м.

5. На основании технических требований разработаны, испытаны и приняты к серийному производству принципиально новые варианты узлов ЗПА, имеющие повышенный в два раза ресурс и гарантийные сроки эксплуатации. Технические требования к вновь проектируемым узлам ЗПА сформулированы в соответствии с их функциональным назначением на основании результатов экспериментальных исследований режимов нагружения, опыта ликвидации аварийных ситуаций с цистернами для перевозки опасных грузов. Методы конструкторских испытаний проектируемых узлов, а также критерии соответствия вновь разрабатываемых узлов ЗПА техническим требованиям, определены на основании установленных экспериментальными исследованиями величин и параметров нагрузок, действующих при реальных эксплуатационных режимах.