авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Механизм формирования и защита от самовозгорания пирофорных отложений в вертикальных резервуарах (на примере оао самаранефтегаз)

-- [ Страница 1 ] --

УДК 622.692.4

На правах рукописи

Бояров Антон Николаевич

МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ И ЗАЩИТА

ОТ САМОВОЗГОРАНИЯ ПИРОФОРНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

В ВЕРТИКАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРАХ

(на примере ОАО «Самаранефтегаз»)

Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная

безопасность (нефтегазовый комплекс)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2010

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии

«Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Яговкин Герман Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Нугаев Раис Янфурович
кандидат технических наук Заяц Богдан Степанович
Ведущее предприятие ООО НИПИНефть (г. Самара)

Защита диссертации состоится 6.05.2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 5.04.2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Возрастающие требования к сокращению потерь углеводородного сырья, экологическая обстановка в мире предъявляют повышенные требования к обеспечению надежности и безопасности технологических процессов в нефтегазовой промышленности. В первую очередь это касается опасных и загрязняющих природу производств, к которым относятся объекты нефтепромыслового сбора, подготовки и транспорта нефти. Увеличивающиеся сернистость и обводненность добываемых нефтей усиливают агрессивность сред, в которых работает технологическое оборудование. Одной из актуальных проблем становятся коррозионные повреждения вертикальных резервуаров и связанные с ними последствия. К настоящему времени большая часть резервуарных парков по хранению нефтей выработала плановый ресурс на 69…70 %. Коррозионные повреждения становятся превалирующей причиной (до 70 %) отказов нефтегазового оборудования.

Наиболее сильно страдают от коррозии верхние и нижние пояса резервуаров, контактирующие с парогазовой фазой и подтоварной водой. Коррозия металла резервуаров с сернистой нефтью опасна и во взрывопожарном отношении, т.к. образующееся на его внутренней поверхности пирофорное железо в присутствии кислорода воздуха способно постепенно разогреваться и самовоспламеняться со взрывом паров нефти. Выбросы в атмосферу вредных веществ наносят не только экологический, но и большой экономический ущерб.





Вопросами коррозионной стойкости и защиты металла при воздействии агрессивных сред занимались ученые: Абдуллин И.Г., Розенфельд Ю.Л., Фаличева Л.И., Худякова Л.П., Шрайер Л.Л., Юхневич Р.М. и др., проблемой образования пирофорных соединений и их свойствами Бард В.Л., Бейлин Ю.А., Потапов С.С., Соркин Я.Г. и др.

Ими разработаны теоретические и практические методы защиты нефтехимического оборудования при его эксплуатации. Так как комплексно эти вопросы не рассматривались, возникла необходимость проведения таких исследований.

Цель работы исследование причин, механизма образования и условий самовозгорания пирофорных отложений с целью его предотвращения в резервуарах, эксплуатируемых в агрессивных средах.

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

  • выполнить анализ эффективности используемых защитных антикоррозионных покрытий и расчетных методов оценки их стойкости к агрессивным средам;
  • исследовать механизм формирования и элементный состав пирофорных отложений, образующихся при хранении сернистых нефтей в резервуарах с антикоррозионным покрытием;
  • исследовать поведение пирофорных отложений в различных условиях и средах и выявить условия их тепловой пассивности, самонагревания и самовоспламенения и возможности его предотвращения;
  • исследовать эффективность противокоррозионной защиты внутренней поверхности резервуаров, эксплуатируемых в многофазных агрессивных средах, покрытиями «Пластурелл» и «Цинотан»;
  • разработать математическую модель для определения стратегии действий по предотвращению и ликвидации последствий аварийных выбросов и оценки степени риска.

Методы решения поставленных задач

Поставленные в диссертационной работе задачи решены путем анализа и обобщения данных научных публикаций, опыта подготовки нефти и газа в нефтяной и газовой промышленности, теоретических исследований, лабораторных экспериментов и испытаний в условиях резервуарного парка УПН Радаевского месторождения.

Научная новизна

1. Разработаны математические модели переноса высокоактивных сред в многослойных покрытиях для оценки их стойкости при воздействии агрессивной среды и определения условий их использования.

2. Выявлен механизм формирования пирофорных соединений в зависимости от характеристик нефти и газовоздушной среды.

3. Раскрыты закономерности изменения температурно-временных параметров пирофорных соединений в зависимости от состояния среды, позволяющие выявить условия их самонагревания и самовоспламенения и тем самым обеспечить безопасную эксплуатацию резервуаров.

На защиту выносятся:

  • результаты экспериментальных исследований элементного состава пирофорных отложений и механизма их образования;
  • результаты экспериментальных исследований поведения и самовозгорания пирофоров в различных условиях;
  • результаты натурных испытаний незащищенных образцов стали и образцов с защитными покрытиями типа «Пластурелл» и «Цинотан» и предложения по снижению коррозионной и пожарной опасности и ее полному исключению;
  • математическая модель с использованием вероятностно-статисти-ческих критериев для определения стратегии действий по предотвращению и ликвидации последствий выброса опасных и вредных веществ в атмосферу и оценки степени риска.

Практическая ценность результатов работы

1. Разработаны практические предложения, позволяющие минимизировать приток кислорода и его содержание в газовом пространстве резервуаров и снизить опасность возгорания пирофорных отложений.

2. Установлена неэффективность антикоррозионных покрытий «Цинотан» и «Пластурелл», рекомендованных для защиты внутренних поверхностей резервуаров, эксплуатируемых в агрессивных средах, наиболее опасно проявляющаяся в их газовой составляющей. Рекомендовано для предотвращения самовозгорания отложений пирофора создание инертной газовой среды при поддержании бесперебойной подачи инертного газа (азота) в газовую фазу резервуара.

3. Рекомендовано использование высокоэффективных антикоррозионных покрытий как обеспечивающих комплексное решение проблемы для резервуаров, эксплуатируемых в условиях многофазных агрессивных сред с присутствием воды.

4. Предложено учитывать факторы возгорания пирофоров и различную коррозионную активность фаз (газовой, нефтяной, водной) агрессивной среды при определении стратегии действий по предотвращению и ликвидации последствий выброса опасных и вредных веществ в атмосферу и оценке степени риска.

Достоверность результатов проведенных исследований

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций следует из проведенного автором комплекса теоретических, экспериментальных и промысловых исследований. Достоверность полученных автором результатов подтверждается соответствием теоретических выкладок фактическим промысловым данным и результатам экспериментальных и натурных исследований.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- методических советах, заседаниях секции Ученого совета и семинарах Института проблем транспорта энергоресурсов (ИПТЭР);

- XIII конгрессе «Экология и здоровье человека» (Самара, 2008 г.);

- VIII Международной научно-практической конференции «Состояние биосферы и здоровье людей» (Пенза, 2008 г.);

- II Международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: реальность и будущее» (Невинномысск, 2009 г.);

- Юбилейной Международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» (Ростов-на-Дону – Шепси, 2008 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 1 статья в рецензируемом научном журнале из Перечня ВАК.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 97 наименований. Она изложена на 129 страницах машинописного
текста, содержит 43 таблицы, 59 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи работы, показаны ее научная новизна и практическая ценность результатов исследования.

Первая глава посвящена анализу функциональности антикоррозионных покрытий различного типа и действующих защитных механизмов, математическим моделям оценки их эффективности.

Классификация защитных покрытий внутренних поверхностей технологического оборудования от действия высокоагрессивных сред проводится по многим критериям. Наиболее характерными являются полимерная основа (термопласты и реактопласты); изолирующий механизм, защитный эффект которого отражает тип переноса среды к защищаемой подложке; закономерности и особенности сорбции агрессивной среды по механизму диффузии (гидрофобные и гидрофильные полимеры).

Работоспособность покрытий обеспечивается при хорошей адгезии к подложке.

Все полимерные покрытия проницаемы для воды, при этом с водными растворами перенос электролита в полимеры осуществляется с большей скоростью, чем перенос собственно электролита. Они имеют ряд особенностей взаимодействия с высокоагрессивными средами, которые определяют наличие у покрытий недостатков и положительных сторон.

Для материалов на основе гидрофобных полимеров характерны низкая растворимость и проницаемость «нелетучих» электролитов, коэффициенты проницаемости которых на 2 4 порядка меньше, чем летучих.

Для реактопластов положительным свойством является наличие ступенчатого профиля распределения кислот по координате диффузии, что позволяет исключить проскок кислоты к подложке и обеспечить ее полную изоляцию от действия высокоагрессивных компонентов среды. Отрицательным же является их высокая проницаемость в высокоагрессивных средах.

Материалы на основе сшитых реактопластов принципиально способны обеспечить работу в режиме изоляции как для нелетучих, так и летучих кислот.

Для оценки возможности снижения проницаемости покрытий разработаны математические модели, имеющие аналитические решения для некоторых частных случаев. Математическая модель диффузионного переноса в двухслойном покрытии, состоящем из внешнего слоя из химически инертного полимера (гидрофобного полимера) и внутреннего слоя из полимера, способного к химическому взаимодействию с диффузантом, для стационарного состояния имеет аналитическое решение, из которого следует, что, используя комбинацию слоев из различных полимерных материалов, можно создавать покрытия с весьма низкой проницаемостью. Для двухслойных покрытий из двух гидрофобных материалов нельзя рассчитывать на снижение диффузионной проницаемости.

Для оборудования и резервуаров, эксплуатируемых в условиях присутствия воды и многофазности агрессивной среды, хороших защитных свойств позволяют достичь покрытия с градиентными структурой и составом.

Перспективными являются многослойные покрытия с тремя зонами различного функционального назначения: грунт (связь с подложкой), основное покрытие (изолирующие и механические свойства) и верхний слой покрытия.

Во второй главе представлены результаты исследования элементного состава пирофорных отложений, образующихся при хранении сернистых нефтей в резервуарах, механизма их формирования и условий самовоспламенения и самовозгорания.

Для исследованных сернистых нефтей Радаевского месторождения определены необходимые для оценки пожарной опасности показатели: температурные пределы распространения пламени, температура вспышки, температура самовоспламенения.

Установлен элементный состав пирофорных отложений. Образцы пирофорных отложений анализировали методами пиролитической газовой хроматографии, методом потенциометрического титрования и методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии.

Сравнение содержания элементов теоретически возможного состава пирофорных отложений, включающего оксиды (FеО, Fе3О4, Fе2О3),
гидроксиды (Fе(ОН)2, Fе(ОН)3) и сульфиды (FеS и FеS2) железа и элементарную серу (S), с содержанием элементов, полученным лабораторным путем, показывает, что содержание серы в различных образцах колеблется от максимально теоретически возможного до превышающего его в 1,64 раза, что говорит о наличии свободной серы.

Методом тепловой десорбции определялось влияние на активность пирофорных отложений их структуры и величины поверхности, характеризующих сорбционные свойства исследуемых образцов. Значения удельной поверхности изученных образцов находятся в пределах 0,5…1,5 м2/г, что свидетельствует об относительно высокой пористости пирофорных отложений, которая и определяет их пирофорную активность.

Основываясь на теории термодинамического равновесия, предложена модель процессов взаимодействия веществ, приводящих к образованию пирофорных отложений в резервуарах. Физико-химические расчеты системы реакций позволили установить принципиальную возможность образования пирофоров и их разогрева. Получены системы первичных и вторичных реакций, в которых продукты первичных реакций могут вступить в химические реакции с сероводородом, кислородом и парами воды, образуя оксиды, сульфиды и сульфаты железа, с выделением тепла. Рассчитаны их термодинамические характеристики (тепловой эффект реакции Ноt,298, кДж/моль; изменение свободной энергии Гиббса, Gоt,298, кДж/моль; константа равновесия реакции lg Kp).

Для реакций, протекающих с наибольшими экзотермическими эффектами, были рассчитаны и построены графические зависимости тепловых эффектов в температурном интервале 290…490 К, которые показывают, что в исследованном диапазоне температур экзотермический характер реакций сохраняется, и они могут являться причиной саморазогрева слоя пирофорных отложений. Одна из них для реакции

2 FeS2 + 7,5O2 + H2O = Fe2 (SO4)3 + H2SO4

показана на рисунке 1.

  Зависимость теплового эффекта-0

Рисунок 1 Зависимость теплового эффекта от температуры

Проведены экспериментальные исследования способности пирофорных отложений к воспламенению и самовоспламенению. Исследовались образцы отложений трех типов структуры: пористой, слоистой и монолитной. Установлено, что наиболее подверженными воспламенению и самовоспламенению являются образцы пористой структуры, наименее – монолитной.

Интервал измеренных значений температуры воспламенения при кратковременном контакте с пламенем составил 30…110 оС. Температура самовоспламенения для испытанных образцов укладывалась в интервал температур 205…220 оС, близких к температуре воспламенения серы
(220 оС). Это указывает на то, что причиной воспламенения является сера, испаряющаяся с поверхности образцов и образующая с воздухом горючие смеси, сгорающие голубоватым пламенем. Воспламенению предшествовало выделение белого дыма.

Выявлено влияние состава парогазовой среды на температуру воспламенения. Обработка парами нефти практически не повлияла на температуру самовоспламенения, а парами воды привела к ее снижению ~ на 20 %.

Установлено, что самовозгорание, являющееся следствием накопления тепла химической реакции, выделяющегося при взаимодействии сульфида железа с кислородом, происходит при более низких температурах, чем самовоспламенение, и со значительно большим периодом индукции. При условиях, способствующих аккумуляции тепла, реакция окисления ускоряется, интенсивность саморазогрева возрастает, что в итоге приводит к самовозгоранию.

На самовозгорание исследовались сухие и выдержанные в парах нефти образцы различных размеров.

Получены термограммы нагрева. На всех термограммах можно выделить четыре периода: 1 – начальный период – время прогрева центральной части образца до температуры рабочей камеры, 2 – время до начала интенсивного саморазогрева, 3 – период индукции самовозгорания, 4 – время горения. На рисунке 2 дан общий вид термограммы.

  Общий вид термограммы нагрева-1

Рисунок 2 – Общий вид термограммы нагрева пирофорных

отложений в изотермических условиях

Продолжительность каждого периода зависит от толщины образца. С увеличением толщины воздушно-сухих пирофорных отложений длительность прогрева (начальный участок 1) возрастает. Время до начала интенсивного саморазогрева 2 при этом уменьшается. Период индукции самовозгорания 3 сокращается. При этом саморазогрев материала на участке термограммы 23 протекает более интенсивно.

Присутствие паров нефти в окружающей среде практически не влияет на длительность прогрева. Интенсивный саморазогрев начинается позже, значение 2 возрастает. Период индукции самовозгорания также увеличивается.

Третья глава посвящена исследованию поведения пирофорных отложений при их нагревании в различных условиях.

Изучение температурно-временных процессов, протекающих на поверхности и в объеме пирофоров при моделировании различных условий эксплуатации резервуаров, осуществлялось на установке, общий вид которой представлен на рисунке 3.

1 – газовые баллоны, 2 – ротаметры, 3 – смеситель, 4 – термопары,

5 – образец пирофорного отложения, 6 – реакционный сосуд,

7 – контрольно-счетный прибор для измерения температуры (КСП-4),

8 – лабораторный автотрансформатор, 9 – штатив

Рисунок 3 – Схема экспериментальной установки

Состав газовой среды в сосуде создавали, регулируя подачу воздуха, азота, кислорода с помощью ротаметров. Для создания в сосуде среды, содержащей пары нефти и влаги, использовали емкости с соответствующей жидкостью. Исследования проводили в изотермических условиях.



Pages:   || 2 | 3 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.