Управление ресурсом безопасной эксплуатации стальных резервуаров для хранения нефтепродуктов

Повышение адгезионной связи покрытия со стальной поверхностью является одним из наиболее важных и эффективных методов улучшения защитной способности покрытий. Высокая прочность сцепления покрытия с металлом обеспечивается за счет хемосорбционной связи при взаимодействии активных функциональных групп как самих пленкообразующих, так и отвердителей, модифицирующих добавок с активными центрами поверхности металла.

Авторы в своих исследованиях по созданию защитных покрытий и клеев, начатых еще в 1940-х гг. А. А. Берлиным, руководствовались представлениями об определяющей роли в адгезии химической природы адгезива и субстрата, т. е.
типа и количества функциональных групп на поверхности адгезива и субстрата
и их способности к взаимодействию.

Известно, что теоретическое значение адгезионной прочности в системе полимер–металл может достигать 200–1200 МПа. Однако экспериментально определяемая адгезионная прочность значительно ниже и, как правило, не превышает 10–40 МПа, так как ряд факторов снижает теоретическое значение адгезионной прочности.

Прочность адгезионной связи покрытия с подложкой заметно изменяет кинетику подпленочной коррозии стенки резервуара. Время защитного действия полимерных покрытий складывается из трех составляющих:

= п + з + к, (11)

где п — время проникновения агрессивной среды через слои покрытия к металлической поверхности; з — время задержки коррозии металла (инкубационный период); к — время, в течение которого под пленкой ЛКП прокорродирует некоторое количество металла, а пленка еще не начнет разрушаться.

Несмотря на коррозию металла, начинающуюся под покрытиями толщиной до 1 мм через десятки минут или сотни часов (в зависимости от температуры и проницаемости среды), защитные покрытия эксплуатируются месяцы и годы до достижения допустимого уровня местных нарушений сплошности, являющихся признаками разрушения покрытия.

Сплошность защитных покрытий является определенной гарантией их работоспособности. Тем не менее с появлением единичных дефектов защитные функции покрытия еще сохраняются.

На рисунке 3 схематически проиллюстрирована предложенная нами зависимость = f(), где — припуск на коррозию стенки, — продолжительность эксплуатации резервуара, max — принятый при проектировании припуск на коррозию стенки резервуара.

Рассмотрены два покрытия с условными номерами 1 и 2, продолжительность работы которых до замены составляет соответственно 3 и 5.

Отрезки прямых 1 и 2 отображают кинетику утонения стенки резервуара
с нанесенным покрытием 1 и 2, получаемую по результатам измерений толщины стенки резервуаров. Замена покрытий на новые проводится обычно в соответствии со сроками, рекомендованными изготовителем лакокрасочного материала.

Величина припуска на коррозию стенки резервуара не оговаривается нормативными требованиями, назначается проектировщиком по согласованию с заказчиком и не бывает значительной, так как это приводит к увеличению стоимости резервуара.

Рисунок 3 — Графическая интерпретация утонения стенки резервуара за счет коррозии металла:

1 — динамика утонения стенки с лакокрасочным покрытием № 1; 2 — динамика утонения стенки с лакокрасочным покрытием № 2; 3 — прямая, соответствующая средней скорости утонения стенки резервуара с покрытием № 2; 4 — прямая, соответствующая средней скорости утонения стенки резервуара с покрытием № 1;
5 — прямая, соответствующая средней скорости утонения стенки резервуара для обеспечения нормативного срока эксплуатации резервуара (пересекается с осью абсцисс в точке н; 6 — прямая, соответствующая средней скорости утонения стенки резервуара при отсутствии антикоррозионной защиты

Обычно принятое при проектировании значение пр составляет от 1 до
2,5 мм в зависимости от объема и условий эксплуатации резервуара. Она может различаться и по коррозионно-опасным зонам: крыша–стенка–днище.

Для обеспечения нормативного срока эксплуатации скорость утонения стенки должна быть равна:

(12)

Максимальному утонению стенки подвержены при отсутствии антикоррозионной защиты внутренней поверхности резервуара. Скорость утонения при этом равна средней скорости коррозии металла (линия 6) и связана со сроками эксплуатации до замены листов соотношением

(13)

где 0 — время, по истечении которого припуск на коррозию стенки будет «съеден» коррозией при отсутствии защитного покрытия; П0 — среднегодовая скорость коррозии внутренней поверхности стенки резервуара при отсутствии антикоррозионной защиты.

Линии 3 и 4 соответствуют средней скорости коррозии стенки резервуара для двух разных по защитным свойствам покрытий.

В случае, если утонение стенки может быть представлено отрезками 2, средняя скорость утонения меньше Пн и нормативный срок эксплуатации обеспечивается. Кроме того, период до замены покрытия на новое может быть увеличен на величину :

(14)

4 — срок замены покрытия № 2 по рекомендациям изготовителя; 5 — срок эксплуатации покрытия № 2 до замены на новое из условий обеспечения приемлемой скорости утонения стенки резервуара. Такие покрытия встречаются крайне редко.

В случае, если утонение стенки может быть представлено отрезками 1, средняя скорость утонения стенки выше Пн и нормативный срок эксплуатации резервуара при использовании таких покрытий не обеспечивается.

Условием обеспечения нормативного срока Пн эксплуатации резервуара без капитального ремонта, связанного с заменой листов, является

, (15)

, (16)

1 — утонение стенки резервуара с покрытием № 1 за период эксплуатации, рекомендованный изготовителем краски; 3 — срок замены покрытия № 1 по рекомендациям изготовителя.

, (17)

р — продолжительность эксплуатации резервуара с покрытием № 1 до замены покрытия на новое из условия обеспечения нормативного срока эксплуатации н;

В случае, если замену покрытия проводить в рекомендуемые изготовителем сроки, нормативный срок эксплуатации резервуара без замены листов не обеспечивается. Проекция на ось абсцисс из точки пересечения линий 1 и 5 дает время р, по истечении которого рекомендуется проводить замену покрытия 1 на новое для обеспечения нормативного срока эксплуатации резервуара без замены листов. Это время меньше рекомендуемого изготовителем ЛКМ на величину 3–р.

Наиболее распространенный кинетический механизм старения лакокрасочных покрытий соответствует экспоненте. Статистический характер этого процесса позволяет использовать для его описания классические представления, развитые Больцманом и Аррениусом, еще позже — Журковым и Бартеневым.

Для оценки влияния старения покрытия на скорость коррозии обечаек резервуаров с различными типами крыш (СК, ПК, ПП) и нанесенными лакокрасочными покрытиями сделаны выборки измерений скорости утонения стенки резервуаров. Практически для всех выборок относительные частоты оказались симметричными относительно среднего арифметического значения (медиана и среднее совпадают), поэтому моделирование зависимости скорости утонения от времени осуществляли на основе средних значений (таблица 8). Следует заметить, что для расчетов приняты в качестве исходных данных результаты утонения стенок резервуаров, окрашенных широко апробированными лакокрасочными покрытиями.

После визуального анализ исходных данных, а также с использованием теоретических предположения сделан вывод о том, что тип зависимости является экспоненциальным, т. е. модель имеет вид

П = аес, (18)

где — время (годы); а и c — оцениваемые параметры.

Оценивание неизвестных параметров производили в модуле «нелинейное оценивание» специального статистического пакета программ Statistica 5.0. Метод оценивания был выбран квазиньютоновский с критерием сходимости процесса 0,0001.

Таблица 8 — Средняя скорость коррозии стальных обечаек с лакокрасочными покрытиями толщиной 120–130 мкм в резервуарах со стационарными крышами

№ п/п	Система ЛКП (марка ЛКМ и число слоев)	Средняя скорость коррозии металла через , годы, в резервуарах со стационарными крышами
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	ВЛ-023(1сл.) ХС-717(2сл.)	0	0	0	0	0	0,013	0,027	0,040	0,053	0,067
2	ЭП-076(1сл.) ЭП-140(2сл.)	0	0	0,023	0,047	0,070
3	ВЛ-023(1сл. ) ЭП-755(2сл.)	0	0	0,024	0,049	0,073
4	ЭП-0010(3сл.)	0	0	0	0	0	0,01	0,022	0,038	0,048	0,062
5	ФЛ-777(3сл.)	0	0,018	0,038	0,060
6	ВН-780(3сл.)	0	0,24	0,056

Результаты оценивания модели для резервуаров с различными системами покрытия сведены в таблицу 9 (в зависимости от типа крыши резервуара). Также в таблице приведены значения индексов детерминации, отвечающих за качество подгонки фактических данных к расчетным.

Анализ моделей стационарных процессов опирается на авторегрессионные модели (АР), модели скользящих средних и обобщающую их модель авторегрессии скользящих средних (АРСС).

Если анализируемый динамический процесс линейно зависит от 1 до n временных лагов назад, то это авторегрессионный процесс порядка n, т. е. AR(n): , где текущее значение Y — функция от n наиболее недавних предыдущих значений.

Таблица 9 — Значения расчетных коэффициентов

Система ЛКП	a	c	R2
Резервуары РВС-5000 (со стационарной крышей)
1	0,001137	0,396534	0,97609
2	0,002811	0,654914	0,9656
3	0,002985	0,648862	0,96794
4	0,000566	0,436182	0,98256
5	0,004687	0,638551	0,96666
6	0,00279	1,071781	0,97897
Резервуары РВСПК-5000 (с плавающей крышей)
1	0,001109	0,397713	0,97536
2	0,002423	0,641681	0,96573
3	0,002675	0,631363	0,96545
4	0,000847	0,416917	0,97457
5	0,003742	0,651569	0,97069
6	0,00173	1,09768	0,98149
Резервуары РВСП-5000 (с понтоном)
1	0,000961	0,392865	0,96987
2	0,002121	0,600601	0,95205
3	0,002124	0,642576	0,96396
4	0,000756	0,412192	0,972
5	0,002721	0,69336	0,97954
6	0,001645	1,060016	0,97771