все вопросы Подписка на рубрику Вопрос - Ответ ВестиПБ.ру

вопрос - ответ

Вопрос:
В эксплуатации находится ОПО, в состав которого входит котельная установка с двумя паровыми...

Ответ:
Здравствуйте. Согласно Приказу Ростехнадзора № 168 «Об утверждении требований к ведению...


Федеральные
законы
Правила
безопасности
Руководящие
документы
Документы
Ростехнадзора
18+

Научно-технические статьи

Техническое диагностирование и продление срока службы вагонов-цистерн для перевозки криогенных продуктов

Дата публикации: 24.02.2010

Сжиженные газы (кислород, азот, аргон) и другие продукты разделения воздуха (ПРВ) применяются практически во всех сферах деятельности человека: от ракетно-космических технологий, тяжелого машиностроения, металлургических и химических производств до сельского хозяйства и медицины. Каждый год в нашей стране производят десятки миллиардов кубических метров указанных газов, и в ряде случаев конечный потребитель находится на значительном удалении от воздухораздели-тельных установок. Следовательно, возникает проблема транспортирования продукции на большие расстояния. Поэтому, с учетом развитой инфраструктуры железных дорог в России, наиболее рациональной является перевозка в специализированных железнодорожных вагонах-цистернах, к числу которых относятся и цистерны, предназначенные для хранения, транспортирования и выдачи ПРВ в сжиженном состоянии при криогенных температурах.

Создание первых образцов подобных вагонов-цистерн в СССР относится ко второй половине XX в., когда в связи с развитием ракетно-космической отрасли возникла острая потребность в транспортных средствах для доставки по железной дороге большого количества жидкого кислорода, использовавшегося в качестве окислителя в ракетных топливах. Для этих целей в 1954 г. в составе Уральского вагоностроительного завода было образовано особое конструкторское бюро ОКБ-250 (сейчас – ОАО «Урал-криомаш», г. Нижний Тагил) по криогенной технике.

Одной из первых перед ним была поставлена задача по организации серийного производства железнодорожных цистерн для перевозки жидкого кислорода на основе трофейной документации на немецкие цистерны времен Второй мировой войны. В результате в 1955 г, выпущены первые отечественные цистерны для перевозки продуктов разделения воздуха – 8Г52 для жидкого кислорода и 8Г54 для жидкого азота. В последующие десятилетия налажено производство усовершенствованных моделей данного вида подвижного состава: 8Г513 и 15-558 – для жидкого кислорода, азота или аргона; 8Г514 и ЖВЦ-100 – для жидкого водорода. ОАО «Уралкриомаш» до сих пор – единственный производитель подобных вагонов-цистерн на территории России и стран СНГ. В советское время здесь выпускалось более 100 вагонов-цистерн для криогенных продуктов в год (всего их было выпущено более 3 тыс.), основным потребителем которых являлись вооруженные силы. В 90-е гг. эта цифра снизилась практически до нуля.


Рис. 1. Вагон-цистерна 8Г513

По конструкции вагон-цистерна для перевозки криогенных продуктов (рис. 1) представляет собой криогенную емкость, смонтированную вместе с арматурным шкафом, системами коммуникаций и контрольно-измерительной аппаратурой на четырехосной железнодорожной платформе рамной конструкции. Криогенная емкость выполнена по схеме «сосуд в сосуде» и включает внешнюю защитную оболочку (кожух) и внутренний сосуд для криогенного продукта. Оболочка сварная, состоящая из цилиндрических обечаек, усиленных шпангоутами (для увеличения жесткости и обеспечения устойчивостипри вакууме), и эллиптических днищ. Она оборудована двумя клапанами, трубопроводами вакуумиро-вания и мембранным предохранительным устройством, защищающим ее от разрушения в случае повышения давления в изолирующем пространстве. Оболочка крепится на платформе традиционным для цистерн способом, т.е. при помощи фасонных лап и лежневых опор со стяжными хомутами. На внутренней поверхности оболочки размещены текстолитовые опоры и кронштейны для крепления цепей гори-зонтального и вертикального подвешивания сосуда.

Внутренний сосуд представляет собой аналогичную сварную конструкцию из цилиндрической обечайки и эллиптических днищ, изготовленных из алюминиевого сплава или нержавеющей стали. Стенки сосуда также усилены изнутри шпангоутами, на которых установлены волнорезы в виде просечных листов, обеспечивающих снижение силы гидроудара, которая действует на днище сосуда при транспортировании цистерны. В верхней части расположена горловина люка с приваренной крышкой.

Внутренний сосуд и оболочка соединены между собой системой трубопроводов, вмонтированных в оболочку через многослойные сильфонные компенсаторы. Изолирующее пространство – теплоизоляционная полость (ТИП) между сосудом и оболочкой – заполнено негидрофобным аэрогелем (перлит) и отвакуумировано до давления не более 1 мм рт. ст. в теплом состоянии.

На сегодняшний день на территории России эксплуатируется около 600 подобных вагонов-цистерн, выполняющих перевозки по путям общего пользования. Анализ парка данного вида подвижного состава показывает, что у большинства выпущенных в советское время вагонов-цистерн постепенно заканчивается установленный срок службы.

В связи с тем, что стоимость нового вагона аналогичной специализации составляет более 7,5 млн. руб., а объемы их производства по-прежнему несущественны, продление срока службы эксплуатируемого парка является для собственника одной из основных возможностей сохранить и увеличить объемы перевозок.

В соответствии с [1] общий срок службы вагона-цистерны, с учетом продления, не должен превышать полуторного назначенного срока службы, указанного в технических условиях завода-изготовителя на данный вид подвижного состава. Согласно требованиям нормативно-правовых документов [2, 3,4] продление срока службы вагона-цистерны (технического устройства, эксплуатируемого на опасных производственных объектах) осуществляется на основании результатов экспертизы промышленной безопасности и комплексного технического диагностирования, выполняемых специализированной экспертной организацией, имеющей лицензию на соответствующий вид деятельности.

При проведении работ по оценке технического состояния и определению возможности продления срока службы вагон-цистерна рассматривается как совокупность элементов, имеющих собственные сроки службы и подпадающих под действие различных нормативных документов. Так, срок службы криогенной емкости устанавливается техническими условиями завода-изготовителя и составляет (в зависимости от модели) 20-30 лет. Кроме того, для внутренних сосудов существует ограничение по количеству циклов нагружения (заправка-опорожнение, пневмоиспытания), установленное в зависимости от материала сосуда, при превышении которого требуется проведение дополнительных исследований и расчетов прочности при малоцикловых нагрузках. Как показывает статистика, на конец срока службы рассматриваемых моделей вагонов-цистерн количество подобных циклов в основном не превышает установленных значений.

Рама вагона-цистерны, элементы крепления емкости на раме ремонтируются либо меняются при проведении ремонта на специализированном вагоноремонтном предприятии. Срок службы рамы ограничен сроком службы емкости при условии отсутствия неустранимых повреждений, при которых требуется ее замена. Срок службы узлов и деталей ходовой части составляет 32 года, срок службы элементов автосцепного, тормозного и иного навесного оборудования не нормирован. Оценка технического состояния указанных элементов, их ремонт или замена также осуществляются при проведении ремонта на специализированном вагоноремонтном предприятии. Ревизию, ремонт, испытание арматуры и предохранительных устройств проводит собственник вагона-цистерны силами специалистов, аттестованных в установленном порядке и допущенных к обслуживанию соответствующей техники.

Вагоны-цистерны для перевозки криогенных продуктов, из-за отсутствия доступа к внутреннему сосуду криогенной емкости, являются одним из самых сложных объектов грузового железнодорожного подвижного состава в плане технического диагностирования.

В 70-80 гг. при проведении технического освидетельствования вагонов-цистерн, находящихся в эксплуатации 15-20 лет, осуществлялись вскрытие внутреннего сосуда, проведение внутреннего осмотра и неразрушающего контроля и последующая заварка крышки люка-лаза. По результатам обследований установлено, что коррозионные повреждения внутренней поверхности сосуда полностью отсутствовали. Также проводились разрушающие испытания сосудов и испытания образцов сварных швов. Установлено, что даже наиболее нагруженные при эксплуатации продольные сварные швы сосудов сохраняют свои показатели механической прочности, а корпус сосуда имеет достаточно большой запас прочности при действии внутреннего избыточного давления (разрушающее давление превышает расчетное более чем в 4 раза).

В настоящее время развитие технологий неразрушающего контроля позволяет избежать вскрытия внутреннего сосуда. Наиболее рациональный метод контроля криогенных емкостей – акустико-эмиссионный (АЭ), основанный на регистрации и анализе акустических волн, возникающих в процессе пластической деформации и разрушения в контролируемых объектах. Он позволяет выявлять наиболее опасные дефекты независимо от их размеров. Иными словами, АЭ-контроль дает возможность классифицировать дефекты не по размерам, а по степени их опасности [5].


Рис. 2. Технологический вырез в наружной оболочке криогенной емкости. Вид на внутренний сосуд

При АЭ-контроле криогенных емкостей преобразователи акустической эмиссии устанавливают непосредственно на корпусе внутреннего сосуда. Следовательно, для обеспечения доступа к сосуду в наружной оболочке криогенной емкости выполняются технологические вырезы (рис. 2). Согласно нормативным документам, разработанным ОАО «Крио-генмаш» [6, 7], при техническом диагностировании однотипных криогенных объектов (на которых проводились комплексные исследования со вскрытием кожуха и внутреннего сосуда) при отсутствии доступа к внутреннему сосуду возможна установка преобразователей АЭ на трубопроводах, ведущих к нему. Если при АЭ-контроле обнаружены активные источники акустической эмиссии, то требуется установка дополнительных преобразователей на внутренний сосуд (и соответственно проведение вырезов в оболочке) в целях определения координат дефекта для его последующего исследования другими методами неразрушающего контроля и оценки возможности проведения ремонта. С другой стороны, при отсутствии зарегистрированных источников акустической эмиссии применение дополнительных видов неразрушающего контроля в соответствии с [5] не требуется. Следовательно, если при проведении АЭ-контроля с установкой преобразователей на внешней оболочке и трубопроводах, ведущих к внутреннему сосуду, не зафиксированы активные источники АЭ (не выявлены опасные, развивающиеся или склонные к развитию дефекты), то нет необходимости обеспечивать доступ к поверхности сосуда. Данная технология АЭ-контроля позволяет избежать и некоторых подготовительных операций, связанных с техническим диагностированием вагонов-цистерн для перевозки криогенных продуктов, после которых практически невозможно восстановить первоначальные характеристики теплоизоляционной полости (например, не нужно вскрывать крышку внешней оболочки, вырезать технологические отверстия и частично удалять аэрогель). Следовательно, снижается трудоемкость, сокращаются сроки проведения диагностики и соответственно уменьшается стоимость проведения работ.

Также возможна установка преобразователей АЭ непосредственно на внутренний сосуд криогенной емкости на постоянное время (при изготовлении либо при проведении технического диагностирования со вскрытием кожуха) с выводом кабельных линий через оболочку при помощи гермопроходни-ков. Такая методика АЭ-контроля позволяет проводить периодическое диагностирование без значительных материальных затрат, а также значительно увеличить достоверность контроля.

При техническом диагностировании необходимо проводить контрольное обезжиривание с нижних точек внутреннего сосуда (заправочных узлов) в целях определения возможного накопления масла и иных загрязнений, что особенно опасно при перевозке жидкого кислорода. Если содержание масла превышает значения, регламентированные нормативно-техническими документами, то требуется проведение полного обезжиривания внутреннего сосуда, трубопроводов, испарителей наддува и арматуры.

Внешняя оболочка криогенной емкости во время проведения технического диагностирования также подвергается неразрушающему контролю. Проводятся визуальный и измерительный контроль всей

доступной для осмотра наружной поверхности, ультразвуковой и капиллярный контроль сварных швов обечайки и швов приварки фасонных лап. Исследования показывают, что под воздействием температурных и механических нагрузок свойства материала оболочки изменяются незначительно.

С 2005 по 2009 г. специалисты ООО «Экспертный Центр подвижного состава» (ООО «ЭЦПС») (г. Санкт-Петербург) совместно со специалистами других экспертных организаций проводили техническое диагностирование в целях определения возможности продления срока службы более чем у 60 вагонов-цистерн для перевозки криогенных продуктов. На основании полученных данных можно сделать вывод, что значительная часть подвижного состава на момент окончания срока службы находится в удовлетворительном техническом состоянии, отсутствуют недопустимые дефекты внутреннего сосуда и наружной оболочки, которые могли бы быть допущены при изготовлении или возникнуть в результате штатной работы сосуда. Большинство неисправностей криогенных емкостей обследованных вагонов-цистерн, послуживших причиной для вывода их из эксплуатации, вызваны отсутствием вакуума в теплоизоляционной полости. Повышение давления в ТИП происходит либо из-за наличия сквозных дефектов в сварных швах или основном металле кожуха (например, трещины в районе приварки фасонных лап), либо из-за повреждений предохранительной мембраны или сильфонных узлов. Разрушение предохранительной мембраны кожуха может быть вызвано как наличием сквозных дефектов в сварных швах и основном металле внутреннего сосуда или трубопроводов (что приводит к попаданию криогенных продуктов в теплоизоляционную полость, тем самым повышая в ней давление), так и ее механическим старением.

Совсем иначе обстоит дело с рамами вагонов-цистерн. В процессе обследования выявлены дефекты и неисправности, вызванные их конструктивными недостатками. Из-за отсутствия оттока воды в узлах сочленения шкворневой и хребтовой балок при отрицательных температурах вследствие расширения застывающей воды происходит выпучивание вертикальных листов шкворневых балок. В результате балки теряют жесткость и, следовательно, возрастает нагрузка на поперечные и лобовые балки, которые, в свою очередь, передают избыточную нагрузку на хребтовую балку. У 20 % обследованных вагонов выявлены неустранимые трещины хребтовой балки в ее консольной части (в зоне упоров), вызванные, помимо ослабления шкворневых балок, воздействием испаряющегося груза через патрубок газосброса соседнего вагона-цистерны аналогичной модели. Для защиты от подобного воздействия груза на некоторых вагонах конструктивно предусмотрена защита консольной части рамы в виде листов из алюминиевого сплава. Но, к сожалению, последние во время эксплуатации были утрачены в результате хищения.

После проведения диагностики на основании полученных данных проводится расчетная оценка, цель которой – определение остаточного срока безопасной эксплуатации вагона-цистерны. Учитывая, что перевозимые грузы являются неагрессивными по отношению к материалу внутреннего сосуда, а наружная оболочка подвергается только атмосферному воздействию, расчетная оценка показывает, что остаточный срок службы котлов вагонов-цистерн (без учета числа циклов нагружения) превышает 20 лет.

В результате выполнения описанного выше комплекса работ ООО «ЭЦПС» продлило срок службы 45 вагонам-цистернам для перевозки криогенных продуктов. При условии проведения капитального ремонта с устранением выявленных в процессе технического диагностирования дефектов и неисправностей срок продления составляет 5 лет.

В настоящее время ООО «ЭЦПС» планирует разработку программы диагностирования технического состояния и методики определения остаточного срока безопасной эксплуатации вагонов-цистерн для перевозки криогенных грузов, которая бы регламентировала перечень работ по техническому диагностированию, учитывала конструктивные особенности каждой модели вагона-цистерны и определяла методику расчетного обоснования продления срока безопасной эксплуатации.

Список литературы

  1. Положение о продлении сроков службы грузовых и рефрижераторных вагонов государств-участников Соглашений о совместном использовании грузовых и рефрижераторных вагонов в международном сообщении. – Мариуполь, 2006.
  2. Федеральный закон от 21.07.97 № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных
    объектов» // Собрание законодательства Российской Федерации. – 1997. – № 30. – Ст. 3588.
  3. Порядок продления срока безопасной эксплуатации технических устройств, оборудования и сооружений
    на опасных производственных объектах (утв. Приказом Минприроды России от 30.06.2009 № 195).
  4. ПБ 03-246–98. Правила проведения экспертизы промышленной безопасности. – Сер. 26. – Вып. 2. – М.: ФГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», 2004. – С. 5-19.
  5. ПБ 03-593-03. Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов,
    котлов и технологических трубопроводов. – Сер. 03. – Вып. 38. – М.: ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», 2003. - 56 с.
  6. РД 2082-15–98. Резервуары криогенные. Методика технического освидетельствования. – М.: Крио-
    генмаш, 2004.
  7. РД 2082-18–2005. Программа технического диагностирования и продления назначенного срока службы криогенных резервуаров. – М.: Криогенмаш, 2005. – 21 с.

© В.А. Миргазов, канд. техн. наук, начальник лаборатории (ЗАО «НПП Криосер-вис»)
© А.В. Копченов, инженер (ООО «Экспертный Центр подвижного состава»)

Журнал «Безопасность труда в промышленности», № 1.2010

Последние Научно-технические статьи

Быстровозводимые фермовые металлоконструкции. Контроль состояния элементов.

Быстровозводимые металлоконструкции. Расчет.

Оценка состояния элементов строительных лесов.

Цепные грузоподъемные лебедки. Контроль состояния цепи

Техническое диагностирование технологического трубопровода цеха № 1429, рег №  1194 и рег №  2095

другие статьи

Информация о Ростехнадзоре

СМИ о
Ростехнадзоре

Предприятия и надзор

Новости
компаний


© 2006–2018 Вестник Промышленной Безопасности | Реклама на сайте | Связь с нами | Статистика
При полном или частичном использовании материалов Вести ПБ гиперссылка на сайт обязательна.
Свидетельство о регистрации средства массовой информации ЭЛ №ФС77-36452 от 28.05.2009.