Комплекс служебных характеристик теплоустойчивых сталей при контакте с водородсодержащими средами в задачах повышения ресурса аппаратов и трубопроводов нефтеперерабатывающих производств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Седов, Владимир Михайлович

  • Седов, Владимир Михайлович
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 1999, Санкт-Петербург
  • Специальность ВАК РФ05.02.01
  • Количество страниц 137
Седов, Владимир Михайлович. Комплекс служебных характеристик теплоустойчивых сталей при контакте с водородсодержащими средами в задачах повышения ресурса аппаратов и трубопроводов нефтеперерабатывающих производств: дис. кандидат технических наук: 05.02.01 - Материаловедение (по отраслям). Санкт-Петербург. 1999. 137 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Седов, Владимир Михайлович

Страница

Введение.

Глава 1. Общая характеристика работы.

1.1. Актуальность проблемы.

1.2. Обзор состояния проблемы и обоснование цели исследования

1.3. Задачи исследований.

1.4. Научная новизна.

1.5. Практическая значимость работы.

1.6 Апробация работы.

1.7 Достоверность полученных результатов.

Глава 2. Материалы и методики исследований.

Глава 3. Исследование взаимодействия водорода с хромомолибденовыми сталями при высоких температурах и давлениях.

3.1. Исследование процессов проникновения и растворения водорода в металлах при высоких давлениях и температурах.

3.2. Влияние водорода высоких параметров на изменение механических свойств сталей.

3.3. Исследование характера разрушения среднелегированных сталей методом растровой электронной микроскопии.

3.4. Сопоставление результатов лабораторных исследований с данными по исследованию стойкости конструкционных материалов в условиях воздействия водородсодержащих сред на реально действующем нефтезавод-ском оборудовании.

Глава 4. Исследование влияния длительной эксплуатации нефтехимического оборудования на характеристики кратковременной и длительной прочности сталей.

Глава 5. Фазовые превращения в сталях в процессе длительной эксплуатации.

Глава 6. Разработка методов диагностики оборудования с целью выдачи рекомендаций по оценке его эксплуатационного ресурса.

Выводы.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Материаловедение (по отраслям)», 05.02.01 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплекс служебных характеристик теплоустойчивых сталей при контакте с водородсодержащими средами в задачах повышения ресурса аппаратов и трубопроводов нефтеперерабатывающих производств»

Современная нефтеперерабатывающая промышленность характеризуется использованием установок большой единичной мощности и технологических сред с высокой коррозионной агрессивностью. Выбор материала для конкретных областей применения определяется экономическими соображениями, включающими не только удельные затраты и стоимость, но и политику заводов в области капитального строительства и эксплуатации. Продление эксплуатационного ресурса оборудования позволяет наиболее полно использовать основные фонды предприятия и сэкономить средства на приобретение новой техники.

Серьезную опасность для оборудования высокого давления, эксплуатируемого в химической и нефтеперерабатывающей промышленности, представляют технологические среды, содержащие газообразный водород или его соединения и вызывающие водородную коррозию металла элементов сосудов и трубопроводов [1-Нэ]. Процессы, осуществляемые при высоких давлениях водорода, протекают, как правило, при повышенной температуре, при этом длительность температурного воздействия на металл оборудования на большинстве предприятий отрасли в два раза превышает расчетный срок службы. В этих условиях свойства и работоспособность материалов после длительной эксплуатации приобретают основное значение, поскольку по прочностным характеристикам сталей при рабочих параметрах определяют срок службы элементов конструкций.

Современное состояние теоретических исследований и большое количество опубликованного материала позволяют в настоящее время сформулировать основные требования к материалам, работающим длительное время при повышенных температурах и давлениях водорода. Но до сих пор еще полностью не исключены разрушения деталей и конструкций, обусловленные водородом, т. к. выбор водородостойких конструкционных сталей для изготовления оборудования производится на основе данных по кинетике и скорости водородной коррозии, т. е. внутреннему обезуглероживанию и растрескиванию металла. Однако, даже при отсутствии водородной коррозии материалы работают в напряженном состоянии при повышенной концентрации водорода в условиях ускоренной ползучести, а все прочностные расчеты выполняются на основании результатов по длительной прочности и ползучести, полученных без учета растворимости в стали водорода. Поэтому дальнейшие исследования в области высокотемпературной водородной хрупкости должны быть направлены на выяснение влияния повышенных концентраций водорода на длительную прочность, деформационную способность, кратковременные механические свойства конструкционных сталей и сплавов, предназначенных для работы в напряженном состоянии при повышенных температурах и давлениях, накопление и систематизацию опыта в области диагностики характера и причин разрушения узлов оборудования.

В рамках настоящей работы проведены систематические исследования хромомолибденовых сталей (отечественных и зарубежных аналогов 12ХМ, 12МХ, 10Х2М1, 15Х5М, 15Х5МУ) с целью определения степени деградации металла: определение химического и фазового состава исходных и после длительной эксплуатации сталей; идентификация карбидных фаз в исходных и после длительной эксплуатации сталей; определение механических свойств сталей при комнатной и высоких температурах; проведение лабораторных испытаний на длительную прочность сталей в исходном состоянии и после эксплуатации до 200 ООО ч при температурах 500^-600 °С; совершенствование методов дальней экстраполяции длительной прочности и пластичности и методов прогнозирования степени изменения физико-механических характеристик сталей в процессе многолетней эксплуатации; определение расчетных характеристик длительной прочности и пластичности; статистическое и вероятностное обоснование необходимого уровня запасов прочности, пластичности и долговечности; разработка допускаемых напряжений сталей на ресурс до 200 000 ч.

Похожие диссертационные работы по специальности «Материаловедение (по отраслям)», 05.02.01 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Седов, Владимир Михайлович

Основные результаты выполненного диссертационного исследования сформулированы и нашли отражение в следующих выводах:

1. Получен банк данных по характеристикам сталей 12МХ, 12ХМ, 10Х2М1, 15ХМ, 15Х5М при испытаниях кратковременных механических свойств, с постоянной скоростью деформации, испытаниях на длительную прочность, на воздухе и в среде водорода, в том числе после длительной эксплуатации в течение 180 000 - 200 000 часов.

2. Разработаны нормы допускаемых напряжений хромомолибденовых сталей на ресурс 2,0-105 с учетом результатов дальнего прогнозирования и результатов лабораторных испытаний длительностью до 40 тысяч часов после эксплуатации 100 тыс. часов.

3. Проведенные исследования показали, что в сталях 12ХМ, 12МХ, 10Х2М1, 15Х5М образуются карбиды типа М3С, М2С, М7Сз, М23Сб и М6С, их стабильность и соотношение определяется условиями легирования и старения (или эксплуатации). Карбидные реакции происходят в сталях в следующей последовательности:

12МХ - М3С М2С + М3С М23С6 + М2С;

10Х2М1 - М2С + М7С3 М23С6 + М6С;

15Х5М - М2С + М7С3 -> М2С + М23С6 -> М23С6 + М2С + М6С.

4. Установлено, что карбид М6С образуется в стали 10Х2М1 очень интенсивно, в то время как в стали 15Х5М карбид М6С обнаружен только после длительной эксплуатации.

5. В процессе длительной эксплуатации в основном наблюдается образование сложных кубических карбидов типа М23Сб и М6С. Этому соответствует выделение молибдена в карбидные фазы в количестве до 60-70% от его исходного содержания в стали.

6. Образование карбида типа М6С и связанное с этим увеличение содержания молибдена в карбидных фазах свидетельствует о значительных фазовых превращениях карбидов, то есть нестабильности структурного состояния металла. Карбид такого типа является граничным карбидом и его расположение по границам зерен может привести к заметному снижению уровня служебных свойств материала.

7. Получены данные по образованию ст-фазы в хромоникелевых аустенитных сталях в процессе длительной эксплуатации и сформулированы требования по контролю состояния металла и условиям продления ресурса с учетом выделения а-фазы.

8. Показано, что после многолетней высокотемпературной эксплуатации в во-дородсодержащих средах в регламентированных условиях (температура и давление) комплекс служебных характеристик и остаточная работоспособность хромомолибденовых сталей 12ХМ, 12МХ, 15ХМ, 15Х5М, 10Х2М1 сохраняются на уровне, допускающем возможность продления эксплуатации оборудования из этих сталей до 2,0-105 часов.

9. Полученные данные по служебным характеристикам материалов позволяют эффективно оценивать их необходимый уровень остаточной работоспособности, как при исследовании вырезок металла, так и неразрушающем контроле его прочностных свойств и склонности к хрупким разрушениям.

10. Для повышения эффективности диагностического контроля в части надежного выявления элементов оборудования с пониженной работоспособностью разработаны устройства контроля формы поперечного сечения трубопроводов, печных змеевиков и сосудов.

11. Показано, что разработанные устройства позволяют выявлять зоны с максимальным уровнем рабочих напряжений и фактических температур эксплуатации, минимальным запасом по прочности и долговечности и проводить расчеты остаточного ресурса эксплуатации в наиболее опасных сечениях трубопроводов, печных змеевиков и сосудов.

12. Разработанные устройства индивидуальной диагностики опробованы при контроле некруглости промышленных объектов диаметром 30-6000 мм.

Полученные в работе результаты и разработанные алгоритмы технического диагностирования были использованы при подготовке нормативно-технической документации, программ технического диагностирования и продления ресурса безопасной эксплуатации аппаратов и трубопроводов нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств.

На основании результатов исследований разработан документ «Технические указания - Регламент по эксплуатации оборудования установок каталитического риформинга и гидроочистки, работающих в водородсодержащих средах при повышенных температуре и давлении», который используется на всех нефтеперерабатывающих заводах России и стран СНГ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Седов, Владимир Михайлович, 1999 год

1. Арчаков Ю.И. Водородоустойчивость стали. М.: Металлургия, 1978. 152с.

2. Арчаков Ю.И. Водородная коррозия стали. М.: Металлургия, 1985. 192с.

3. Гельд П.В., Рябов P.A. Водород в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1980. 712с.

4. Фаст Дж. П. Взаимодействие металлов с газами, т.2. Кинетика и механизм реакций. М.: Металлургия, 1975. 352с.

5. Фром Е., Гебхарт Е. Газы и углерод в металлах. М.: Металлургия, 1980. 712с.

6. Коррозия и защита химической аппаратуры: Справочник-руководство. / Под. ред. A.M. Сухотина, A.B. Шрейдера, Ю.И. Арчакова. Л.: Химия, 1974, ч. 1. Т. 9. 576с.

7. Компанеец Т.М., Курдюмов A.A. Применение метода проницаемости для исследования кинетики взаимодействия водорода с металлами. // Журнал физической химии. 1980. т.54. №11. с.2791-2797.

8. Водород в металлах: Пер. с англ./ Под ред. Алефельда Г.И. и Фелькля Н.М. М.: Мир, 1981, т. I. 475 с, т. II. 430 с.

9. Coch G.H. // Met. Trans. 1981. v. 12A. №10. p. 1833-1843.

10. Ю.Гликман Jl.A., Дерябина В.И., Теодорович В.П. // Физико-химическая механика материалов. 1972. т. 8. №3. с.71-74.

11. Колачев Б.А. // Физико-химическая механика материалов. 1976. т. 12. № 5. с. 3-10.

12. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1985. 217с.

13. Nelson G.A. // Hydrocar. Proc. 1965. v. 44. № 5. p. 185-188.

14. Мороз Л.С., Чечулин Б.Б. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия. 1967. 255с.15.0хрупчивание конструкционных сталей и сплавов: Пер. с англ./ Под ред. К.Л. Брайента, С.К. Бенерджи. М.: Металлургия, 1988. 255с.

15. Latanasion R.M. // Corrosion. 1983. v. 39. № 5. p. 174-180.

16. Ohnishi К. // et. al. Weld. Res. Counc. Bull. 1985. № 365. p. 3-21.

17. Дьяков В.Г. Легированные стали для нефтехимического оборудования. М.: Машиностроение. 1971г. 183 с.

18. Мухин В.Н., Ватник Л.Е., Лавров А.И. и др. Длительная прочность стали 15Х5М после длительной эксплуатации в трубчатых печах нефтеперерабатывающих установок. //Проблемы прочности. 1983. №5. С.75-80.

19. Мухин В.Н., Ватник Л.Е. Экстраполяционная оценка предела длительной прочности стали 15Х5М на срок до 200000 ч. // Проблемы прочности. 1985. №5. С.109-111.

20. Чижик A.A., Жумахова Т.Н. и др. Исследование металла деталей турбин из стали марок 20XMJI после длительной эксплуатации с целью продления срока службы сверх 200000 часов. Отчет НПО ЦКТИ № 121808/0-104449. Л. 1980.

21. Jun Furusawa, Seiichi Watanabe // Сумитомо киндзоку. 1985. v. 35. № 2. р. 101-113.

22. Фрактография и атлас фрактограмм. Справочник. М.: Металлургия, 1982. 488 с.

23. Гордеева Т.А., Жегина И.П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. М.: Машиностроение. 1978. 192с.

24. РД 10-249-98 Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды. СПб.: Изд.АООТ "НПО ЦКТИ". 1999. 226 с.

25. Адамович В.К. Методы определения длительной прочности сталей и сплавов. М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ. 17-70-5. 1970. с.38.

26. РД 10-249-98 Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды. // СПб: АООТ НПО "ЦКТИ", 1998.

27. Котлы стационарные и трубопроводы пара и горячей воды. Нормы расчета на прочность. ОСТ 108.031.08-85 ОСТ 108.031.10-85.

28. Стальные трубы. Спр. изд.: Пер. с нем. / Под ред. Д. Шмидта. М.: Металлургия. 1982. 536С.

29. Адамович В.К., Данюшевский И.А., Дорофеев Д.Ф., Зверьков Б.В. Разработка нормативно-технической базы, обеспечивающей повышение расчетного срока эксплуатации элементов котлов и трубопроводов до 200 тыс. часов. // Теплоэнергетика, 1984. №10. С. 2-4.

30. Зб.Земзин В.Н. Жаропрочность сварных соедиений. Л.: Машиностроение, 1972. 272 С.

31. Мартин Дж.У. Микромеханизмы дисперсионного твердения сплавов. М.: Металлургия, 1983.167 С.

32. Под ред. Канна Ф.У., Хаазена П. Физическое металловедение в трех томах. Третье издание перераб. и доп. т 2. Фазовые превращения в металлах и сплавах и сплавы с особыми физическими свойствами. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1987. 624 С.

33. Адамович В.К., Земзин В.Н., Рычковая Л.В. Параметрический метод двойного смещения для прогнозирования свойств сварных соединений при старении. // Автоматическая сварка. 1992. №1(466). С. 713.

34. Адамович В.К. Прогнозирование длительной прочности и пластичности сталей и сплавов. // Л.: Труды ЦКТИ. 1982. Вып. 194. С. 3-16.

35. Адамович В.К., Минц И.И., Явизер Р.В. О природе температурно-временных параметров, применяемых при прогнозировании длительной прочности металлов и сплавов. // Проблемы прочности. 1976. №1. С. 34-47.

36. Служебные свойства котельных материалов. Руководящие указания. Адамович В.К., Станюкович A.B. и др. Л.: РИО ЦКТИ. 1981. вып.43. 76с.

37. Адамович В.К. Деформационно-силовые критерии работоспособности материалов ТЭС и АЭС с ресурсом эксплуатации 200 тыс.часов и более. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: 1989. 32с.

38. Biss V.A., Wada Т. Microstructural changes in lCr-0,5Mo steel after 20 years of service.//Met. Trans. 1985. 16A. p.109-114

39. Борисов И.А. Влияние длительности отпуска на свойства Cr-Ni-Mo-V сталей. // Металловедение и термическая обработка материалов. 1991. №11. с. 16-18.

40. Куманин В.И., Ковалева JI.A., Алексеев С.В. Долговечность металла в условиях ползучести. М.: Металлургия, 1988. 240 с.

41. Винокур Б.Б. Карбидные превращения в конструкционных сталях. Киев: Наукова Думка, 1988. 165 с.

42. Baker R.C., Nutting J. The tempering of 2,25Cr-l Mo steel after quenching and normalising. //J. Iron and Steel Inst. 1959. v. 152. p.257-268.

43. Wada Т., Biss V.A. Restoration of elevated temperature tensile strength in 2,25 Cr-1 Mo steel. //Metal. Trans.A. 1983. v. 14. p.845-855.

44. Kluech R.L., Leitnaker J.M. An analysis of the decarburization and aging processes. // Metal. Trans.A. 1975. v.6a. p. 2089-2093.

45. А.И. Чижик, А.А. Чижик, Т.А. Чижик. Проблемы оптимизации состава и структурного состояния теплоустойчивых сталей для роторов паровых турбин. JL: Труды ЦКТИ, 1992. вып. 270, с. 132-137.

46. Senior В.А. A critical review of precipitation behaviour in lCr-Mo-V rotor steels. // Mat. Sci and Eng. 1988. 103. 2. p.263-271

47. Qu Z., Kuo K.M. Embrittlement of 2,25CrMoV steels bolts after long exposure at 540°C. // Met. Trans. 1981. 12A. p.1333-1337.

48. Varin R.A., Haftek J. Structural changes in a ferrite heat-resistant steel after long-term service. // Mat. Sci and Eng. 1984. 62. p.129-136.

49. JoarderA., Sarma D.S.,Cheruvi N.S. Effect of long-term service exposure on microstructure and mechanical properties of a Cr-Mo-V steam turbine rotor steel. // Metal. Trans. 1991. 22A. p.1811-1820.

50. Das S., Joarder A. Effect of long-term service exposure at elevated temperature on microstructural changes of 5Cr-0,5Mo steels. // Met. and Mat. Trans. 1997. 28A. p. 16071616.

51. Minami Y., Kimura H., Ihara Y. Microstructural changes in austenitic stainless steels during long-term service. // Mat. Sci. Technol. 1986. 2. p.795-806.

52. Lai J.K.L., Chastell D.J., Flewitt P.B.J. Precipitate Phases in austenitic stainless steel resulting from long-term high temperature service. // Mat. Sci. Eng. 1981. 49. p. 19-29.

53. Senior D.A. Effect of phase transformation on the creep rupture properties. // J. Mat. Sci. 1990. 25. p.45-53.

54. Ezaki H., Morinaga M., Yukawa Y., Adachi H. Prediction of the occurence of the o-phase in Fe-Cr-Ni alloys. // Phil. Mag.A. 1986. 53. p.709-716.

55. Bean M.S., Plumbridge W.J. Prediction of a-phase formation in stainless steels. // Nucl. Energy. 1982. 21. p.l 19-135.

56. Cieslak M.J., Knorovsky G.A. The use of new Phacomp in understanding the solidification microstructure. // Metal. Trans. 1986. 17A. p. 2107-2116.

57. M.А. Соломаха, П.И. Адакумин Повреждение типов паропроводов высокого давления. // Электрические станции, 1976. №4. с.30

58. Ю.А. Журавлев, В.К. Адамович. Устройство для контроля формы сечения трубопроводов. // Бюллетень изобретений и открытий, 1981. № 20.

59. Определение комплекса служебных характеристик сталей 12МХ, 10Х2М1и 15Х5М после эксплуатации 100^200 тысяч часов. Отчет НПО ЦКТИ НПО "Леннефтехим", № 123106/0-12735. СПб, 1992.

60. Сталь теплоустойчивая хромомолибденовая 15Х5М (15Х5М-У). Условные пределы остаточного удлинения и сужения при температурах 500-600 °С. ГССД. 15-91. Госстандарт СССР.

61. В.К. Адамович // Атомная энергия. 1968. № 5. с.273.

62. В.К. Адамович // Известия АН СССР. Металлы. 1969. №4, с.114.

63. В.К. Адамович и др. Служебные свойства котельных материалов. JL: ОНТИ ЦКТИ, 1981.

64. В.К. Адамович, В.Н. Земзин, JI.H. Рычкова//Автоматическая сварка, 1992. №1. с.7.

65. В.К. Адамович, A.B. Щедрин, И.И. Минц. Fracture Mechanics: Succese and problems, ICF-8. part. ll.p.475.

66. Ю.И. Арчаков, Б.М. Тесля, В.М. Седов. Изменение прочности и пластичности стали 12МХ под влиянием водорода при давлении 1000 кг/см2. // Физико химическая механика материалов. 1978. т. 14. №3. с.33-36.

67. Е.М. Сосенушкин, В.М. Седов, В.Н. Рыжков, A.A. Дубик. Влияние водорода на свойства и механизм разрушения сталей с y+s структурой. // Научные труды IV Всесоюзного семинара "Водород в металлах". / Тезисы докладов. 18-20 сентября 1984. Москва. С. 124.

68. Г.Д. Пигрова, В.М. Седов, Ю.И. Арчаков Карбидные превращения в Сг-Мо-сталях в процессе длительного старения и эксплуатации. // Металловедение и термическая обработка материалов. 1997. №9. С. 9-13.

69. В.К. Адамович, В.М. Седов, Ю.И. Арчаков и др. Устройство для контроля формы сечения трубопроводов. // Бюллетень изобретений и открытий. 1990. № 19.

70. В. M. Седов, Г. Д. Пигрова. Образование а-фазы при эксплуатации Cr-Ni сталей. // Материалы VII конференции стран СНГ "Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов". Сентябрь 1997. Белгород.

71. G. D. Pigrova, V. М. Sedov, Yu. I. Archakov. Carbide transformations in Cr-Mo-steels during long-term ageing & service. // Материалы международного симпозиума "Materials Ageing & Component Life Extension". 10-13 October 1995. Milan, Italy. V. 1.

72. G. D. Pigrova, V. M. Sedov. Phase analysis of Cr-Mo steels. // Материалы международной конференции "Plant Maintenance for Managing Life & Performance". 7-9 September 1998. Helsinki Stockholm - Kirkkonummi.

73. G. D. Pigrova, V. M. Sedov. Heat treatment effect on carbide reactions in 15Cr5Mo1. ТГТТsteels. // Материалы международного конгресса "11 Congress of the Internationalт-ц

74. Federation for Heat Treatment & Surface Engineering" / 4 "ASM Conference on Heat Treatment & Surface Engineering". 19-21 October 1998. Florence, Italy.

75. B.K. Адамович, Ю.И. Арчаков, В.М. Седов и др. Устройство для контроля формы сечения трубопроводов. // Авторское свидетельство СССР. № 832310, кл. G 01 В 5/20, 1976.

76. В.К. Адамович, Ю.И. Арчаков, В.М. Седов и др. Устройство для контроля формы сечения трубопроводов. // Авторское свидетельство СССР. № 1566195, кл. G 01 В 5/20, 1988.

77. В.К. Адамович, Ю.И. Арчаков, В.М. Седов и др. Устройство для контроля формы сечения трубопроводов. // Авторское свидетельство СССР. № 1566185, кл. G 01 В 5/20, 1988.

78. В.К. Адамович, Ю.И. Арчаков, В.М. Седов и др. Патент №2008610 на изобретение: "Устройство для контроля формы сечения трубопроводов" Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений 28.02.1994.

79. В.К. Адамович, Ю.И. Арчаков, В.М. Седов и др. Патент №2008611 на изобретение: "Устройство для контроля формы сечения трубопроводов" Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений 28.02.1994.

80. В.К. Адамович, Ю.И. Арчаков, В.М. Седов и др. Патент №2008612 на изобретение: "Устройство для контроля формы сечения трубопроводов" Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений 28.02.1994.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.