Обеспечение безопасной эксплуатации змеевика печи для пиролиза углеводородов как сварной конструкции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Кинев, Сергей Анатольевич

• Кинев, Сергей Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кинев, Сергей Анатольевич

Введение

1. Особенности эксплуатации змеевиков печей для пиролиза углеводородов '

1.1. Процесс пиролиза углеводородов

1.2. Особенности эксплуатации печей

1.3. Характер накопления повреждений в трубах змеевика

2. Объекты и методы исследования

2.1. Схема отбора проб металла

2.2. Механические испытания

2.3. Методика металлографических исследований

3. Изучение металла сварных соединений

3.1. Механические свойства

3.2. Металлографические исследования

4. Конечно-элементное моделирование деформирование цилиндрических обечаек с дефектами в зоне сварных соединений

4.1. Описание расчетной процедуры упругого деформирования цилиндрических обечаек с геометрической неоднородностью в области сварных соединений 4.2. Исследование влияния характера геометрической неоднородности в области сварных соединений на напряженно деформированное состояние труб змеевика 5. Совершенствование методов проведения паровы-жига кокса и ремонта змеевика

5.1. Снижение пиковых напряжений в сварных соединениях в процессе паровыжига

5.2. Разработка устройства для центрирования труб при сварке

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение безопасной эксплуатации змеевика печи для пиролиза углеводородов как сварной конструкции»

Нагрев или разложение сырья в процессах нефтепереработки и нефтехимии происходит в трубчатых печах различной конструкции. Поэтому практически каждая технологическая установка имеет в своем составе хотя бы одну печь, которые подразделяются на нагревательные и крекинговые. Одной из разновидностей крекинговых печей является пиролизная печь, которая эксплуатируется в наиболее жестких температурных условиях. Наибольшее распространение пиролиз получил для подготовки сырья при получении полиэтилена, полипропилена и некоторых других полимеров. В зависимости от используемого сырья процесс пиролиза может протекать при температурах 600 -950 °С. Верхний предел температур создает сложные условия для функционирования трубчатого змеевика в связи с тем, что реальные условия эксплуатации отдельных труб могут различаться в связи с их расположением относительно горелок, с неравномерностью отложений кокса как по периметру так и по длине трубы.

Изучение в течение длительного времени характера деформирования труб змеевиков пиролизных печей показывает, что на начальном этапе функционирования имеют место общая и локальная потеря устойчивости формы оболочки. Дефектные места во время ремонтных работ удаляются и вместо них вставляются катушки из новой трубы. Постепенно удельный вес дефектов типа трещин возрастает и как правило эти дефекты возникают в сварных швах. Отмечено, что, поскольку основным видом ремонта дефектных участков является вырезка части труб и замена их на новую с помощью сварки, количество сварных соединений растет по параболической зависимости. Механизм появления трещин до конца не ясен. В качестве гипотез рассматриваются следующие причины: концентрация напряжений в зоне соединения труб с различной толщиной стенки вследствие высокотемпературного утонения и геометрической неоднородности соединения; деформации при паровыжиге кокса, отложившегося на внутренней поверхности труб; внутренние напряжения вследствие различия структуры соединяемых сваркой труб. Определение механизмов деформирования труб змеевика и совершенствование методов их расчета на прочность с учетом реальных нагрузок является актуальным.

Решению этих задач посвящена настоящая работа, которая выполнялась в соответствии с программой "Научные исследования высшей школы в области производственных технологий" Министерства образования РФ (2000 г.); Государственной научно-технической программой Академии наук Республики Башкортостан "Проблемы машиностроения, конструкционных материалов и технологий" (1999-2002 г.г.); Федеральной целевой программе "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 20002002 годы (ФЦП "Интеграция" по государственному контракту № 28 "Создание совместного учебно-научного центра "Механика многофазных систем в технологиях добычи, транспорта, переработки нефти и газа".

Цель работы. Совершенствование методов расчета и ремонта змеевика печи пиролиза углеводородов как сварной конструкции.

Задачи исследования.

1.Изучение характера распределения механических свойств в различных зонах сварных соединений с различным уровнем накопленных повреждений.

2. Изучение влияния геометрической неоднородности соединения труб и изменения технологических параметров на напряженно-деформированное состояние в сопряжениях.

3. Разработка мероприятий по снижению напряжений в узле приварки труб с различной наработкой.

Научная новизна.

1 .Конечно-элементным методом разработана модель сварного соединения, которая позволила получить распределение напряжений в рабочих условиях и для условий парового выжига кокса с учетом геометрической неоднородности соединения и реального распределения температур. Показано, что в зоне сварного шва реализуются эквивалентные напряжения превышающие условный предел текучести и предел прочности при температуре процесса при сопряжении разнотолщинных труб со смещением их осей.

2.Получено распределение механических характеристик стали 20Х23Н18 в сварном соединении, которое носит экстремальный характер во времени, что связано с изменением фазового состава стали в процессе эксплуатации. При этом показано, что предел прочности на 20%, а коэффициент относительного удлинения и ударная вязкость на порядок ниже аналогичных показателей для основного металла труб.

Практическая значимость работы.

1. Обоснованы предельные геометрические отклонения в сварных соединениях при ремонтных работах, связанные с утонением стенки трубы в процессе эксплуатации для рабочих условий и условий парового выжига кокса.

2. Расчетным путем обоснована температура предварительного разогрева труб змеевика в процессе паровыжига кокса.

3. Конструкция устройства по обеспечению соосности труб с различной толщиной стенки при их сварке переданы для использования в ОАО "У фаоргсинтез".

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на 52-ой и 53-ей научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ в 2001 и 2002 годах; Третей Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования, предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, Уфа, 2002 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 публикациях.

Автор выражает благодарность научному руководителю к.т.н., докторанту Чирковой А.Г., а также Симарчук А.С. и Авдеевой Л.Г. за помощь при выполнении диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Кинев, Сергей Анатольевич

Выводы

Вычислительный эксперимент показал, что в условиях паровыжига кокса эквивалентные напряжения также превышают условный предел текучести и предел прочности материала в рабочих условиях. При этом в худшем положении оказывается более тонкая труба.

Величина напряжений существенно зависит от смещения осей труб в сварном соединении и от температуры предварительного нагрева труб в процессе паровыжига кокса. Необходимо увеличить температуру предварительного разогрева труб до температуры 550 - 600°С и исключить смещение осей сопрягаемых труб. Упруго-пластический анализ показал, что после 10 последовательных паровыжигов кокса происходит разрушение сварного соединения в области ЗТВ со стороны старой трубы.

Предложено устройство, применение которого при ремонте трубчатого змеевика позволит избежать смещение осей сопрягаемых труб в процессе сварки. Чертежи устройства и описание технологии его применения переданы на ОАО «Уфаоргсинтез».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кинев, Сергей Анатольевич, 2003 год

1. Пиролиз углеводородного сырья/Мухина Т.Н., Барабанов Н.Л., Бабаш С.Е. и др. М.: Химия, 1987.- 240 с.

2. Чиркова А.Г. Снижение повреждений в металле труб печей пиролиза в процессе паро-воздушного выжига. -Дисс.канд. техн. наук, 1998.- 157 с.

3. Ентус Н.Р., Шарихин В.В. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М: Химия, 1987.-304 с.

4. Froment G.F. Chem.Eng.Sci., 1981. - v.36, №8, р.1271-1282.

5. Кузеев И.Р., Хайрудинов И.Р., Ибрагимов И.Г. и др. Состав спиралевидных структур при кристаллизации нефтяного углерода на поверхности металла .- Ж.: Химия и технология топлив и масел (ХТТМ).-1984.-№11.-С. 29-30.

6. Кузеев И.Р. Механизм фазового перехода при высокотемпературной переработке тяжелых нефтяных остатков Тезисы докладов Всесоюзной коллоидной школы Уфа, 1985.- С. 101-103.

7. Унгер Ф.Г. Масс- и разноспектральные исследования группового состава и надмолекулярной структуры нефтей и нефтепродуктов. Дисс. на соиск.уч.степ. докт. хим. наук.- Уфа, 1984,- 290 с.

8. Мухаметзянов И.З. Кузеев И.Р., Абызгильдин Ю.М. Иерархия структурной организации в нефтяных системах. Самоорганизующиеся и фрактальные структуры: Сб.научн.трудов. - Уфа: Изд.Уфим.нефт ин-та, 1990.- С.35-54.

9. Хайрудинов И.Р., Кузеев И.Р., Баязитов М.И. и др. Особенности диффузии углерода из нефтяного кокса в металл. ХТТМ, 1986.- №6.- С. 1314.

10. Кузеев И.Р., Баязитов М.И., Куликов Д.В., Чиркова А.Г. Высокотемпературные процессы и аппараты для переработки углеводородного сырья. Уфа: Гилем, 1999. - 325 с.

11. Теснер П.А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы. -М.: Химия, 1972.- 136 с.

12. Барабанов H.JI. Высокотемпературный пиролиз углеводородов. -М.: ЦНИИТЭНенфтехим, 1971. 56 с.

13. Свинухов А.Г. Высокотемпературные процессы пиролиза и гидропиролиза нефтяного сырья. М.: ЦНИИИТЭНефтехим, 1985. - с. 12-23.

14. Баязитов М.И. Дисс. на соиск. уч.степ, канд техн. наук. Уфа, 1998. - 136 с.

15. Краснов В.И. и др. Долговечность змеевика пиролизной печи: Сб. трудов МИХМ. М.: Изд -во МИХМа, 1977. -С.48.

16. Баязитов М.И., Ибрагимов И.Г., Газиев P.P. и др. В сб.: Научно-техническое творчество молодежи в помощь производству- Уфа: Изд.-во Уфим. нефт. ин-та, 1986.- С.67.

17. Баязитов М.И., Кузеев И.Р. О механизме коксообразования на внутренней поверхности печных труб. В сб.: Нефть и газ. - Уфа: Изд -во УГНТУ, 1996.

18. Баязитов М.И. Оценка поврежденности печных труб в условиях эксплуатации- В сб.: Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий. Уфа: Изд-во УГНТУ, 1997. - С.203-210.

19. Мухин В.Н., Ватник JT.E. Лавров А.И. и др. Длительная прочность стали 15Х5М после длительной эксплуатации в трубчатых печах нефтеперерабатывающих установок. Проблемы прочности, 1983,- №5.-С.76-81.

20. Авдеева Л.Г., Чиркова А.Г. О влиянии коксоотложения и паровоздушного способа очистки на структуру стали труб пирозмеевиков.-Проблемы нефти и газа.-Уфа, 2001.- С.291.

21. Авдеева Л.Г., Чиркова А.Г. Причины появления магнитных свойств у парамагнитной стали 20Х23Н18,- Промышленная экология: Материалы специализированной конференции и семинара (г.Уфа, 30-31 января 2002 г.).-Уфа, 2002.- С.66.

22. Авдеева Л.Г., Чиркова А.Г. Изменение механических свойств стали 20Х23Н18 в процессе эксплуатации,- Промышленная и технологическая безопасность: проблемы и перспективы: Сб.науч. тр.- Уфа, 2002.- С. 105-109.

23. Авдеева Л.Г., Чиркова А.Г. Структура стали 20Х23Н18 после эксплуатации.

24. Авдеева Л.Г., Чиркова А.Г. Определение мультифрактальных характеристик стали 20Х23Н18 до и после эксплуатации.- 53-я конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ. Уфа, 2002.- С.8.

25. Авдеева Л.Г. Зависимость фрактальной размерности и механических характеристик стали 20Х23Н18.- 53-я конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ. Уфа, 2002.- С.6.

26. Зависимость между фрактальной размерностью и ударной вязкостью стали 20Х23Н18. 53-я конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ. - Уфа, 2002.- С.7.

27. Балина B.C., Ланин А.А. Прочность и долговечность конструкций при ползучести. СП б.: Политехника, 1995.- 182 с.

28. Казанцев А.Г. Малоцикловая усталость при сложном термомеханическом нагружении. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001.248 с.

29. Паршин A.M., Тихонов А.Н., Бондаренко Г.Г., Кириллов Н.Б. Радиационная повреждаемость и свойства сплавов. СП б: Изд-во «Политехника», 1995.

30. Паршин A.M. Структура, прочность и радиационная повреждаемость коррозионно-стойких сталей и сплавов. Челябинск: Металлургия, 1988. - 656 с.

31. Паршин A.M., Тихонов А.Н., Бондаренко Г.Г., Криворук М.И. Предотвращение преждевременных разрушений формированием определенной структуры металла. Металлы, №5, 1999. - С. 87-92.

32. Авдеева Л.Г. Изменение структуры и механических свойств аустенитной стали 20Х23Н18 в условиях пиролиза углеводородов. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - Уфа, 2003.

33. Иванова B.C., Курзина Е.Г. Мультифрактальная параметризация микроструктуры немагнитных сталей Mn-Ni-Cu-V после старения с целью выявления синергизма легирования. Металлы, №2, 1999. - С.59-67.

34. Хромченко Ф.А. Ресурс сварных соединений паропроводов. М.: Машиностроение, 2002. - 352 с.

35. Зайнуллин Р.С., Бакши О.А., Абдуллин Р.С., Вахитов А.Г. Ресурс нефтехимического оборудования с механической неоднородностью. М.: Недра, 1998.-268 с.

36. Стеклов О.И. Прочность сварных конструкций в агрессивных средах. М.: Машиностроение, 1976. - 200 с.

37. Шахматов М.В., Ерофеев В.В. Инженерные расчеты сварных оболочковых конструкций. Челябинск: Изд-во ЧГТУ, 1995. - 229 с.

38. Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и деформации конструкций. М.: Высшая школа, 1982.-272 с.

39. Зайнуллин Р.С. Обеспечение работоспособности оборудования в условиях механохимической повреждаемости.- Серия «Механика катастроф». Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 1997. - 426 с.

40. Зайнуллин Р.С. Кинетика механо-химического разрушения. Сосуды и трубопроводы, работающие под давлением. Основы расчета остаточного ресурса. Уфа: Баштехинформ, 1996. - 438 с.

41. Копельман JI.A. Сопротивляемость сварных узлов хрупкому разрушению. Л.: Машиностроение, 1978. - 232 с.

42. Захаров Н.М., Евдокимов Г.И., Кузеев И.Р. Обеспечение работоспособности оболочковых конструкций. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2002. -237 с.

43. Абдуллин Р.С. Повышение и оценка ресурса нефтегазохимического оборудования с механической неоднородностью. -Автореф. дисс. на соиск. уч. степ, докт техн. наук. Уфа: УГНТУ, 2000.

44. Щипачев A.M. Прогнозирование характеристик усталостной прочности металлов с учетом модифицированных поверхностных слоев. -Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. Уфа, 2000.

45. Хромченко Ф.А. Федосеенко А.В., Лаппа В.А. Оценка остаточного ресурса длительно эксплуатирующихся сварных соединений паропроводов. -Теплоэнергетика, 1995.- №4.- С. 12-16.

46. Медовар Б.И. Сварка жаропрочных аустенитных сталей и сплавов. -М.: Машиностроение, 1966. 430 с.

47. Бакиев А.В. Технологическое обеспечение качества функционирования нефтегазопромыслового оборудвания оболочкового типа. — Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн наук.- М.: 1984.

48. Бакиев А.В. Конструктивная прочность сварной нефтехимической аппаратуры со смещенными кромками. Нефть и газ, 1981, №8, с.84-88.

49. Бакиев А.В. Технология аппаратостроения: Учебное пособие. -Уфа: Изд-во УГНТУ, 1995. 297 с.

50. Ризванов Р.Г. Обеспечение качества оболочковых конструкций повышением точности изготовления и сборки базовых деталей. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. - Уфа, 2002.

51. Инсафутдинов А.Ф. Повышение качества изготовления кожухотрубчатой теплообменной аппаратуры совершенствованием методов и средств контроля формы и размеров базовых деталей. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - Уфа, 2002.

52. Канторович З.Б. Основы расчета химических машин и аппаратов. -М.: Машгиз, 1960.-744 с.

53. Соколов В.И. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств,- 2-е изд., доп. и перераб. М.: Колос, 1992. -399 с.

54. Васенев А.Д., Поникаров С.И., Николаев Н.А. Расчет и конструирование оборудования пищевых и химических производств: Учеб.пособие. Изд. 2-е, перераб. и доп. - Казань: «Печатный Двор», 2002. - 200 с.

55. Химушин Ф.Ф. Нержавеющие стали. М.: Металлургия, 1967.798 с.

56. Гудремон Э. Специальные стали. Том 1.- М.: Металлургия, 1966.736 с.

57. Зенкевич О Метод конечных элементов в технике . М.: Мир, 1975. -511 с.

58. Ботенкова Л.Г., Капустина С.А., Яблонко JI.C. Изопараметрический сдвиговой элемент для анализа оболочек общего вида. Прикладные проблемы прочности и пластичности. Методы решения задач упругости и пластичности. Горький, 1986. - С.61-70.

59. Голованов А.И. Универсальный конечный элемент тонкой оболочки. Исследования по теории оболочек: Труды семинара. Вып. 25. -Казань: Казанский физ.-техн. ин-т КНЦ АН СССР, 1990. - С.66-83.

60. Оразцов И.Ф., Савельев JI.M., Хазанов Х.С. Метод конечных элементов в задачах строительной механики летательных аппаратов. М.: Высшая школа, 1985. - 392 с.

61. Олсон М.Д. Исследование произвольных оболочек с помощью пологих оболочечных элементов. Тонкостенные оболочечные конструкции. Теория, эксперимент, проектирование. - М.: Машиностроение, 1980. - С.409-437.

62. Сахаров А.С., Киричевский В.В., Кислоокий В.Н. Метод конечных элементов в механике твердых тел. К.: Вища школа, 1982. - 480 с.

63. СтренгГ., Стренг Д. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977.-350 с.

64. Корнишин М.С., Якупов Н.М. Сплайновый вариант метода конечных элементов для расчета оболочек сложной геометрии. Прикладная механика, 1987.-т.23.-№3.- с.38-44.

65. Якупов Н.М., Серазутдинов М. Н. Расчет упругих тонкостенных конструкций сложной геометрии. Казань: ИММ РАН, 1993.- 208 с.

66. Полонский Я.А., Ватник JI.E. Исследование факторов надежной эксплуатации реакционных печных труб из стали типа НК-40. -Нефтепереработка и нефтехимия, 1995.- №3.- С.31-34.

67. Волосевич П.Ю., Гиржон В.В., Данильченко В.Е. Влияние многократных у = а переходрв на структуру железоникелевых сплавов. -Металловедение и термическая обработка металлов, 1990.- №11.- С.5 -7.

68. Захаров М.Н., Лукьянов В.А. Прочность сосудов и трубопроводов с дефектами стенок в нефтегазовых производствах.- М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2000. 216 с.

69. Илюшин А.А. Пластичность. М.: Изд-во АН СССР, 1962.

70. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969.

71. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975. - 400 с.

72. Мавлютов P.P. Концентрация напряжений в элементах конструкций. М.: Наука, 1996. - 240 с.

73. Биргер И.А. Метод дополнительных деформаций в задачах теории пластичности.- Изв. АН СССР, ОТН, Механика и машиностроение, 1963.-№1.

74. Металлография железа. Том 2. Структура сталей ( с атласом микрофотографий).- М.: Металлургия, 1972. 284 с.

75. Металлография железа. Том 3. Кристаллизация и деформация сталей ( с атласом микрофотографий ). М.: Металлургия, 1972. - 236 с.

76. Жаропрочность сварных соединений. Земзин B.H.-JL: Машиностоение, 1972. 272 с.

77. Чернышева Т.А. Границы зерен в металлах сварных соединений. -М.: Наука, 1986. 126 с.

78. Грабин В.Ф., Денисенко А.В. Металловедение сварки низко- и среднелегированных сталей. К.: Наукова думка, 1978. - 276 с.

79. Крутасова Е.И. Надежность металла энергетического оборудования. М.: Энергоиздат, 1981. - 240 с.

80. Земзин В.Н. Жаропрочность сварных соединений. Л.: Машиностроение, 1972 . - 272 с.