Снижение повреждений в металле труб печей пиролиза в процессе паро-воздушного выжига тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.09, кандидат технических наук Чиркова, Алена Геннадиевна

• Чиркова, Алена Геннадиевна
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чиркова, Алена Геннадиевна

Содержание

С.

Введение Ч

Глава 1 Эксплуатационная надежность печей

1.1 Технологические особенности процесса пиролиза

1.2 Описание конструкций печей пиролиза <?

1.3 Основные показатели надежности 1 £

1.4 Методы расчета надежности 2 Ч

1.5 Расчет показателей надежности 2

1.6 Комплексные показатели надежности 32.

1.7 Расчет вероятности безотказной работы печи 3

Глава 2 Накопление повреждений в змеевике печей пиролиза Ц ^

2.1 Анализ условий эксплуатации печей с выявлением характерных дефектов Ч{

2.2 Методы исследования металла труб

2.3 Методика определения физико-механических свойств металла труб и их кристаллической структуры

Глава 3 Методика расчета напряжений, возникающих в трубе змеевика печи пиролиза при проведении паро-воздушного выжига Ю

3.1 Расчет напряжений в трубе по схеме сопряжения двух цилиндров со скачкообразным изменением температуры $О

3.2 Расчет напряжений в трубе с учетом длины локального перегрева &&

3.3 Определение напряженно-деформированного состояния труб в условиях паровыжига по схеме сопряжения цилиндра и сферы

3.4 Определение времени действия локальных напряжений

при проведении паро-воздушного выжига i07

3.5 Определение разрушающих напряжений и долговечности 4Н

Глава 4 Анализ причин намагничивания немагнитной стали

20Х23Н18 в процессе накопления повреждений и разработка

метода раннего диагностирования ИЬ

4.1 Сравнительное изучение магнитных свойств и микроструктуры различных зон деформирования печной трубы -/-/5" Общие выводы ^^

Список использованных источников Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Снижение повреждений в металле труб печей пиролиза в процессе паро-воздушного выжига»

Введение

Трубчатые нагревательные и реакционные печи, в частности печи пиролиза, являются одними из основных энергетических агрегатов на технологических установках нефтепереработки и нефтехимии.

Печи, также как и другое технологическое оборудование заводов Башкирии имеют длительный срок эксплуатации, доходящий до 30-40 лет, моральный и физический износ которых составляет 80-90%.

Объектом исследования являются печи пиролиза, эксплуатируемые в достаточно жестких условиях: высоких температур (800-900 °С) и давления. Наиболее ответственным элементом печи является трубчатый змеевик, который изготавливается из жаропрочных сталей (сталь 20Х23Н18). Особенностью эксплуатации печей пиролиза являются высокие температуры, что обусловливает интенсивное коксоотложение на внутренней поверхности труб. Неравномерное отложение кокса ведет к неравномерному перегреву труб змеевика с образованием локальных участков перегрева. Причем удаление кокса производится паро-воздушным выжигом с периодичностью 2 раза в месяц, который также сопровождается повышением температуры стенки трубы до 1100 °С. Нестабильный режим работы установок, несоблюдение режима пуска и остановки, неполный и некачественный ремонт, интенсивное коксоотложение и последующий паро-воздушный выжиг влекут за собой возникновение дефектов труб, которые не выявляются на ранних стадиях их зарождения и не обнаруживаются современными методами диагностики. Отсутствуют также и методы расчета напряжений, возникающие в змеевике в процессе эксплуатации и паро-воздушного выжига (паровыжиг).

Высокая стоимость материалов змеевика, а также частые простои снижают экономическую эффективность всего процесса. Поэтому существует необходимость в разработке методов раннего обнаружения дефектов трубчатого змеевика на основе изучения изменения структуры и

физико-механических свойств сталей после длительной эксплуатации и математических методов расчета напряжений, которые возникают при эксплуатации и паро-воздушном выжиге.

Поскольку затраты на ремонтные работы существенно влияют на формирование себестоимости товарных продуктов, экономически выгодно целенаправленно выявлять причины возникновения дефектов. Но на современном этапе отсутствуют специальные методы предотвращения отказов труб змеевиков печей пиролиза, целенаправленное использование обоснованных методов анализа причин возникновения дефектов на производстве, простые в эксплуатации приборы для раннего обнаружения дефектов.

Основной целью диссертационной работы является разработка системы выявления дефектов и причин их возникновения для раннего диагностирования труб змеевиков печей пиролиза.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе ставятся и решаются следующие задачи:

а) оценить надежность элементов змеевиков печей пиролиза и классифицировать возникающие дефекты;

б) провести анализ изменения физико-механических свойств жаропрочных материалов трубчатого змеевика в процессе эксплуатации;

в) разработать методы оценки напряженного состояния труб в процессе паровыжига, влекущего за собой образование дефектов типа трещин, и проверить адекватность расчетных схем полученным экспериментальным данным;

г) разработать способ раннего диагностирования дефектов труб змеевиков на основе изменения структуры материала.

Для решения поставленных задач были впервые предложены три расчетные схемы оценки напряженно-деформированного состояния трубы в зоне горения кокса в процессе паровыжига, первая и третья из которых согласуются с эксплуатационными данными; был обнаружен эффект

локального намагничивания высоколегированной стали печной трубы на ранних стадиях накопления повреждений, который можно использовать при диагностировании змеевиков печей пиролиза; впервые обнаружен эффект экстремального изменения физико-механических свойств материала печных труб при наработке 15-16 тыс.часов; разработан прибор «Локализатор» для обнаружения локальных участков намагничивания.

Работа выполнена на комплексной кафедре «Машины и аппараты химических производств» Уфимского государственного нефтяного технического университета под руководством доктора технических наук профессора Кузеева И.Р., которому автор выражает искреннюю благодарность.

Автор выражает глубокую признательность кандидатам технических наук, доцентам Тукаевой Р.Б. и Хусниярову М.Х., доктору технических наук Ибрагимову И.Г. и старшему преподавателю Баязитову М.И. за критическое обсуждение результатов исследований и помощь при их осуществлении. Автор также благодарен дипломникам Яровикову А., Саитову А., Ченборисову Р., Насырову В., Тарасовой Л.

Заключение диссертации по теме «Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств», Чиркова, Алена Геннадиевна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведено комплексное изучение причин возникновения дефектов в трубах змеевиков печей пиролиза, которое включает оценку надежности элементов змеевиков, классификацию дефектов, определение закономерностей изменения физико-механических свойств металла в рабочих условиях процесса пиролиза, анализ напряженного состояния в экстремальных условиях локального горения кокса, изучение металлографических характеристик образцов металла труб. Это позволило выявить основные факторы, приводящие к катастрофическому накоплению повреждений: ползучесть с возникновением системы пор, усталость от циклически проводимых паровыжигов кокса, изменение фазового состава металла за счет интенсивных внутренних и внешних диффузионных процессов.

2. Оценка стандартных параметров надежности элементов трубчатого змеевика позволяет сделать вывод о нерациональности проектных разработок, поскольку наработка на отказ элементов печи изменяется в широких пределах от 250 до 2500 суток. При проектировании пиролизных печей не были учтены такие факторы как отложение кокса, диффузия углерода в металл труб, выжиг кокса и характер изменения напряженно-деформированного состояния системы в пространстве и времени.

3. Изучение металла труб змеевиков печей пиролиза АО "Уфаоргсинтез" (выборка сделана из 10 змеевиков), проработавших в рабочих условиях различное время, позволило обнаружить экстремальный характер изменения основных механических характеристик металла (ав, ат, \|/, 8). Экстремумы приурочены к наработке 15,6 тыс.часов. Это позволяет перераспределить объем контроля труб змеевика и увеличить его при достижении времени эксплуатации 9,8-15 тыс.часов и рекомендовать предусмотреть смягчение условий проведения паро-воздушного выжига в период наработки от 15 до 17 тыс.часов.

4. Рассмотрены три модели деформирования зоны горения кокса, которые основаны на аппроксимации геометрических характеристик трубы в зоне горения сопрягающимися короткими цилиндрическими оболочками со скачкообразным изменением температуры, цилиндрической и конической оболочками с учетом длины локального перегрева, цилиндрической оболочкой и сферическим поясом. Сравнение результатов расчета с реальными характеристиками работы змеевика, например, наработкой на отказ, позволяет рекомендовать как наиболее адекватные первую и третью модели. Оценка действующих напряжений и параметров роста трещин, позволяет разработать методику расчета долговечности печных труб.

5. Обнаружен ранее неизвестный для стали 20Х23Н18 механизм возникновения зон намагниченности, приуроченных к местам интенсивного накопления повреждений. Металлографический и рентгеноструктурный анализ металла труб позволил выявить процессы диффузионного перераспределения элементов, приводящие к изменению фазового состава стали, в частности, к возникновению с-фазы, обладающей магнитными свойствами, ее развитию и накоплению в ней повреждений в виде пор. Фазовый состав стали, ее механические свойства изменяются также в результате диффузии углерода из зоны контакта "кокс-металл" вглубь по толщине трубы.

6. Возникновение зон намагниченности в металле печных труб, сопряженных с местами интенсивного трещинообразования, позволяет с высокой точностью обнаружить зоны зарождения трещин на ранних стадиях этого процесса. Разработан прибор "Локализатор", основанный на указанном эффекте И методе взаимоиндукции для диагностики состояния печных труб. Прибор испытан и передан для использования на АО "Уфаоргсинтез".

7. Материалы диссертационной работы используются при чтении курса лекций по предмету "Повреждение материалов в конструкциях" для специализации 17.05.01 "Машины и аппараты химических производств".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чиркова, Алена Геннадиевна, 1998 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Гуревич И.Л. Технология переработки нефти и газа,- М.: химия, 1972.-360 с.

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

3. Печи химической промышленности (ЛенНИИхиммаш. Труды № 6).-Л.: Машиностроение, 1971,- 136 с.

4. Смидович Е.В. Технология переработки нефти и газа,- М.: Химия, 1980.-328 с.

5. Степанов A.B. Производство низших олефинов,- Киев: Наукова думка, 1978.- 232 с.

6. Оценка предельной несущей способности тела с трещиной и определение температур хрупко-вязкого перехода в металлах/А.Я. Красовский, В.Н. Красико, В.М. Тороп, И.В. Орыняк//Пробл.прочности.-1987,-№ 12,-С. 8-13.

7. Орыняк И.В., Тороп В.М. Взаимосвязь критических температур хрупкости с механическими свойствами и трещиностойкостью сталей//Там же, 1989,-№3,-С. 35-40.

8. Иванов А.Г. Две возможные причины хрупких разрушений//Докл. АН СССР.- 1988,- № 2,- С. 354-357.

9. Марочник сталей и сплавов/В.Г. Сорокин, A.B. Волосникова и др.; Под.общ. ред. В.Г. Сорокина.- М.: Машиностроение, 1989,- 640 с.

10. Дьяков В.Г. и др. Эксплуатация материалов в углеводородных средах печей пиролиза/В.Г. Дьяков, Н.М. Левтонова, Ю.С. Медведев,- М,-ЦНИИТЭнефтехим, 1983,- 53 е.: ил.

11. Барабанов Н.Л. Высокотемпературный пиролиз углеводородов,-М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1971,- 56 е.: ил.

12. Вольфсон С.И. Паро-воздушный способ удаления кокса из печей нефтеперерабатывающих заводов,- Гостехиздат, 1946,- 150 с.

13. Берлин М.А. Износ основных элементов трубчатых печей,- М.: Недра, 1964,- 325 с.

14. Гудков A.A. Трещиностойкость,- М.: Металлургия, 1989,- 326 с.

15. Гусев A.C. Сопротивление усталости и живучесть конструкций при случайных нагрузках,- М.: Машиностроение, 1989,- 248 с.

16. Хеллан К. Введение в механику разрушения/Пер. с англ.- М.: Мир, 1988.- 324 с.

17. Маркочев В.М., Морозов Е.М. О критериях достоверности экспериментального определения вязкости разрушения//Физ.хим. Механика материалов, 1976,- № 12,- С. 21-23.

18. Аронсон А Я. Оценка влияния на скорость роста трещин/Проблемы прочности,- 1989,- № 4,- С. 25.

20. Нешпор Г.С., Гусев В.П. и др. Влияние толщины образца на характеристики трещиностойкости сплава//Проблемы прочности,- 1989,- № 8.-С. 29.

21. Гесенков А.П., Нахапетян Е.Г. Методы и средства обеспечения надежности машин,- М.: Наука, 1993.- 237 с.

22. Балина B.C., Панин A.A. Прочность и долговечность конструкций при ползучести.- М.: Политехника, 1995,- 179 с.

23. Балина B.C., Консон Е.Д. Прочность, долговечность и трещиностойкость конструкций при циклическом нагружении,- СПб: Политехника, 1994,- 215 с.

24. Махутов H.A., Бурак М.И. и др. Механика малоциклового разрушения,- М.: Наука, 1986,- 264 с.

25. Херцберг Р.В. Деформация и механика разрушения конструкционных материалов,- М.: металлургия, 1989,- 575 с.

26. Надежность и прочность технических систем / Сборник статей.-Киев: Наукова думка, 1976,- 168 с.

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

28. Зубова А.Ф. Надежность машин и аппаратов химических производств,- Л.: Машиностроение, 1971.- 184 с.

29. Проников A.C. Надежность машин.- М.: Машиностроение, 1978,592 с

30. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности,- М.: Наука, 1965,- 524 с.

31. Дьяков В.Г. и др. Эксплуатация материалов в углеводородных средах печей пиролиза,- М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1983,- 53 с.

32. Свинухов А.Г. Высокотемпературные процессы пиролиза и гидропиролиза нефтяного сырья,- М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1985,- 36 с.

33. Барабанов Н.Л. Высокотемпературный пиролиз углеводородов.-М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1979,- 71 с.

34. Надежность технических систем. Справочник / Под ред. Ушакова И.А.- М.: Радио и связь, 1985,- 606 с.

35. Шор Я.Б., Кузьмин Ф.И. Таблицы для анализа и контроля надежности,- М.: Советское радио, 1968.- 284 с.

36. Барлоу Р., Прошан Ф. Статистическая теория надежности и испытания на безотказность / Пер. с анг. Ушакова И.А,- М.: Наука, 1985,582 с.

37. Вопросы математической теории надежности / Под ред. Гнеденко Б.В.- М.: Радио и связь, 1983.- 156 с.

38. Капур И., Ламберсон Л. Надежность и прочность систем / под ред. Ушакова И.А.- М.: Мир, 1980,- 60 с.

39. О надежности сложных технических систем,- М.: Сов. радио, 1966,- 130 с. .

40. Сырицын Т.А. Надежность гидро- и пневмопривода,- М.: Машиностроение, 1981,- 216 с.

41. Оптимальные задачи надежности / Под ред. Ушакова И.А,- М.: Стандарты, 1968,- 284 с.

42. Основные вопросы теории и практики надежности,- М.: Сов. радио, 1975.-216 с.

43. Павлов И.В. Доверительная оценка показателей надежности сложных систем.- М.: Знание, 1979,- 486 с.

44. Чецурин Е.В. Статистический анализ восстанавливаемых систем.-М.: Знание, 1983.- 356 с.

45. Тезкин О.В. Оценка надежности систем на этапе эксплуатационной обработки.- М.: Знание, 1981,- 284 с.

46. Ушаков И.А. Инженерные методы расчета надежности,- М.: Знание, 1970,- 196 с.

47. Трейер В.Н. Теория долговечности и надежности машин,- Минск: Наука и техника, 1964,- 242 с.

48. Болотин В.В. Некоторые математические и экспериментальные модели разрушения,- Проблемы прочности, 1971, № 2

49. Гнеденко Б.В. О статистических методах и теории надежности.-М.: МАТИ, 1969,- 129 с.

50. Елизаветин М.А. Повышение надежности машин,- М.: Машиностроение, 1973,- 432 с.

51. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений,- М.: Наука, 1969,-512 с.

52. Червонный A.A., Лукъященко В.И., Котин Л.В. Надежность сложных систем,- М.: Машиностроение, 1976,- 288 с.

53. Надежность и долговечность машин и оборудования. Опыт и теоретические исследования / Под ред. Пронникова A.C.- М.: Изд-во стандартов, 1972,- 316 с.

54. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки,- М.: Химия, 1979,- 568 с.

55. Методические указания. Расчеты прочности элементов конструкций при малоцикловом нагружении/Проблемы прочности, долговечности и надежности продукции машиностроения,- Москва, 1987.42 с.

56. Кузеев И.Р. Совершенствование технологии и повышение долговечности реакционных аппаратов термодеструктивных процессов переработки углеводородного сырья/Диссертация на соиск. Уч.ст.док,- Уфа: УНИ, 1987.

57. Краснов В.И. и др. Долговечность змеевика пиролизной печи,- М.: МИХМ, 1977,- 48 с.

58. Канторович З.Б. Основы расчета химических машин и аппаратов.-М.: МАШГИЗ, i960,- 740 с.

59. Структура и физико-механические свойства немагнитных сталей.-М.: Наука, 1986.-208 с.

60. Малоцикловая прочность оболочковых конструкций/А.П.Гусенков, Г.М.Москвитин, В.Н.Хорошилов,- М.: Наука, 1989.-254 с.

61. Махутов H.A., Алымов В.Т., Бармас В.Ю. Инженерные методы оценки и продления ресурса сложных технических систем по критериям механики разрушения/Заводская лаборатория, 1997,- № 6, т.63.

62. Гудермон Э. Специальные стали,- Т. 1, 2,- М.: Металлургия, 1966.

63. Геллер Ю.А., Рахитадт. Материаловедение. Методы анализа.- 6-е изд., перераб. и доп.- М.: Металлургия, 1989,- 456 с.

64. Приборы для неразрушающего контроля материалов изделий/Справочник. Под ред.д.т.н. проф.В.В. Клюева.- М.: Машиностроение, 1976,- 326 с.

65. Структура металлов и свойств/Под ред. к.т.н. M.JI. Бернштейна.-М.: Металлургия, 1957,- 241 с.

66. Михеев М.Н., Горкунов Э.С. Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего контроля,- М.: Наука, 1993,- 252 с.

67. Михеев М.Н. Магнитный метод контроля твердости и микроструктуры стальных труб/Заводская лаборатория, 1938,- № 7,- С. 1155.

68. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография,- М.: Металлургия, 1971,- С. 23, 205-212.

69. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. Я.С. Уманский, Ю.А. Скаков, А.Н. Иванов, Л.Н. Расторгуев,- М.: Металлургия, 1982,-С. 192-205.

70. Методы контроля и исследования легких сплавов/Справочник A.M. Васерман, В.А. Данилина, О.С. Коробов и др.- М.: Металлургия, 1985,- С. 192-195.

71. H.Riedel. Cavity nucleation at particles on sliding grain boundaries. A sear crack model for grain boundaries sliding in creeping polycrystals. / Acta Met. 1984,- V.32.- №3,- P. 313-321.

72. Saegusa, M.Uemura, J.R. Weerman. Grain boundary void nucleation in astroloy produced by room temperature deformation and anneal // Met. Trans., 1980,- V. 11A.-N8.-P. 1453-1458.

73. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи: Учеб. пособие для студентов втузов/М.Ф. Михалев, Н.П. Третьяков, А.И. Мильченко, В.В. Зобнин/Под общ.ред. М.Ф. михалева,- Л.: Машиностроение, 1984,- 301 с.

74. Пономарев С.Д. и др. Расчеты на прочность в машиностроении. Т.1-3,- М.: Машгиз, 1956,- 884 е.; 1958.-974 е.; 1959,- 1118 с.

75. Закономерности ползучести и длительной прочности. Справочник/Под общ.ред. С.А. Шестерникова.- М.: машиностроение, 1983.101 с.

76. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник. 2-е издание/ П.И. Полухин, Г.Я. Гун, A.M. Галкин,- М.: Металлургия, 1983,- 352 с.

77. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение/Пер. с англ.- М.: Мир, 1984,- 624 с.

78. Иванова B.C. и др. Синергетика и фракталы в материаловедении/В. С. Иванова, A.C. Баланкин, И.Ж. Бунин, A.A. Оксогоев,- М.: Наука, 1994,- 383 с.

79. Закирничная М.М.,Чиркова А.Г., Кузеев И.Р. Изменение структуры и свойств металла труб змеевиков печей пиролиза в процессе эксплуатации. Нефть и газ,- Тюмень, 1998,- № 2,- С. 87-92.

80. Закирничная М.М. Анализ фуллеренновых структур в углеродистых сплавах на основе железа/ Диссертация на соиск. уч.ст.к.т.н,-Москва, 1997.

А. Образец сбора данных об отказах, времени ремонта и расчета наработок на отказ элементов печи

Б. Результаты рентгеноструктурного анализа

</5 9