Технология конструктивных элементов нефтехимического оборудования из стали 15Х5М тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.09, кандидат технических наук Халимов, Айрат Андалисович

• Халимов, Айрат Андалисович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Халимов, Айрат Андалисович

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение

1. Проблема обеспечения работоспособности элементов нефтехимического оборудования из стали 15Х5М

1.1. Повреждения конструктивных элементов нефтехимического оборудования из стали 15Х5М

1.2. Особенности технологии ремонта элементов оборудования из

стали 15Х5М с коррозионно-механическими повреждениями

1.3. Роль механической неоднородности в работоспособности конструктивных элементов оборудования из стали 15Х5М

1.4. Цель и задачи исследования

2. Исследование термомеханических напряжений при ремонте сосудов и трубопроводов, работающих под давлением

2.1. Остаточные напряжения в механически однородных элементах

2.2. Влияние механической неоднородности на характер распределения остаточных напряжений

2.3. Влияние структурных превращений на остаточные напряжения

2.4. Выводы по главе 2

3. Исследование технологической и эксплуатационной трещиностойкости конструктивных элементов из стали 15Х5М

3.1. Образцы для оценки трещиностойкости

3.2. Определение трещиностойкости основного металла, зоны термического влияния и металла шва

3.3. Выводы по главе 3

стр.

4. Исследование предельных нагрузок элементов действующего

нефтехимического оборудования из стали 15Х5М при ремонте

4.1. Несущая способность элементов нефтехимического оборудования из стали 15Х5М при ремонте

4.2. Ремонтная полуавтоматическая сварка в среде защитных газов

4.3. Оценка предельных нагрузок при ремонте сваркой и эксплуатации по критериям механической неоднородности

4.4. Выводы по главе 4

Выводы и рекомендации по работе

Литература

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология конструктивных элементов нефтехимического оборудования из стали 15Х5М»

ВВЕДЕНИЕ

Для изготовления конструктивных элементов трубчатых печей и аппаратуры различных установок высокотемпературной подготовки нефти и газа, переработки нефти и нефтехимии, приемлемым по своим физико-механическим и химическим характеристикам являются жаропрочные хромомолибденовые стали. Имея сравнительно низкую стоимость, высокую теплопроводность, малый коэффициент линейного расширения и хорошую релаксационную способность, они обладают достаточно высокой стойкостью в рабочих средах, коррозионная активность которых прежде всего обусловлена наличием водорода, сероводорода и растворов хлоридов.

Склонность к закалке даже в условиях сварки с подогревом до 350-400 °С вызывает весьма серьезные затруднения при изготовлении и ремонте элементов нефтехимического оборудования и трубопроводов из жаропрочной стали 15Х5М. Наличие хрупких, с пониженной трещиностойкостью, участков металла с неравновесной мартенситной структурой связано с вероятностью возникновения отказов непосредственно в процессе ремонтной сварки или термической их обработки, при сборке трубных узлов или гидравлических испытаниях, а также в процессе пуска технологических установок.

Общепринятыми технологическими приемами обеспечения технологической прочности в процессе изготовления изделий из хромомолибденовых сталей является применение предварительного и сопутствующего подогрева до 350-400 °С или использование высоконикелевых электродов аустенитного класса. Получение качественных однородных соединений требует применения дорогостоящей технологии предварительной и последующей высокотемпературной термической обработки со строгим соблюдением температурно-временных параметров операций термической обработки, что в условиях ремонта трудно осуществимо.

Повышение надежности конструктивных элементов технологического оборудования и трубопроводов является актуальной и важной задачей. Технологическое оборудование и трубопроводы являются сложными, наиболее напряженными и ответственными конструкциями. Аварии на них, особенно конструкций эксплуатируемых при повышенных температурах, приводят к большим потерям продукта, к загрязнению окружающей среды, а в некоторых случаях и к перебоям работы установок нефтепереработки и нефтехимии. Обнаружение и своевременное устранение повреждений и дефектов, выявленных на технологических трубопроводах в процессе их эксплуатации предотвращает аварийные отказы.

Одним из ведущих технологических процессов при ремонте технологических трубопроводов является ручная электродуговая сварка. При этом наиболее экономически выгодным и экологически благоприятным является выполнение ремонтно-восстановительных работ на действующем оборудовании под давлением продукта. За счет этого повышается производительность ремонтных работ, не происходит сокращение объема переработки, исключаются потери продукта и увеличивается срок службы оборудования и трубопроводов.

Данная работа посвящена разработке и обоснованию качественной и безопасной технологии ремонта механических и коррозионных повреждений металла конструктивных элементов действующего технологического оборудования и трубопроводов из жаропрочной стали 15Х5М под давлением рабочей среды.

1. ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕЙСТВУЮЩЕГО НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ИЗ СТАЛИ 15Х5М

1.1. Повреждения конструктивных элементов нефтехимического

оборудования из стали 15Х5М

Промышленно широко освоенные стали типа 15Х5М (1Х2М1, 15Х5М-У, 15Х5ВФ, 12Х8ВФ, Х9М) выгодно отличаются от высоколегированных аусте-нитных сталей более низкой стоимостью, лучшей деформируемостью в горячем состоянии и обрабатываемостью резанием, более высокой теплопроводностью и меньшим температурным коэффициентом линейного расширения, большей релаксационной способностью и возможностью изменения механических свойств в широких пределах посредством термической обработки. Они работают в тяжелых условиях эксплуатации одновременного воздействия высоких температур, давлений и рабочих сред, коррозионная активность которых обусловлена наличием водорода, растворами хлоридов и сероводорода. Так, трубы печных змеевиков изнутри подвержены коррозионному воздействию рабочих сред, а снаружи огневому обогреву углеводородных окислительных газов [137].

Однако при термической резке и сварке небольшая скорость распада хромистого аустенита, вызывающая склонность к закалке и фазовые превращения мартенситного характера, существенно усложняет технологический процесс изготовления сварных конструкций. Наличие хрупких, с пониженной трещино-стойкостью участков металла с неравновесной мартенситной структурой (твердых прослоек) может привести к возникновению трещин в процессе сварки, к разрушениям при сборке узлов или гидравлических испытаниях, в процессе монтажа, пуска и длительной эксплуатации технологического оборудования.

Наиболее подвержены образованию трещин при сварке сварные соединения, выполненные однородными (типа Э-10Х5МФ) перлитными электродами.

При этом металл шва и околошовной зоны имеет значительно более высокую твердость, чем основной металл. Наибольшую твердость до 380-409 HV имеют околошовные зоны по линии сплавления, и структура этих участков наиболее крупноигольчатая троститомартенситовая (рис. 1.1, в). Склонность к закалке и фазовые превращения мартенситного характера не устраняются даже при сварке с подогревом до 350-450 °С. Наличие таких широких участков с высокой твердостью и возникающие остаточные сварочные напряжения в локальных микрообъемах свежезакаленной структуры вызывают необходимость проведения незамедлительной термической обработки. При сварке толстостенных трубопроводов термообработка должна проводится сразу после окончания сварки [42-44].

Анализ фактического материала по разрушенным однородным соединениям позволяет определить причины растрескивания и преждевременного разрушения, которые сводятся в основном к несоблюдению непрерывного цикла "сварка - термообработка" и некачественной термообработке.

Так, например, отсутствие надлежащей термообработки после сварки явилось причиной аварийных разрушений трубопроводов из стали 15Х5М на ряде нефтеперерабатывающих заводов с пропуском рабочей среды в печное пространство. Такие пропуски привели к взрыву печи с трагическими последствиями. На рис. 1.2, представлены результаты выполненных нами исследований разрушенного сварного стыка печного змеевика диаметром 325x9 мм из стали марки 12СгМо20,5 (отечественный аналог сталь 15Х5М) на Уфимском нефтеперерабатывающем заводе. Замер твердости вырезанного образца из разрушенного стыка показал (см. кривые I -1 и II - II на рис. 1.2, б), что твердость в сварном шве (33 - 35 HRC) и в ЗТВ (37 HRC) значительно выше допустимой. В последующем исследуемый образец был подвергнут высокому отпуску нагревом до 700-720 °С в течение 15 минут. Результаты измерения твердости соединения, подвергнутого такой термообработке (см. кривую III - III рис. 1.2, б) показали, что максимальная твердость в этих случаях находится в пределах допустимой.

*Т1 I Им»»* Г V ГТТТТ < ГТПТП1ТП

2-а

400 350 300 230 200 150

""""Л

1*

шов ЗТ8 1 0м

г \

д V/

5 Ш 15 20 Расстояние от оси ш£а{ мм

б)

шов

1-в ЗТВ 2-в

Рис. 1Л. Макроструктура (а), твердость (б) и микроструктура (в) при сварке стали 15Х5М перлитными электродами: 1 - с подогревом 350-400 °С; 2 - с охлаждением; 3-е высоким отпуском в печи

нв

а)

ем

НВ НйС 352

326

В

в)

Рис. 1.2, Вид поперечного сечения, схема измерения твердости и расположения фотографии микроструктуры (а), результаты измерения твердости (б) и микротрещины вблизи линии сплавления второго слоя шва с основным металлом (в, х 200) образца, вырезанного из разрушенного сварного соединения трубопровода стали 12СгМо20,5 (15Х5М)

При рассмотрении микрошлифа в металле сварного шва была обнаружена магистральная трещина, расположенная во втором слое, и многочисленные разветвления микротрещины. На фотографии (рис. 1.2, в) показаны микротрещины, расположенные вблизи линии сплавления с основным металлом.

Усугубляющим снижение надежности при сварке однородными электродами является то, что возникшие холодные трещины имеют микроскопическое раскрытие (слипшиеся трещины), поэтому не всегда могут быть обнаружены методами неразрушающего контроля. Они могут явиться следствием развития трещин при термической обработке изделия. Процесс эксплуатации таких сварных соединений опасен. В особенности опасны околошовные зоны перегрева по линии сплавления, имеющие наиболее крупнозернистое строение обладающие наименьшей стойкостью против образования трещин по сравнению с другими участками сварного соединения. При наличии хрупких участков во избежание трещинообразования особое внимание необходимо уделить качественному выполнению корневого слоя шва. На рис. 1.3 показано развитие трещин от непровара в корне шва сварного соединения трубы диаметром 426х 16 мм стали 15Х5М, выполненного электродами марки ЦЛ-17 (типа Э-10Х5МФ). Сварка выполнялась с подогревом 350-400 °С. После сварки проводился отпуск при 720-740 °С, выдержка 2,5-3 часа затем охлаждение с печью до 500 °С и далее охлаждение с печью на спокойном воздухе.

В некоторых случаях, вследствие склонности к трещинообразованию, возможность выполнения сварочных работ без промежуточной термической обработки каждого стыка может исключаться. Так, при изготовлении трубчатых змеевиков и толстостенных штампосварных отводов из стали 15Х5М на Салаватском машиностроительном заводе, обнаруживались трещины в зоне сварных соединений при вторичном рентгенопросвечивании после термической обработки готовых изделий.

С позиции деформационных критериев разрушения, наиболее слабыми участками таких сварных соединений являются зоны с повышенной твердо-

стью, но с низкой пластичностью и сопротивляемостью хрупкому разрушению. Для получения качественных сварных соединений необходимо исключить отрицательное воздействие твердых структурных образований. Низкая сопротивляемость к хрупким разрушениям твердых прослоек ставят проблему облагораживания вязкопластических свойств или вовсе исключения их из состава сварных соединений.

Одним из рациональных методов решения этой задачи при изготовлении сварных изделий из хромомолибденовых сталей является использование высоколегированных аустенитных сварочных материалов. Однако, при этом получается разнородное сварное соединение, и в околошовных зонах присутствуют закаленные хрупкие прослойки (рис. 1.4 - 1.8).

При сварке аустенитными сварочными материалами повышается предрасположенность швов к образованию горячих трещин. Они могут возникать при неблагоприятном сочетании факторов, связанных с понижением деформационной способности металла шва вследствие наличия в структуре легкоплавких эвтектик, дефектов кристаллического строения, выделения хрупких фаз, а также под действием внутренних и внешних напряжений. Методы повышения стойкости против горячих трещин обычно сводятся к уменьшению содержания элементов, способствующих их возникновению, снижению содержания неметаллических включений, уменьшению химической неоднородности, формированию благоприятной первичной структуры и т.п. Другой причиной разрушения подобных стыков является чрезмерное перемешивание корневого слоя. Наличие дефектов в корневом слое в виде непроваров усугубляет трещинообразо-вание, и они могут иметь более закалочный характер. На рис. 1.4 показан характер развития трещин от непровара в металле сварного шва стали 15Х5М. Сварка выполнена электродами марки ОЗЛ-6 (типа Э-10Х25Н13Г2) с предварительной наплавкой кромок в два слоя этими же электродами при толщине листового проката в 16 мм.

а) хЗ б)х ю

Рис. 1.3. Развитие трещин от непровара в корне шва сварного соединения из стали 15Х5М, выполненного электродами марки ЦЛ-17 (а - х 3; б - х Ю)

Рис. 1.4. Развитие трещин (отмечены стрелками) от непровара в металле сварного шва, выполненного электродами марки ОЗЛ-б

350

зао 250 200 150

\д

Ш08 \л \зтв \ ом

_3

—^

5 10 15

Расстояние от оси мм

б)

ГС**

шов (х440)

1-в линия сплавления (х200) 2-в Рис, 1.5. Макроструктура (а), твердость (б) и микроструктура (в) при сварке стали 15Х5М аустенитными электродами: 1-е подогревом до 350°С; 2-е сопутствующим охлаждением

Обобщение сведений о повреждениях конструктивных элементов нефтехимического оборудования с разнородными сварными стыками из хромомо-либденовых сталей показывает, что наличие в околошовных зонах хрупких с пониженной трещиностойкостью участков металлов с неравновесной мартен-ситной структурой связано с вероятностью их отказов. Большинство разрушений при длительной эксплуатации инициируются по закаленным участкам или в местах возникновения термодиффузионной структурно- механической неоднородности. Данные по отказам за 15 лет эксплуатации по более 4000 стыков технологических линий на различных установках ПО "Салаватнефтеоргсинтез" (табл. 1.1) были сгруппированы по их конструктивному исполнению кольцевых стыков соединений труб на прямых участках, переходов, отводов и фланцевых соединений, а также угловых неповоротных сварных стыков ответвлений в виде приварки штуцеров, тройников или непосредственного соединения труб [14]. Были также проанализированы данные ВНИКТИнефтехимоборудование по обследованию за 10 лет эксплуатации 118.560 сварных стыков трубных элементов печных змеевиков из сталей типа 15Х5М, сваренных аустенитными электродами, по ряду нефтехимических предприятий (табл. 1.2). Анализ этих статистических данных показывает, что стимулирующую, а в отдельных случаях самостоятельную роль в обеспечении их работоспособности может играть ярко выраженная структурно-механическая неоднородность. Усиливается эффект перенапряжения металла в локальных областях с неравновесными закалочными структурами, имеющими максимальные скопления несовершенств кристаллического строения, особенно работающими в условиях сложного напряженного состояния, присущего эксплуатации нефтехимического оборудования. Анализ разрушений показывает, что повреждения, как правило, инициируются в перенапряженных областях конструктивных элементов. Одной из основных причин преждевременных хрупких разрушений конструкций из сталей типа 15Х5М является наличие развитых закаленных участков (твердых прослоек) сварных соединений.

Таблица 1.1.

Распределение отказов конструктивных элементов технологических трубопроводов из стали 15Х5М с аустенитными швами

Тип стыковых соединений Установка эксплуатации Применяемые электроды Условия эксплуатации Среда Количество стыков Разрушение

температура, °С Давление, МПа кол-во %

1. Прямой участок АВТ, термический крекинг, гидроочистка ЭНТУ-3 ОЗЛ-8 ОЗЛ-6 35-380 0,4-2,5 Рефлюкс, отбензи-ненная нефть, диз. топливо и водород 370 5 1,35

2. Переход Термический крекинг, гидроочистка ОЗЛ-8 50 - 450 0,7 - 2,5 Гидрогенизат, тяжелая флегма 144 3 2Д

3. Фланец АВТ, термический крекинг, гидроочистка, платформинг ОЗЛ-8 105 - 550 0,4-6 Крекинг-остаток, мазут, диз. топливо и водород, гидрогенизат, отбензинен-ная нефть 1066 5 0,47

4. Отвод АВТ, термический крекинг, гидроочистка ЭНТУ-3 40 - 390 0,4-6 тяжелая флегма 1900 10 0,53

5. Ответвление АВТ, термический крекинг, гидроочистка, каталитический крекинг ЭНТУ-3 ОЗЛ-8 ОЗЛ-6 40 - 550 0,5-6 — » — вакуумный газойль, углеводородный газ 420 14 3,4

ИТОГО: 3900 37 0,95

СЛ

Таблица 1.2.

Распределение локальных дефектов по типам

Нагреваемый в змеевике продукт Температура продукта °С Время эксплуатации, час. Количество исследованных шлифов Причина отказа

МКК в корне металла шва МК трещины по границам зерен (с выделением второй фазы) Транс-кристал-литные трещины в корне металла шва МК трещины по обезугле-роженной прослойке от внутр. поверхн. МК трещины по обезугле-роженной прослойке, не связанной с внутр. поверх. Коррозионные фитинги в ОШЗ под подкладным кольцом Микротрещины от шлаковых включений в корне шва Микротрещины в зоне сплавления, в т.ч. с переходом в металле шва

Отбензи- ненная нефть 200540 825087120 124 3 4 2 - 1 2 2 1

Мазут 340450 1584079500 120 1 5 3 2 - 1 - 2

Дизельное топливо 340540 15840110880 60 5 - 1 - - 1 1 1

Тяжелая флегма 420550 2376067320 100 2 1 - 1 1 - 3 2

Бензин о-водородная (газопродуктовая) смесь 420.530 1579085700 48 - - - - 2 - - -

ИТОГО: - - 352 И 10 6 5 4 4 6 6

Во многих случаях разрушения происходят поперек сварного шва. В качестве примера разрушения труб на рис. 1.6 приведена фотография макроструктуры сварного соединения стали 15Х5М, выполненного аустенитными электродами марки ОЗЛ-8, разрушившегося после 3600 часов работы на установке гидроочистки. Разрушение проходило по сварному шву отвода диаметром 152x6 мм, работавшего при температуре 45 - 50 °С и давлении 5-6 МПа в среде газосырьевой смеси дизельного топлива с водородом. Как видно на снимке сечения, вырезанного из не разрушившейся части сварного соединения, ширина околошовных зон подкалки имеет значительные размеры. Твердость зон термического влияния (ЗТВ), снижающая сопротивляемость металла этих зон образованию трещин, относительно высокая и составляет от 350 до 441 НВ (заключение № ЗМ-69, ПО "Салаватнефтеоргсинтез"). При этом наиболее вероятным местом хрупких разрушений с повышением температуры и длительности эксплуатации становятся околошовные зоны вблизи линии сплавления с мартенситной структурой. На рис. 1.7 показан характер развития трещин в зоне термовлияния со стороны приварки отвода к трубе диаметром 219x8 мм линии пирогаза. Твердость металла этих зон была повышенной и составляла 45-47 НИС.

При рассматриваемой технологии сварки закаленные хрупкие прослойки сохраняют высокие твердости весьма значительное время в зависимости от реальных температурных условий эксплуатации. Данные замера твердости по другим случаям отказа сварных стыков технологических трубопроводов показали завышенные их значения в околошовных зонах до 388 НВ и после 15 лет эксплуатации. Разрушение при этом произошло вследствие эрозионного износа основного металла в околошовной зоне сварной катушки диаметром 152x8 мм на трансферной линии установки АВТ (Заключение № 13М - 71, ПО "Салаватнефтеоргсинтез" ) при режиме работы : температура отбензиненной нефти на выходе из печи 375 °С, давление 0,4 МПа. Повышенная твердость ЗТВ в пределах 373 -415 НВ сохранилась и при более жестких условиях

■труба отвод

Рис, 1.6. Макроструктура сварного соединения отвода и трубы 0 152 х 6 мм из стали 15Х5М после 3,6 тыс, ч,

Рис. 1.7. Характер развития трещин в зоне термовлияния отвода 0 219 х 8 мм из стали 15Х5М.

эксплуатации. Разрушение при этом произошло по сварному шву диаметром 108x7 мм на врезке в коллектор диаметром 219x10 мм линии газопродуктовой смеси установки гидроочистки после 1 года 8 месяцев эксплуатации при 550 °С и давлении 6 МПа (заключение № 1М -67, ПО "Салаватнефтеоргсинтез").

Учитывая механохимическую неоднородность, к основным факторам, определяющим уровень работоспособности разнородных сварных соединений сталей типа 15Х5М при высокотемпературной эксплуатации в агрессивных средах, можно отнести длительную прочность и пластичность сварных соединений, стабильность структуры металла шва и зоны сплавления металлов разного легирования, коррозионную стойкость отдельных участков сварных соединений.

Стали типа 15Х5М относятся к числу термически стабильных. Однако, при длительном воздействии высокой температуры в сварных разнородных соединениях могут образовываться переходные прослойки, обусловленные диффузионным перераспределением в них диффузионно-подвижных элементов. Исследования, проведенные Н.М. Королевым во ВНИИнефтемаше, показали, что интенсификацию диффузионных процессов вызывают циклические термические напряжения, обусловленные различием температурных коэффициентов линейного расширения аустенитного шва и основного металла. Помимо термических напряжений действуют также напряжения, возникающие вследствие наличия закаленных участков в околошовных зонах. Мартенситная пересыщенная структура закалки всегда обладает более высокой свободной энергией, чем равновесные фазы с таким же номинальным составом, т.е. околошовные зоны термического влияния закаливающейся стали характеризуются более структурно-напряженным состоянием. Как известно, напряженное состояние металла значительно влияет на скорость диффузионных процессов и их коррозионную стойкость [117-118].

Для определения причин растрескивания в сварных швах змеевиков трубчатых печей Ново-Уфимского НПЗ были исследованы участки с монтажными

кольцевыми швами. Состояние околошовных зон сплавления и характер диффузионно-структурных изменений определяли металлографическим анализом и замерами микротвердости.

Сварка труб из стали 15Х5М была выполнена аустенитными электродами марки ОЗЛ-6 (типа Э-10Х25Н13Г2). Необходимо отметить, что из-за неритмичной поставки сырья и слабой загрузки технологических установок НПЗ происходят частые их остановки. Такой температурный режим работы в сочетании с изменениями, вызываемыми коррозионным износом, приводят к повреждениям в зоне сварных стыков и отказам. В частности, наблюдались растрескивания по металлу закаленных зон термического влияния (рис. 1.8, а) монтажных стыков радиантного змеевика печи тяжелого сырья установки ТК-6 (среда керосин и водородосодержащая щелочь, рабочее давление на входе - 1,2 МПа, температура на входе - 150-200 °С и на выходе - 380-390 °С). Внутренняя и наружная поверхности монтажных кольцевых швов конвекционной части печи установки селективной очистки масляных фракций (среда масляная фракция в смеси с N -метилпиралидоном) подвержены коррозионному локальному разъеданию металла околошовных зон подкалки на глубину до 3,5 - 6 мм (рис. 1.8, б). На рис. 1.10, а показан характер развития микротрещин в зоне сплавления стали 15Х5М с аустенитным швом змеевика печи установки селективной очистки масел 37/2.

Рассмотренные случаи разрушений змеевиков трубчатой печи следует оценивать с двух позиций.

Во-первых, при длительной эксплуатации разнородных сварных соединений сталей типа 15Х5М происходит изменение структурно-механической неоднородности. Вдоль зоны сплавления наблюдается науглераживание аустенитно-го металла сварного шва до 0,1 - 0,15 мм (рис. 1.9, 1.10) с микротвердостью до 350-380 единиц и обезуглероживание основного металла на глубину до 0,05 -0,12 мм. Микротвердость на ферритных (светлых) участках обезуглероживания (рис. 1.9, 1.10) понижается до 90-120 единиц (900-1200 МН/м2). Микротрещины

а) б)

Рис. 1.8. Разрушение сварных соединений печных змеевиков из стали 15Х5М, выполненных электродами ОЗЛ-6, по механизму коррозионного растрескивания (а) и ножевой коррозии б)

320 260 200

т 80

1,5

-----

шс ОСИ. нет > 1НАЛ

А I

«с £ ч> ш г\

1

Заключение диссертации по теме «Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств», Халимов, Айрат Андалисович

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Структурно-механическая неоднородность, пониженная технологическая и эксплуатационная трещиностойкость, высокая степень и неравномерность распределения остаточных напряжений вызывают необходимость разработки эффективных путей обеспечения работоспособности конструктивных элементов нефтехимического оборудования из стали 15Х5М, совершенствования технологии ремонта с регламентацией сроков проведения. Одним из эффективных направлений в решении данной проблемы является ремонт сваркой без прекращения работы оборудования.

2. На основании выполненного анализа суммирования тепловых и механических напряжений элементов оборудования из стали 15Х5М установлено, что при сварке напряженных элементов сосудов и трубопроводов формируются поля остаточных напряжений существенно, отличающихся от таковых, возникающих при обычной сварке ненапряженных элементов.

Начальные окружные напряжения <7е заметно снижают остаточные напряжения в различных участках сварного элемента. При этом остаточные напряжения в отдельных участках активной зоны при сварке напряженных элементов примерно равны разнице предела текучести данного участка и величины начального окружного напряжения Сте. В участках с пониженными прочностными характеристиками при определенных значениях начальных напряжений возможно образование напряжения сжатия.

Установлено, что в результате структурных превращений в активной зоне могут появиться участки с остаточными напряжениями сжатия, величина которых снижается с ростом начальных окружных напряжений Сто.

3. Разработана методика и предложены образцы для определения трещи-ностойкости сварных соединений, позволяющие существенно снизить трудоемкость изготовления и их испытания.

Предложен новый метод определения поправочных функций по предельной нагрузке образцов из хрупких материалов.

Установлены значения предела трещиностойкости характерных зон соединений из стали типа 15Х5М, выполненных аустенитными электродами. Наименьшей трещиностойкостью обладает металл зоны термического влияния. Вследствие реализации эффекта контактного разупрочнения тонких твердых прослоек они имеют большую трещиностойкость, чем трещиностойкость образцов, изготовленных из металла со свойствами ЗТВ.

4. Проведенный комплекс исследований по оценке предельных нагрузок элементов оборудования при ремонте сваркой показал, что начальное окружное напряжение способствует повышению технологической и эксплуатационной прочности. В частности, показано, что заварка повреждений на сосуде под давлением продукта способствует измельчению зерна и получению мелкодисперсионной структуры аустенитного шва и околошовной зоны.

5. Выбраны и научно обоснованы параметры рациональной технологии ручной электродуговой и полуавтоматической сварки в среде С02 аустенитными электродами стали 15Х5М при ремонте под давлением, обеспечивающие регламентируемый уровень свойств восстановленных участков.

6. Установлено, что упрочнение незамкнутых мягких продольных и кольцевых прослоек происходит не только по известному механизму контактного упрочнения, но и в результате поддерживающего эффекта со стороны более прочных участков.

Предложены формулы для оценки поддерживающего эффекта коротких ремонтных швов и при деформировании разупрочненных (мягких) участков в условиях ремонтной сварки напряженных элементов.

7. Разработана совместно с ВНИИнефтемаш (г. Москва) и апробирована методика оценки технического состояния и определения срока эксплуатации печей установок каталитического крекинга, отработавших проектный ресурс.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Халимов, Айрат Андалисович, 1999 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Акулов А.И., Бельчук Г.А., Демянцевич В.П. Технология и оборудование сварки плавлением. - М.: Машиностроение, 1977. - 432 с.

2. Анисимов Ю.И., Бакши O.A., Моношков А.Н. О напряженном состоянии мягкой прослойки в сварном соединении с учетом деформационного упрочнения (осесимметричная деформация). // В кн.: Сварные металлоконструкции и их производство. - Челябинск, Труды ЧПИ, 1972, № 100, с. 21-27.

3. Бакши O.A., Качанов JIM. О напряженном состоянии пластичной прослойки при осесимметричной деформации. - Изв. АН СССР. Механика, 1965, №2, с. 134-137.

4. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. -М.: Высшая школа, 1967. - 635 с.

5. Берман У.И., Кондаков Г.Ф., Орленков Е.А., Швец М.Я. Исследование остаточных напряжений в соединениях жаропрочного дисперсионно-твердеющего материала ЭП199 при сварке с принудительным охлаждением. // В кн.: Разработка и внедрение прогрессивных методов сварки. Тез. докл. научно-технической конференции: Омск, 1973, с. 206-215.

6. Берман У.И., Кузнецов Л.И., Орленков Е.А. Исследование структурных изменений в соединениях из сплавов ЭП199, полученных сваркой с принудительным охлаждением. - Физика и химия обработки материалов, 1974, № 3, с. 68-73.

7. Берман У.И., Петров A.B., Швец М.Я. Влияние принудительного охлаждения при сварке на термическое растрескивание жаропрочных дисперси-онно-твердеющих материалов. - Сварочное производство, 1978, № 4, с. 19-20.

8. Бакши O.A., Ерофеев В.П. Напряженное состояние и прочность стыкового шва с Х-образной разделкой. - Сварочное производство, 1971, № 1, с. 4-7.

9. Бакши O.A., Анисимов Ю.И., Зайнуллин P.C. и др. Прочность и деформационная способность сварных соединений с композиционной мягкой прослойкой. - Сварочное производство, 1974, № 10, с. 3-5.

10. Бакиев A.B. Технология аппаратостроения. - Уфа: УГНТУ, 1995. -

297 с.

11. Бакиев A.B., Халимов А.Г., Зайнуллин P.C., Ямов А.К. Сварка стали 15Х5М без последующей термической обработки. // В кн.: Внедрение прогрессивных методов сборки и сварки в химическом и нефтяном машиностроении. Тез. докл. Всесоюзн. научно-технического совещания. - Свердловск, ЦИНТИ-химнефтемаш, 1977, с. 46-47.

12. Бакиев A.B., Халимов А.Г., Зайнуллин P.C. Механические свойства сварных соединений жаропрочной термоупрочненной стали Х5М-У. // В кн.: Наука и технический прогресс нефтехимической промышленности Башкирии. Тез. докл. республ. конференции. - Уфа, 1977, с. 137-139.

13. Бакиев A.B., Халимов А.Г., Зайнуллин P.C. Исследование свариваемости жаропрочных малоуглеродистых сталей типа 15Х5М. - Нефть и газ, 1978, №4, с. 81-84.

14. Бакиев A.B., Халимов А.Г., Зайнуллин P.C., Афанасенко Е.А. Пути повышения качества и надежности сварного нефтехимического оборудования из хромомолибденовых сталей. // Обзорная информация. Серия ХМ-9. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1987, с. 32.

15. Бакши O.A., Зайнуллин P.C. О снятии сварочных напряжений в соединениях с механической неоднородностью приложением внешней нагрузки. -Сварочное производство, 1973, № 7, с. 3-5.

16. Бакиев A.B., Халимов А.Г. Повышение стойкости к термической усталости сварных соединений стали 15Х5М. // В кн.: Надежность и прочность сварных соединений и конструкций. Материалы краткосрочного семинара. - Л., 1980, с. 79-82.

17. Вивсик С.Н., Николаенко М.Р., Харин В.П. Автоматическая сварка труб из стали Х5М-У. - Сварочное производство, 1966, № 6, с. 28-31.

18. ГОСТ 25.506-85. Методы механических испытаний материалов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. - М.: Госстандарт, 1985. - 61 с.

19. Готальский Ю.Н. Вопросы металловедения и технологии сварки разнородных сталей в конструкциях, работающих при высоких температурах. Ав-тореф. дис. докт. техн. наук. - Киев, 1971. - 39 с.

20. Готальский Ю.Н., Стретович А.Д. О шлаковых включениях в многослойном шве при сварке в защитных газах аустенитной проволокой. - Автоматическая сварка, 1971, № 12, с. 11-14.

21.Гумеров А.Г., Зайнуллин P.C., Ямалеев K.M. и др. Старение труб нефтепроводов. - М.: Недра, 1995. - 218 с.

22. Грабин В.Ф. Металловедение сварки плавлением. - Киев: Наукова Думка, 1982.-416 с.

23. Гуляев А.П. Металловедение. 5-е переработанное изд. - М.: Металлургия, 1977. - 647 с.

24. Герман С.И. Электродуговая сварка теплоустойчивых сталей перлитного класса. - Киев: Машгиз, 1963. - 215 с.

25. Демин Е.А., Белов В.В., Ефименко JI.A., Хакимов А.Н. Дилатометрический анализ структурных превращений при сварке термически упрочненных сталей. - Сварочное производство, 1972, № 3, с. 9-10.

26. Дмитриев В.Г., Кирюхин О.С., Комаров Б.Д. Опытно-промышленное применение электродов АНЖР-2 для сварки стали Х5М. - Реф. сб.: Эксплуатация, модернизация и ремонт оборудования, 1974, № 5, ЦНИИТЭнефтехим, с. 5-7.

27. Дополнения по технологии ручной дуговой сварке и термической обработке стыков трубопроводов газовых промыслов, содержащих сероводород (к инструкции ВСН-2-10-70). - М.: 1972, ВНИИСТ. - 20 с.

28. Зайнуллин P.C. Обеспечение работоспособности оборудования в условиях механохимической повреждаемости. - Уфа: ИПК Госсобрания РБ, 1997. - 426 с.

29. Зайнуллин P.C., Халимов A.A. Особенности формирования остаточных напряжений при ремонте сваркой сосудов и аппаратов из стали 15Х5М под давлением. // В кн.: Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий. Материалы научно-технической конференции. - Уфа, УГНТУ, 1997, с. 79-83.

30. Зайнуллин P.C., Халимов A.A. Особенности диагностирования технического состояния змеевиков печи из стали 15Х5М. // В сб.: Шаг в XXI век. Тезисы докл. 111-го междунар. конгресса «Защита-98». Секция № 1. - М.: «Нефть и газ», 1998, с. 42.

31. Зайнуллин P.C., Халимов A.A. Оценка остаточных напряжений при ремонте под давлением сосудов и аппаратов из стали 15Х5М. // В сб.: Шаг в XXI век. Тезисы докл. Ш-го междунар. конгресса «Защита-98». Секция № 2. -М.: «Нефть и газ», 1998, с. 69-70.

32. Зайнуллин P.C., Халимов А.Г., Халимов A.A. Методика определения трещиностойкости сварных соединений из закаливающихся сталей. - Уфа: УГНТУ, 1996.-27 с.

33. Зайнуллин P.C., Халимов A.A. Ремонт сваркой элементов оборудования из стали 15Х5М без опорожнения от продукта.// В кн.: Обеспечение работоспособности нефтяной аппаратуры. - Уфа: БашНИИстрой, 1999, с. 43-56.

34. Зайнуллин P.C., Халимов A.A., Халимов А.Г. Особенности ремонта нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромомолибденовых сталей. // В кн.: Обеспечение работоспособности нефтепроводов и сосудов давления. - Уфа, ИПТЭР, 1999, с. 52-61.

35. Зайнуллин P.C., Мулкаманов М.М., Халимов A.A. Особенности формирования сварочных напряжений при приварке накладных усилительных элементов на трубы и сосуды, находящиеся под давлением. // В кн.: Обеспечение

работоспособности нефтепроводов и сосудов давления. - Уфа, ИПТЭР, 1999, с. 87-103.

36. Земзин В.Н. Сварные соединения разнородных сталей. - М.: Машиностроение, 1966. - 232 с.

37. Зайнуллин P.C., Бакши O.A., Абдуллин P.C., Вахитов А.Г. Ресурс нефтехимического оборудования с механической неоднородностью. - М.: Недра, 1998. - 268 с.

38. Зайнуллин P.C., Шарафиев Р.Г. Сертификация нефтегазохимического оборудования по параметрам испытаний. - М.: Недра, 1998. - 447 с.

39. Зайнуллин P.C., Гумеров А.Г., Галюк В.Х. и др. Гидравлические испытания действующих нефтепроводов. - М.: Недра, 1990. - 224 с.

40. Земзин В.Н. Жаропрочность сварных соединений. - М.: Машиностроение, 1972. - 272 с.

41. Ито Ю., Мураками Ю., Хасебэ Н. и др. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений: в 2-х томах. - М.: Мир, 1990. - 1016 с.

42. Инструкция по сборке и сварке змеевиков трубчатых печей. - Волгоград: ВНИИПТхимнефтеаппаратуры, 1987. - 62 с.

43. Инструкция по сварке и контролю сварных соединений трубопроводов из легированных сталей. МСН 163-67. - М.: ЦБТИ, 1968. - 21 с.

44. Инструкция по ручной электродуговой сварке трубопроводов и змеевиков печей из среднехромистых сталей. - М.: ВНИИнефтемаш, 1976. - 70с.

45. Инструкция по безопасному ведению сварочных работ при ремонте нефте- и продуктопроводов под давлением. РД 39-0147103-36-89 / Гумеров А.Г., Зайнуллин P.C., Халимов А.Г. и др. - Уфа: ВНИИСПТнефть, 1989. - 59 с.

46. Игнатов В.А., Земзин В.Н., Петров Г.Л. Влияние никеля в аустенит-ных швах на миграцию углерода в сварных соединениях разнородных сталей. -Автоматическая сварка, 1969, № 5, с. 9-12.

47. Королев Н.М. Исследование термической усталости сварных соединений разнородных сталей, выполненных электродами на никелевой основе. -Химическое и нефтяное машиностроение, 1979, № 2, с. 25-26.

48. Куркин С.А., Николаев Г.А. Сварные конструкции. Технология изготовления, механизация, автоматизация и контроль качества в сварочном производстве. - М.: Высшая школа, 1991. - 398 с.

49. Куркин С.А. Прочность сварных тонкостенных сосудов, работающих под давлением. - М.: Машиностроение, 1963. - 235 с.

50. Кириличев Н.В., Нечаев В.А., Копелян И.Н., Козырева Л.Г. Влияние системы легирования аустенитного шва на стойкость зоны сплавления к холодным трещинам при сварке. - Реф. сб.: Эксплуатация, модернизация и ремонт оборудования, 1975, № 12, с. 6-8.

51. Клинов И .Я. Коррозия химической аппаратуры и коррозионно-стойкие материалы. - М.: Машиностроение, 1967. - 468 с.

52. Кох Б.А. К вопросу об отказе от термической обработки электрошлаковых сварных соединений. - Сварочное производство, 1961, № 8, с. 34-39.

53. Касаткин О.Г. Расчетная оценка сопротивляемости металла шва развитию усталостных трещин. - Автоматическая сварка, 1985. № 12. - с. 1-4.

54. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. - М.: Металлургия, 1976.-456 с.

55. Карзов Г.П., Леонов В.П., Тимофеев Б.Г. Сварные сосуды высокого давления. - Л.: Машиностроение, 1982. - 287 с.

56. Когут Н.С., Шахматов М.В., Ерофеев В.В. Несущая способность сварных соединений. - Львов: Свит, 1991. - 184 с.

57. Когаев В.П., Махутов H.A., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. Справочник. - М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.

58. Куркин С.А. Прочность сварных тонкостенных сосудов, работающих под давлением. - М.: Машиностроение, 1976. - 184 с.

59. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.Н. Превращение в железе и стали. - М.: Наука, 1977. - 235 с.

60. Лащинский A.A. Конструирование сварных химических аппаратов. -Л.: Машиностроение, 1981. - 382 с.

61. Лютцау В.Г. Современные представления о структурном механизме деформационного старения и его роли в развитии разрушения малоцикловой усталости. // В кн.: Структурные факторы малоциклового разрушения. - М.: Наука, 1977, с. 5-19.

62. Лахтин Ю.М., Леонтьева Б.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

63. Лифшиц Л.С. Структурная неоднородность в участках сплавления и расчет состава металла сварных соединений. - Сварочное производство, 1962, № 9, с. 1-5.

64. Лившиц Л.С., Бахрах Л.П. О связи между твердостью и микроструктурой сплавления аустенитных швов на перлитных сталях и химическим составом стали и швов. - Автоматическая сварка, 1958, № 10, с. 81-85.

65. Ланская К.А. Высокохромистые жаропрочные стали. - М.: Металлургия, 1976. -216 с.

66. Лившиц Л.С. О зоне сплавления аустенитной и перлитной стали. -Сварочное производство, 1955, № 10, с. 14-16.

67. Лившиц Л.С., Хакимов А.Н. Металловедение и термическая обработка сварных соединений. - М.: Машиностроение, 1989. - 336 с.

68. Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. -М.: Машиностроение, 1974. - 344 с.

69. Махутов H.A. Сопротивление элементов конструкций хрупкому разрушению. - М.: Машиностроение, 1973. - 200 с.

70. Махутов H.A., Кошелев П.Ф., Тананов А.И. и др. Методы испытания металлов и сварных соединений. Определение характеристик трещиностойко-сти (вязкости разрушения) при статическом нагружении. Методические указания. - М.: МНТК «Надежность», 1990. - 46 с.

71. Медведев Ю.С., Мещерякова B.B. Влияние длительной эксплуатации при повышенных температурах на свойства стали Х5М. - Химическое и нефтяное машиностроение, 1972, № 10, с. 34.

72. Методика оценки технического состояния и определения срока эксплуатации печей установок каталитического крекинга, отработавших проектный ресурс. -М.: ВНИИнефтемаш, 1998. - 13 с.

73. Макарова A.M., Мосендз М.А. Природа влияния металла шва на образование трещин в околошовной зоне. Автоматическая сварка, 1964, № 9, с. 1-10.

74. Макара A.M. Исследование природы холодных трещин при сварке закаливающихся сталей. - Автоматическая сварка, 1960, № 2, с. 9-33.

75. Макаров Э.Л., Субботин Ю.В. Пути повышения сопротивляемости сталей образованию холодных трещин при сварке. // В кн.: Прочность сварных конструкций. Труды МВТУ. - М.: Машиностроение, 1966. - с. 227-242.

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

77. Морозов Е.М., Зайнуллин P.C., Пашков Ю.И., Гумеров P.C. и др. Оценка трещиностойкости газонефтепроводных труб. - М.: МИБ СТС, 1997. -75 с.

78. Морозов Е.М., Зайнуллин P.C., Шарафиев Р.Г. Механика развития трещин в деталях конструкций при испытаниях и эксплуатации. Уфа: УГНТУ, 1996.- 88 с.

79. Методика оценки ресурса остаточной работоспособности технологического оборудования нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств. - Волгоград, ВНИКТИнефтехимоборудования, 1991. - 44 с.

80. Методика определения трещиностойкости материала труб нефтепроводов. РД 39-0147103-387-87. Утверждена Миннефтепромом 24.12.82.

81. Махутов H.A. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. - М.: Машиностроение, 1981. - 314 с.

82. Механические свойства конструкционных материалов при низких температурах. Сб. научных трудов: Пер. с англ. / Под ред. Фридляндера М.Н./ М.: Металлургия, 1983. - 432 с.

83. Морозов Е.М. Расчет на прочность при наличии трещин. // В кн.: Прочность материалов и конструкций. - Киев: Наукова Думка, 1975. - 382 с.

84. Морозов Л.С., Чечулин Б.Б. Водородная хрупкость металлов. - М.: Металлургия, 1967. - 255 с.

85. Методика оценки работоспособности труб линейной части нефтепроводов на основе диагностической информации. РД 39-00147105-001-91. - Уфа: ВНИИСПТнефть, 1992. - с. 120-125.

86. Методика по выбору параметров труб и поверочного расчета линейной части магистральных нефтепроводов. РД 3987. Морозов Е.М. Техническая механика разрушения. - Уфа: МНТЦ

«БЭСТС», 1997. - 429 с.

88. Методика проведения акустико-эмиссионной диагностики и контроля состояния материала в изделиях и технических конструкциях. - М.: ДИЭКС, 1994. - 15 с.

89. Механика разрушения и прочность материалов. Справочное пособие. Том 2. - Киев: Наукова думка, 1988. - 619 с.

90. Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварочные конструкции. Прочность сварных соединений и деформации конструкций. - М.: Высшая школа, 1982.

91. Нейбер Г. Концентрация напряжений. - М.: ГИТТЛ, 1974. - 204 с.

92. Навроцкий Д.И. Расчет сварных соединений с учетом концентрации напряжений. - Л.: Машиностроение, 1968. - 170 с.

93. Новые методы оценки сопротивления металлов хрупкому разрушению. - М.: Мир, 1972. - С. 439.

94. Надршин A.C. Разработка методов оценки ресурса демонтированного оборудования нефтехимических производств. Автореферат диссерт. на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Уфа: УГНТУ, 1996. - 23 с.

95. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. - М.: Энергоатомнадзор, 1989. - 525 с.

96. Оценка ресурса сосудов и трубопроводов по критериям статической прочности. / Зайнуллин P.C., Надршин A.C., Кожикин М.Н.. - Уфа: МНТЦ БЭСТС, 1995.-47 с.

97. ОСТ 26-291-94. Отраслевой стандарт. Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические требования - М.: НПО ОБТ, 1994. - 336 с.

98. Онучин Л.Г., Шоршеров М.Х. Доклады АН СССР, 1983, № 6, с. 11651170.

99. Обеспечение работоспособности сосудов и трубопроводов. / Под ред. Зайнуллина P.C. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1991. - 44 с.

100. Окерблом Н.О., Демянцевич В.П., Байкова И.П. Проектирование технологии изготовления сварных конструкций. - Л.: Судпромгиз, 1963. - 602 с.

101.Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения. - М.: Наука, 1985. - 504 с.

102. Петерсон Р. Коэффициент концентрации напряжений. - М.: Мир,

1977.

103. Пластичность и разрушение. / Под ред. В.Л. Колмогорова. - М.: Металлургия, 1977. - 336 с.

104. Пимштейн П.Г. и др. Расчет предварительной нагрузки сварных сосудов давления. Конструирование, исследование и расчеты аппаратов и трубопроводов высокого давления. - М.: Труды НИИхиммаша, № 76, 1977, с. 45-49.

105. Поведение стали при циклических нагрузках. / Под ред. проф. В. Ди-ля. - М.: Металлургия, 1983. - 568 с.

106. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. - М.: ПИО ОБТ, 1996. - 242 с.

107. ППБО Правила пожарной безопасности в нефтяной промышленности. - М.: Недра, 1987. - 23 с.

108. Порядок разработки декларации безопасности промышленного объекта Российской Федерации. - М.: Госгортехнадзор РФ, 1996. - 22 с.

109. Прохоров H.H. Физические процессы в металлах при сварке Т.П. Внутренние напряжения, деформации и фазовые превращения. - М.: Металлургия, 1976.-600 с.

110. Прохоров H.H., Шиганов Н.В., Мордвинцева A.B. Исследование деформаций и напряжений в зоне сварного шва в процессе сварки. // В кн.: Сварочная техника. - М.: ГНТИМЛ, 1948, с. 95-107.

111. Прохоров H.H., Самотохин С.С. Влияние искусственных стоков тепла на процессы развития внутренних напряжений и деформаций при сварке. -Сварочное производство, 1975, № 5, с. 3-6.

112. Рыкалин H.H., Алексеев Е.К., Прохоров H.H. // В кн.: Деформации при сварке конструкций. - М.: Изд-во АН СССР, 1943, с. 14-18.

113. Рыкалин H.H. Тепловые основы сварки. Ч. I. Процессы распространения тепла при дуговой сварке. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1947. - 272 с.

114. Романив О.Н., Никифорчин. Механика коррозионного разрушения конструкционных сплавов. - М.: Металлургия, 1986. - 294 с.

115. РД 0385-95. Правила сертификации поднадзорной продукции для потенциально опасных промышленных производств, объектов и работ. - Госгортехнадзор России, 1995. - 8 с.

116. РД 50-345-82. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при циклическом нагружении. - М.: Изд-во стандартов, 1986. -95 с.

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

118. Стеклов О.И. Стойкость материалов и конструкций к коррозии под напряжением. - М.: Машиностроение, 1990. - 384 с.

119. Сигорский В.П. Математический аппарат инженера. - Киев: Техника, 1978. - 768 с.

120. Структура и коррозия металлов и сплавов. / Под ред. Ульянина Е.А. -М.: Металлургия, 1989. - 400 с.

121. Сборка и сварка змеевиков трубчатых печей / Технологическая инструкция. - Волгоград: ВНИИПТхимнефтеаппаратуры, 1987. - 62 с.

122. СНиП 3.05.05-84. Технологическое оборудование и технологические трубопроводы. - М.: 1985. - 29 с.

123. Сергеева Т.К. Стресскоррозионное разрушение магистральных газопроводов России. Международная научно-практическая конференция по проблеме: Безопасность трубопроводов. - М.: 1995, с. 139-164.

124. Томсен и др. Механика пластических деформаций при обработке металлов. - М.: Машиностроение, 1969. - 504 с.

125. Тимошенко С.П., С. Войновский-Кригер. Пластинки и оболочки. -М.: Физматгиз, 1963.

126. Турмов Г.П. Определение коэффициента концентрации напряжений в сварных соединениях - Автоматическая сварка, 1976, № 10, с. 14-16.

127. Теоретические основы сварки / Под ред. Фролова В.В.. - М.: Высшая школа, 1970. - 592 с.

128. Технология электрической сварки плавлением / Под ред. Патона Б.Е.. - Киев: Машгиз, 1962. - 663 с.

129. Шахматов М.В., Ерофеев В.В., Гумеров K.M. и др. Оценка допустимой дефектности нефтепроводов с учетом их реальной нагруженности. - Строительство трубопроводов, 1991, № 12, с. 37-41.

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

131. Шахматов М.В., Ерофеев В.В. Напряженное состояние и прочность сварных соединений с переменными механическими свойствами металла мягкого участка. - Сварочное производство, 1982, № 3, с. 6-7.

132. Шахматов M.B. Рациональное проектирование сварных соединений с учетом их механической неоднородности. - Сварочное производство, 1988, № 7, с. 7-9.

133. Шахматов М.В. Несущая способность механически неоднородных сварных соединений с дефектами в мягких и твердых швах. - Автоматическая сварка, 1988, № 6, с. 14-18.

134. ТТТрон Р.З. О прочности при растяжении сварных соединений с мягкой прослойкой в условиях ползучести. - Сварочное пр-во, 1970, № 5, с. 6-8.

135. Шрейдер A.B., Дьяков В.Г. Защита от коррозии оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий. - Реф. сб.: Эксплуатация, модернизация и ремонт оборудования, 1977, № 10, ЦНИИТЭнефтехим, с. 26-31.

136. Шатов A.A. О вовлечении твердой прослойки в пластическую деформацию. // В кн.: Вопросы сварочного производства. - Челябинск, Труды УПИ, № 63, 1968, с. 102-108.

137. Халимов А.Г. Обеспечение работоспособности сварного нефтехимического оборудования из хромомолибденовых сталей мартенситного класса. Диссертация на соискание ученой степени доктора техн. наук. - Уфа: УГНТУ, 1997.-377 с.

138. Халимов A.A., Бакиев A.B. Исследование физико-механических свойств металла аппаратов неразрушающими методами. // В сб.: Вклад молодежи Башкирии в решение комплексных проблем нефти и газа. Тезисы докладов 44-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Башкирии. - Уфа: УНИ, 1993, с. 60.

138. Халимов A.A. Вопросы технологии сварки элементов трубопроводов из стали 15Х5М при ремонте. // В кн.: Проблемы нефтегазового комплекса России. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. - Уфа: УГНТУ, 1995, с. 23-33.

140. Халимов A.A., Багин В.Ю. Диагностирование технического состояния печного змеевика установки каталитического крекинга. // Материалы 49-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Секция технологическая. - Уфа: УГНТУ, 1998, с. 213-214.

141. Халимов A.A., Халимов А.Г., Зайнуллин P.C. Пути повышения трещиностойкости сварных элементов трубопроводов из стали 15Х5М. // Проблемы нефтегазового комплекса России. Транспорт и хранение нефти и газа. Тезисы докладов научно-технической конференции. - Уфа: УГНТУ, 1998, с. 52.

142. A.A. Халимов, A.C. Надршин, P.C. Зайнуллин К вопросу о трещиностойкости металла длительно проработавшего оборудования. // Материалы 47 -й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Том 1. - Уфа: УГНТУ, 1996, с. 73-74.

143. Халимов A.A., Коваленко В.В., Закареев P.P. Исследование процессов зарождения и развития холодных трещин закаливающихся хромомолибде-новых сталей. // Материалы 48-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Уфа: УГНТУ, 1997, с. 143-144.

144. Халимов A.A., Зайнуллин P.C., Халимов А.Г. Диагностика разрушений сварных соединений жаропрочной стали 15Х5М. // В книге: Проблемы механики сплошных сред в системах добычи и транспорта нефти и газа. - Уфа: ИПК Госсобрания РБ, 1998, с. 92-104.

145. Фармазов С.А. Оборудование нефтеперерабатывающих заводов и его эксплуатация. - М.: Химия, 1978. - 352 с.

146. Фокин М.Ф., Трубицин В.А., Никитина Е.А. Оценка эксплуатационной долговечности магистральных нефтепроводов в зоне дефектов. - М.: ВНИИОЭНГ, 1986. - 279 с.

147. Ямуров Н.Р. Оценка остаточного ресурса элементов нефтехимического оборудования по параметрам испытаний и эксплуатации. // В кн.: Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность предприятий. - Уфа: УГНТУ, 1996, с. 9-11.

УТВЕРЖДАЮ

Научный руководитель

ХНИЛ "ТЕХНАЦ" УГНТУ,

УТВЕРЖДАЮ Зам. генерального директора АО ОТ ВНИИнефтемаш,

к.т.н.

МЕТОДИКА

оценки технического состояния и определения срока эксплуатации печей установок каталитического крекинга, отработавших проектный ресурс

Москва 1998

131

РАЗРАБОТЧИКИ

Директор МНТЦ "БЭСТС" докт. техн. наук, профессор

Зав. отделом металловедения, сварки и прочности АО ОТ ВНИИнефтемаш/^ канд. техн. наук

Зав. лабораторией сварки АО ОТ ВНИИнефтемаш, канд. техн. наук

Главный научный сотрудник ХНИЛ "ТЕХНАП" УГНТУ, докт. техн. наук, профессор

Л**

Ю.С. Медведев

у^ Н.М. Королев

А.Г. Халимов

Инженер ХНИЛ "ТЕХНАП" УГНТУ

А.А. Халимов

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Цель методики - оценка ресурса печи установок каталитического крекинга, проработавших расчетный нормативный срок службы (или более 20 лет), на основе результатов обследования их технического состояния нераз-рушающими и разрушающими методами и средствами диагностики.

1.2. Методика предполагает оценку ресурса оборудования с учетом ме-хано-химических процессов, концентраторов напряжений, различного рода дефектов, в том числе трещиноподобных (непровары и подрезы, развития структурно-механической неоднородности сварных соединений с наличием мягких участков обезуглераживания и хрупких участков науглераживания).

1.3. Наряду с настоящей методикой при обследовании печей следует руководствоваться требованиями:

- "Методика определения сроков эксплуатации змеевиков печей установок каталитического реформинга, отработавших проектный срок". РТМ 38.14.006-86. - Волгоград, 1986.

- "Инструкция по техническому надзору, методам ревизии к отбраковке трубчатых печей, резервуаров, сосудов и аппаратов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств". ИТН-93. - Волгоград, 1993.

- "Методика расчета на прочность элементов печей, работающих под давлением". РТМ 26-02-67-84.

1.4. Структура алгоритма оценки технического состояния печи отработавшего проектный срок службы (экспертного обследования), приведена в п. 1.4.1 - 1.4.15.

1.4.1. Ознакомление с эксплуатационно-технической документацией на печь (паспортом печи, чертежами общего вида, ремонтным журналом, сменным журналом); при этом особое внимание должно быть обращено на объемы и методы выполнения ремонтов и исправление дефектов, выявленных при эксплуатации.

1.4.2. Анализ конструктивных особенностей печи к имеющейся информации по технологии изготовления, монтажа, ремонта или реконструкции.

1.4.3. Анализ условий эксплуатации.

1.4.4. Определение конструктивно обусловленных наиболее нагруженных, работающих в наиболее тяжелых и сложных условиях элементов печи.

1.4.5. Составление программы технического диагностирования.

1.4.6. Наружный и внутренний осмотр основных элементов печи: каркаса, футеровки, трубчатого змеевика, двойников или ретурбендов, гарнитуры -трубных решеток, подвесок, кронштейнов для кирпичей, дверок, окон, гляделок шиберов.

1.4.7. Контроль неразрушающими методами дефектоскопии, необходимость и объем проведения которого устанавливается по результатам визуального осмотра и измерений.

1.4.8. Определение развивающихся дефектов (на основании анализа материалов контроля, предшествовавшего настоящей технической диагностике).

1.4.9. Определение необходимости оценки физико-механических свойств материала и его структуры (методами неразрушающего контроля или лабораторными исследованиями).

1.4.10. Вырезка образцов металла и сварных соединений.

1.4.11. Оценка физико-механических свойств и структуры металла вырезок.

1.4.12. Проведение расчетов на прочность и оценка остаточного ресурса работы металла змеевиков печи.

1.4.13. Определение необходимости ремонта обследованных элементов

печи.

1.4.14. Гидравлическое испытание змеевика печи.

1.4.15. Оформление решения о возможности и сроках дальнейшей эксплуатации печи.

1.5. В основу работ по оценке технического состояния печи при соблюдении требований по режиму работы и безопасной эксплуатации, положены представления о возможных отказах, имеющих следующие причины:

- наличие в металле, сварных или вальцованных соединениях дефектов, возникших при изготовлении, монтаже, ремонте или эксплуатации, развитие которых может привести к разрушению основных нагруженных элементов печи;

- изменения геометрических размеров и формы элементов (в результате высокотемпературной пластической деформации, коррозионного и эррозион-ного износа и т.д.) по отношению к первоначальным, вызывающим превышение действующих в материале напряжений над расчетными;

- изменение структуры и механических свойств металла и сварных соединений в процессе высокотемпературной длительной эксплуатации, которые могут привести к снижению конструктивной прочности основных элементов печи.

1.6. Содержание этапов работ по оценке технического состояния основных элементов печи изложена в соответствующих разделах настоящей методики.

2. ПОРЯДОК ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ ПЕЧИ

2.1. Ревизия элементов и узлов трубчатых печей: каркаса, кладки и футеровки, металлоконструкций и гарнитуры печи (трубных решеток, подвесок, кронштейнов для кирпичей, дверок, окон, гляделок и шибера) производится в соответствии с инструкцией ИТН-93 [2].

2.2. Змеевики трубчатых печей являются наиболее нагруженными элементами печей. Изменения вызываемые коррозионным износом как внутренних, так и наружных стенок змеевика, температурные деформации, накапли-

ваясь и структурно взаимодействуя вызывают изменение рабочих характеристик и приводят к повреждению или отказу.

2.3. При диагностике технического состояния труб, отводов и сварных соединений змеевика печи методы и объемы их обследования должны выполняться в соответствии с требованиями (п. п. 2.2.1 - 2.2.3) РД РТМ 38.14.006-86 [1].

2.4. Внешний осмотр и замеры сварных соединений змеевика печи проводятся в соответствии с требованиями [4] для выявления в них следующих дефектов:

- трещин всех видов и направлений;

- локальных коррозионных поражений в виде язв и раковин;

- свищей и пористости поверхности швов;

- подрезов, наплывов, прожогов, незаплавленных кратеров;

- смещений и уводов кромок стыкуемых элементов;

- несоответствия форм и размеров швов требованиям технической документации.

2.5. Учитывая пониженную трещиностойкость хромомолибденовых жаропрочных сталей типа 15Х5М, при диагностике разнородных аустенитных сварных соединений целесообразно провести магнитную (МД) и электропотенциальную (ЭПД) дефектоскопию. Применение магнитного метода контроля [5] при диагностировании печного змеевика позволяет выявить слабые места конструкции в виде остаточной намагниченности металла. Метод не требует зачистки и какой-либо подготовки поверхности контроля, удобен для применения в местах гибов, отводов, двойников и т.п. трудно доступных местах. Сочетание методов электропотенциальной и ультразвуковой дефектоскопии обеспечивает возможность достоверно оценить трещиноподобные дефекты.

2.6. Для оценки физико-механических свойств и структуры длительно проработавшего металла необходимо производить вырезку участка труб из

наиболее теплонапряженного экрана змеевика печи, имеющих наибольшее увеличение наружного диаметра и наименьшую толщину стенки.

2.7. Для исследования свойств металла элементов печного змеевика при выборе видов и объема испытаний необходимо руководствоваться требованиями раздела 3 РД РТМ 38.14.006-86 [1]. Все испытания и оценка характеристик свойств должны проводиться в соответствии с действующими стандартами и нормативно-техническими документами.

2.8. Змеевики печи подлежат гидравлическому испытанию на прочность в соответствии с п. 1.3.9 ИТН-93. Целесообразно гидравлическое испытание совместить с контролем металла методом акустической эмиссии.

2.9. Условием возможности безопасной эксплуатации печи является удовлетворение его элементов, работающих под давлением, условиям прочности с учетом требований ОСТ 108.031.08 - ОСТ 108.031.10 [8], РТМ 26-02-67 [9] и ГОСТ 14249 [10].

2.10. Расчет элементов змеевика на прочность должен выполняться с учетом результатов исследований свойств металла змеевиков. На основании поверочного расчета определяется расчетный остаточный ресурс.

2.11. При длительной высокотемпературной эксплуатации сварных соединений хромомолибденовых сталей возможно существенное изменение их структурно-механической неоднородности.

В разнородных аустенитных сварных соединениях вдоль зон сплавления при высоких температурах эксплуатации может развиваться на основном металле трубы мягкая (м) обезулероженная прослойка и науглероженная прослойка высокой твердости (т) в металле шва (рис. 1). Возникает необходимость оценки этих изменений.

2.12. Ширина мягких и твердых участков сварных соединений устанавливается по результатам измерения твердости или макрошлифу с использованием формул:

О) (2)

где Рм, - площадь поперечного сечения мягких и твердых участков, определяемая планиметрированием по макрошлифу вырезок.

2.13. Коэффициент механической неоднородности по временному сопротивлению приближенно устанавливается по распределению твердости:

/ ч ^ОМ к« = в Ш дуОМ ~ НУШ ' (3)

к<2> -ст° НУТ НУ111 (4)

где НУ0М - твердость основного металла,

НУТ - твердость металла твердых участков, НУШ- твердость металла шва.

2.14. Измерение твердости металла шва НУШ, твердых участков или

участков разупрочнения в ЗТВ НУТ и основного металла НУом производят путем замера на приборах Виккерса, Роквелла или на микротвердомерах. Измерение твердости производят на образцах, вырезанных таким образом, чтобы были охвачены все участки сварного соединения. Для всех видов соединений измерение твердости производят в поперечном сечении образца на макро- и микрошлифах.

2.15. Выявление макроструктуры на макрошлифах производится применением универсального реактива состава: хлорное железо 200 г, азотная кислота - 300 мл, дистиллированная вода 100 мл. Для однородных сварных соединений контрастность науглероженных или закаленных участков ЗТВ можно повысить дополнительным травлением 4 % раствором азотной кислоты в спирте.

2.16. На эпюрах распределения твердости за размеры твердых зон принимаются участки, имеющие твердость выше уровня 240 НУ, а мягких участков обезуглераживания - ниже 170 НУ.

2.17. Временное сопротивление ствв сварного соединения при наличии протяженных (рис. 1) мягких участков (Кв > 1) определяется по формулам:

- для протяженных продольных прослоек

а.

ев

м

Тз"7"

1 +

Кв-1

4-Хм'Кв

- для протяженных кольцевых прослоек

(5)

а,

ев

м

1+

Кв-1

Зл/З-

Хм ' у

где Кв = К^ - при наличии участков разупрочнения в ЗТВ и Кв = К^ - для сварных соединений с аустенитным швом.

(6)

.(2)

Ф

ЗТВ ЗТВ

Рис. 1. Схемы разнородных сварных соединений сталей типа 15Х5М после сварки и при длительной высокотемпературной эксплуатации

2.18. Равнопрочность сварного соединения и основного металла обеспечивается при следующих значениях относительной толщины (%м = мяг-

8

КОЙ Прослойки Хкр :

- для сварного сосуда с продольной мягкой прослойкой:

К(в2)-1

ХкР = 4(41)-1).К^' (7)

- для сварного сосуда с кольцевой прослойкой критическая относительная толщина равна:

Хкр = г- Гт \ /">\ , (8)

к<2>-1

2.19. Максимально допустимая ширина твердых участков науглерожи-

вания сварных соединений стали 15Х5М не должна превышать значения подсчитанного по формуле

с

(9)

где Э - толщина свариваемых элементов.

2.20. В случае ремонтных аустенитных швов (рис. 2) при расчетах ресурса элементов оборудования необходимо учитывать длину мягких прослоек по формуле:

- для продольных прослоек

св " м

СТВ =ПТ(УВ

2 „Г- К®-1 ^

Лз

для кольцевых прослоек

1 +

СВ 2 м

4- у -К(2)

V л,м У

( к(2)_1 ^ 1+ п

(10)

■К/, (11)

ч Зл/зТХм-42>у

где К^ - коэффициент, учитывающий протяжность мягкой прослойки. Вели-

чина К^ определяется по формуле:

Кг=£с-Ь-К<р)+К<р, (12)

где £ = £/В; £ - длина мягкой прослойки (ремонтного шва); В - ширина элемента; с - константа (с да 0,25...0,3). В расчетах можно допускать В « Б, где Б -диаметр печного змеевика.

а)

б)

ш

гг

II °р

В,

та

Дзтв

В

В

Ц_1

ттт

Рис. 2. Ремонтные швы в сосуде (а) и вырезанный сварной элемент (б) 1 - накладные ремонтные элементы

Л и и

2- продольный ремонтный шов 3 - кольцевой ремонтный шов

При этом, для обеспечения равнопрочности сварного соединения и основного металла необходимо выполнить условия:

- для коротких продольных прослоек

= (к<.2'-о-к, (13)

- для коротких кольцевых прослоек

х£хкр = з7зчк^к^кт' (14)

При К^ = 1 эти формулы совпадает с зависимостями (7 - 8).

2.21. Выполнение ремонтных работ на сосуде или трубопроводе, находящемся под внутренним давлением рабочей среды, способствует измельчению зерна и получению мелко дисперсионной структуры аустенитного шва и околошовной зоны. С учетом коэффициента контактного упрочнения мягкой прослойки К^ и коэффициента поддерживающего эффекта короткой мягкой

прослойки К^, зависящего от относительной длины ремонтного шва, предельное внутреннее давление после ремонтной заварки повреждений на змеевике для аустенитного сварного соединения определяется формулой:

2.§

Ртах = • • '(15)

2.22. На основании анализа результатов, выполненных по оценке технического состояния основных элементов печи, результатов исследования физико-механических свойств и структуры металла змеевиков печи, результатов расчетов элементов змеевиков на прочность и гидроиспытания оформляется решение о возможности и сроках дальнейшей эксплуатации печи, которое утверждается ВНИИнефтемаш (организацией, имеющей лицензию органов Гос-гортехнадзора на проведении работ по техническому диагностированию трубчатых печей и сосудов, работающих под давлением).

ЛИТЕРАТУРА

1. РД РТМ 38.14.006-86. Методика определения сроков эксплуатации змеевиков печей установок каталитического риформинга, отработавших проектный ресурс. - Волгоград, 1986.

2. Инструкция по техническому надзору, методам ревизии и отбраковке трубчатых печей, резервуаров, сосудов и аппаратов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. ИТН-93. - Волгоград, 1993.

3. Методика оценки технического состояния и определения срока эксплуатации печей установок каталитического крекинга, отработавших проектный ресурс. - М. - Уфа, 1998.

4. РД 34.10.130-96, Инструкция по визуальному и измерительному контролю. - М.: Минтопэнерго РФ, 1996.

5. РД 34.17.446-97. Методические указания по техническому диагностированию труб поверхностей нагрева паровых и водогрейных котлов с использованием магнитной памяти металла. - М., 1997.

6. ГОСТ 550-75. Трубы стальные бесшовные для нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Технические условия.

7. ГОСТ 20072-74. Сталь теплоустойчивая.

8. ОСТ 108.031.08-25 - ОСТ 108.031.10-85. Котлы стационарные и трубопроводы пара и горячей воды. Нормы расчета на прочность.

9. РТМ 26-02-67-84. Методика расчета на прочность элементов печей, работающих под давлением.

10. ГОСТ 14249-80. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.

УТВЕРЖДАЮ

Научный руководитель

УТВЕРЖДАЮ

.В. Бакиев

о внедрении результатов НИР (ОКГ)

1999 г.

УГНТУ

АКТ

Мы, представители АО "Башнефтехим", зам. главного механика по зоне № 2 Ю.А. Якубенко и начальник ОТН зоны № 2 АО "Башнефтехим" С.П. Меркушев настоящим актом подтверждаем, что методические разработки "Методика оценки технического состояния и определения срока эксплуатации печей установок каталитического крекинга, отработавших проектный ресурс", разработанные на хозрасчетной и научно-исследовательской лаборатории "Технологии нефтяного аппаратостроения" УГНТУ совместно с АО ОТ ВНИИнефтемаш (г. Москва) внедрены в июне 1998 года на ОАО "НовоУфимский нефтеперерабатывающий завод" АО "Башнефтехим".

Вид внедренных результатов: методика оценки технического состояния и определения срока эксплуатации печей установок каталитического крекинга, отработавших проектный ресурс, с учетом структурно-механической неоднородности в зоне длительно проработавших сварных стыков змеевика трубчатой печи.

Область и форма внедрения: оценка технического состояния и ресурса печи установки 43-102-2 бл. АО НУНПЗ (зона № 2), ремонт сваркой змеевика и гарнитуры печи из сталей типа 15Х5М, полученные расчетные зависимости прочности при ремонтной сварке аустенитными электродами с учетом протяженности накладываемых швов.

т

Технические преимущества. Использование методики регламентирует оценку технического состояния и ресурса печей установок каталитического крекинга, проработавших расчетный нормативный срок службы. Полученные зависимости по оценке ресурса при ремонтной сварке под давлением рабочей среды змеевика печи из стали 15Х5М аустенитными электродами представляют несомненный интерес, так как позволяют исключить предварительный нагрев, последующую термообработку элементов и регламентировать безопасность эксплуатации оборудования.

От ХНИЛ "ТЕХНАП" УГНТУ:

Руководитель темы д-р техн. наук

От предприятия: Начальник ОТН зоны

_А.Г. Халимов

I » 1999 г.

Ответственный исполнитель

"Я" О 2. 1999 г.

/