автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Повышение качества нефтеперерабатывающего оборудования рациональным выбором свойств металла кольцевых швов и пробного давления

Введение.

1. Проблемы повышения качества нефтегазоперерабатывающего оборудования.

1.1. Технологические методы повышения качества оборудования.

1.2.Принципы рационального проектирования сварных сосудов.

1.3. Общие задачи повышения качества оборудования

1.4. Формирование характеристик работоспособности нефтегазоперерабатывающего оборудования при испытаниях.

1.5. Выводы по главе 1. Цель и основные задачи исследования.

2. Кинетика взаимодействия сварочных и активных напряжений при гидравлических испытаниях.

2.1. Анализ взаимодействия сварочных и активных напряжений при гидравлических испытаниях оборудования.

2.2. Экспериментальное исследование остаточных напряжений в сварных сосудах.

2.3. Сравнительная оценка эффективности снятия сварочных напряжений при испытаниях и термообработке.

2.4. Выводы по главе 2.

3. Рациональный выбор свойств металла кольцевых швов.

3.1. Изменение свойств металла при испытаниях.

3.2.Реализация контактного упрочнения в мягких швах сварных сосудов

3.3. Обеспечение работоспособности сварных сосудов с мягкими кольцевыми швами.

3.4. Выводы по главе 3.

4. Повышение качества оборудования за счет рационального выбора свойств металла шва и величшш испытательного давления.

4.1. Повышение сопротивления усталости элементов оборудования

4.2. Повышение малоцикловой долговечности.

4.3. Повышение ресурса элементов оборудования, работающих под давлением коррозионных рабочих сред.

4.4. Выводы по главе 4.

В некоторых случаях, в соответствии с действующими требованиями к изготовлению, нефтегазоперерабатывающее оборудование (сосуды, аппараты и трубопроводы) подвергаются общей термической обработке с целью снятия сварочных напряжений. Анализ литературных данных показывает, что термическая обработка (отпуск) не позволяет полностью снять сварочные напряжения в конструктивных элементах оборудования. При этом, общая термическая обработка существенно (до 25% от общей стоимости) удорожает изготовление оборудования.

В настоящей работе дается обоснование возможности отказа от общей термической обработки при изготовлении нефтегазоперераба-тывающего оборудования за счет рационального выбора свойств металла шва и величины давления предпусковых (пробных) гидравлических испытаний.

Гидравлическим испытаниям присущи как положительные, так и отрицательные последствия в плане работоспособности сосудов и аппаратов.

Положительными последствиями гидравлических испытаний являются следующие:

-снятие остаточных сварочных напряжений; -выявление дефектов различного происхождения; -реализация остаточных напряжений сжатия в области вершины трещиноподобных концентратов;

-деформационное повышение прочностных свойств металла в области вершины трещиноподобных концентратов;

-снижение краевых эффектов (при последующем нагружении сосуда и аппарата рабочим давлением) в областях сопряжений элементов различной формы и размеров.' ■

Отрицательные последствия гидравлических испытаний в основном связаны с возникновением пластических деформаций в области концентраторов напряжений, которые при определенных условиях приводят к деформационному охрупчиванию и старению металла. Не исключается возможность подроста размеров дефектов и разрушение сосудов и аппаратов в процессе проведения гидравлических испытаний. Но следует иметь в виду, что разрушения при гидравлических испытаниях не связаны с катастрофическими последствиями, как это может произойти в процессе эксплуатации.

Из литературных источников известно, что полное снятие сварочных напряжений при испытаниях возможно при достаточно больших испытательных давлениях, вызывающих в металле общую текучесть. При этом возникает вероятность разрушений, деформационного старения и охрупчивания металла. В случае применения "мягких" электродов при сварке кольцевых швов возможно устранение, указанного недостатка, Однако применение "мягких" электродов противоречит основному принципу взаимозаменяемости в аппаратостроении. Поэтому в работе были рассмотрены вопросы обеспечения работоспособности сварных сосудов с мягкими кольцевыми швами с позиции теории механической неоднородности.

Полученные результаты положены в основу ресурсосберегающей технологии изготовления сосудов и аппаратов без общей термической обработки, основанной на рациональном выборе свойств металла шва и величины испытательного давления.

Внедрение разработанной технологии в производстве позволяет примерно на 25% снизить себестоимость изготовления нефтегазопере-рабатывающего оборудования.

Основные выводы и рекомендации по работе

1. Установлено, что для сосудов и аппаратов из углеродистых и низколегированных сталей сварочные напряжения соет в кольцевых сварных швах после проведения гидравлических испытаний равны разнице между пределом текучести металла шва а^ и величиной окружного напряжения стн, соответствующего испытательному давлению: аост = а1" -он.Полное снятие сварочных напряжений в кольцевых швах обеспечивается при с"' = а„

2. С целью полного снятия сварочных напряжений кольцевые швы необходимо сваривать электродами, обеспечивающими более низкие значения предела текучести металла шва а", чем у основного металла о°". При этом коэффициент механической неоднородности К„1 должен быть не менее величины коэффициента запаса прочности по пределу текучести при испытаниях пто:Кй1 = а™ / атш > пти.

3. Приведена оценка изменения механических свойств, характеристик трещиностойкости и малоцикловой усталости металла в зонах концентрации напряжений после снятия нагрузки при гидравлических испытаниях. Указанные изменения обусловлены деформационным старением, приводящим к росту прочностных показателей и снижению пластических свойств, трещиностойкости и малоцикловой долговечности.

4. На основе обобщения литературных данных и проведенных в работе исследований даны условия обеспечения работоспособности сварного оборудования с механической неоднородностью. Получены аналитические зависимости для определения малоцикловой долговечности сварных сосудов с мягкими кольцевыми (прослойками) ограниченной протяженности.

5. Предложены формулы для расчетной оценки влияния остаточной напряженности конструктивных элементов на долговечность нефтегазоперерабатывающего оборудования, работающего в условиях многоцикловой и малоцикловой усталости и механохимической коррозии, на

84

1. Аснис А.Е., Иващенко Г.А. Повышение прочности сварных конструкций. - Киев: Наукова Думка, 1979. - 193 с.

2. Байкова И.В. Влияние внешней растягивающей нагрузки на сварочные напряжения и деформации. Сварочное производство, 1969, № 6. - С. 3-10.

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

4. Бакиев A.B. Технологическое обеспечение качества функционирования нефтегазонромыслового оборудования оболочкового типа: Автореферат дис. на соискание ученой степени доктора технических наук: 05.04.07. М.,1984. - 38 с.

5. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение448 с.

6. ГОСТ 25-506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. М.: Изд-во стандартов, 1985.-61 с.

7. ГОСТ 14249-80. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность . -М.: Изд. стандартов, 1980.

8. РД 39-0147103-361-86. Методика по выбору параметров труб и поверочный расчет линейной части магистральных нефтепроводов на малоцикловую прочность. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1987. - 56 с.

9. ГОСТ 9905-82 (CT СЭВ 3283-81). Методы коррозионных испытаний. -М.: Изд. стандартов, 1982.

10. ГОСТ 25.506-85. Расчеты и испытания металлов. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. М.: Изд. стандартов,1985.

11. Гусенков А.П. Прочность при изотермическом и неизотермическом малоцикловом нагружении. М.: Наука, 1979.-295 с.

12. Гутман Э.М. Механохимия металлов и защита от коррозии. М.: Металлургия, 1981. - 271 с.

13. Гутман Э.М., Зайнуллин P.C. Определение прибавки к толщине стенок сосудов и трубопроводов на коррозионный износ. 1983. - № 11.- С.38-40.

14. Гутман Э.М., Зайнуллин P.C. Оценка скорости коррозии нагруженных элементов трубопроводов и сосудов давления. Физико-химическая механика материалов,- 1984.-№ 4.- С. 95-97.

15. Гутман Э.М., Зайнуллин P.C., Зарипов P.A. Кинетика механохимиче-ского разрушения и долговечность растянутых конструктивных элементов при упруго-пластических деформациях. Физико-химическая механика материалов.- 1984. -№ 2. С.14-17.

16. Гутман Э.М., Зайнуллин P.C. К методике длительных коррозионно-механических испытаний металла газопромысловых труб. Заводская лаборатория. - 1987, № 4. С.63-65.

17. Гутман Э.М., Зайнуллин P.C., Шаталов А.Г., Зарипов P.A. Прочность газопромысловых труб в условиях коррозионного износа. М.: Недра, 1984. -75 с.

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

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

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

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

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

23. Зайнуллин P.C., Черных Ю.А., Бубнов В.А. Снижение металлоемкости и повышение работоспособности кольцевых деталей химической нефтяной аппаратуры. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1992 г. 77 с.

24. Зайнуллин P.C., Черных Ю.А. Особенности гидравлических испытаний сосудов и аппаратов повышенным давлением. Информационный сборник ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1992 г., № 2 С.22-23.

25. Зайнуллин P.C., Черных Ю.А., Шарафиев Р.Г. и др. Роль гидравлических испытаний в формировании показателей качества нефтегазоперерабаты-вающего оборудования и нефтепроводов. МНТЦ «БЭСТС», Уфа, 1997 г. 88 с.

26. Зайнуллин P.C. Влияние параметров режима гидравлических испытаний на прочность и долговечность трубопроводов. В кн.: Обеспечение надежности магистральных нефтепроводов в условиях эксплуатации. ВННИСПТ-нефть. 1986.-С. 32-39.

27. Иванцов О.М., Харитонов В.И. Надежность магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1987. 165 с.

28. Ито Ю., Муракаи Ю., Хасебэ Н. и др. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений: М.: Мир, 1990. - 1016 с.

29. Иванова B.C., Гордиенко JI.K., Геминов В.Н. и др. Роль дислокаций в упрочнении и разрушении металлов. М.: Наука. 1965. - 180 с.

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

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

32. Климовский Е.М. Гидравлические испытания магистральных трубопроводов/ Научно-технический обзор. М.: Информнефтегазстрой. 1980.

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

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

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

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

37. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990. 528 с.

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

39. 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.

40. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. Изд. 2-е. М.: Металлургия, 1979. - С. 168-169.

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

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

43. Морозов Е.М., Зайнуллин P.C., Пашков Ю.И., Гумеров P.C. и др. Оценка трещиностойкости газонефтепроводных труб. М.: МИБ СТС, 1997.75 с.

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

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

46. Методика определения трещиностойкосчи материала труб нефтепроводов. РД 39-0147103-387-87. Утверждена Миннефтепромом 24.12.82.

47. Махутов H.A. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. М.: Машиностроение, 1981. - 237 с.

48. Механические свойства конструкционных материалов при низких температурах. Сб. научн. трудов: Пер. с англ./ Под редакцией Фридляндера М.Н. / М.: Металлургия, 1983. 432 с.

49. Морозов Е.М. Расчет на прочность при наличии трещин. В кн.: Прочность материалов и конструкций. К.: Наукова Думка, 1975. - С. 375-382.

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

51. Механические напряжения котлов, работающих под давлением, из стали 1802А. Г. Катовице, 1984. 76 с.

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

53. Методика по выбору параметров труб и поверочного расчета линейной части магистральных нефтепроводов. РД 39-0147103-361-86.-Уфа: ВНИИСПТнефть, 1987.- 38 с.

54. Морозов Е.М. Техническая механика разрушения. Уфа.: МНТЦ "БЭСТС", 1997.-429 с.

55. Методика оценки ресурса остаточной работоспособности технологического оборудования нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств. Волгоград: ВНИИКТНнефтехимоборудования, 1991.- 44 с.

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

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

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

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

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

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

62. Надршин A.C. Разработка методов оценки ресурса демонтированного оборудования нефтехимических производств. Автореферат дис. на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.04.09. УГНТУ, Уфа, 1996. -23 с.

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

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

65. Обеспечение работоспособности нефтепроводов и сосудов давления. Под редакцией проф. Р. С. Зайнуллина. Изд-во ИПТЭР, Уфа, 1999. - 112 с.

66. Обеспечение работоспособности сосудов и трубопроводов. Под редакцией P.C. Зайнуллина. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1991. - 44 с.

67. Окерблом Н.О., Делянцевич В.П., Бабнова И.П. Проектирование технологии изготовления сварных конструкций. Судпромгиз, Ленинград, 1963. -602 с.

68. Партон В.З., Морозов Е.М., Механика упруго-пластического разрушения. М.: Наука, 1985, - 504 с.

69. Петерсон Р. Коэффициент концентрации напряжений. М.: Мир, 1977.

70. Пластичность и разрушение. / Под редакцией B.JI. Колмогорова М.: Металлургия, 1977. - С. 336.

71. Пимштейн П.Г. И др. Расчет предварительной перегрузки сварных сосудов давления. Конструирование, исследование и расчеты аппаратов и трубопроводов высокого давления. Труды НИИХИММАШ, № 76, 1977, С. 45-49.

72. Поведение стали при циклических нагрузках. Под редакцией проф. В. Даля. М.: Металлургия, 1983. - 568 с.

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

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

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

76. РД-39-0147103-387-87. Методика определения трещиностойкости материала труб нефтепроводов. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1987.-35 с.

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

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

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

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

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

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

83. Структура и коррозия металлов и сплавов. Под редакцией Ульянина Е.А. М. Металлургия, 1989. - 400 с.

84. Серенсен C.B., Шнейдерович Р.М., Гусенков А.П. и др. Прочность при малоцикловом нагружении. М.: Недра, -1975. - 392 с.

85. СНИП 3.05.05-84. Технологическое оборудование и технологические трубопроводы. М., 1985. 29 с.

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

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

88. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. -М.: Физматгиз, 1963. 526 с.

89. Турмов Г.П. Определение коэффициента концентрации напряжений в сварных соединениях. \\ Автоматическая сварка. 1976, № 10. - С. 14-16.91

90. 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.

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

92. Хисматуллин Е.Р., Королев Е.М., Лившиц В.И. и др. Сосуды и трубопроводы высокого давления. Справочник, М.: Машиностроение. 1990. 384 с.

93. Фарамазов С.А. Оборудование нефтеперерабатывающих заводов и его эксплуатация. М.: Химия, 1978. 352 с.

94. Фокин М.Ф., Трубицин В.А., Никитина Е.А. Оценка эксплуатационной долговечности магистральных нефтепроводов в зоне дефектов. -М.: ВНИИОЭНГ, 1986. 43 с.

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

96. Ямалеев K.M., Гумеров P.C. Термический способ восстановления ресурсов пластичности металла труб нефтепроводов. // Диагностика, надежность, техническое обслуживание и ремонт нефтепроводов. / ВНИИСПТнефть. Уфа, 1990. - С. 27-33.92 ^ „ V ч Приложение 1•г'

97. У^ерж^аю" / ^^,^/ибженер //— ^ ¿Л^'П "СалаватнефтемапГ Матвеев Й.Л.1. Расчет*экономического эффекта по теме: "Повышение качества нефтегазоперерабатывающего оборудования рациональным выбором свойств металла кольцевых швов и пробного давления".

98. Работа направлена на уменьшение затрат на изготовление сосудов и ппаратов из углеродистых и низколегированных сталей.

99. Исходные данные для расчета даны в таблице П. 1.

100. Сущность предлагаемой ресурсосберегающей технологии зготовления сосудов и аппаратов заключается в исключении из гхнологического процесса изготовления общей термической обработки.

101. Все это является предпосылкой отказа от общей термической бработки сосудов и аппаратов, работающих при определенных ксплуатационных условиях, за счет регулирования параметрами идравлических испытаний и свойств металла шва.