автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Исследование сопротивления разрушению сплава базовой композиции 45Х25Н35С2Б и разработка методов оценки работоспособности реакционных змеевиков высокотемпературных установок пиролиза

На правах рукописи

УДК 669.018.44: 539.4 ГРНТИ 55.39.31

Попова Ирина Павловна

ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ РАЗРУШЕНИЮ СПЛАВА БАЗОВОЙ КОМПОЗИЦИИ 45Х25Н35С2Б И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ РЕАКЦИОННЫХ ЗМЕЕВИКОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСТАНОВОК

ПИРОЛИЗА

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2014

005559406

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей"

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Орыщенко Алексей Сергеевич Официальные оппоненты:

Анастасиади Григорий Панеодович - доктор технических наук, профессор - Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, г.Санкт-Петербург, профессор кафедры технологии и исследования материалов;

Арутюнян Роберт Ашотович - доктор физико-математических наук, с.н.с. -Санкт-Петербургский государственный университет, г.Санкт-Петербург, ведущий научный сотрудник, профессор кафедры теории упругости.

Ведущая организация: ОАО «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова, г.Санкт-Петербург

Защита состоится "24" Л^кабря 2014 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д411.006.01 при Федеральном государственном унитарном предприятии "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" по адресу: 191015, г. Санкт-Петербург, ул. Шпалерная, д.49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП«ЦНИИ КМ «Прометей» и на сайте www.crism-prometey.ru. Автореферат разослан "30" /О 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д411.006.01 Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

В.А. Малышевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Надежность работы высокотемпературных установок пиролиза определяется ресурсом реакционных змеевиковых систем, эксплуатация которых производится в чрезвычайно жестких условиях: длительная работа при высоких температурах (900-1070°С), внутреннее давление (до 0,7 МПа), периодический разогрев и охлаждение змеевиков в процессе эксплуатации. В процессе реакции получения этилена происходит осаждение углерода на внутренних стенках трубной системы с последующим образованием пиролизного кокса, который затрудняет теплопередачу через стенку трубы и способствует ускорению науглероживания и износа материала труб.

В ЦНИИ КМ «Прометей» разработаны и запатентованы жаропрочные сплавы марок 45Х26НЗЗС2Б2 и 45Х26НЗЗВ5С2Б, обладающие повышенными уровнями жаростойкости и стойкости к науглероживанию. Расчеты прочности, выполненные по существующим методикам применительно к змеевикам, изготовленным из сплава 45Х26НЗЗС2Б2, показывают, что работоспособность реакционных труб по критерию длительной прочности должна быть обеспечена при эксплуатации, по крайней мере, до 105 часов (« 15 лет). В то же время довольно часто уже через 4-30 тыс.часов работы трубы выбраковываются из-за недопустимого формоизменения: при этом служебные свойства материала практически не ухудшаются, а науглероживание и повреждения приповерхностных слоев незначительные. Исследованию повреждений и формоизменения при высокотемпературном термомеханическом нагружении было посвящено много работ отечественных и зарубежных ученых. Вместе с тем следует отметить, что доминантные механизмы повреждения реакционных труб в условиях процесса пиролиза, имеющего ряд специфических особенностей, изучены недостаточно. Это обстоятельство диктует необходимость анализа механизмов повреждения реакционных труб с учетом особенностей эксплуатации печей пиролиза, а также совершенствования методов расчета на прочность для более точного прогнозирования их деформирования и повреждения.

Помимо необратимого формоизменения, другим основным видом повреждений реакционных труб является образование мелких трещин на внутренней поверхности (как в основном металле, так и в металле шва), преобразующихся при дальнейшей эксплуатации в магистральную трещину, рост которой может привести к разгерметизации змеевика. Согласно нормативно-технической документации по техническому обслуживанию установок пиролиза, при обнаружении трещины данный участок трубы подлежит отбраковке. Однако, как показали наблюдения зарубежных исследователей, развитие трещин до критических размеров в центробежно-литых трубах из сплавов типов НК и НР может происходить более 10 тыс. часов. Следовательно, для адекватной оценки долговечности труб необходимо оценивать состояние материала с учетом роста трещины до некоторой предельно допустимой величины.

Цели работы: установление наиболее вероятных причин преждевременного выхода из строя труб змеевиков установок пиролиза; расчетно-экспериментальное исследование сопротивления разрушению сплава базовой композиции 45Х25Н35С2Б при температурах 900-1000°С; разработка метода оценки ресурса реакционных труб с учетом особенностей эксплуатации. В соответствии с целями работы поставлены следующие задачи:

1. Сформулировать критерии оценки предельных состояний реакционных труб в соответствии с основными механизмами их повреждения.

2. Выполнить расчетно-экспериментальное исследование свойств по сопротивлению разрушению основного металла и металла шва при температурах 900-1000°С.

3. Провести численное исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) реакционной трубы для различных режимов эксплуатации с учетом кинетики закоксовывания.

4. Разработать методологию оценки предельных состояний реакционных змеевиков.

Научная новизна

1. Предложена общая схема оценки ресурса реакционных змеевиков установок пиролиза на основе анализа возможных механизмов повреждения и предельных состояний реакционных труб по критериям длительной прочности, деформационной способности и циклической прочности.

2. Разработана методика определения скорости роста трещины применительно к трубным элементам змеевиков в условиях ползучести на основе С* -

композиции 45Х25Н35С2Б при статическом длительном нагружении и температурах 900 и 1000°С.

3. Определены служебные характеристики для расчета прочности и долговечности реакционных труб при температуре их эксплуатации в диапазоне 900-1100°С:

- длительная прочность и ползучесть для металла шва Св-40Х26Н32С2Б;

- характеристики усталости основного металла и металла шва;

- критические значения Jc- интеграла для основного металла по критерию старта трещины для температур 900 и 1000°С;

- расчетная зависимость скорости роста усталостной трещины;

- величины критической деформации материала.

4. Выявлен наиболее значимый эксплуатационный фактор повреждения реакционных труб установок пиролиза - коксобразование. Установлены закономерности повышения температуры трубы за счет закоксованности при стационарном режиме пиролиза. Предложена методология расчета НДС и оценки повреждений реакционной трубы с учетом роста слоя кокса.

5. Определены условия, при которых необходимо учитывать термические напряжения для оценки НДС и прочности реакционных труб.

6. Разработана методика оценки ресурса трубных элементов змеевиков при наличии в них трещиноподобных дефектов.

интеграла; впервые получена зависимость

для сплавов базовой

Личный вклад автора в получение научных результатов, изложенных в диссертации, заключается в:

- постановке и проведении экспериментов по исследованию служебных характеристик материала, обработке полученных результатов;

- расчетах по построению нормативных кривых длительной и циклической прочности материала;

- решении температурно-деформационных задач в вязкоупругой постановке;

- расчетной оценке допускаемых размеров трещины и времени безопасной эксплуатации трубы с трещиной.

Разработка методологии и формулировка задач исследования выполнены совместно с научным руководителем. Микроструктурные исследования и определение теплофизических свойств пиролизного кокса выполнены в Центре коллективного пользования «Состав, структура и свойства конструкционных и функциональных материалов» ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей».

Практическая значимость работы

1. Результаты работы использованы при разработке технических условий «Змеевики радиантные двухкамерной печи пиролиза этановой фракции производительностью 32 т/ч по сырью установки ЭП-300 завода «Мономер» ОАО «Салаватнефтеоргсинтез», на основании которых в НПЭК ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» спроектированы и изготовлены реакционные трубы и комплекты змеевиков для первой отечественной двухкамерной печи пиролиза. На основании выполненных работ и полученных результатов изготовлены секции радиантных змеевиков, а также змеевики в сборе для ОАО «Сибур-Нефтехим» и ОАО «Салаватнефтеоргсинтез», согласованные с Ростехнадзором.

2. Рекомендации по оптимизации режимов эксплуатации литых изделий, разработанные в рамках диссертации, используются в ООО «СИБУР-Кстово», что подтверждено Актом использования результатов диссертационной работы.

3. Разработана методика оценки допускаемых размеров трещиноподобного дефекта в материале реакционной трубы, а также времени

безопасной эксплуатации трубы с трещиной при стационарном режиме пиролиза.

На защиту выносятся:

1. Методы оценки предельных состояний и ресурса реакционных труб по критериям длительной прочности, деформационной способности и циклической прочности (на стадии зарождения трещины).

2. Методология расчета температуры и НДС реакционной трубы с учетом кинетики закоксовывания. Результаты численного исследования НДС реакционной трубы 134x8 для различных режимов эксплуатации: при отсутствии отложений кокса; с учетом коксообразования; при перегреве материала трубы.

3. Данные по служебным характеристикам для расчета скорости роста трещины в сплаве базовой композиции 45Х25Н35С2Б при температурах 900 и 1000°С. Обоснование применения С* - параметра для оценки С*- интеграла для

прогнозирования скорости роста трещины в материале реакционных труб при статическом нагружении.

4. Методы оценки ресурса змеевиков на стадии развития трещины, включающие определение допускаемого размера трещины по критериям несущей способности и статической трещиностойкости материала, а также оценку времени безопасной эксплуатации реакционной трубы с трещиной с учетом коксообразования.

Достоверность полученных результатов

Экспериментальные исследования проводились по апробированным методикам проведения испытаний. Полученные данные по скорости роста трещины при ползучести в аустенитных сталях согласуются с результатами аналогичных отечественных и зарубежных исследований. Достоверность расчетных результатов, полученных с помощью программного модуля МБС.Магс, подтверждается посредством сравнения с тестовыми расчетами. Кроме того, автором проведена верификация корректности определения С* -

интеграла в экспериментах в соответствии с методиками, представленными в стандартах КСС-МЯ и АБТМ Е 1457-02.

Достоверность допущений, сделанных в разработанной модели, подтверждается экспериментальными исследованиями физико-механических свойств и микроструктуры металла центробежно-литых труб, отработавших в составе реакционного змеевика установки производства этилена ЭП-300.

Апробация работы

Основные результаты работы были доложены на конференциях:

• XI международная конференция «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС» (г. Пушкин, 2010)

• 6-я российская конференция «Методы и программное обеспечение расчетов на прочность» (с. Дивноморское, 2010)

• 7-й межотраслевой семинар «Прочность и надежность оборудования» (г.Звенигород, 2011)

• XII международная конференция «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС» (г. Пушкин, 2012),

а также на семинарах в ЦНИИ КМ «Прометей» и на секциях НПЭК Научно-технического совета ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей».

Публикации

Основные результаты диссертационной работы изложены в 8 научных публикациях, в т.ч. в 5 статьях в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов и списка литературы (99 наименований), изложенных на 211 страницах машинописного текста, куда входит 76 рисунков и 32 таблицы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи, показана научная новизна работы и ее практическая значимость.

В первой главе рассмотрены особенности эксплуатации реакционных труб печей пиролиза, проанализированы возможные механизмы их повреждения, а также существующие методы оценки ресурса. На основании результатов микрострукгурных исследований отработанных реакционных труб определены основные механизмы их повреждения.

Эксплуатация печей пиролиза при нормальных условиях ведется в циклическом режиме: нагрев - 3 рабочих цикла (пиролиз - декоксование) -охлаждение и текущий ремонт; общая длительность межремонтного пробега составляет ~ 1600 часов. В течение каждого цикла температура стенки трубы повышается (вплоть до 1070°С), что неизбежно происходит в результате образования кокса, обладающего более низкой теплопроводностью; при этом меняются температурно-зависимые характеристики материала и напряженно-деформированное состояние (НДС). В этом состоит главное отличие печей пиролиза от печей конверсии метана, где температура труб практически постоянна в течение всего срока эксплуатации и не превышает 1000°С. Змеевики в топочной камере подвешены вертикально на тягах и пружинах, что обеспечивает возможность свободного удлинения труб.

Согласно общепринятым подходам, как отечественным, так и зарубежным, оценка ресурса трубных элементов змеевиков производится по критерию длительной прочности при постоянной температуре стенки. Расчеты прочности, ранее выполненные по нормативной методике, показывают, что при стационарном режиме работоспособность змеевиков, изготовленных из сплава 45Х26НЗЗС2Б2, обеспечена до 105 часов. Однако многочисленные случаи преждевременного выхода из строя труб печей пиролиза свидетельствуют о недостаточности нормативной оценки, связанной с принятыми в расчете на прочность упрощениями. В частности, игнорирование термических напряжений может привести к недооценке роли циклических деформаций. возникающих при теплосменах. Циклическое неупругое деформирование при наличии длительных выдержек может приводить к повреждению материала при взаимодействии ползучести и усталости. Активация процессов ползучести в

реакционной трубе может быть вызвана ее перегревом в случае неполного удаления кокса во время межремонтного пробега.

Механизмы повреждения реакционных труб разнообразны, действуют параллельно друг другу и обусловлены условиями эксплуатации и свойствами материала. Поэтому не представляется возможным сформулировать универсальный критерий для прогнозирования ресурса змеевиков печей пиролиза, базирующийся на каком-либо доминантном механизме повреждения материала. С другой стороны, можно сформулировать предельные состояния элементов змеевика и механизмы, по которым достигаются эти предельные состояния. Ресурс же конструкции в целом может быть определен как максимальное время, за которое ни один из механизмов повреждения не приводит к предельному состоянию конструкции (потере герметичности; недопустимому формоизменению).

В соответствии с выполненным анализом предложена общая схема оценки ресурса реакционных змеевиков на стадии зарождения и развития трещины с учетом особенностей эксплуатации печей пиролиза (рис.1).

Нагружающие факторы:

Температура при стационарном режиме Давление Циклическое нагружение при тепло-сменах

Эксплуатационные факторы:

Старение

Науглероживание

Коксообразование

Механизмы повреждения:

Повреждения при ползучести Термоустапостные повреждения Прогрессирующее формоизменение

Предельное состояние

по критерию

длительной прочности

на стадии на стадии

зарождения роста

трещины трещины

5

Предельное состояние

по критерию

циклической прочности

на стадии на стадии

зарождения роста

трещины трещины

Предельное состояние

по критерию предельной деформации

Рис.1. Схема оценки ресурса реакционных труб на стадии зарождения и развития трещины с учетом особенностей эксплуатации

Исходя из предложенной схемы, в конце главы формулируются задачи диссертационного исследования.

Во второй главе приведены результаты исследования кратковременных и длительных прочностных свойств металла сварного шва при температурах 900, 1000 и 1100°С. Чертеж заготовки и схема вырезки образцов показаны на рис.2. Расчетные зависимости длительной прочности и скорости установившейся ползучести от напряжения для металла шва приведены на рис.3.

Рис. 2. Схема вырезки образцов из основного металла и металла шва для кратковременных и длительных механических

испытаний

Рассматриваются различные подходы к расчетному определению ресурса трубных элементов змеевиков по критерию длительной прочности на стадии зарождения трещины и выполнена нормативная оценка ресурса реакционной трубы 134x8, изготовленной из сплава 45Х26НЗЗС2Б2.

Согласно нормативным документам, для трубных элементов печных змеевиков рассчитывается напряжение от внешних нагрузок (внутреннего давления, веса) и сравнивается с допускаемым. Для сталей аустенитного класса допускаемое напряжение определяется либо по минимальному значению предела длительной прочности при максимальной температуре стенки за расчетный срок службы, либо исходя из средних значений длительной прочности и нормативного коэффициента запаса. Предельное состояние материала по критерию длительной прочности на стадии зарождения трещины оценивается по формулам:

сг = (сгш^™п или сг = (сгго5)/1,5. (1)

а)

Рис.3. Кривые

длительной прочности (а) и скорости установившейся ползучести (б)

материала сварного шва

Св40Х26Н32С2Б при температурах 900, 1000 и 1100°С (сплошные линии). Пунктирные линии -расчетные кривые основного металла (сплав

45Х26НЗЗС2Б2) при тех же температурах.

1100°С : X св.шов -

0.001 0.01

Скорость ползучести, %/час

1000

Время, час.

В частности, при £>ша).=0,7МПа интенсивность напряжений в трубе 134x8, рассчитанная по нормативной методике, равна а = 5,5 МПа. Для сплава 45Х26НЗЗС2Б2 эта величина соответствует минимальному пределу длительной прочности при температуре 1070°С на базе -50 тыс.часов: (ст^оо),™. = 5,5 МПа, т.е. долговечность основного металла при максимальной допустимой температуре 1070°С гарантирована до 50 тыс.часов. В то же время на установках пиролиза с максимальной температурой 1010-1040°С выходные трубы реакционных змеевиков редко «доживают» до 30 тыс.часов. Следовательно, нормативная оценка ресурса трубных элементов по критерию (1) недостаточна.

Третья глава посвящена оценке ресурса реакционных труб по критерию предельной деформации по механизму прогрессирующего формоизменения. Установлены закономерности повышения температуры стенки трубы в течение рабочего пробега; предложена методология расчета НДС с учетом роста слоя кокса. Проведено численное исследование НДС реакционной трубы для различных режимов эксплуатации; получена оценка накопления односторонней неупругой деформации при теплосменах. Расчеты НДС выполнены для основного металла, металла шва, а также для сварного соединения с учетом изменения характеристик материала в зависимости от температуры.

При стационарном тепловом потоке через стенку трубы температура наружной стенки вычисляется (для труб с отношением наружного диаметра к внутреннему менее 1,5) по формуле:

Tcm=T„+sql

где d - внутренний диаметр трубы; 8ст- толщина стенки, 5к - толщина слоя кокса, е - коэффициент неравномерности нагрева, Тп - температура газового потока, Лст - теплопроводность материала трубы, ХК - теплопроводность кокса, Чср ~ удельный тепловой поток, ат - коэффициент теплоотдачи от внутренней

стенки трубы. Значения s, Лст, qcp, ави заимствованы из литературы; Лк в

интервале температур 100^900°С определили в ЦКП «Состав, структура и свойства конструкционных и функциональных материалов» ЦНИИ КМ «Прометей». Из (2) следует, что в стационарном режиме при Tn - const температура стенки трубы в основном определяется изменением толщины слоя кокса Sk, т.е.

= const + ATk, где Д(3)

A d

На основании уравнения, связывающего скорость отложения кокса на стенках трубы с массовой скоростью потока, коэффициенты в котором были определены по данным обследования выходных труб 134x9 из сплава 45Х26НЗЗС2Б2, отработавших в составе реакционного змеевика печи

S, d-25„

а.,

1 d + 28,.

(2)

Бутовского на предприятии ОАО «Сибур-Нефтехим», получены зависимости толщины слоя кокса 8к и подроста температуры стенки трубы АТк от времени. Поскольку полученные зависимости незначительно отличаются от линейных, в дальнейшем принималось, что при нарастании слоя кокса температура стенки трубы возрастает по линейному закону.

Рассматривая нормальный режим эксплуатации установки пиролиза бензина, для которого Tn=const=820°С, авн -1200 Вт/м2*К, qcp = 105Вт/м2, £ = 1,0, получим из (2) для трубы 134x8 Tm=consí= 900°С (температура поверхности, обращенной к газовому потоку). Расчетная схема регулярного участка трубы представлена на рис.4.

Тепловые расчеты трубы 134x8 методом конечных элементов, проведенные для различных значений образующегося слоя кокса 8к, показали,

что при принятом постоянном потоке qcp = 105Вт/м2 и температуре Тш =900° С градиент температуры по толщине стенки трубы в процессе коксообразования не превышает 30°С.

На основе полученных зависимостей рассмотрено несколько вариантов стационарного и циклического термосилового нагружения. Расчеты проводились методом конечных элементов (МКЭ) в вязкоупругой постановке с помощью программного модуля МБС.Магс с учетом симметрии конструкции и нагружения. В качестве расчетного давления было принято максимальное допустимое /?тах = 0,7 МПа. Исходные данные по скорости ползучести

Т = ТЬ

Рис.4. Расчетная схема участка трубы.

основного металла и металла шва обрабатывались на основании трех наиболее известных теорий ползучести:

£с,=Вса:-- о-'г"4; = Лссг/"(<Г, (4)

где сг, - интенсивность напряжений, ё' - интенсивность деформации ползучести, ¿си - интенсивность скорости деформации ползучести установившейся стадии, описываемой зависимостью типа Нортона, ¿с -интенсивность скорости деформации по теории течения, ё{ - интенсивность скорости деформации по теории упрочнения. Для каждой точки сечения трубы интенсивность скорости деформации ползучести вычислялась по интерполяционной формуле:

ег - б,

(5)

Результаты решения температурно-деформационных задач при стационарном термосиловом нагружении показали, что величина накопленной деформации ползучести в течение межремонтного пробега определяется степенью закоксованности трубы (рис.5). В случае отсутствия отложений кокса при предельной мощности нагрева в рабочей камере {ртгх = 0,7 МПа,

ЛГтах = 80°С) за 100 тыс. часов максимальные деформации ползучести в материале трубы 134x8 не превысят 0,2% как при стационарном режиме, так и с учетом теплосмен. Показано, что в этом случае при оценке ресурса неравномерно нагретой реакционной трубы можно пренебречь влиянием термических напряжений.

Результаты расчета НДС реакционной трубы 134x8 при нестационарном термосиловом нагружении для принятых трех вариантов циклического изменения температуры при коксообразовании в течение межремонтного пробега (рис.6) показали, что прогрессирующее одностороннее накопление деформаций в материале трубы наблюдается для всех рассмотренных вариантов (рис.7).

а 0.6-

2

о 0.4-

| 0.3

и

I

0.2-

П

Кокс растет

ТЧЮОХ, лт=0 . =0,65%

шах \

Кокс есть

\

\

Рти = 0,7 МПа

тк=1070°с,;

ДТ=30°С^_ = 0,27%

/

ТЬ=930°С,; Кокса нет дт=зо°С

ес =0,05%

шах '

-1-1-г-

1000

"1 р = 0,25 МПа

Время, час

Рис.5. График роста эквивалентных деформаций ползучести в течение межремонтного пробега в основном металле реакционной трубы 134x8 при стационарном режиме нагружения в зависимости от закоксованности трубы.

1100 —г

и

и 1050-

я

е 1000 -

о.

п

950-

900-

850-

800-

! / 1 / 1 /

¡х

/''<' / /Л'

(-' ~ ^ /

выжиг кокса режим пиролиза —• вар.1 — вар. 2

—•— вар.3

Рис.6. График изменения температуры наружной

поверхности (Ть)

реакционной трубы в течение межремонтного пробега при разной скорости

коксообразования

Время, час.

Рис.7. Результаты расчета эквивалентных деформаций ползучести в основном металле трубы 134x8 в точках внутренней поверхности в течение межремонтного пробега

Показано, что при нестационарном термосиловом нагружении неравномерно нагретой трубы для адекватной оценки накопленной деформации ползучести е' и подроста Ае' нужно обязательно учитывать коэффициент температурного расширения материала независимо от наличия слоя кокса.

В данной главе также выполнена оценка величины критической деформации материала труб с учетом жесткости напряженного состояния. Критерий предельной деформации записывается в виде:

где - максимальное значение интенсивности неупругой деформации за весь

период нагружения конструкции, е; - деформация разрушения. Для оценки

величины еу при трехосном напряженном состоянии используется уравнение

Хэнкока-Маккензи, полученное на основе уравнений Райса-Трейси для роста одиночной сферической поры:

где сгт / ст, - жесткость напряженного состояния, ат = сг / 3 гидростатическая компонента тензора напряжений. Для основного металла и металла шва проведена статистическая обработка экспериментальных данных и определена £^олн на базе ~ 10 тыс.часов, соответствующая нижней границе доверительного интервала с вероятностью 95%: 6%; 2%. По

результатам расчета НДС трубы 134x8 для вариантов нагружения 1 и 2 вычислена ат/сг, = 1,16 и определена предельная деформация в трубе: г?/ом=1,74% (для основного металла); е/ш= 0,58% (для металла шва). (8)

На основании результатов решения температурно-деформационных задач выполнена оценка ресурса материала реакционных труб при прогрессирующем формоизменении для различных режимов работы змеевика. Показано, что величина накопленной деформации ползучести зависит от скорости отложения кокса на внутренней стенке трубы и качества проведения операции

(6)

(7)

декоксования. При работе в нормальном режиме (р<0,25МПа, слабое равномерное закоксовывание, полное удаление кокса во время межремонтного пробега) предельное состояние материала по критерию (6) практически не достигается в течение 50-100 тыс. часов. При давлении рт„ =0,7МПа и повышенном коксообразовании разрушение за счет одностороннего накопления деформаций в металле шва может наступить уже через 5800 часов работы печи, а в основном металле — через 18 тыс. часов.

Четвертая глава посвящена оценке ресурса реакционных змеевиков по критерию циклической прочности на стадии зарождения трещины.

Для определения предельного состояния по механизму усталостного разрушения построены усталостные кривые для основного металла и металла шва при температурах 900 и 1000°С. Расчеты усталостных кривых проводились по формулам Нормативного подхода с использованием уравнения Коффина-Мэнсона на основании результатов длительных испытаний на растяжение пятикратных цилиндрических образцов из сплава 45Х26НЗЗС2Б2 при температурах 900 и 1000°С. При этом принималось: sf =0,06 - деформация разрушения сплава 45Х26НЗЗС2Б2 на базе 10000 часов, ns-2, «v=10 -коэффициенты запаса по размаху деформации и числу циклов соответственно. Кривые усталости для металла шва рассчитывались с коэффициентом снижения циклической прочности, равным 0,7. Расчетные кривые усталости основного металла при температурах 900 и 1000°С показаны на рис.8.

Периодический разогрев и расхолаживание реакционных змеевиков при наличии градиента температуры по толщине стенки трубы приводит к повреждению материала при взаимодействии ползучести и усталости. Оценка повреждений при малоцикловой усталости нередко проводится на основе деформационно-кинетического критерия разрушения:

к АГ Nf

Dn+D= 1, или + = (9)

м iV п _,= 1 s ,

1000°С

™1—1 1 """I 1Е+004 1Е+005

Nf

Рис.8. Расчетные кривые усталости при температурах 900 и 1000°С для сплава 45Х26НЗЗС2Б2

Здесь Dn - усталостное повреждение, De - квазистатическое повреждение (повреждение при ползучести), Nf - число циклов до разрушения, Nf¡ -долговечность для г-го уровня интенсивности размаха циклических деформаций As,, определяемая по кривой усталости Ae-Nf, 5sCj - приращение

односторонне накопленных деформаций в цикле. Опытные данные для нержавеющей стали при 600°С показали, что метод линейного суммирования повреждений (9) в условиях взаимодействия усталости и ползучести неадекватно описывает накопление повреждений. В диссертационной работе оценка ресурса по критерию зарождения усталостной трещины проводится по кривой допускаемых повреждений fc(DN,Ds), используемой в коде ASME. Результаты расчета квазистатических De и усталостных DN повреждений для вариантов 1 и 2 термосилового нагружения (с учетом коксообразования) показали, что долговечность материала реакционной трубы в основном определяется накоплением повреждений от ползучести: DN«De. Таким образом, вектор ОС (DN,D£) расположен на левой ветви кривой fc{DN,DC),

7

описываемой уравнением — DN + Ds = 1. (10)

На рис.9 показана предельная линия накопленных повреждений для оценки ресурса реакционной трубы по критерию зарождения трещины при взаимодействии усталости и ползучести.

Рис.9. Кривая fc(DN,D£),

0.9 -

D,

0.7 -

0.3

0.5 -

0.1

описывающая совокупность пар значений, приводящих к критическому повреждению. (Зарождение трещины не произойдет, если точка с координатами лежит

внутри области, ограниченной осью ординат и кривой /с ).

о1 o!i

0.2

0.5

0.7

0.9

D,

На основе результатов расчета НДС реакционной трубы 134x8, полученных в гл.З, выполнена оценка повреждений при теплосменах для разных вариантов термосилового нагружения. Показано, что при отсутствии отложений кокса в нормальных условиях эксплуатации условие циклической прочности выполняется в материале трубы в течение всего срока службы змеевика. Коксоотложение резко ухудшает циклическую прочность трубы, главным образом, за счет одностороннего накопления деформаций ползучести в каждом цикле термосилового нагружения. Разрушение в материале трубы может наступить уже через 1^3 года работы печи в зависимости от интенсивности коксообразования.

В пятой главе представлены результаты расчетно-экспериментального исследования кинетики трещины в материале реакционной трубы при длительном нагружении при температурах 900 и 1000°С. Получены количественные параметры, характеризующие сопротивление разрушению основного металла и металла шва, позволяющие провести оценку ресурса трубного элемента на стадии развития трещины при циклическом и статическом длительном нагружениях.

В проведенных исследованиях использовались дугообразные образцы из центробежно-литой трубы 96x13 и 159x15 (сплав 45Х26НЗЗС2Б2 в состоянии поставки), разработанные в соответствии с требованиями стандарта ASTM Е399. Для исследования кинетики трещины в материале сварного шва на кусках

центробежно-литой трубы 96x13 были выполнены продольные сварные швы с применением присадочной проволоки Св-40Х26Н32С2Б. По оси симметрии полученной заготовки (рис. 10а) в материале сварного шва далее был выполнен надрез в соответствии с расчетной схемой (рис. 106).

Рис.10. Чертеж заготовки образца для испытаний на кинетику трещины при ползучести в металле шва (а); расчетная схема нагружения образца с

трещиной (б).

Проведены испытания при температурах 900 и 1000°С образцов №№ 1+8, изготовленных из сплава 45Х26НЗЗС2Б2, два из которых были предварительно подвергнуты изотермическому отжигу в течение 1000 часов при температуре 900°С, а также образцов №№ 9+11 с предварительно наведенной усталостной трещиной в металле шва Св-40Х26Н32С2Б. Продвижение вершины трещины измеряли визуально катетометром типа КМ-6; перемещение захватов по линии действия растягивающей силы - индикатором типа ИЧ. На рис 11 представлены экспериментальные данные по подросту трещины и перемещениям в точке приложения нагрузки для образца № 1.

Для каждого образца рассчитывался С* - интеграл по формуле стандарта АБТМ Е1457, видоизмененной для образца дугообразной формы:

С(0 = (2 + 0.522^1/^^-, (П)

где Ус - скорость перемещения по линии действия нагрузки, обусловленная ползучестью; пс - показатель в уравнении Нортона.

/ А

А А *

Рис. 11. Рост трещины (значки) и перемещение захватов по линии действия нагрузки (кривая линия) в зависимости от времени испытаний образца №1. Прямые линии аппроксимация

экспериментальных данных линейной зависимостью.

Время, час.

Верификация корректности определения С* - интеграла в экспериментах проводилась по методике стандарта ЯСС-МК.: для каждого образца рассчитывалась величина Ус, и проверялось выполнение условия

¥С/Г> 0,8, (12)

где V - общая скорость перемещения захватов, измеряемая в процессе эксперимента.

Скорость роста трещины в зависимости от величины С - интеграла представлена на рис.12. Все полученные значения с/а/Л для сплава 45Х26НЗЗС2Б2 и металла шва Св-40Х26Н32С2Б не выходят за пределы разброса экспериментальных данных испытаний аустенитных хромоникелевых сталей при температурах 550-650°С и описываемых зависимостями вида с1а/сЬ = Аг-(С*)"г. Следовательно, для консервативной оценки скорости роста трещины может быть использовано уравнение верхней огибающей экспериментальных данных, предложенной для аустенитных сталей:

с1а!ск = 5,8-10"2 - (С*)0,81. (13)

Из рис. 12а следует, что увеличение Тисп с 900 до 1000°С приводит к увеличению скорости роста трещины в основном металле в ~ 2 раза;

зависимости ~(С') для аустенитных материалов различаются незначительно.

Из рис. 12а также следует, что термическое старение по крайней мере не приводит к увеличению скорости роста трещины в условиях ползучести.

8 0.01 I

s $

^ 0.001

0.0001

1Е-005

0.001 0.01 0.1 1

С* , Н/мм*час

О 0.01

та

-5!

S S

■^f 0.001 0.0001

1Е-005

0.001 0.01 0.1 1

С , Н/мм*час

Рис.12. Зависимость скорости роста трещины от С*- интеграла для образцов из основного металла (а) и металла шва (б), построенная по данным испытаний при 900 и 1000°С. Верхняя и нижняя огибающие (1) и (2) экспериментальных данных построены по результатам испытаний аустенитных сталей типа 18-8 при температурах 550 - 650°С.

а)

Т«„= 1000!,С О Образец № О Образец № X Образец № г

8 7 ■ 4- -1 i ¡ i .

- и л _____ - ц

** Ü»

Л' ь— 2

> - "Е •Ш ■ — — ----г-г-- И-• •

J|

- * □ Образец № 3 Д Образец № 1 t

-- -i.______.__ "1

i

i

1 1 1 1 1 1 1 1

На рис. 13 показана микроструктура образца №2 из основного металла после испытаний на кинетику трещины при температуре 900°С, а также результаты исследования локального элементного состава методом рентгеноспектрального микроанализа. Видно, что разрушение идет за счет образования и роста пор преимущественно по границам дендритных ячеек.

Рис.13.

Микроструктура (а) и электронно-микроскопическое изображение (б) после испытаний на кинетику трещины образца №2 в течение 2942 часов.

Для прогнозирования скорости роста трещины при длительном статическом нагружении были выполнены расчеты С* - параметра, определяемого в соответствии со стандартом 11СС-М11 на основе метода референсных напряжений по следующим зависимостям:

^ = К] ^, ^ = , , = -(1 + *)+ 72^2?, г = (14)

где К] -коэффициент интенсивности напряжений, сггеу - референсное напряжение, ¿ге/ - скорость деформации ползучести, определяемая из уравнений (4).

Для образцов №№ 1, 4 и 6 сопоставлены результаты расчета С -интеграла и С* - параметра, вычисленного по различным процедурам. Показано, что значения С* - параметра превышают С*, что обеспечивает консервативную оценку скорости роста трещины. Следует отметить, что для получения

наиболее адекватных прогнозов по скорости роста трещины при расчете С3 -параметра необходимо учитывать вклад неустановившейся стадии ползучести.

Оценка ресурса трубного элемента на стадии развития трещины при циклическом нагружении базируется на известном соотношении (закон Пэриса): ¿а/с1М = С(М<)т. (15)

Для сплава 45Х26НЗЗС2Б2 (а также для сплавов типа НК-40 и НР) специальные исследования по сопротивлению развитию усталостного разрушения не проводились, поэтому для определения постоянных Сигав настоящей работе были использованы результаты проведенных ранее экспериментальных исследований кинетики термоусталостной трещины при термоциклировании (900<->50°С) в сплаве 45Х26НЗЗС2Б2, а также результаты испытаний эвтектического карбидного сплава при температуре 950°С, аналогичного по составу 45Х26НЗЗС2Б2. Искомая зависимость (15) скорости роста усталостной трещины от величины АК построена для основного металла как верхняя огибающая экспериментальных данных:

С = 4,948 * 10"8 мм/цикл- (мПал/м)Н; т = 3,908.

В данной главе также сформулирована процедура оценки ресурса змеевиков на стадии развития трещины при комбинированном статическом и циклическом нагружении. Подрост трещины за один рабочий цикл в области взаимодействия ползучести и усталости вычисляется по правилу линейного суммирования:

'*Тн / \

А а = С(АКУ + \АГ (с; (О Г Л, (16)

/

где Тк - длительность цикла, С* (г) - параметр, рассчитанный на основе текущих номинальных напряжений в элементе конструкции с использованием концепции референсных напряжений.

По результатам расчета НДС в трубе 134x8 при термосиловом нагружении по варианту 2 проведена сравнительная оценка скорости роста трещины при взаимодействии ползучести и усталости за один рабочий цикл длительностью (500+1) часов. Показано, что при нормальном режиме

эксплуатации подрост трещины, обусловленный усталостью, составляет не более 1% от подроста, обусловленного ползучестью. При одинаковых условиях нагружения в металле сварного шва рост трещины происходит в полтора раза быстрее, чем в основном металле.

В шестой главе сформулирована процедура оценки ресурса трубных элементов змеевиков на стадии развития трещины. Проведена оценка критического размера трещины по критериям несущей способности и статической трещиностойкости материала труб.

Как показано в гл.5, величиной подроста трещины, обусловленной усталостью при теплосменах, можно пренебречь, поэтому оценка времени безопасной эксплуатации трубы с трещиной сводится к определению скорости роста трещины при ползучести. Для сплава 45Х26НЗЗС2Б2 и материала сварного шва Св-40Х26Н32С2Б в условиях ползучести консервативная оценка скорости роста трещины выполняется по уравнению (13), в котором вместо С

использован С* - параметр. Параметр С* рассчитывается на основе текущих номинальных напряжений в элементе конструкции с использованием концепции референсных напряжений и параметра предельной нагрузки, определяемого по формулам справочника РгоБАСС. В результате интегрирования уравнения (13) определяется время развития трещины 1ргор от

начальной глубины трещины а0 до конечной ас и проверяется выполнение условия

[А 1]>тр, (17)

где [At\=tpraplk2m - время безопасной эксплуатации трубы с трещиной, £зап = 5-^10 - коэффициент запаса, гр - длительность межремонтного пробега.

В данной главе также приведена процедура оценки допустимого размера трещины по критерию несущей способности на основе условия прочности трубы с трещиной при кратковременном нагружении:

о-ге/< о-^/пв* (18)

где crref - референсное напряжение от действия внешних нагрузок, зависящее от глубины трещины; пв - коэффициент запаса по пределу прочности, = (сг0 2 + о",)/2 - напряжение пластической нестабильности, а02 и сге-предел текучести и предел прочности материала при рабочей температуре. В частности, для трубы 134x8 при коксообразовании по варианту 2 с учетом данных кратковременных испытаний при температуре 1100°С получено: для продольной внутренней трещины в основном металле ас = 3,6 мм; для кольцевой внутренней трещины в металле шва ас = 6,4 мм.

Для оценки допустимого размера трещины по критерию статической трещиностойкости материала определены критические значения Jс - интеграла для сплава 45Х26НЗЗС2Б2 по критерию старта трещины при температурах Тисп =900 и 1000°С. Показано, что в реальных условиях работы реакционных труб критические значения Kjc и Jс не достигаются; критический размер трещины определяется по критерию несущей способности.

В соответствии с предложенной схемой для трубы 134x8 с продольной трещиной глубиной аа =1,5 мм определено время tprop, в течение которого

трещина может подрасти до ас. В частности, при термосиловом нагружении по варианту 2 для основного металла [Д/] = 27500 часов (ктлп =10), что в 17 раз превышает величину тр. При неполном удалении кокса во время межремонтного пробега средняя температура реакционной трубы может достигать 1070°С; в этом случае время безопасной эксплуатации составит [Аг] = 1200 часов, т.е. ресурс змеевика в течение межремонтного пробега не обеспечен.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика оценки ресурса реакционных змеевиков установок пиролиза на основе анализа возможных механизмов повреждения и предельных состояний реакционных труб по критериям длительной прочности, деформационной способности и циклической прочности.

2. Определены основные характеристики для расчета прочности и долговечности реакционных труб при рабочих температурах в диапазоне 900-1100°С:

- длительная прочность и ползучесть для металла шва Св-40Х26Н32С2Б,

- характеристики усталости основного металла и металла шва;

- критические значения Jc- интеграла для основного металла;

- расчетная зависимость скорости роста усталостной трещины;

- величины критической деформации материала.

3. Установлены закономерности повышения температуры трубы за счет закоксованности в течение рабочего пробега. Предложена методология расчета НДС с учетом роста слоя кокса. В результате решения температурно-деформационных задач выявлены следующие причины значительного формоизменения и повреждения реакционных труб:

активизация процессов ползучести в материале вследствие закоксованности трубы и возможного перегрева сечения до максимальной температуры в процессе эксплуатации;

прогрессирующее одностороннее накопление деформаций, обусловленное неблагоприятным сочетанием циклических термических напряжений и внутреннего давления.

4. Определены условия, при которых необходимо учитывать термические напряжения для оценки НДС и прочности реакционных труб.

5. Разработана методика определения скорости роста трещины применительно к трубным элементам змеевиков в условиях ползучести на основе С -

интеграла. Получена зависимость ^-(с*) для сплава 45Х26НЗЗС2Б2 и металла

шва Св-40Х26Н32С2Б при температурах 900 и 1000°С. Показано, что термическое старение (изотермический отжиг) не приводит к увеличению скорости роста трещины в условиях ползучести. Увеличение Тисп с 900 до

1000°С приводит к увеличению скорости роста трещины в ~ 2 раза. При этом

с1а

все полученные значения — не выходят за пределы огибающих, построенных

Л

по результатам испытаний аустенитных хромоникелевых сталей при температурах 55(Н650°С.

6. Сопоставление экспериментальных данных и расчетных зависимостей показало, что для расчета скорости роста трещины может быть использован инженерный метод, основанный на концепции референсных напояжений на основе - параметра. При расчете С* - параметра для получения наиболее адекватных прогнозов по скорости роста трещины необходимо учитывать вклад неустановившейся стадии ползучести.

7. Разработана методика оценки допускаемых размеров трещиноподобного дефекта в материале реакционной трубы, а также времени безопасной эксплуатации трубы с трещиной при стационарном режиме пиролиза. Показано, что ресурс реакционных труб на стадии зарождения и (или) развития трещины главным образом определяется скоростью отложения кокса на внутренней стенке труб, а также качеством проведения операции декоксования в течение межремонтного пробега.

8. Показано, что нормативный расчет на прочность, не учитывающий специфические условия работы печей пиролиза, может привести к неконсервативной оценке ресурса реакционных труб.

9. Рекомендации по оптимизации режимов эксплуатации литых изделий, разработанные в рамках диссертации, используются в ООО «СИБУР-Кстово», что подтверждено Актом использования результатов диссертационной работы.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих научных трудах:

1. Попова И.П., Орыщенко A.C., Уткин Ю.А., Одинцов Н.Б. Оценка работоспособности труб реакционных змеевиков установки ЭП-300, изготовленных из новых жаропрочных сплавов, при стационарном режиме нагружения//Вопросы материаловедения. - 2007. - № 1. - С. 83-89.

2. Попова И.П., Орыщенко A.C., Уткин Ю.А., Одинцов Н.Б. Оценка работоспособности при стационарном нагружении элементов реакционного змеевика установки ЭП-300, изготовленного из сплава 45X26НЗ3С2Б2//Металлург. - 2009. - №4. - С. 53-56.

3. Попова И.П., Орыщенко A.C., Гецов Л.Б. Методика расчетного определения характеристик ползучести на первой и второй стадии на основе ограниченного числа изохронных кривых ползучести//Вопросы материаловедения. - 2010. -№ 2(62). С. 83-95.

4. Попова И.П., Марголин Б.З. Расчетно-экспериментальное исследование кинетики трещины при ползучести для дугообразного образца из сплава 45Х26НЗЗС2Б2 при температуре 900°С: Труды XI международной конференции «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС». ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт-Петербург, 14-18 июня 2010 г. Том 2. - С.286-300.

5. Попова И.П., Орыщенко A.C., Марголин Б.З. Расчетно-экспериментальное исследование кинетики трещины при ползучести в дугообразном образце из сплава 45Х26НЗЗС2Б2 при температуре 900°С//Вопросы материаловедения. -2012. - №2(70). - С. 133-149.

6. Попова И.П., Орыщенко A.C., Марголин Б.З., Уткин Ю.А., Громова Н.Б. Анализ методических особенностей расчета трубных элементов реакционных змеевиков печей пиролиза установки ЭП-300, изготовленных из сплава

45Х26НЗЗС2Б2, при их термомеханическом нагружении в условиях высокотемпературной ползучести/ТВопросы материаловедения. - 2013. -№1(73). - С.191-211.

7. Попова И.П., Орыщенко A.C. Тезисы доклада «Оценка работоспособности трубных элементов реакционного змеевика установки ЭП-300, изготовленного из сплава 45Х26НЗЗС2Б2, при стационарном режиме нагружения»//5-я Российская конференция «Методы и программное обеспечение расчетов на прочность» (г.Геленджик Краснодарского края, 6-11 октября 2008г.): Тезисы докладов. - ОАО «НИКИЭТ», Москва, 2008. - С. 32.

8. И.П. Попова, Б.З. Марголин, A.C. Орыщенко. Расчетно-экспериментальное исследование кинетики трещины при ползучести в дугообразном образце из сплава 45Х26НЗЗС2Б2 при температуре 900°С//6-я Российская конференция «Методы и программное обеспечение расчетов на прочность» (г. Геленджик Краснодарского края, 4-8 октября 2010г.): Сборник докладов. - ОАО «НИКИЭТ», Москва, 2010. - С. 87-97.

Подписано в печать 24 октября 2014 г. Формат 60x48 1/16. Печать - офсетная. Усл. п. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1.05. Тираж 80 экз. Заказ № 2/139

Отпечатано в типографии ФГУП «ЦНИИ КМ»Прометей» 191015, Санкт-Петербург, улица Шпалерная, дом 49

Лицензия на полиграфическую деятельность Лр № 020644 от 13 октября 1997