автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Изменение структуры и механических свойств аустенитной стали 20Х23Н18 в условиях пиролиза углеводородов

Введение

Глава 1 Литературный обзор

1.1 Трубчатые печи

1.2 Описание конструкции, условий эксплуатации и матери- 9 ального оформления змеевика печи пиролиза - \ 1 . ■ * '

1.3 Распределение отказов змеевика

1.4 Аустенитные стали

1.5 Фазовый состав аустенитных сталей

1.6 Влияние легирующих элементов на физико-механические 27 свойства стали

Глава 2 Материал и Методики исследований, , г , . . ;

2.1 Змеевик, конструкция, материальное оформление

2.2 Отбор проб. .

2.3 Методы исследований

Глава 3. Результаты исследований

3.1 Результаты механических испытаний

3.2 Результаты металлографических исследований

3.3 Результаты фрактографического анализа . "

Глава 4 Мультифрактальная параметризация 61 4.1 Фрактал и мультифрактальная параметризация 61 4.2 Основные мультифрактальные характеристики, используемые для параметризации структур сталей и сплавов

4.3 Методика мультифрактальной параметризации

4.4 Применение метода мультифрактальной параметризации в 71 исследованиях в области материаловедения

4.5 Методика проведения мультифрактальной параметризации 75 структуры стали 20Х23Н

4.6 Результаты мультифрактальной параметризации

Общие результаты и выводы

Актуальность работы. В настоящее время совершенствование технологического процесса пиролиза углеводородов направлено на интенсификацию режима - повышение температуры и снижение времени пребывания сырья в реакционной зоне печи - змеевике. Осуществление процесса пиролиза при высоких рабочих температурах и давлениях требует поддержания на регламентированном уровне основных механических свойств сталей, которые используются для изготовления труб змеевиков.

На нефтехимических предприятиях России наиболее часто змеевики печей пиролиза собирают из горячекатаных труб, изготовленных из высоколегированной аустенитной стали 20Х23Н18. При пиролизе углеводородов температура стенки труб может достигать 890-960 °С. Кроме того, с определенной периодичностью проводится паро-воздушная очистка труб от отложений кокса, которая также вызывает кратковременный нагрев стали до высоких температур. Эксплуатация металла в таких температурных условиях приводит к образованию в трубах различного рода дефектов: микро- и макротрещин, прогаров, местных деформаций труб (отдулин). Как правило, наличие этих дефектов является основной причиной частых остановок печей на ремонт и повышения себестоимости изготавливаемой продукции.

Для снижения количества отказов труб необходимо определить основные причины их возникновения и внести изменения в эксплуатацию печного агрегата.

Таким образом, актуальным является вопрос изучения закономерностей изменения структуры и механических свойств аустенитной стали 20Х23Н18 при пиролизе углеводородов с целью совершенствования эксплуатации печного агрегата.

Цель работы. Изучение изменения структуры и механических свойств аустенитной стали 20Х23Н18 в условиях пиролиза углеводородов с целью разработки практических рекомендаций по совершенствованию эксплуатации печного агрегата.

Для достижения поставленной задачи в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1 Анализ условий работы металла труб змеевика печи пиролиза и характера распределения возникающих дефектов по ходу потока углеводородов по трубам.

2 Изучение характера изменений структуры и механических свойств стали 20Х23Н18, происходящих в условиях процесса пиролиза.

3 Оценка влияния геометрии микроструктуры стали 20Х23Н18 на ее механические свойства методом мультифрактальной параметризации.

4 Разработка практических рекомендаций по совершенствованию эксплуатации печного агрегата с целью предотвращения возникновения дефектов труб.

Научная новизна:

Методом мультифрактальной параметризации определен временной промежуток, в пределах которого происходит изменение механизма разрушения стали 20Х23Н18 с вязкого на хрупкий. На это указывают наличие максимума на зависимости Aq=f(T), находящегося в интервале (3,8-4,8)-103 ч, и фрактограммы изломов стали в исходном и конечном состояниях. Изменение механизма разрушения сопровождается образованием интерметаллидов по границам и в теле зерна аустенита.

Зависимость фрактальной размерности Do распределения интерметаллидов в структуре стали от времени эксплуатации труб, имеет два максимума со значениями D0 2, что на фоне низких величин микротвердости интерметаллидов указывает на высокую склонность металла к образованию трещин в интервалах работы агрегата (5-6)-103 и (10-12)* 103 ч.

Практическая значимость. Разработаны и переданы для использования в ОАО «Уфаоргсинтез» практические рекомендации по совершенствованию эксплуатации печи пиролиза, обосновывающие нецелесообразность проведения паровыжига кокса на установленных временных промежутках: (5-6)-103 и (10-12)-103 ч.

Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств» Уфимского государственного нефтяного технического университета под руководством кандидата технических наук доцента Чирковой А.Г., которой автор выражает искреннюю благодарность.

Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук, профессору Кузееву И.Р., профессору Терентьеву В.Ф., доктору физико-математических наук Встовскому Г.В. за критическое обсуждение результатов исследований и помощь при их осуществлении. Автор также благодарен дипломникам Мухаметгарееву Р.Ф. и Ширяеву В.В.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 При эксплуатации труб змеевиков печей пиролиза, изготовленных из стали 20Х23Н18, в металле образуются дефекты, преимущественно трещины, увеличивающие опасность возникновения аварийных ситуаций. Участками змеевика, наиболее часто подверженными трещинообразованию, являются начальные и конечные по ходу потока трубы.

2 В структуре стали 20Х23Н18 обнаружено наличие интерметаллидов FeCr, CrNi и Cr5Fe7. Изменение структуры стали в процессе пиролиза связано с трансформацией фазового состава, заключающейся в образовании и распаде интерметаллидов на границе и в теле зерна, а также изменением разнозернистости.

Установлено, что образование интерметаллидов в теле зерна аустенита при продолжительности эксплуатации 4872 ч вызвало снижение ударной вязкости стали до минимального значения. Кроме того, увеличение разнозернистости структуры и уменьшение количества интерметаллидов от 25 до 7 % в интервале от 0 до 2256 ч способствовали снижению прочностных характеристик металла.

3 Методом мультифрактальной параметризации установлен временной промежуток (3,8-4,8)-10 ч изменения механизма разрушения стали 20Х23Н18 с вязкого на хрупкий, которому соответствует максимальное значение параметра упорядоченности структуры (А2оо=0,375-0,390) и минимальная ударная вязкость. Ранее проф. B.C. Ивановой был установлен фундаментальный характер этого мультифрактального параметра. На зависимости Do=f(r) присутствуют экстремумы, находящиеся в интервалах (5-6)Т0 и (10-12)Т03 ч и имеющие значения близкие к 2, что свидетельствует о возможности возникновения дефектов в трубах, так как топологическая размерность 2 характерна для образования новой поверхности.

Установлено, что возрастание содержания интерметаллидов в стали 20Х23Н18 замедляет темпы самоорганизации ее структуры, одновременно увеличивая однородность. Применение метода мультифрактальной параметризации позволило также однозначно судить о характере изменения структуры стали и особенностях ее разрушения на различных этапах эксплуатации труб печей пиролиза.

4 На основании полученных результатов в ОАО «Уфаоргсинтез» передана для использования рекомендация, показывающая нецелесообразность проведения паровыжига кокса на установках пиролиза углеводородов на указанных временных интервалах.

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для вузов.-М.: Машиностроение, 1990.- С. 291-299, 367-371.

2. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов.- М.: Металлургия, 1977.- С. 449-470, 483-497, 540-556.

3. Металловедение и термическая обработка стали./Под ред. М.Л. Берн-штейна, А.Г. Рахштадта. Т 1.2- М.: Металлургия, 1991.- С. 47-114, 199-208.

4. Металловедение и термическая обработка стали./Под ред. М.Л. Берн-штейна, А.Г. Рахштадта. Т 1.1- М.: Металлургия, 1991.- С. 7-272.

5. Коваленко B.C. Металлографические реактивы/Справочник.- М.: Металлургия, 1970,- 133 с.

6. Химушин Ф.Ф. Нержавеющие стали.- М.: Металлургия, 1967.- С. 291323.

7. Металловедение, сталь./Пер. с нем. И.М. Копьева, В.А. Федоровича, под ред. д.т.н. С.Б. Масленкова,- М.: Металлургия, 1995.- С.

8. Структура и физико-механические свойства немагнитных сталей./Под ред. д.т.н. О.А. Банных.- М.: Наука, 1982.- С. 240.

9. Ботвина Л.Р. Кинетика разрушения конструкционных материалов.- М.: Наука, 1989.- С. 230.

10. Мухина Т.Н., Барабанов Н.Л., Бабаш С.Е. и др. Пиролиз углеводородного сырья,- М.: Химия, 1987.- С. 95-136.

11. Беккерт, X. Клемм. Способы металлографического травления.- М.: «Металлургия», 1988,- С. 119-126.

12. Ентус Н.Р., Шарихин В.В. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.- М.: Химия, 1987.- С.

13. Паршин A.M. Структура, прочность и радиационная повреждаемость коррозионно-стойких сталей и сплавов.- Челябинск: металлургия, 1988. С. 1430, 132-140, 164-176, 254-264, 356-368, 593-643.

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

15. Божокин С.В., Паршин Д.А. Фракталы и мультифракталы.- Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика».- 2001.- С. 128.

16. Встовский Г.В. Фрактальная параметризация структур в металлах и сплавах/диссертация на соискание уч. ст. доктора физ.-мат. наук Москва, 2001.- С. 255.

17. Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н. и др. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия.- Москва: Металлургия, 1982. С. 632.

18. Металловедение и термическая обработка стали/Под ред. M.J1. Берн-штейна, А.Г. Рахштадта. Москва: Металлургия, 1983. С. 94-141.

19. Бородулин Г.М., Мошкевич Е.И. Нержавеющая сталь. Москва: Металлургия, 1973. С. 23-40.

20. Ланская К.А. Высокохромистые жаропрочные стали. Москва: Металлургия, 1976.-С. 57-117.

21. Иванова B.C., Кузеев И.Р., Закирничная М.М. Синергетика и фракталы. Универсальность механического поведения материалов.- Уфа: Изд-во УГ-НТУ, 1998.- С77-140.

22. Баранов Л.В., Демин Э.Л. Металлографическое травление металлов и сплавов.- Москва: Металлургия, 1986г., 256 с.

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

24. ГОСТ 1497-84 . Металлы. Методы испытания на растяжение,- М.: Изд-во стандартов, 1985.- 63 с.

25. Гудков А. А., Славский Ю. И. Методы измерения твердости металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1982.

26. Кузнецов П.В., Панин В.Е., Шрайбер Ю. Фрактальная размерность как характеристика стадий деформации на мезоуровне при циклическом и активном нагружении.- Металлы, №10, 2000.- С. 23-29.

27. Колмаков А.Г., Бунин И.Ж., Встовский Г.В. Изменение мультифрактальных характеристик приповерхностных слоев деформированного молибдена, вызванные поверхностным обезуглероживанием.- Физика и химия обраб. материалов. 1996. №4.- С. 60-70.

28. Вашуль X. Практическая металлография/Пер. с нем. к.т.н. В.А. Федоровича.-Москва: Металлургия, 1988. С. 8-56.

29. Иванова B.C., Баланкин А.С., Бунин И.Ж. , Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, 383 с.

30. Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Терентьев В.Ф. Мультифрактальный анализ особенностей разрушения приповерхностных слоев молибдена. Металлы. 1993, №4.- С. 164-178.

31. Встовский Г.В., Колмаков А.Г. Анализ влияния поверхностей обработки на структуру статических изломов малолегированного молибдена с помощью мультифрактального формализма. Физика и химия обработки материалов. 1995, №6.-С. 66-82.

32. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Данилов В.И. и др. Структурные уровни пластической деформации и разрушения.- Новосибирск: Наука, 1990.- 258 с.

33. Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Бунин И.Ж. Введение в мультифрак-тальную параметризацию структур материалов. Москва-Ижевск, 2001.- С.3-106.

34. Дьяков В.Г. и др. Эксплуатация материалов в углеводородных средах печей пиролиза.- М.: ЦНТИИЭнефтехим, 1983.- С. 53.

35. Дьяков В.Г. и др. Жаропрочные материалы для высокотемпературного оборудования нефтехимических и химических процессов.- М.: ЦНТИИЭнефтехим, 1978.- С. 61.

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

37. Марочник сталей и сплавов/Под ред. А.С. Зубченко.- М.: Машиностроение, 2001. С.313.

38. Барабанов Н.Л. Высокотемпературный пиролиз углеводородов.- М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1971.- С. 56.

39. Кузеев И.Р., Баязитов М.И., Куликов Д.В., Чиркова А.Г. Высокотемпературные процессы и аппараты для переработки углеводородного сырья.-Уфа: Гилем, 1999.- С. 182-277.

40. Чиркова А.Г. Снижение повреждений в металле труб печей пиролиза в процессе паро-воздушного выжига/Диссертация на соиск. уч. ст. к.т.н.- Уфа: УГНТУ, 1998.

41. Семенов Б.И., Агибалов С.Н., Колмаков А.Г. Описание структуры литого алюмоматричного композита с использованием метода мультифрактально-го анализа. Материаловедение, 1999, № 5.- С. 25-31.

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

43. Баязитов М.И., Кузеев И.Р. О механизме коксообразования на внутренней поверхности печных труб/Нефть и газ, Уфа, 1996.

44. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов.- М.: Наука, 1976.-С. 9-31.

45. Геллер Ю.А, Рахштадт А.Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. М.: Металлургия, 1983.- С.24-75, 117-152.

46. Свинухов А.Г. Высокотемпературные процессы пиролиза и гидропиролиза нефтяного сырья. М., 1985. 36 с.

47. Федер Е. Фракталы.- М.: Мир, 1991.- 254с.

48. Гудермон Э. Специальные стали. Т.1- М.: Металлургия, 1966.- С. 513.

49. Смидович Е.В. Технология переработки нефти и газа.- М.: Химия, 1968. с. 246

50. Встовский Г.В., Бунин И.Ж. Мультифрактальная параметризация структур в материаловедении/Перспективные материалы №3, 1995.- С. 13-21.

51. Бунин И.Ж., Колмаков А.Г., Встовский Г.В. Мультифракталы в оценке диссипативных свойств металлических материалов. Металлы №1, 1998.- С. 103-106.

52. Оксогоев А.А., Бунин И.Ж., Колмаков А.Г., Встовский Г.В. Мультиф-рактальный анализ изменения зеренной структуры алюминиевого сплава при ударном воздействии скоростной частицей. Физика и химия обработки материалов №4, 1999.- С. 63-71.

53. Авдеева Л.Г., Чиркова А.Г. О влиянии коксоотложения и паровоздушного способа очистки на структуру стали труб пирозмеевиков/ III конгресс нефтепромышленников России, секция «Проблемы нефти и газа».- Уфа: «Реактив», 2001.-С. 291.

54. Авдеева Л.Г., Чиркова А.Г. Образование магнитных зон на дефектных участках труб пирозмеевиков/52-ая конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ.- Уфа, УГНТУ, 2001.

55. Авдеева Л.Г., Чиркова А.Г. Определение мультифрактальных характеристик стали 20Х23Н18 до и после эксплуатации/5 3-я конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ.- УГНТУ, 2002.

56. Авдеева Л.Г., Чиркова А.Г. Изменение первоначальной структуры стали 20Х23Н18 после эксплуатации/5 3-я конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ,- УГНТУ, 2002.

57. Баязитов М.И. Оценка поврежденности печных труб в условиях эксплуатации/Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий,- Уфа, 1997,- С. 203-210.

58. Богомолова Н.А. Практическая металлография.- М.: Высш. школа, 1978,- 272 с.

59. Бушнев JI.C., Колобов Ю.Р., Мышляев М.М. Основы электронной микроскопии.- Томск: Изд-во Том. ун-та, 1989.- 218 с.

60. Золоторевский B.C. Механические свойства металлов.- М.: Металлургия, 1983.-352 с.

61. Практические методы в электронной микроскопии/Под ред. О.М. Гло-эр.- Пер. с англ.- Л.: Машиностроение.- 1980.- 375 с.

62. Романив О.Н. Вязкость разрушения конструкционных сталей.- М.: Металлургия, 1979.- 176 с.

63. Иванова B.C., Встовский Г.В., Семенов Б.И. Фрактальная концепция «интеллектуальных» материалов и «интеллектуальных технологий материалов». Технология металлов, №4., 2002.- С. 11-23.

64. Иванова B.C., Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Пименов В.Н. Муль-тифрактальный метод тестирования устойчивости структур в материалах, учеб. метод, пос. - М.: Интерконтакт Наука, 2000. - 54 с.

65. Колмаков А.Г. Взаимосвязь механических свойств с мультифракталь-ными характеристиками структуры поверхности молибденовых проволок. Физика и химия обработки материалов, 1997, №3.- С. 49-54.

66. Терентьев В.Ф., Бунин И.Ж., Колмаков А.Г., Встовский Г.В. Использование концепции фрактала в материаловедении. Сб. Институту металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова 60 Лет. М.: Элиз, 1998. С.398-411.

67. Бунин И.Ж. Концепция фрактального материаловедения. Металлы, 1996, №6.-С. 29-36.

68. Колмаков А.Г., Встовский Г.В., Масляев С.А., Пименов В.Н. Исследование воздействия лазерного излучения на структуру тонколистовых медных сплавов с использованием мультифрактальных представлений. Перспективные материалы, 1999, №4. С. 5-13.

69. Паршин A.M., Тихонов А.Н., Бондаренко Г.Г., Кириллов Н.Б. Радиационная повреждаемость и свойства сплавов.- Санкт-Петербург: Изд-во «Политехника», 1995.- С.

70. Лашко Н.Ф., Еремин Н.И. Фазовый анализ и структура аустенитных сталей.- М.: Машгиз, 1957.- 235 с.

71. Бернштейн М.Л. Стали и сплавы для работы при высоких температурах.- М.: Металлургиздат, 1956.- 238 с.

72. Колмаков А.Г. Взаимосвязь мультифрактальных характеристик структур поверхностей разрушения молибдена с его механическими свойствами. Металлы, 1996, №6. С. 37-43.

73. Малышев В.Н., Колмаков А.Г., Бунин И.Ж. Оптимизация режимов получения и свойств оксидных покрытий на алюминиевом сплаве с использованием метода мультифрактального анализа. Физика и химия обработки материалов, 1997, № 5.- С. 77-84.

74. Колмаков А.Г., Бунин И.Ж., Козицкий Д.В. Мультифрактальный анализ рекристаллизованной структуры молибдена. Металлы, 1999, №1.- С. 80-87.

75. Оксогоев А.А., Бунин И.Ж., Колмаков А.Г., Встовский Г.В. Мультифрактальный анализ изменения зеренной структуры алюминиевого сплава при ударном воздействии скоростной частицей. Физика и химия обработки материалов, 1999, № 4.- С. 63-71.

76. Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Бунин И.Ж. Псевдомультифракталь-ный анализ геометрической асимметрии. Математическое моделирование процессов в синергетических системах. Сборник статей.- Улан-Удэ Томск: Изд-во Томского университета, 1999.- с. 277-281.

77. Нигматуллин P.P. К физическому истолкованию дробной производной. Самоорганизующиеся и фрактальные структуры. Межвуз. темат. сб. научных трудов.- Уфа: Изд-во УНИ, 1990.

78. Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Терентьев В.Ф. Описание эволюции структуры металлической поверхности при механической обработке с использованием метода мультифрактального анализа. Материаловедение, 1998, № 2.-С. 19-24.

79. Уэбман Н. Упругое поведение фрактальных структур. Фракталы в физике. М.: Мир, 1988.- С. 488-497.

80. Бунин И.Ж., Козицкий Д.В., Костина М.В. и др. Мультифрактальный анализ структур границ зерен высокопрочных Mn-Ni-V-Cu-C сталей, синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующихся технологии. М.: Наука, 1996. С. 204-206.

81. Баланкин А.С., Иванова B.C., Бреусов В.П. Коллективные эффекты в кинетике разрушения металлов и спонтанное изменение фрактальной размерности диссипативной структуры при вязком переходе. ДАН, 1992, том 322,№ 6. -С. 1080.

82. Колмаков А.Г., Головин Ю.И., Терентьев В.Ф., Бакиров М.Б. Методы определения твердости металлических материалов.- Воронеж, 2000.- С. 68-70.

83. Колмаков А.Г., Терентьев В.Ф., Рыбакова JI.M. Влияние магнетрон-ного покрытия Mo-46%Re на эволюцию дислокационной структуры приповерхностных слоев молибдена при статистическом растяжении. Физика и химия обработки материалов, 19994, №2.- С. 76-85.

84. Бунин И.Ж., Колмаков А.Г., Встовский Г.В., Терентьев В.Ф. Концепция фрактала в материаловедении. Сообщение 1. Фрактальная параметризация структур материалов. Материаловедение, 1999, № 2. С. 19-26.

85. Бунин И.Ж., Колмаков А.Г., Встовский Г.В., Терентьев В.Ф. Концепция фрактала в материаловедении. Сообщение 2. Методология мультифрактальной параметризации. Материаловедение, 2000, № 1. С. 16-25.

86. Фрактография и атлас фрактограмм: Справочник/Перевод с англ.Шура Е.А, Под ред. Берштейна M.JI.- М.: Металлургия, 1982.- С. 8,15,19.