автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Комплекс служебных характеристик теплоустойчивых сталей при контакте с водородсодержащими средами в задачах повышения ресурса аппаратов и трубопроводов нефтеперерабатывающих производств

Страница

Введение.

Глава 1. Общая характеристика работы.

1.1. Актуальность проблемы.

1.2. Обзор состояния проблемы и обоснование цели исследования

1.3. Задачи исследований.

1.4. Научная новизна.

1.5. Практическая значимость работы.

1.6 Апробация работы.

1.7 Достоверность полученных результатов.

Глава 2. Материалы и методики исследований.

Глава 3. Исследование взаимодействия водорода с хромомолибденовыми сталями при высоких температурах и давлениях.

3.1. Исследование процессов проникновения и растворения водорода в металлах при высоких давлениях и температурах.

3.2. Влияние водорода высоких параметров на изменение механических свойств сталей.

3.3. Исследование характера разрушения среднелегированных сталей методом растровой электронной микроскопии.

3.4. Сопоставление результатов лабораторных исследований с данными по исследованию стойкости конструкционных материалов в условиях воздействия водородсодержащих сред на реально действующем нефтезавод-ском оборудовании.

Глава 4. Исследование влияния длительной эксплуатации нефтехимического оборудования на характеристики кратковременной и длительной прочности сталей.

Глава 5. Фазовые превращения в сталях в процессе длительной эксплуатации.

Глава 6. Разработка методов диагностики оборудования с целью выдачи рекомендаций по оценке его эксплуатационного ресурса.

Выводы.

Современная нефтеперерабатывающая промышленность характеризуется использованием установок большой единичной мощности и технологических сред с высокой коррозионной агрессивностью. Выбор материала для конкретных областей применения определяется экономическими соображениями, включающими не только удельные затраты и стоимость, но и политику заводов в области капитального строительства и эксплуатации. Продление эксплуатационного ресурса оборудования позволяет наиболее полно использовать основные фонды предприятия и сэкономить средства на приобретение новой техники.

Серьезную опасность для оборудования высокого давления, эксплуатируемого в химической и нефтеперерабатывающей промышленности, представляют технологические среды, содержащие газообразный водород или его соединения и вызывающие водородную коррозию металла элементов сосудов и трубопроводов [1-Нэ]. Процессы, осуществляемые при высоких давлениях водорода, протекают, как правило, при повышенной температуре, при этом длительность температурного воздействия на металл оборудования на большинстве предприятий отрасли в два раза превышает расчетный срок службы. В этих условиях свойства и работоспособность материалов после длительной эксплуатации приобретают основное значение, поскольку по прочностным характеристикам сталей при рабочих параметрах определяют срок службы элементов конструкций.

Современное состояние теоретических исследований и большое количество опубликованного материала позволяют в настоящее время сформулировать основные требования к материалам, работающим длительное время при повышенных температурах и давлениях водорода. Но до сих пор еще полностью не исключены разрушения деталей и конструкций, обусловленные водородом, т. к. выбор водородостойких конструкционных сталей для изготовления оборудования производится на основе данных по кинетике и скорости водородной коррозии, т. е. внутреннему обезуглероживанию и растрескиванию металла. Однако, даже при отсутствии водородной коррозии материалы работают в напряженном состоянии при повышенной концентрации водорода в условиях ускоренной ползучести, а все прочностные расчеты выполняются на основании результатов по длительной прочности и ползучести, полученных без учета растворимости в стали водорода. Поэтому дальнейшие исследования в области высокотемпературной водородной хрупкости должны быть направлены на выяснение влияния повышенных концентраций водорода на длительную прочность, деформационную способность, кратковременные механические свойства конструкционных сталей и сплавов, предназначенных для работы в напряженном состоянии при повышенных температурах и давлениях, накопление и систематизацию опыта в области диагностики характера и причин разрушения узлов оборудования.

В рамках настоящей работы проведены систематические исследования хромомолибденовых сталей (отечественных и зарубежных аналогов 12ХМ, 12МХ, 10Х2М1, 15Х5М, 15Х5МУ) с целью определения степени деградации металла: определение химического и фазового состава исходных и после длительной эксплуатации сталей; идентификация карбидных фаз в исходных и после длительной эксплуатации сталей; определение механических свойств сталей при комнатной и высоких температурах; проведение лабораторных испытаний на длительную прочность сталей в исходном состоянии и после эксплуатации до 200 ООО ч при температурах 500^-600 °С; совершенствование методов дальней экстраполяции длительной прочности и пластичности и методов прогнозирования степени изменения физико-механических характеристик сталей в процессе многолетней эксплуатации; определение расчетных характеристик длительной прочности и пластичности; статистическое и вероятностное обоснование необходимого уровня запасов прочности, пластичности и долговечности; разработка допускаемых напряжений сталей на ресурс до 200 000 ч.

Основные результаты выполненного диссертационного исследования сформулированы и нашли отражение в следующих выводах:

1. Получен банк данных по характеристикам сталей 12МХ, 12ХМ, 10Х2М1, 15ХМ, 15Х5М при испытаниях кратковременных механических свойств, с постоянной скоростью деформации, испытаниях на длительную прочность, на воздухе и в среде водорода, в том числе после длительной эксплуатации в течение 180 000 - 200 000 часов.

2. Разработаны нормы допускаемых напряжений хромомолибденовых сталей на ресурс 2,0-105 с учетом результатов дальнего прогнозирования и результатов лабораторных испытаний длительностью до 40 тысяч часов после эксплуатации 100 тыс. часов.

3. Проведенные исследования показали, что в сталях 12ХМ, 12МХ, 10Х2М1, 15Х5М образуются карбиды типа М3С, М2С, М7Сз, М23Сб и М6С, их стабильность и соотношение определяется условиями легирования и старения (или эксплуатации). Карбидные реакции происходят в сталях в следующей последовательности:

12МХ - М3С М2С + М3С М23С6 + М2С;

10Х2М1 - М2С + М7С3 М23С6 + М6С;

15Х5М - М2С + М7С3 -> М2С + М23С6 -> М23С6 + М2С + М6С.

4. Установлено, что карбид М6С образуется в стали 10Х2М1 очень интенсивно, в то время как в стали 15Х5М карбид М6С обнаружен только после длительной эксплуатации.

5. В процессе длительной эксплуатации в основном наблюдается образование сложных кубических карбидов типа М23Сб и М6С. Этому соответствует выделение молибдена в карбидные фазы в количестве до 60-70% от его исходного содержания в стали.

6. Образование карбида типа М6С и связанное с этим увеличение содержания молибдена в карбидных фазах свидетельствует о значительных фазовых превращениях карбидов, то есть нестабильности структурного состояния металла. Карбид такого типа является граничным карбидом и его расположение по границам зерен может привести к заметному снижению уровня служебных свойств материала.

7. Получены данные по образованию ст-фазы в хромоникелевых аустенитных сталях в процессе длительной эксплуатации и сформулированы требования по контролю состояния металла и условиям продления ресурса с учетом выделения а-фазы.

8. Показано, что после многолетней высокотемпературной эксплуатации в во-дородсодержащих средах в регламентированных условиях (температура и давление) комплекс служебных характеристик и остаточная работоспособность хромомолибденовых сталей 12ХМ, 12МХ, 15ХМ, 15Х5М, 10Х2М1 сохраняются на уровне, допускающем возможность продления эксплуатации оборудования из этих сталей до 2,0-105 часов.

9. Полученные данные по служебным характеристикам материалов позволяют эффективно оценивать их необходимый уровень остаточной работоспособности, как при исследовании вырезок металла, так и неразрушающем контроле его прочностных свойств и склонности к хрупким разрушениям.

10. Для повышения эффективности диагностического контроля в части надежного выявления элементов оборудования с пониженной работоспособностью разработаны устройства контроля формы поперечного сечения трубопроводов, печных змеевиков и сосудов.

11. Показано, что разработанные устройства позволяют выявлять зоны с максимальным уровнем рабочих напряжений и фактических температур эксплуатации, минимальным запасом по прочности и долговечности и проводить расчеты остаточного ресурса эксплуатации в наиболее опасных сечениях трубопроводов, печных змеевиков и сосудов.

12. Разработанные устройства индивидуальной диагностики опробованы при контроле некруглости промышленных объектов диаметром 30-6000 мм.

Полученные в работе результаты и разработанные алгоритмы технического диагностирования были использованы при подготовке нормативно-технической документации, программ технического диагностирования и продления ресурса безопасной эксплуатации аппаратов и трубопроводов нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств.

На основании результатов исследований разработан документ «Технические указания - Регламент по эксплуатации оборудования установок каталитического риформинга и гидроочистки, работающих в водородсодержащих средах при повышенных температуре и давлении», который используется на всех нефтеперерабатывающих заводах России и стран СНГ.

1. Арчаков Ю.И. Водородоустойчивость стали. М.: Металлургия, 1978. 152с.

2. Арчаков Ю.И. Водородная коррозия стали. М.: Металлургия, 1985. 192с.

3. Гельд П.В., Рябов P.A. Водород в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1980. 712с.

4. Фаст Дж. П. Взаимодействие металлов с газами, т.2. Кинетика и механизм реакций. М.: Металлургия, 1975. 352с.

5. Фром Е., Гебхарт Е. Газы и углерод в металлах. М.: Металлургия, 1980. 712с.

6. Коррозия и защита химической аппаратуры: Справочник-руководство. / Под. ред. A.M. Сухотина, A.B. Шрейдера, Ю.И. Арчакова. Л.: Химия, 1974, ч. 1. Т. 9. 576с.

7. Компанеец Т.М., Курдюмов A.A. Применение метода проницаемости для исследования кинетики взаимодействия водорода с металлами. // Журнал физической химии. 1980. т.54. №11. с.2791-2797.

8. Водород в металлах: Пер. с англ./ Под ред. Алефельда Г.И. и Фелькля Н.М. М.: Мир, 1981, т. I. 475 с, т. II. 430 с.

9. Coch G.H. // Met. Trans. 1981. v. 12A. №10. p. 1833-1843.

10. Ю.Гликман Jl.A., Дерябина В.И., Теодорович В.П. // Физико-химическая механика материалов. 1972. т. 8. №3. с.71-74.

11. Колачев Б.А. // Физико-химическая механика материалов. 1976. т. 12. № 5. с. 3-10.

12. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1985. 217с.

13. Nelson G.A. // Hydrocar. Proc. 1965. v. 44. № 5. p. 185-188.

14. Мороз Л.С., Чечулин Б.Б. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия. 1967. 255с.15.0хрупчивание конструкционных сталей и сплавов: Пер. с англ./ Под ред. К.Л. Брайента, С.К. Бенерджи. М.: Металлургия, 1988. 255с.

15. Latanasion R.M. // Corrosion. 1983. v. 39. № 5. p. 174-180.

16. Ohnishi К. // et. al. Weld. Res. Counc. Bull. 1985. № 365. p. 3-21.

17. Дьяков В.Г. Легированные стали для нефтехимического оборудования. М.: Машиностроение. 1971г. 183 с.

18. Мухин В.Н., Ватник Л.Е., Лавров А.И. и др. Длительная прочность стали 15Х5М после длительной эксплуатации в трубчатых печах нефтеперерабатывающих установок. //Проблемы прочности. 1983. №5. С.75-80.

19. Мухин В.Н., Ватник Л.Е. Экстраполяционная оценка предела длительной прочности стали 15Х5М на срок до 200000 ч. // Проблемы прочности. 1985. №5. С.109-111.

20. Чижик A.A., Жумахова Т.Н. и др. Исследование металла деталей турбин из стали марок 20XMJI после длительной эксплуатации с целью продления срока службы сверх 200000 часов. Отчет НПО ЦКТИ № 121808/0-104449. Л. 1980.

21. Jun Furusawa, Seiichi Watanabe // Сумитомо киндзоку. 1985. v. 35. № 2. р. 101-113.

22. Фрактография и атлас фрактограмм. Справочник. М.: Металлургия, 1982. 488 с.

23. Гордеева Т.А., Жегина И.П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. М.: Машиностроение. 1978. 192с.

24. РД 10-249-98 Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды. СПб.: Изд.АООТ "НПО ЦКТИ". 1999. 226 с.

25. Адамович В.К. Методы определения длительной прочности сталей и сплавов. М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ. 17-70-5. 1970. с.38.

26. РД 10-249-98 Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды. // СПб: АООТ НПО "ЦКТИ", 1998.

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

28. Стальные трубы. Спр. изд.: Пер. с нем. / Под ред. Д. Шмидта. М.: Металлургия. 1982. 536С.

29. Адамович В.К., Данюшевский И.А., Дорофеев Д.Ф., Зверьков Б.В. Разработка нормативно-технической базы, обеспечивающей повышение расчетного срока эксплуатации элементов котлов и трубопроводов до 200 тыс. часов. // Теплоэнергетика, 1984. №10. С. 2-4.

30. Зб.Земзин В.Н. Жаропрочность сварных соедиений. Л.: Машиностроение, 1972. 272 С.

31. Мартин Дж.У. Микромеханизмы дисперсионного твердения сплавов. М.: Металлургия, 1983.167 С.

32. Под ред. Канна Ф.У., Хаазена П. Физическое металловедение в трех томах. Третье издание перераб. и доп. т 2. Фазовые превращения в металлах и сплавах и сплавы с особыми физическими свойствами. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1987. 624 С.

33. Адамович В.К., Земзин В.Н., Рычковая Л.В. Параметрический метод двойного смещения для прогнозирования свойств сварных соединений при старении. // Автоматическая сварка. 1992. №1(466). С. 713.

34. Адамович В.К. Прогнозирование длительной прочности и пластичности сталей и сплавов. // Л.: Труды ЦКТИ. 1982. Вып. 194. С. 3-16.

35. Адамович В.К., Минц И.И., Явизер Р.В. О природе температурно-временных параметров, применяемых при прогнозировании длительной прочности металлов и сплавов. // Проблемы прочности. 1976. №1. С. 34-47.

36. Служебные свойства котельных материалов. Руководящие указания. Адамович В.К., Станюкович A.B. и др. Л.: РИО ЦКТИ. 1981. вып.43. 76с.

37. Адамович В.К. Деформационно-силовые критерии работоспособности материалов ТЭС и АЭС с ресурсом эксплуатации 200 тыс.часов и более. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: 1989. 32с.

38. Biss V.A., Wada Т. Microstructural changes in lCr-0,5Mo steel after 20 years of service.//Met. Trans. 1985. 16A. p.109-114

39. Борисов И.А. Влияние длительности отпуска на свойства Cr-Ni-Mo-V сталей. // Металловедение и термическая обработка материалов. 1991. №11. с. 16-18.

40. Куманин В.И., Ковалева JI.A., Алексеев С.В. Долговечность металла в условиях ползучести. М.: Металлургия, 1988. 240 с.

41. Винокур Б.Б. Карбидные превращения в конструкционных сталях. Киев: Наукова Думка, 1988. 165 с.

42. Baker R.C., Nutting J. The tempering of 2,25Cr-l Mo steel after quenching and normalising. //J. Iron and Steel Inst. 1959. v. 152. p.257-268.

43. Wada Т., Biss V.A. Restoration of elevated temperature tensile strength in 2,25 Cr-1 Mo steel. //Metal. Trans.A. 1983. v. 14. p.845-855.

44. Kluech R.L., Leitnaker J.M. An analysis of the decarburization and aging processes. // Metal. Trans.A. 1975. v.6a. p. 2089-2093.

45. А.И. Чижик, А.А. Чижик, Т.А. Чижик. Проблемы оптимизации состава и структурного состояния теплоустойчивых сталей для роторов паровых турбин. JL: Труды ЦКТИ, 1992. вып. 270, с. 132-137.

46. Senior В.А. A critical review of precipitation behaviour in lCr-Mo-V rotor steels. // Mat. Sci and Eng. 1988. 103. 2. p.263-271

47. Qu Z., Kuo K.M. Embrittlement of 2,25CrMoV steels bolts after long exposure at 540°C. // Met. Trans. 1981. 12A. p.1333-1337.

48. Varin R.A., Haftek J. Structural changes in a ferrite heat-resistant steel after long-term service. // Mat. Sci and Eng. 1984. 62. p.129-136.

49. JoarderA., Sarma D.S.,Cheruvi N.S. Effect of long-term service exposure on microstructure and mechanical properties of a Cr-Mo-V steam turbine rotor steel. // Metal. Trans. 1991. 22A. p.1811-1820.

50. Das S., Joarder A. Effect of long-term service exposure at elevated temperature on microstructural changes of 5Cr-0,5Mo steels. // Met. and Mat. Trans. 1997. 28A. p. 16071616.

51. Minami Y., Kimura H., Ihara Y. Microstructural changes in austenitic stainless steels during long-term service. // Mat. Sci. Technol. 1986. 2. p.795-806.

52. Lai J.K.L., Chastell D.J., Flewitt P.B.J. Precipitate Phases in austenitic stainless steel resulting from long-term high temperature service. // Mat. Sci. Eng. 1981. 49. p. 19-29.

53. Senior D.A. Effect of phase transformation on the creep rupture properties. // J. Mat. Sci. 1990. 25. p.45-53.

54. Ezaki H., Morinaga M., Yukawa Y., Adachi H. Prediction of the occurence of the o-phase in Fe-Cr-Ni alloys. // Phil. Mag.A. 1986. 53. p.709-716.

55. Bean M.S., Plumbridge W.J. Prediction of a-phase formation in stainless steels. // Nucl. Energy. 1982. 21. p.l 19-135.

56. Cieslak M.J., Knorovsky G.A. The use of new Phacomp in understanding the solidification microstructure. // Metal. Trans. 1986. 17A. p. 2107-2116.

57. M.А. Соломаха, П.И. Адакумин Повреждение типов паропроводов высокого давления. // Электрические станции, 1976. №4. с.30

58. Ю.А. Журавлев, В.К. Адамович. Устройство для контроля формы сечения трубопроводов. // Бюллетень изобретений и открытий, 1981. № 20.

59. Определение комплекса служебных характеристик сталей 12МХ, 10Х2М1и 15Х5М после эксплуатации 100^200 тысяч часов. Отчет НПО ЦКТИ НПО "Леннефтехим", № 123106/0-12735. СПб, 1992.

60. Сталь теплоустойчивая хромомолибденовая 15Х5М (15Х5М-У). Условные пределы остаточного удлинения и сужения при температурах 500-600 °С. ГССД. 15-91. Госстандарт СССР.

61. В.К. Адамович // Атомная энергия. 1968. № 5. с.273.

62. В.К. Адамович // Известия АН СССР. Металлы. 1969. №4, с.114.

63. В.К. Адамович и др. Служебные свойства котельных материалов. JL: ОНТИ ЦКТИ, 1981.

64. В.К. Адамович, В.Н. Земзин, JI.H. Рычкова//Автоматическая сварка, 1992. №1. с.7.

65. В.К. Адамович, A.B. Щедрин, И.И. Минц. Fracture Mechanics: Succese and problems, ICF-8. part. ll.p.475.

66. Ю.И. Арчаков, Б.М. Тесля, В.М. Седов. Изменение прочности и пластичности стали 12МХ под влиянием водорода при давлении 1000 кг/см2. // Физико химическая механика материалов. 1978. т. 14. №3. с.33-36.

67. Е.М. Сосенушкин, В.М. Седов, В.Н. Рыжков, A.A. Дубик. Влияние водорода на свойства и механизм разрушения сталей с y+s структурой. // Научные труды IV Всесоюзного семинара "Водород в металлах". / Тезисы докладов. 18-20 сентября 1984. Москва. С. 124.

68. Г.Д. Пигрова, В.М. Седов, Ю.И. Арчаков Карбидные превращения в Сг-Мо-сталях в процессе длительного старения и эксплуатации. // Металловедение и термическая обработка материалов. 1997. №9. С. 9-13.

69. В.К. Адамович, В.М. Седов, Ю.И. Арчаков и др. Устройство для контроля формы сечения трубопроводов. // Бюллетень изобретений и открытий. 1990. № 19.

70. В. M. Седов, Г. Д. Пигрова. Образование а-фазы при эксплуатации Cr-Ni сталей. // Материалы VII конференции стран СНГ "Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов". Сентябрь 1997. Белгород.

71. G. D. Pigrova, V. М. Sedov, Yu. I. Archakov. Carbide transformations in Cr-Mo-steels during long-term ageing & service. // Материалы международного симпозиума "Materials Ageing & Component Life Extension". 10-13 October 1995. Milan, Italy. V. 1.

72. G. D. Pigrova, V. M. Sedov. Phase analysis of Cr-Mo steels. // Материалы международной конференции "Plant Maintenance for Managing Life & Performance". 7-9 September 1998. Helsinki Stockholm - Kirkkonummi.

73. G. D. Pigrova, V. M. Sedov. Heat treatment effect on carbide reactions in 15Cr5Mo1. ТГТТsteels. // Материалы международного конгресса "11 Congress of the Internationalт-ц

74. Federation for Heat Treatment & Surface Engineering" / 4 "ASM Conference on Heat Treatment & Surface Engineering". 19-21 October 1998. Florence, Italy.

75. B.K. Адамович, Ю.И. Арчаков, В.М. Седов и др. Устройство для контроля формы сечения трубопроводов. // Авторское свидетельство СССР. № 832310, кл. G 01 В 5/20, 1976.

76. В.К. Адамович, Ю.И. Арчаков, В.М. Седов и др. Устройство для контроля формы сечения трубопроводов. // Авторское свидетельство СССР. № 1566195, кл. G 01 В 5/20, 1988.

77. В.К. Адамович, Ю.И. Арчаков, В.М. Седов и др. Устройство для контроля формы сечения трубопроводов. // Авторское свидетельство СССР. № 1566185, кл. G 01 В 5/20, 1988.

78. В.К. Адамович, Ю.И. Арчаков, В.М. Седов и др. Патент №2008610 на изобретение: "Устройство для контроля формы сечения трубопроводов" Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений 28.02.1994.

79. В.К. Адамович, Ю.И. Арчаков, В.М. Седов и др. Патент №2008611 на изобретение: "Устройство для контроля формы сечения трубопроводов" Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений 28.02.1994.

80. В.К. Адамович, Ю.И. Арчаков, В.М. Седов и др. Патент №2008612 на изобретение: "Устройство для контроля формы сечения трубопроводов" Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений 28.02.1994.