автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Обеспечение безопасной работы нефтеперерабатывающего оборудования на основе контроля деградации структуры и изменения механических свойств материала конструкций

Учреждение образования «Полоцкий государственный университет»

УДК 620.172: 620.178: 620.179.12

003457450

КРЫЛЕНКО Александр Владимирович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОЙ РАБОТЫ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ КОНТРОЛЯ ДЕГРАДАЦИИ СТРУКТУРЫ И ИЗМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА КОНСТРУКЦИЙ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение (машиностроение)

1 2 ДЕК 2008

Новополоцк, 2008

003457450

Работа выполнена в УО «Полоцкий государственный университет»

Научный руководитель: Снарский Андрей Станиславович,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Порошковая металлургия» Белорусского национального технического университета

Официальные оппоненты: Рудницкий Валерий Аркадьевич,

доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией контактно-динамических методов контроля Института прикладной физики HAH Беларуси

Лысов Александр Аркадьевич,

кандидат технических наук, доцент, декан машиностроительного факультета У О «Полоцкий государственный университет»

Оппонирующая организация: Государственное учреждение высшего

профессионального образования «Белорусско-Российский университет»

Защита состоится 23 декабря 2008 г. в 14— часов на заседании совета по защите диссертаций К 02.19.03 при УО «Полоцкий государственный университет» по адресу: ул. Блохина 29, г. Новополоцк, Витебская область, 211440, телефон ученого секретаря 8(0214) 53-10-47.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УО «Полоцкий государственный университет».

Автореферат разослан 21 ноября 2008 г.

Ученый секретарь

совета по защите диссертации, кандидат технических наук, доцент

А.Л. Лисовский

ВВЕДЕНИЕ

Нефтеперерабатывающая промышленность играет важную роль в экономике Республики Беларусь. В настоящее время более 60 % нефтеперерабатывающего оборудования (НПО), подконтрольного органам Госпромнадзора МЧС Республики Беларусь, эксплуатируется свыше 20 лет и выработало нормативный срок службы. Замена сложного и дорогостоящего оборудования новым не представляется возможным по причине нехватки финансовых средств. Поэтому для такого оборудования определяется остаточный ресурс его безопасной эксплуатации. Одним из основных направлений решения задачи безопасной работы нефтеперерабатывающего оборудования является мониторинг структуры и свойств материала при эксплуатации.

Наиболее распространенной причиной отказов оборудования является старение материала. Можно предположить, что без принятия необходимых мер количество отказов оборудования будет увеличиваться. Опыт эксплуатации установок нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) показывает, что увеличение срока службы НПО без научного обоснования может приводить к аварийным разрушениям. Старение материалов при эксплуатации проявляется в виде изменения микроструктуры и, как следствие, механических свойств, что приводит к возникновению потенциально опасных зон в материале и исчерпанию ресурса оборудования. Для критериальной оценки ресурса необходимо располагать качественными и количественными показателями структуры и механических свойств материала. Деградационные изменения материала конструкций НПО должны быть выявлены на ранней стадии их проявления путем контроля этого материала.

Несмотря на развитие методов и средств обеспечения промышленной безопасности объектов НПЗ, количество отказов по причине недостаточной конструкционной прочности материала сохраняется на высоком уровне. Это позволяет говорить о том, что вопросы обеспечения безопасности оборудования НПЗ нельзя считать решенными в полной мере. При большом объеме исследований структуры и свойств сталей, применяемых для изготовления оборудования НПЗ, практически отсутствуют сведения по контролю за изменением механических свойств материала при эксплуатации. Некоторые вопросы, касающиеся определения механических свойств материала без разрушения диагностируемого оборудования и оценки его остаточного ресурса, остаются малоизученными.

Таким образом, вопросы оценки и контроля изменения структуры и свойств материала с определением момента достижения им предельного состояния во время эксплуатации оборудования являются актуальными.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Связь работы с крупными научными программами (проектами) и темами. Работа выполнялась в соответствии с государственными научно-техническими программами:

- ГПОФИ «Диагностика» задание № 24 (2003 - 2005 гг.) «Разработка теоретических и технологических основ оценки механических свойств материалов малоразрушающим способом»;

- ГКПНИ «Техническая диагностика» задание № 13 (2006 - 2008 гг.) «Разработка и внедрение методики и пакета прикладных компьютерных программ оценки остаточного ресурса оборудования и металлоконструкций, основанных на косвенном определении комплекса механических свойств металла неразрушающим способом».

Цель и задачи исследования

Цель исследования - обеспечение безопасной эксплуатации НПО, выработавшего нормативный срок службы, на основе контроля деградации структуры, изменения механических свойств и прогнозирования предельного состояния материала.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1) разработан неразрушающий способ определения ударной вязкости КС и материала НПО по результатам анализа геометрических параметров пирамидального отпечатка, полученного при определении твердости по Виккерсу;

2) уточнен и скорректирован для объектов исследований неразрушающий способ определения предела прочности ов, относительного удлинения 55 и относительного сужения \|/ материала;

3) найден критерий определения степени деградации материала и разработан способ оценки изменения механических свойств материала оборудования НПЗ по комплексному показателю;

4) выполнены исследования по возможности эффективной оценки фактического состояния материала НПО по степени деградации структуры. Установлена зависимость между размером коагулированных карбидов металлов и состоянием теплоустойчивых хромомолибденовых сталей с разработкой шкалы баллов коагуляции карбидов в структуре стали и оценкой возможности их применения при эксплуатации НПО;

5) установлена зависимость изменения комплексного показателя механических свойств материала от времени эксплуатации оборудования. Разработаны способы определения скорости изменения комплекса механических свойств материала при эксплуатации, количественной оценки времени до достижения материалом НПО предельного состояния и срока его безопасной эксплуатации;

6) апробирована применимость разработанных зависимостей и способов и внедрены результаты исследований в практику диагностирования НПО.

Объектом исследования являлись конструкции НПО, изготовленные из основных марок конструкционных углеродистых, низколегированных кремне-марганцевых, теплоустойчивых и коррозионностойких сталей. Выбор объекта исследований обусловлен анализом материального исполнения НПО.

Предметом исследования являлись структура, механические свойства материала и их изменения. Выбор предмета исследований обусловлен преобладающим разрушением оборудования НПЗ вследствие деградации структуры и изменения механических свойств материала.

Положения, выносимые на защиту

1. Зависимости между геометрическими параметрами пирамидального отпечатка (диагональ и ширина), полученного при определении твердости по Виккерсу, и значением ударной вязкости сталей 20, 09Г2С, 15Х5М и 12Х18Н10Т, отличающиеся учетом поведения краевой области пирамидального отпечатка, анализом изогнутости сторон отпечатка и учетом пластического деформирования материала.

2. Поправочные коэффициенты для корреляционных уравнений определения предела прочности с„, относительного удлинения 65 и относительного сужения у сталей 20, 09Г2С, 15Х5М и 12Х18Н10Т.

3. Взаимосвязь между предельным состоянием конструкций из теплоустойчивых сталей 15ХМ, 15Х5М, 13Х9М, 10Х12В2МФ, 10Х13М1 и размером коагулированных карбидов (на примере печных змеевиков), а также шкала баллов коагуляции карбидов. При размере коагулированных карбидов в структуре стали 1...4 мкм эксплуатация конструкции безопасна; 5...8 мкм - дальнейшая эксплуатация безопасна при условии удовлетворительных результатов механических испытаний и сокращении времени до проведения следующего диагностирования материала; более 9 мкм - конструкция подлежит замене. Это позволяет качественно оценивать состояние теплоустойчивых хромомолибденовых сталей и обеспечить безопасность дальнейшей эксплуатации конструкций.

4. Граничные значения удельных работ разрушения основных марок конструкционных углеродистых, низколегированных кремнемарганцевых, теплоустойчивых и коррозионностойких сталей при статическом и динамическом на-гружениях, соответствующие работоспособному и неработоспособному состояниям материала НПО. Использование указанных значений механических свойств материала формирует области соотношения между механическими характеристиками (ов, 55 и КСЦ) и состоянием материала, характеризующим безопасность эксплуатации. Результатом является проведение интегрированной оценки изменения комплекса механических свойств материала диагностируемой конструкции. Выходящее за установленные граничные значения сочетание механических свойств материала свидетельствует о достижении материалом неработоспособного состояния.

5. Зависимости изменения комплексного показателя механических свойств основных марок конструкционных углеродистых, низколегированных кремне-

марганцевых, теплоустойчивых и коррозионностойких сталей от времени эксплуатации оборудования, которые позволяют определять скорость деградации механических свойств и время достижения материалом предельного состояния. Полученные зависимости положены в основу метода прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации материала НПО.

Личный вклад соискателя

Совместно с научным руководителем развиты представления о взаимосвязи параметров пирамидального отпечатка (диагональ и ширина), полученного при измерении твердости по методу Виккерса, с основными механическими свойствами материала (ов, 65> у) применительно к сталям НПО, разработан способ определения ударной вязкости KCU сталей без разрушения конструкций, а также разработана концепция определения предельного состояния материала по скорости деградации механических свойств. Остальные результаты получены соискателем самостоятельно.

Апробация результатов диссертации

Основные результаты работы были доложены на следующих конференциях:

- IV международной научно-технической конференции «Материалы, технологии и оборудование для упрочнения и восстановления деталей машин» (Новополоцк, УО «ПГУ», 22 - 24 апреля 2003 г.);

- XLIII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, УО «ВГТУ», 27 сентября - 1 октября 2004 г.);

- XV Петербургских чтениях по проблемам прочности, поев. 100-летию со дня рождения академика С.Н. Журкова (Санкт-Петербург, Дом ученых им. М. Горького РАН, 12 - 14 апреля 2005 г.);

- V международной научно-технической конференции «Материалы, технологии и оборудование для упрочнения и восстановления деталей машин» (Новополоцк, УО «ПГУ», 19-20 апреля 2005 г.);

- XLIV Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Вологда, ВГТУ, 3-7 сентября 2005 г.);

- XVII Петербургских чтениях по проблемам прочности, поев. 90-летию со дня рождения профессора А.Н. Орлова (Санкт-Петербург, Дом ученых им. М. Горького РАН, 10-12 апреля 2007 г.);

- VI международной научно-технической конференции «Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин» (Новополоцк, УО «ПГУ», 24 - 26 апреля 2007 г.).

По результатам республиканского конкурса научных работ молодых специалистов получено два диплома первой категории Министерства образования Республики Беларусь за работы: «Графическая интерпретация комплексного показателя механических свойств сталей» (2003 - 2004 гг.) и «Особенности определения уровня механических свойств металла нефтехимического оборудования и конструкций» (2004 - 2005 гг.). Получено свидетельство Президента Республики Беларусь за победу в Республиканском конкурсе научных работ (2005 г.).

В 2007 году получен диплом лауреата премии Белорусского республиканского союза молодежи в области науки и техники за новаторский подход к работе, вклад в развитие народного хозяйства, белорусской науки и техники.

Опублнкованность результатов диссертации. Основные результаты исследований содержатся в 15 опубликованных работах, из них: 4 статьи в научных журналах, 10 тезисов докладов конференций. Подана 1 заявка на получение патента Республики Беларусь.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа содержит 246 страниц, в том числе 92 страницы текста, 155 рисунков, 33 таблицы, 11 страниц библиографического списка (130 наименований), 8 приложений на 65 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении дано обоснование круга вопросов, нуждающихся в дальнейшем изучении по научной проблематике, связанной с темой диссертации, обоснована ее актуальность, показана необходимость проведения исследований деградации структуры и изменения механических свойств материала для решения задачи обеспечения безопасной эксплуатации НПО, выработавшего нормативный срок службы.

В первой главе проведен анализ работ по исследуемой проблематике, сформулированы цель и задачи исследования.

На основании выполненного анализа сроков службы различного оборудования НПЗ (на примере ОАО «Нафтан») установлено, что 74 % реакторов, 73 % колонн, 76 % печей, 70 % теплообменников, 75 % емкостей и 74 % резервуаров эксплуатируются за пределами расчетного ресурса, что требует оценки фактического состояния материала и установления остаточного ресурса для назначения срока дальнейшей безопасной эксплуатации НПО.

Рассмотрены типичные повреждения материала НПО, возникающие под воздействием эксплуатационных факторов (среда, ее температура и давление): общая поверхностная и язвенная коррозия, межкристаллитная коррозия, сероводородное расслоение, коррозионное растрескивание под напряжением, коррозионно-щелочное растрескивание, тепловая хрупкость, образование и развитие макродефектов, ползучесть, сфероидизация перлита и графитизация структуры. Показано, что эти повреждения ограничивают срок дальнейшей безопасной эксплуатации оборудования и являются следствием изменения структуры, а следовательно и механических свойств материала. Прогрессирующее старение материала увеличивает риск внезапного разрушения НПО. На основании анализа разрушений и дефектов материалов (на базе анализа более 70 объектов ОАО «Нафтан») установлено, что отказам оборудования и разрушению конструкций предшествует деградация структуры и, как следствие, изменение механических свойств материала.

5

В промышленности применяются различные методы неразрушающего контроля состояния материала (радиационный, вихретоковый, ультразвуковой, магнитопорошковый, капиллярный, стилоскопирование, полевая металлография, определение твердости и др.). Однако большинство методов контроля ориентировано на оценку сплошности материала (отсутствие макродефектов) и не позволяет оценивать структурное состояние и механические свойства материала. Рассмотрены способы определения фактического состояния материала и остаточного ресурса оборудования. Показано, что оценка остаточного ресурса оборудования на основе контроля изменения механических свойств материала остается недостаточно разработанной. Кроме того, безопасная эксплуатация оборудования возможна только при наличии количественного метода контроля изменения комплекса механических свойств материала при эксплуатации и метода прогнозирования его предельного состояния.

Проанализированы существующие методы определения твердости материала, основанные на вдавливании, отскоке индентора и царапании индентором, с позиции применимости для оценки фактического состояния материала НПО. Установлено, что метод определения твердости по Виккерсу является наиболее информативным по сравнению с другими методами (Бринелля, Роквелла, Шора и др.).

При теоретическом исследовании связи напряжений при растяжении и внедрении индентора в материал изучены решения задач о вдавливании шара, конуса и пирамиды. Проанализирован и обобщен ряд корреляционных уравнений для определения пределов текучести и прочности материала. Гораздо меньше сведений имеется по определению пластических характеристик (относительные удлинение и сужение) неразрушающим способом. Указанные уравнения применимы для отдельных марок или групп сталей. Существующие подходы к установлению связи между результатами определения твердости и механическими свойствами главным образом основаны на использовании в расчете диаметра или глубины отпечатка. Однако для получения наибольшего количества информации простого измерения площади отпечатка и усилия на инден-тор недостаточно. Необходимо учитывать поведение краевой области отпечатка. Перспективным направлением является развитие взглядов о связи результатов определения твердости по Виккерсу (значения твердости НУ, диагонали О и ширины 5 отпечатка) с механическими свойствами материала.

Во второй главе описаны методики исследований и использованные материалы. Испытания на растяжение проводились по ГОСТ 1497 на разрывной машине Р-20 (с определением предела прочности ав, относительных удлинения 65 и сужения у материала), на ударный изгиб - по ГОСТ 9454 на маятниковом копре ИО-503-03 (с определением ударной вязкости КС и материала). Измерение твердости по Виккерсу в стационарных условиях проводилось на твердомере ТП-7р-1, в полевых условиях - с помощью переносных твердомеров Мюгоёиг I, Мюгос1иг II и \VP\t алмазной пирамидой с углом при вершине 136° и нагрузкой на индентор 200 и 50 Н соответственно. Геометрические параметры пирамидального отпечатка

(ширина и диагональ) измерялись в двух взаимно перпендикулярных направлениях на металлографическом микроскопе с использованием окуляр-микрометра при увеличениях 100, 140 и 400 крат. Микроструктура исследовалась при увеличениях 100, 240, 400 и 500 крат. В стационарных условиях использовался металлографический микроскоп \'1с\уМс1, в полевых - переносной металлографический микроскоп ТКМ. Статистическая обработка результатов экспериментов проводилась по предварительно составленным алгоритмам при помощи математических пакетов МаЛсас! 13.0 и БТа^БЙса 6.0. Погрешность результатов и проверка значимости связей между величинами оценивалась по критериям Стьюдента и Фишера.

Анализ материального исполнения сосудов и аппаратов, печей, резервуаров и трубопроводов технологических установок НПЗ (на примере ОАО «Нафтан») показал, что для изготовления указанных объектов преимущественно используется четыре группы сталей:

- конструкционные углеродистые стали (СтЗ, сталь 20 и др.);

- низколегированные кремнемарганцевые стали (16ГС, 09Г2С, 10Г2С1 и др.);

- теплоустойчивые стали (12ХМ, 15ХМ, 15Х5М, 13Х9Мидр.);

- коррозионностойкие стали (08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Тидр.).

Поэтому в исследованиях использованы стали указанных групп с изучением деградации их структуры и изменения механических свойств.

В третьей главе на основании развития взглядов о взаимосвязи геометрических параметров пирамидального отпечатка с механическими свойствами получены новые сведения по определению предела прочности ав, относительных удлинения 65, сужения у и ударной вязкости КСИ основных сталей, из которых изготавливается НПО, неразрушаюшим способом: сталь 20, 09Г2С, 15Х5М и 12Х18Н10Т. Установлены зависимости (таблица 1) между геометрическими параметрами отпечатка (диагональ И и ширина 5), полученного при определении твердости по Виккерсу, и механическими свойствами (св, 55, у и КСИ) сталей 20, 09Г2С, 15Х5М и 12Х18Н10Т.

Значимость парных, частных и множественных коэффициентов корреляции оценивалась с помощью критериев Стьюдента и Фишера /-ф. Наличие связи между характеристиками подтверждалось путем сравнения величин Гф и Гф с критическими (табличными) значениями, соответствующими выбранному уровню значимости (а = 0,05). Зависимость о, = _Д//Г, 5) для сталей 20, 09Г2С, 15Х5М и 12Х18Н10Т описывается общим уравнением, зависимости 65 —Д/3, 5). ц/ = /15) и КС и = /[5) - отдельными уравнениями для каждой из марок сталей. Предел прочности в большей степени коррелирует с твердостью Н\', а относительные удлинение 55, сужение ц/ и ударная вязкость КСИ - с диагональю О и шириной 5 отпечатка. Типичные пирамидальные отпечатки, получаемые на материале, показаны на рисунке 1. Полученные зависимости учитывают определение механических свойств при измерении твердости по Виккерсу с нагрузкой на индентор как 200 Н, так и 50 Н (рисунок 2) (с использованием стационарных и переносных твердомеров) путем использования поправочного коэффициента.

Таблица 1 - Зависимости для определения механических свойств сталей,

применяемых для изготовления НПО, неразрушающнм способом

Марка стали а„. МПа 85, отн ед у, отн ед. КС и, МДж/м2

20 65 = ¿£>-(0,277 + 1,1584-5) 4/ = 0,164+ 1,70245 0,164 + 1,702-4-5 КСи = ч - 1-(0,164+ 1.702 ¿5)

09Г2С Т. = Е(А',-ЯГ'" (И)'-") ст„ = ЯГ-(0,261 + 0,233-5) а = (96,8 + 86,42-5) Ь5 = Е(Л", ■(*£>)'"■ (¿5)'=') ( = 1 6, = 4г£>-(0,168 + 0,93745) 4/ = 0,113 + 1,37545 „_,, 0,1 13 + 1,375-45 КС и =•> - 1-(0,113 + 1,375-45)

15Х5М 85 = ££>-(0,213 + 1,21145) у = 0,16 + 1,75445 0,16 + 1,754-45 КСи = -- 1 — со, 16 + 1.754 45)

12Х18Н10Т б5 = ¿£>-(0,346+ 2,02145) у = 0,16+ 1,72945 0,16 + 1,729-45 КСи—ч-- ' 1-(0,16 + 1,729-45)

Обозначения. К, - коэффициенты полинома, /2,1 - показатели степени, £) и 5- диагональ и ширина пирамидального отпечатка соответственно, мм; к - поправочный коэффициент; у - коэффициент пропорциональности

Полученные зависимости оценивают изогнутость сторон пирамидального отпечатка, учитывают пластическое деформирование материала и позволяют определять механические характеристики материала неразрушающим способом. Они обосновывают использование в качестве оценочных критериев долговечности материала значения механических характеристик (а„, КСЦ), определенных неразрушаюшим способом, что позволяет уменьшить трудоемкость работ без значительного снижения достоверности определения механических характеристик с погрешностью результатов в пределах ± б %. Поэтому полученные уравнения могут быть использованы для экспресс-контроля состояния материала НПО.

а) б) в)

а-медь (х400); б - сталь 20 (*400); в-сталь 15Х5М. закалка 900 °С (*500) Рисунок 1 - Пирамидальные отпечатки ня материале

а - при нагрузке на индентор 200 Н (v400) б - при нагрузке на индентор 50 Н (*400) Рисунок 2 — Пирамидальные отпечатки

Разработан неразрушающий способ определения ударной вязкости KCl.' материала НПО по результатам анализа геометрических параметров пирамидального отпечатка, полученного при определении твердости по Виккерсу. Уточнен и скорректирован для объектов исследований неразрушающий способ определения предела прочности ав, относительных удлинения 85 и сужения vir материала.

В четвертой главе приведены результаты исследования процессов, происходящих в материале и приводящих к изменению его структуры и механических свойств. Показано, что значение ударной вязкости наиболее чувствительно по сравнению со значениями других механических характеристик к измене-

ниям в материале и свидетельствует об эксплуатационных повреждениях основного металла и сварных соединений конструкций. Выявлена взаимосвязь между механическими характеристиками исследованных сталей путем соотношения удельных работ разрушения материала при динамическом и статическом нагружениях. Для оценки состояния материала использован комплексный показатель механических свойств, основанный на учете трех механических характеристик (ов, б5, КО!), который является более эффективным критерием оценки состояния материала, чем критерий оценки по отдельным механическим характеристикам, а также критерий по деградации структуры.

Разработана карта деградации механических свойств материала, представляющая графическую взаимосвязь между комплексным показателем механических характеристик В и ударной вязкостью КС О':

В = п-са-д5/КСи,м'\ (1)

где п - коэффициент заполнения диаграммы растяжения (п ~ 0,9).

Значения основных механических свойств материала представляются в виде одной точки на карте деградации. При этом ее можно разделить на области, соответствующие сочетанию механических свойств и состоянию материала (рисунок 3).

1,2- области работоспособного состояния материала, 3,6,1 - области неработоспособного состояния материала,

4 - граница наибольшей конструкционной прочности материала;

5 - граница наименьшей конструкционной прочности материала

Рисунок- 3 - Общий вид карты деградации механических свойств материала

Деградацию структуры сталей трудно оценить, поэтому для оценки ресурса материала в первую очередь следует применять карты деградации, а не анализ структуры. Карта деградации механических свойств позволяет проводить интегрированную оценку комплекса механических характеристик (ав, 65 и КСЦ), наглядно представлять его графически и определять изменения, происходящие в материале с течением времени. Высокой конструкционной прочностью (т.е. комплексом меха-

нических свойств, обеспечивающим безопасную эксплуатацию НПО) обладают стали, значения механических свойств которых отражены на карте деградации точками, расположенными в области 1.

Экспериментально определены граничные значения удельных работ разрушения материала при статическом (Асу" = павб5) и динамическом (А*" = КСЦ) на-гружениях, соответствующие работоспособному и неработоспособному состояниям сталей, используемых для изготовления НПО (на основании анализа механических свойств более 70 эксплуатируемых объектов НПЗ - механические свойства каждого объекта представлены в виде одной точки на рисунке 4).

а - углеродистые стали; б - низколегированные кремнемарганцевые стали;

в - теплоустойчивые стали; г - коррозионностойкие стали Рисунок 4 - Карты деградации механических свойств сталей

Рассчитаны числовые характеристики экспериментальных данных. Для анализа принимался нормальный закон распределения исходных данных (В, КСи и^"). Строились гистограммы значений В, КС11 и А'у". При этом область зна-

чений случайной величины разбивалась на некоторое количество сегментов, а затем подсчитывался процент попадания данных в каждый сегмент. Определялись основные параметры распределения экспериментальных данных: плотность вероятности нормального распределения и функция нормального распределения. Граничные значения величин В, KCU и Л^" определялись путем установления доверительного интервала, внутри которого находились с вероятностью (1 - а) = 95 % значения указанных величин. Границы интервала (верхний и нижний), содержащего внутри себя 95 % экспериментальных данных, соответствовали получению области работоспособного состояния сталей.

На карте деградации механических свойств граничные значения удельных работ разрушения А^" и А"уи образуют области работоспособного и неработоспособного состояния материала в конструкции, ограниченные кривыми, соответствующими значениям удельных работ разрушения при статическом и динамическом нагружениях или их отношению. Граничные значения удельных работ разрушения материала при статическом и динамическом нагружениях составляют (см. рисунок 4):

- для конструкционных углеродистых сталей:

{A;"/KCU) = 147,62 м"1 и KCU = 2,1 МДж/м2;

= 142,85 МПа и А;»шп = 81,14 МПа;

- для низколегированных кремнемарганцевых сталей:

(4" /KCU) = 195,31 м"1 и KCU= 2,2 МДж/м2;

А'" = 163,57 МПа, Ас" = 82,46 МПа;

v m да ' ' v m in ' 7

- для теплоустойчивых сталей:

/KCU) = 140,62 м-1 и KCU= 3,2 МДж/м2;

= 165,78 МПа, А;:т =76,87 МПа;

- для коррозионностойких сталей:

(4"/KCU) =189,13 м-1 и KCU= 3,1 МДж/м2;

= 254,88 МПа и ^ =151,68 МПа.

При определении степени соответствия расположения областей начальных и конечных значений механических свойств углеродистых, низколегированных кремнемарганцевых, теплоустойчивых и коррозионностойких сталей после искусственного и естественного (после длительной эксплуатации) старения карты деградации объективно отражают изменения, происходящие в материале при эксплуатации. Изменения механических свойств сталей как после искусственного, так и после естественного (рисунок 5) старения четко фиксируются на карте деградации механических свойств — с течением времени при эксплуатации происходит смещение значений экспериментальных точек на карте деградации.

В большинстве случаев деградация структуры, приводящая к изменению механических свойств, заключается в графитизации структуры, сфероидизации

перлита (углеродистые стали); накоплении поврежденности в виде микро- и макрорасслоений (низколегированные кремнемарганцевые стали); образовании сигма-фазы (коррозионностойкие стали) или коагуляции карбидов металлов (теплоустойчивые стали) (рисунок 6). Значения механических характеристик сталей, принадлежащих к одному структурному классу, локализуются в характерных областях на карте деградации механических свойств.

а - углеродистые стали; б - низколегированные кремнемарганцевые стали;

в - теплоустойчивые стали; г - коррозионностойкие стали Рисунок 5 — К оценке изменения механнчееких свойств сталей

Карты деградации могут быть использованы для мониторинга изменения комплекса механических характеристик материала НПО при эксплуатации. Их необходимо применять в качестве приложения к паспорту ответственных деталей и оборудования и заносить в них результаты определения механических свойств (в начале эксплуатации и во время проведения каждого капитального ремонта). Деградация микроструктуры теплоустойчивых хромомолибденовых сталей 15ХМ, 15Х5М, 13Х9М, 10Х12В2МФ, 10Х13М1 происходит при дли-

тельной эксплуатации при высокой температуре (» 500. ..550 °С) или при кратковременных перегревах (> 650 °С). Она сопровождается снижением прочностных и пластических характеристик материала. Подобные изменения в материале крайне нежелательны и опасны, так как могут привести к разрушению конструкций при эксплуатации. Снижение конструкционной прочности стали объясняется коагуляцией карбидной фазы и обеднением молибденом твердого раствора из-за перехода его в карбиды типа Мо2С, СГ7С3, УС, Ме3С, Ме7Сз и Ме2зС6 (Мо - атом молибдена; Сг - атом хрома; V - атом ванадия; Ме - атомы молибдена; хрома и ванадия; С - атом углерода). С целью определения влияния размера коагулированных карбидов на работоспособное состояние теплоустойчивых хромомолибденовых сталей и, как следствие, безопасную эксплуатацию конструкций исследован материал (на примере печных змеевиков) после различного срока эксплуатации и степени перегрева. Наличие коагулированных карбидов в структуре стали и их размер анализировали на образцах, вырезанных из труб змеевиков печей, а также непосредственно на трубах путем проведения полевой металлографии.

а) б) в) г)

а - СтЗ (графитизация, х240, репр. хЗ); б - 09Г2С (расслоение, *400); в - 12Х18Н10Т (о-фаза, х100); г- 15Х5М (коагуляция карбидов, х240, репр. хЗ)

Рисунок 6 - Деградация структуры исследованных сталей

В качестве примера на рисунке 7 приведены типичные микроструктуры стали 15Х5М, имеющей различный размер (балл) коагулированных карбидов.

а) б) в) г) д)

а-балл 0; б - балл 1; в - балл 2; г - балл 3; д-балл 4 Рисунок 7 - Типичные микроструктуры стали 15Х5М с различной степенью коагуляции карбидов (х500, репродукция хЗ)

Установлена взаимосвязь между предельным состоянием теплоустойчивых сталей 15ХМ, 15Х5М, 13Х9М, 10Х12В2МФ, 10Х13М1 и размером коагулированных карбидов металлов. При размере коагулированных карбидов в структуре стали 1...4 мкм эксплуатация конструкции безопасна; 5...8 мкм - дальнейшая эксплуатация безопасна при условии удовлетворительных результатов механических испытаний и сокращении времени до проведения следующего диагностирования материала; более 9 мкм - конструкция подлежит замене.

На основании обобщения полученных результатов разработана шкала баллов коагуляции карбидов в структуре теплоустойчивых хромомолибдено-вых сталей (таблица 2). Микроструктуры разделены на баллы по среднему размеру коагулированных карбидов. Применение экспресс-метода контроля материала длительно эксплуатируемых конструкций, заключающегося в сравнении структуры стали со шкалой баллов коагуляции карбидов, позволяет качественно оценить фактическое состояние материала и обеспечить безопасность дальнейшей эксплуатации НПО.

Таблица 2 - Характеристика баллов микроструктур теплоустойчивых

хромомолибденовых сталей после длительной эксплуатации

Балл микроструктуры Вид стру ктуры Характеристика Средние значения механических свойств

о», МПа 8з, % Ч/, % кси, МДж/м2

Балл 0 Структура - феррит с равномерно распределенными карбидами Размер карбидов <1 мкм 530 30 62 3,1

Балл 1 ^¡Ьг- Структура - феррит и карбиды Средний размер карбидов-1 . 2 мкм 495 26 55 2,3

Балл 2 Структура - феррит и коагулированные карбиды, расположенные преимущественно по границам зерен Средний размер карбидов - 2. .4 мкм 420 23 49 1,8

Балл 3 Структура - феррит и коагулированные карбиды, расположенные по границам зерен. Укрупнение карбидов в теле зерна. Средний размер карбидов -5. 8 мкм 368 21,5 43 1,1

Балл 4 X- О Структура - феррит и коагулированные карбиды Карбиды расположены по всему объему стали. Средний размер карбидов-9 . 14 мкм _1 _1 I _1

1 При эксплуатации материал охрупчивается до такой степени, что изготовить обрати для испытаний не представляется возможным (при механической обработке происходит хрупкий излом заготовок).

Выведены формулы для определения скорости деградации комплексного показателя механических свойств материала:

аг,

+ т)]2

-*" ^ ах ах

где и К^™ - средняя и мгновенная скорости деградации механических свойств материала, соответственно, м~'/год;

В(т) - функция изменения комплексного показателя механических свойств материала от времени эксплуатации, Л - изменение времени эксплуатации, лет; с!Б - дифференциал полиномиальной кривой; к - коэффициент (к = 1 м~'/год).

Формула (2) соотносит изменение свойств материала с отрезком времени эксплуатации. Значение У£ показывает среднюю скорость изменения функции В(т) на рассматриваемом отрезке изменения независимой переменной т (где т - время эксплуатации), а значение У^' - скорость изменения функции В(т) в любой фиксированный момент времени эксплуатации оборудования при изменении независимой переменной т.

Скорость деградации комплекса механических свойств материала имеет нелинейный характер, а ее численное значение, определенное на отрезках времени, характеризует стабильность свойств материала под воздействием на него среды, ее температуры и давления. Чем больше абсолютное значение скорости деградации, тем быстрее изменяется комплексный показатель механических свойств во времени и, следовательно, тем интенсивнее изменяются свойства материала под воздействием условий эксплуатации (вид среды, ее температура и давление).

Впервые установлена зависимость изменения комплексного показателя механических свойств материала (В = псв&}/КСЦ) от времени эксплуатации оборудования:

пг (Т4 - Т0) •...• (Т, - V,) ■ (т( - хм) ■...■ К - тт)

где В(тк) - значение комплексного показателя механических свойств материала в момент времени Т|<; т, - время эксплуатации, лет.

Ресурс безопасной эксплуатации материала НПО определяется поэтапно:

- определение уравнений граничных линий на карте деградации механических свойств материала;

- нахождение интерполяционного многочлена Лагранжа Ь(КСЦ) для зависимости В{КСЦ) (рисунок 8, а):

ЦКСи) = ^В(КСик)1к(КСи), (5)

и=о

где /к(А'С(/)- многочлен т-й степени (к = 0, 1,2, ..., т)\

16

- нахождение абсциссы к'Си* пересечения интерполяционного многочлена Лагранжа ЦКССА с ближайшей граничной линией путем его экстраполяции (рисунок 8, б);

- нахождение ординаты В* точки пересечения интерполяционного многочлена ЦКСЦ) с соответствующей граничной линией;

- построение графика в координатах «комплексный показатель механических свойств В (м-1) - время эксплуатации т (лет)»

- нахождение интерполяционного многочлена Лагранжа Цт) для зависимости В(т) (формула (4));

- определение времени до достижения комплекса механических свойств материала предельного значения путем решения уравнения В* = ¿(т) в численном виде (экстраполяция зависимости изменения комплексного показателя механических свойств материала от начала эксплуатации до его предельного состояния) (рисунок 8, в).

а - возможные направления изменения механических свойств материала при эксплуатации; б - пересечение интерполяционного многочлена ЦКС11) с граничной линией, - экстраполяция зависимости В (т) до предельного состояния материала

5 х 13 к Рисунок 8 - К оценке ресурса безопасной

арен* эксплуатации т. лет эксплуатации материала

Научные результаты диссертационной работы апробированы на оборудовании ОАО «Нафтан».

Исследован материал длительно эксплуатируемого оборудования НПЗ. По результатам исследований выполнены:

- оценка ресурса безопасной эксплуатации змеевика печи П-601 установки «Риформинг-4»;

- определение состояния основного металла и сварных швов колонны К-5 установки «АВТ-2», колонн К-3, К-7, К-8 установки «АТ-8»;

- определение состояния материала змеевиков трубчатых печей на установках: П-1 (Ортоксилол); П-201 (Гидроочистка-3); П-401 (АВТ-6); П-1а (Деасфальтизация); П-1 и П-2 (Риформинг-3); П-601, П-602 (Риформинг-4); П-1 (Висбрекинг-Термокрекинг).

Применение результатов диссертационной работы позволило получить качественные и количественные данные о состоянии материала, достоверно определить потенциально опасные участки конструкций с позиции возможного разрушения, тем самым обеспечить дальнейшую безопасную эксплуатацию оборудования. Исследованные объекты отработали межремонтный период без аварийных остановок, что доказывает эффективность применения результатов диссертационной работы в практике диагностирования НПО.

Разработанный программный комплекс «Мониторинг» позволил автоматически рассчитывать значения механических характеристик материала, строить карту деградации механических свойств, проводить оценку изменения механических характеристик, определять скорость их деградации, время до достижения материалом предельного состояния, а также вести базу данных результатов диагностирования. Программный комплекс используется в лаборатории неразрушающего контроля, испытания материалов, акустической эмиссии и технической диагностики ОАО «Нафтан». Его внедрение позволило повысить эффективность обследования материала НПО и оценку его состояния при проведении капитальных ремонтов технологических установок. Годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы в практику диагностирования НПО (на ОАО «Нафтан») составил 54 715 260 руб. (по состоянию цен на 01.11.2007).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные научные результаты диссертации

1. Решена задача научного обоснования безопасной эксплуатации НПО, выработавшего нормативный срок службы, на основании контроля деградации структуры, изменения механических свойств и прогнозирования предельного состояния материала [4, 8, 11]. Решение этой задачи позволяет отказаться от преждевременной замены выработавшего проектный ресурс оборудования, полностью использовать его остаточную долговечность, исключить единовременные затраты на приобретение нового оборудования, средняя стоимость единицы которого составляет 92 млн. руб., и тем самым сэкономить государствен-

18

ные денежные средства в размере 690 млн. руб. (за счет продления срока эксплуатации выработавшего ресурс оборудования и исключения расходов на амортизацию вновь приобретаемого оборудования).

2. Впервые установлена количественная взаимосвязь между предельным состоянием теплоустойчивых сталей 15ХМ, 15Х5М, 13Х9М, 10Х12В2МФ, 10Х13М1 и размером коагулированных карбидов металлов [2] и выданы рекомендации по эксплуатации конструкций НПО из данных сталей (на примере змеевиков печей). При размере коагулированных карбидов в структуре стали 1...4 мкм эксплуатация конструкции безопасна; 5...8 мкм - дальнейшая эксплуатация безопасна при условии удовлетворительных результатов механических испытаний и сокращении времени до проведения следующего диагностирования материала; более 9 мкм - конструкция подлежит замене. Разработана шкала баллов коагуляции карбидов, позволяющая анализировать структуру НПО из хромомолибденовых сталей, в том числе неразрушающей полевой металлографией, и определять фактическое состояние материала.

3. Установлены зависимости между геометрическими параметрами пирамидального отпечатка (диагональ и ширина), полученного при определении твердости по Виккерсу (с использованием стационарных и переносных твердомеров), и механическими свойствами основных сталей, из которых изготавливается НПО: углеродистые стали (СтЗ, сталь 20); низколегированные стали (16ГС, 09Г2С); теплоустойчивые стали (15Х5М); коррозионностойкие стали (08X18НЮТ, 12Х18Н10Т) [3, 9, 12, 13, 15]. Полученные зависимости обосновывают использование в качестве оценочных критериев долговечности материала значения механических характеристик (ав, о5, у, КСЦ), определенных не-разрушающим способом, что позволяет уменьшить трудоемкость работ без значительного снижения достоверности определения механических характеристик с погрешностью результатов не более ±6 %.

4. Экспериментально определены граничные значения удельных работ разрушения материала НПО при статическом и динамическом нагружениях, соответствующие работоспособному и неработоспособному состояниям основных сталей, используемых для изготовления НПО, которые положены в основу разработки карт деградации механических свойств, представляющих соотношение между механическими характеристиками (ов, б5 и КСЦ) и состоянием материала [1, 5, 6, 8, 10]. Результатом является проведение интегрированной оценки комплекса механических характеристик (ста, 55 и КСЦ) материала диагностируемого объекта НПО, наглядное представление его графически в виде одной точки на карте деградации и определение изменений, происходящих в материале с течением времени.

5. Впервые установлена зависимость изменения комплексного показателя механических свойств материала (В = П0В§5/А'С(/) от времени эксплуатации оборудования [7, 11]. Установлено, что скорость деградации комплекса механических свойств материала имеет нелинейный характер, а ее численное значение, определенное на отрезках времени, характеризует стабильность свойств

19

материала под воздействием условий эксплуатации (среда, ее температура и давление) оборудования. Установлены предельно допустимые значения комплексного показателя механических свойств. Зная скорость деградации и предельно допустимое значение комплексного показателя механических свойств материала вычисляется ресурс его безопасной эксплуатации.

6. В практику диагностирования НПО внедрены: неразрушагощий способ определения механических свойств материала; способ контроля деградации структуры теплоустойчивых сталей по размеру коагулированных карбидов; способ оценки изменения механических характеристик [4] и прогнозирования предельного состояния материала на основе построения карт деградации механических свойств материала; программный комплекс «Мониторинг».

Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составил 54 715 260 руб. на годовую программу диагностируемого НПО (на ОАО «Нафтан»), выработавшего нормативный срок эксплуатации (на 01.11.2007).

Рекомендации по практическому использованию результатов

1. Использование зависимостей между геометрическими параметрами отпечатка и механическими характеристиками при определении механических свойств материала НПО в качестве экспресс-метода контроля его состояния позволит проводить определение механических свойств материала неразрушающим способом в любом доступном месте диагностируемого объекта без вырезки образцов.

2. Применение способа контроля деградации структуры теплоустойчивых сталей по размеру коагулированных карбидов позволит качественно оценивать состояние материала различных конструкций НПО из данных сталей и обеспечить их дальнейшую безопасную эксплуатацию.

3. Карты деградации механических свойств материала и программный комплекс «Мониторинг» рекомендуется использовать для мониторинга изменения комплекса механических характеристик материала при эксплуатации НПО. Карты деградации рекомендуется применять в качестве приложений к паспортам ответственных деталей и оборудования и заносить в них результаты определения механических свойств (в начале эксплуатации и во время проведения каждого капитального ремонта).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СОИСКАТЕЛЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи

1. Снарский, A.C. Методы определения механических свойств металла оборудования и конструкций / A.C. Снарский, A.B. Крыленко // Вестн. Полоц. гос. ун-та. - 2002. - № 2, Т. 1. - С. 57 - 62.

2. Снарский, A.C. Деградация прочностных свойств металла промышленного оборудования и строительных конструкций / A.C. Снарский, A.B. Крыленко // Вестн. Полоц. гос. ун-та. - 2004. - № 6. - С. 93 - 98.

20

3. Снарский, A.C. Определение физико-механических характеристик материала методом неразрушающего контроля / A.C. Снарский, A.B. Крыленко // Вестн. Полоц. гос. ун-та. - 2005. - № 10. - С. 133 - 137.

4. Кириличев, Н.В. Повышение эксплуатационной надежности оборудования нефтехимической промышленности при проведении капитальных ремонтов / Н.В. Кириличев, Ф.И. Пантелеенко, A.B. Крыленко [и др.] // Ремонт, восстановление и модернизация. - 2006. -№ 5. - С. 32 - 37.

Материалы конференций

5. Снарский, A.C. Метод графической интерпретации характеристик механических свойств стали / A.C. Снарский, A.B. Крыленко // Материалы, технологии и оборудование для упрочнения и восстановления деталей машин: темат. сб. / под общ. ред. П.А. Витязя, С.А. Астапчика. - Минск: УП «Тех-нопринт»; Новополоцк: ПГУ, 2003. - С. 289 - 292.

6. Крыленко, A.B. Метод графической интерпретации характеристик механических свойств стали / A.B. Крыленко // Материалы XXXII студенческой науч. конф.: сб. докл. - Новополоцк: ПГУ, 2003.- С. 241 -243.

7. Крыленко, A.B. Теоретические основы разработки методики косвенного определения механических свойств металла оборудования и конструкций нефтехимической промышленности / A.B. Крыленко // Актуальные проблемы прочности: XLIII Междунар. конф.: сб. докл. - Витебск, 2004. - Ч. 2. - С. 238 - 245.

8. Крыленко, A.B. Особенности определения уровня механических свойств металла нефтехимического оборудования и конструкций / A.B. Крыленко // Труды молодых специалистов Полоц. гос. ун-та. - 2004. - Вып. 3. - С. 65 - 67.

9. Снарский, A.C. Новый подход к определению характеристик механических свойств металла неразрушающим способом / A.C. Снарский, A.B. Крыленко // Материалы, технологии и оборудование для упрочнения и восстановления деталей машин: темат. сб. / под общ. ред. П.А. Витязя, С.А. Астапчика. -Минск: УП «Технопринт»; Новополоцк: ПГУ, 2005. - С. 268 - 272.

10. Крыленко, A.B. Влияние деформационного старения на механические свойства сталей, применяемых в нефтехимической промышленности / A.B. Крыленко // Актуальные проблемы прочности: сб. тез. докл. XLIV Междунар. конф. -Вологда, 2005.-С. 74.

11. Крыленко, A.B. Обеспечение безопасности нефтеперерабатывающего оборудования на основе контроля деградации механических свойств материала конструкций / A.B. Крыленко // Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин: сб. науч. тр. VI междунар. науч.-техн. конф. / под общ. ред. П.А. Витязя, С.А. Астапчика. -Новополоцк: ПГУ, 2007. - Т. 3. - С. 159-161.

Тезисы докладов

12. Крыленко, A.B. Определение ударной вязкости материалов неразрушающим способом / A.B. Крыленко // XV Петербургские чтения по проблемам прочности, поев. 100-летию со дня рождения академика С.Н. Журкова, Санкт-Петербург, 12-14 апр. 2005 г.: сб. тез. - СПб., 2005. - С. 99.

13. Чернявский, В.Ф. Определение механических свойств металла неразрушаю-щим способом / В.Ф. Чернявский, A.C. Снарский, A.B. Крыленко // XV Петербургские чтения по проблемам прочности, поев. 100-летию со дня рождения академика С.Н. Журкова, Санкт-Петербург, 12 - 14 апр. 2005 г.: сб. тез. -СПб., 2005.-С. 100.

14. Крыленко, A.B. Влияние микроповрежденности структуры при сероводородном расслоении на механические свойства низколегированных кремне-марганцевых сталей / A.B. Крыленко // XVII Петербургские чтения по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 12-14 апр. 2007 г.: сб. материалов. -СПб., 2007.-С. 54.

Заявка на получение патента

15. Способ определения ударной вязкости стальных изделий: заявка № а20050386 на получение патента Республики Беларусь / A.C. Снарский, Ф.И. Пантелеенко, A.B. Крыленко; заявитель УО «Полоцкий государственный университет»; заявл. 14.04.2005 // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр ¡нтэлектуал. уласнасщ. -2006.-№6(53).-С. 24.

РЭЗЮМЭ Крыленка Аляксандр Уладз!м1рав1ч

Забеспячэнне бпепею работы нафтаперапрацоучага абсталявання на базе кантролю дэградацьн структуры i змянення мехашчных уласшвасцяу матэрыяла канструкцый

Ключавыя словы: матэрыял, структура, мехашчныя уласщвасш, старэнне, дэградацыя, дыягнаставанне, неразбуральны кантроль.

Мэта доследования - забеспячэнне бяспечнай эксплуатацьй нафтаперапрацоучага абсталявання (НПА), якое выпрацавала нарматыуны тэрмш службы, на базе контролю дэградацьн структуры, змянення мехашчных уласшвасцяу i прагназ1равання грашчнага стану матэрыяла.

Аб'ектам доследования з'яулялюя канструкцьп НПА, вырабленныя з кан-струкцыйных, шзкалеправаных крэмнемарганцавых, цеплаустойл1вых i каразшна-устойлтых сталей. Прадметам доследования з'яулялюя структура, мехашчныя уласшвасш матэрыяла i ix змяненш.

У дысертацыйнай рабоце атрыманы залежнасщ пам1ж геаметрычным1 параметрам! шрамщальнага адб1тка (дыяганаль i шырыня), атрыманага пры вызначэнш цвёрдасш па BÍKepcy, i MexaH¡4HbiM¡ уласшвасцям1 (гранта трыва-ласш а„ адносныя падаужэнне 65 i звужэнне у, ударная вязкасць KCU) сталей 20,09Г2С, 15Х5М i 12Х18Н10Т.

Упершыню установлена узаемасувязь пам1ж гражчным станам цепла-устошпвых сталей 15ХМ, 15Х5М. 13Х9М, 10Х12В2МФ, 10Х13М1 i размерам

каагулфаваных карбщау. Пры размеры каагугираваных карбщау у структуры стал1 1...4 мкм эксплуатация каиструкцьн бяспечна; 5...8 мкм - далейшая экс-плуатацыя бяспечна пры умове здавальняючых вышкау мехашчных выпра-баванняу 1 скарачэнш часу да правядзення наступнага дыягнаставання матэ-рыяла; больш 9 мкм - канструкцыю трэба замянщь.

Эксперыментальна вызначаны грашчныя значэнш удзельных работ раз-бурэння матэрыяла пры статычным 1 дынам1чным нагружэннях, яия адпавядаюць працаздольнаму 1 непрацаздольнаму станам сталей для вырабу НПА.

Упершыню установлена залежнасць змянення комплекснага паказчыка мехашчных уласщвасцяу матэрыяла ад часу эксплуатацьй абсталявання, якая дазваляе вызначаць скорасць дэградацьй мехашчных уласщвасцяу 1 час дасяг-нення матэрыялам НПА грашчнага стану.

РЕЗЮМЕ Крыленко Александр Владимирович

Обеспечение безопасной работы нефтеперерабатывающего оборудования на основе контроля деградации структуры и изменения механических свойств материала конструкций

Ключевые слова: материал, структура, механические свойства, старение, деградация, диагностирование, неразрушающий контроль.

Цель исследования - обеспечение безопасной эксплуатации НПО, выработавшего нормативный срок службы, на основе контроля деградации структуры, изменения механических свойств и прогнозирования предельного состояния материала.

Объектом исследования являлись конструкции НПО, изготовленные из конструкционных, низколегированных кремнемарганцевых, теплоустойчивых и коррозионностойких сталей. Предметом исследования являлись структура, механические свойства материала и их изменения.

В диссертационной работе получены зависимости между геометрическими параметрами пирамидального отпечатка (диагональ и ширина), полученного при определении твердости по Виккерсу, и механическими свойствами (предел прочности а относительные удлинение 55 и сужение у, ударная вязкость КС С) сталей 20, 09Г2С, 15Х5М и 12Х18Н10Т.

Впервые установлена взаимосвязь между предельным состоянием теплоустойчивых сталей 15ХМ, 15Х5М, 13Х9М, 10Х12В2МФ, 10Х13М1 и размером коагулированных карбидов. При размере коагулированных карбидов в структуре стали 1...4 мкм эксплуатация конструкции безопасна; 5...8 мкм - дальнейшая эксплуатация безопасна при условии удовлетворительных результатов механических испытаний и сокращении времени до проведения следующего диагностирования материала; более 9 мкм - конструкция подлежит замене.

23

Экспериментально найдены граничные значения удельных работ разрушения материала при статическом и динамическом нагружениях, соответствующие работоспособному и неработоспособному состояниям сталей для изготовления НПО.

Впервые установлена зависимость изменения комплексного показателя механических свойств материала от времени эксплуатации оборудования, которая позволяет определять скорость деградации механических свойств и время достижения материалом НПО предельного состояния.

SUMMARY Krylenko Alexander Vladimirovich

Maintenance the safe operation of the oil refining equipment on the basis of control of degradation of structure and change of mechanical properties of a material of constructions

Key words: material, structure, mechanical properties, ageing, degradation, diagnosing, nondestructive inspection.

The aim of the research - maintenance the safety operation of the oil refining equipment (ORE), used normative service life, on the basis of the control of degradation of the structure, change of the mechanical properties and prediction of a limiting condition of a material.

Object of research: constructions of the ORE from structural steels, low-alloy manganese-silicon steels, heat resistant steels and corrosion resistant steel. Subject of research: the structure, the mechanical properties of a material and their changes.

In dissertation was received the dependences between geometrical parameters of a pyramidal print (diagonal and width) received at definition Vickers hardness, and the mechanical properties (breaking point a„, elongation 55, reduction of area y, impact strength KCU) of the steels: 20, 09Г2С, 15X5M and 12X18H10T.

For the first time was established the interrelation between limiting condition of the heat resistant steels 15XM, 15X5M, 13X9M, 10Х12В2МФ, 10X13M1 and the size of coagulated carbides. At the size of coagulated carbides in structure of steel 1 ...4 microns operation of a constructions is safe; 5...8 microns - the further operation is safe if received satisfactory results of mechanical tests, and if will be done the reduction the time before carrying out of the next diagnosing a material; more than 9 microns - the construction must be replacement.

Boundary values of specific works of destruction of a material at static and dynamic loadings are experimentally found. These boundary values corresponding to operability and no operability states of steels of ORE. /}

For the first time was established the dependence of change of a dSatfMx parameter of mechanical properties of a material from time of operation/ i/ythe equipment which allows determining the speed of degradation of mectatjuaaj^ro^erties and time of achievement by ORE material of a maximum permissible csmdjjipty

24 TJ /

Александр Владимирович КРЫЛЕНКО

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОЙ РАБОТЫ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ КОНТРОЛЯ ДЕГРАДАЦИИ СТРУКТУРЫ И ИЗМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА КОНСТРУКЦИЙ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение (машиностроение)

Подписано в печать 19.11.08. Формат 60x84. Бумага офсетная.

Ризография. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,39. Уч.-изд. л. 1,04. Тираж 60 экз. Заказ 1928.

Издатель и полиграфическое исполнение: учреждение образования «Полоцкий государственный университет»

Лицензия ЛИ № 02330/0133020 от 30.04.04 г. Лицензия ЛП № 02330/0133128 от 27.05.04 г.

211440 г. Новополоцк, ул. Блохина, 29