автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Повышение надежности и долговечности печных змеевиков установок нефтеперерабатывающего оборудования на основе анализа структуры и физико-механических свойств стали 15х5М

/ / фез г

На правах рукописи

РГБ -0Л

7. П /ТИ

ТЕПЛОВА НАТАЛЬЯ ИВАНОВНА

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПЕЧНЫХ ЗМЕЕВИКОВ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА СТРУКТУРЫ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ 15Х5М

05.02.01 -Материаловедение (машиностроение)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2000

Работа выполнена во ОАО "ВНИКТИнефтехимоборудование" и на кафедре «Металловедение и термическая обработка металлов» Волгоградского государственного технического университета

Научный руководитель Научный консультант

д-р техн. наук, профессор Трыков Ю.П. канд. техн. наук Ватник Л.Е.

Официальные оппоненты

Ведущая организация

д-р техн. наук, профессор Шапочкин В.И. канд. техн. наук, доц. Шевкун Г.П. ВНИИПТхим нефтеаппаратуры (г.Волгоград)

Защита состоится « ^ » _2000г. в ^ часов на

заседании диссертационного совета Д 063.76.02 в Волгоградском государственном техническом университете по адресу. 400131, г Волгоград-131, пр. Ленина, д.28, зал заседаний ученого совета (ауд. 209). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан « » МЛк 2000г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 063.76.02

Кузьмин С В.

к^Ц-в- ОН -О

Актуальность работы. Процесс кататитического риформироваиия бензиновых фракций траст значительную роль в производстве высокооктановых автомобильных бензинов и в получении ароматических углеводородов - немного нефтехимического сырья.

Проектный срок службы печных змеевиков установок каталитического риформинга из стати 15Х5М - 100 тысяч часов, определялся на основании экстраполированных на 100 тысяч часов значений пределов длительной прочности и коэффициентов запаса прочности п - 1.5 по допускаемому напряжению. По. как показал опыт эксплуатации печных змеевиков, эта величина не является для них предельной и в настоящее время на многих установках достигнута их падежная работа до 200 тысяч часов. Наблюдаемое расхождение между проектным и фактическим ресурсом службы печных змеевиков свидетельствует о том, что применяемые в настоящее время критерии оценки их работоспособности не достаючпо адекватно отражают характер изменений фтнко-мехаиических свойств хромомолибденовой стали в условиях длительной службы при температуре 550-600°С и давлении 3-5МНа.

Несмотря на то, что хромомолибденовая стать типа 15Х5М является предметом постоянного изучения в связи со значительными масштабами применения ее в нефтехимическом машиностроении, практически отсутствуют данные, позволяющие оценить физический ресурс работоспособности трубчагыч змеевиков ночей реакторного блока установок каталитического риформинга после длительной эксплуатации на. основании корректно проведенного дальнею прогнозирования жаропрочности.

Отдавая должное важности и сложности этого вопроса, в данной работе прежде всего значительное внимание-уделено обоснованию выбора метода ннлинилуалыюю дальнего прогнозирования длительной прочности и ползучести стати 15Х5М.

Процесс длительного воздействия жестких рабочих условий и агрессивных сред приводит к структурным изменениям, что в свою очередь может

сопровождаться снижением жаропрочности и длительной пластичности материала. Поэтому вопрос оикнки работоспособности металла печных змеевиков по фактическому состоянию приобретает первостепенное значение, а обеспечение их надежной службы в течение длительного срока, включая и после проектный, становится актуальной технико-экономической задачей, поскольку преждевременная замена печных змеевиков (исходя из ах стоимости -4-6млн.ру6. в ценах 2000г.) повлечет значительные и необоснованные финансовые расходы.

Цель работы: увеличение сроков службы печных змеевиков установок каталитического риформинга с 200 - 250 до 350-400 тысяч часов на основании комплексного исследования изменений физико-механических свойств стали 15Х5М под воздействием эксплуатационных условий, обоснованного прогнозирования ее жаропрочности и разработка практических рекомендаций для определения остаточного ресурса работоспособности нефтеперерабатывающего оборудования.

На защиту выносится;

1.Исследование влияния длительности изотермических выдержек на деформируемость и повреждаемость стали 15Х5М;

2Лабораторное моделирование поведения металла в процессе эксплуатации;

3.Исследование влияния эксплуатационных параметров на фнзико-механические свойства стали 15Х5М;

4.Накопление информационного материала и создание балка данных но работоспособности стали 15Х5М на сроки эксплуатации свыше 250 тыс. часов;

5.Прогнозирование кривых ползучести при напряжениях, близких к эксплуатационным, для оценки ресурса работоспособности металла печных змеевиков го стали 15Х5М как на стадии проектирования, так и после дательной службы;

6.Разработка методики прогнозирования ресурса работоспособности стали 15Х5М на базе 300-400 тысяч часов.

7. Разработка инструкции по инспекционному контролю за фактическим состоянием эксплуатируемых змеевиков и выработать критерии оценки остаточного ресурса

Научная ношппа.

I .Установлено, что термомеханнческая стабильность стали 15Х5М зависит от термодеформашюиных условий старения и обусловлена диффузионными процессами, протекающими в металле и вызывающими его разупрочнение. Степень разуттрочнения определяется скоростью протекания структурно-фазовых превращений, развивающихся в направлении роста карбидной фазы, коагуляции и сфероиднзании карбидов, а также характером их распределения.

2.Экспериментально подтверждена правомерность применения «энергетической» модели для прогношрования работоспособности печных змеевиков из стали 15Х5М как на стадии проектирования, так и для оценки их остаточного ресурса.

3.Доказаио. что при рабочих напряжениях длительность третьей стадии ползучести стали 15Х5М составляет 40-50% от общего времени до разрушения.

4. Предложены критерии оценки предельного состояния стали 15Х5М, учитывающие допускаемые напряжения, соответствующие пределу ползучести при завершении второй стадии ползучести; допускаемую величину остаточной деформации; требуемый химический состав и механические свойства стали после длительной эксплуатации; отсутствие «опасных» неоднородностей.

Прастичсскзя значимость работы.

1 .Предложена и апробирована расчетно-эксиеримеш альная методика определения рес\рса работоспособности металла труб змеевиков печей реакторного блока установок каталитического рнформинга, основанная на научных представлениях энергетической модели индивидуального дальнего прогнозирования ресурса металлически?; материалов.

2. Разработаны и экспериментально обоснованы критерии и нормы предельных значений характеристик длительной прочности и ползучести металла труб из стали 15Х5М, эксплуатирующихся в условиях печей кататнтического риформирования углеводородов.

3.Разработаны «Рекомендации по надзору и оценке фактическою ресурса работоспособности металла элементов трубчатых змеевиков установок каталитического риформиига Л35-11/300/400-9511 И Л35-8/300Б ООО «ЛУКойл-Волгофаднефтеперсработка»

4.Разработана «Временная инструкция по контролю за сосгоянием металла элементов змеевиков печей реакторного блока установок каититического риформиига ООО «ЛУКойл - Волгограднсф1еперерабогка». Экономический годовой эффект составляет порядка 500 тысяч ру блей в пенах 2000 года, доля автора - 20%.

Апробация работы. Материалы диссер!анионной работы докладывались и обсуждались на конференциях: «Повышение долговечности деталей машин прогрессивными методами обработки» (Волгоград, 1987). «Передовой опыт производства стати, ее оценочной обработки, разливки в слшки. отливки и получение кузнечных заготовок» (Волгоград, 1988). на 1-ом Всесоюзном симпозиуме «Новые жаропрочные и жаростойкие металлические материалы» (М., ¡989.), на 2-ом Всесоюзном симпозиуме но перспективным металлическим материалам «Синергетика. Новые технологии получения и свойства металлических материалов» (М, 12-17 мая 1991), на симпозиу ме «Синергешка. Структура н свойства материалов. Самоорганизующиеся технологии.» (М., 1996), на Всероссийской научно-технической конференции (Нижний Новгород, 2000) и 37-ой научно-технической конференции в Волгоградском государственном - техническом университете 2000г.

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертационной опубликованы в восемнадцати печатных работах, одном авторском свидетельстве.

Объем рабом,!. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 110 наименований и приложений на 16 страницах. Основная часть работы содержит 176 страницы машинописного текста, 40 таблиц, 53 рисунка.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ввеленин и п первой гланс приведено обоснование актуальности работы, показаны научная новизна и практическая ценность результатов исследований. Рассмотрены особенности эксплуатационных условий работы печных змеевиков из стали 15Х5М установок каталитического рнформинга, а также проанализированы теоретические аспекты поведения исследуемого материала в состоянии до и после длительной эксплуатации. Сделан обзор феноменологических моделей прогнозирования длительной прочности и ползучести. Показаны особенности прогнозирования остаточного ресурса оборудования, работающего в условиях ползучести. Рассмотрены теоретические аспекты реологической модели индивидуал 1,нот дальнего прогнозирования ресурса работоспособности металлических материалов. На основании проведенного анализа теории и практики определены задачи и направления исследований.

Во второй главе обоснован выбор в качестве исследуемого материала хромомолибденовой стати 15Х5М, широко применяемой в нефтеперерабатывающей промышленности; определена методика проведения экспериментов. обусловленная необходимостью комплексного подхода к изучению изменений ее физико-механических свойств в результате длительного воздействия рабочих температур и напряжений.

Освоены и адаптированы к исследуемому материалу методики химического и фазового анализов, механических испытаний и исследований микроструктуры, способов математической обработки и представлений

опытных данных. Изложены разработанные методики и режимы технологических операций, используемых дтя лабораторного моделирования влияния эксплуатационных параметров (длительное воздействие температурно-в ременных факторов и напряжений) на свойства стали 15Х5М, предусматривающие проведение изотермического старения и старения под напряжением (сти~30МПа) в печах типа СНОЛ и испытаюльной машины АИМА-5-2 соответственно, по непрерывному режиму при темперапре 600°С' в течение 2500-3000 часов и последующие испытания на растяжение, длительную прочность и ползучесть.

Результаты исследования влияния длительности изотермических выдержек (100, 500 и 2500 часов) в интернате температур экспиуа1ашш на свойства термоупрочненной стали 15Х5МУ ноказати, что:

•структурно-фазовые изменения, протекающие в мсталлс в процессе изотермического старения, развиваются в направлении увеличения карбидной фазы за счет обеднения ферритнон матрицы легирующими элемешамн, перехода от одного доминирующего тина карбидов (Ме7Сз) к другому (Мо.,(',,). коагуляции и сфероидизацни карбидов и их более равномерному распределению по телу зерна, что вызвало закономерное разупрочнение исследуемого материала до уровня, характерного для состояния после отжига;

•термомеханическая стабильность стати 15Х5МУ обусловлена диффузионными процессами, которые наиболее интенсивно протекают в металле в первые 100 часов старения и с увеличением длительности изотермических экспозиций не приводят к образованию дефектов, нарушающих сплошность материала.

Экспериментально установлено, что темпера турно-временнос воздействие эксплуатационных условий на свойства сташ 15Х5М с различной технологической наследственностью проявляется в значительно большем разупрочнении исследуемого материала в процессе изотермическог о старения, по сравнению со старением под напряжением. При этом степень влияния изогер-

м1Р1сского старения на сшгжение прочности стали в термоупрочненном состоянии значительно выше, чем у этого же металла после отжига (780°С, 4 часа).

Выполненные с помощью оптической и электронной микроскопии исследования позволи;Ги идентифицировать механизмы разрушения металла после изотермического старения к старения под напряжением при ползучести в исследуемой области режимов многофакторного нагружения. Определено, что в интервале значений времени до разрушения 1000-2000 часов происходит смена доминиру ющих механизмов разрушения от клиновидных трещин на стыке трех зерен к слиянию пор в зоне межэеренного разрушения.

Результаты исследовании показали, что «энергетические (термодеформационные)« условия' старения существенно влияют на кинетику диффузионных процессов при изотермическом старении иод напряжением, что замедляет процесс разупрочнения и более адекватно отражает характер изменений физико-механических свойств хромомолибденовой стали в условиях длительной службы при температуре 550-600°С и давлении 3-5МПа.

В третьей главе проведена экспериментальная проверка возможности дальнего прогнозирования ресурса жаропрочности хромо - молибденовой стали.

Основной вариант определяющих уравнений «энергетической» модели имеет вид:

е^е+е^ + р;

е = в I Е ;

р = и + V +

0М') <<т„р;

4-е>Ь)]

в{о(1)-<тягУ>е'и) о .^О-^Усв'ОЫОхг.,

Ф>= i «,СО; -«.(')

vO)=Sv((r); v4(/) =

К

0;b„(oi')lo.y < уt(l)

= c(a(/)/ff.)";

a = tr0(l + to) (2)

a - усте' + aap (3)

где £ - полная деформация; e не' - упругая и пластическая деформации; р - деформация ползучести; u, v, w - соответственно вязкоупругая, вязкопластическая и вязкая составляющие р; <т„ и о - номинальное и истинное напряжение соответственно; со- параметр поврсждсниости; Е - модуль Юнга; Л. "i, Л,, с, ш, п,о; - константы материала, с помощью которых описываются первая и вторая стадии ползучести; у и a - параметры материала, контролирующие процессы разупрочнения материала на пластической деформации и деформации ползучести соответственно; h, g, Л - параметры, описывающие диаграмму мгновенного пластического деформирования; <т„р. -предел пропорциональности.

Исследования показали, что теоретические аспекты «энергетической

модели» прогнозирования ресурса металлических материалов, работающих в условиях ползучести, применительно к хромомолибденовой стали I5X5M с различной технологической наследственностью, могут быть реализованы с необходимой для инженерных расчетов точностью уже на стадии проектирования нефтеперерабатывающего оборудования для прогнозирования кривых ползучести при напряжениях, близких к эксплуатационным. Сравнительный анализ опытных и расчетных данных подтвердил правомерность аналитических зависимостей, описывающих связь деформационных процессов при ползучести с параметрами, контролирующими процессы разупрочнения исследуемого металла в условиях мгновенно-пластического деформирования при кратковременном растяжении, что позволило математическим путем определить область лавинной ползучести.

10

Результаты математической обработки экспериментальных данных показали возможность использования «энергетической модели» для прогнозирования ресурса работоспособности печных змеевиков по величине временного интервата кривой ползучести только до перехода к третьей стадии ползучести применительно к металлу труб из стати 15Х5М, работающих в условиях каталитического рнформирования углеводородов. При этом длительность третьей стадии может составлять 40-50% от общего времени до разрушения. Выявленное соответствие прогнозируемых расчетных значений напряжений нижней 1рал«цы доверительного интервала металла труб из стали 15Х5М после отжига (840"С, 4 часа) уровню допускаемых напряжений по РТМ 26-02-67-84 подтверждает корректность применения «энергетической модели» для прогнозирования ресурса работоспособности проектируемых печных змеевиков из стати 15Х5М, а также оценки их остаточного ресурса

Тексту рная .анизотропия горячелеформнрованных труб из стати 15Х5М оказывает несущественное влияние на жаропрочность термоупрочненного металла и значительно влияет на металл после 200 тысяч часов службы. При этом характеристики жаропрочности поперечно ориентированных образцов длительно эксплуатируемого метатла не шгже исходного )ровня прочности и пластичности термоупрочненной стати после изотермического старения (600°С, 2500 часов). Для более полного учета влияния текстурной анизотропии на свойства метатла при длительной эксплуатации требуются дополнительные исследования.

Металлографические исследования недеформированной части продольно и поперечно ориентированных образцов после испытаний на длительную прочность н ползучесть метатла трубы из стати 15Х5М, эксплуатировавшейся 200 тысяч часов в условиях каталитического рнформирования углеводородов, не выявили пор, трещин и дефектов, вызывающих нарушение сплошности метатла

На основе сопоставления данных расчета по обобщенной параметрической диаграмме длительной прочности (рис.1) и результатов металлографического анализа подтверждено наличие смены механизмов разрушения от межзеренного по трещинам к межзеренному по порам (рис.2) в диапазоне 1000 - 1600 часов для температуры 570°С.

В четвертой главе приведены результаты исследования кинетики изменения состояния металла трубчатых змеевиков из стати 15Х5М в процессе длительной эксплуатации в условиях печей установок каталитического риформинга.

Выполненные физико-механические и микроструктурные исследования (рис.3, рис.4) с привлечением информационного массива известных данных позволили провести подробный анализ влияния «металлургической наследственности» на характер эксплуатационного старения метатла труб печных змеевиков. При этом установлено, что:

® многолетняя эксплуатация стати 15Х5М в условиях высоких температур (550-600°С) и давлений (3-5МПа) нс вызывает изменения химического состава металла труб;

•механические свойства длительно эксплуатируемого металла труб удовлетворяют требованиям стандарта;

•фазовые изменения теплоустойчивой стали 15Х5М в процессе старения в исследованных температурно-временных условиях печных змеевиков установок каталитического риформинга реализуются в направлении: МетСз ->МегзСб -» МебС. •структурные изменеши металла труб за время многолетней службы протекают в направлении большей термодинамической стабильности металла, на что указывает наметившаяся тенденция к снижению прочностных характеристик при температуре эксплуатации.

Изучено влияние технологических факторов и соответствующих им структурных изменений на механические свойства и закономерности

длительного разрушения. При этом установлено, что после длительной эксплуатации в водородосодержащей среде в металле отсутствуют признаки высокотемпературной водородной коррозии.

Выявленные закономерности изменения микроструктуры и твердости металла в процессе нерегламентированного кратковременного термического воздействия в интервале температур 700-970°С позволили определить допустимые температуры перегревов труб в печах каталитического риформировання, которые не приводят к образованию опасных закалочных структур и повышенной твердости стали 15Х5М.

На основании статистической обработки информационного массива наработан банк данных, позволяющий определить не только комплекс физико-механических свойств, но и набор структурных состояний, гарантирующих ресурс надежной работоспособности материала на срок 100, 150, 200 и 250 тысяч часов. Результаты исследований металла действующих установок катал>ггичсского риформипга ООО «ЛУКойл-Волгограднефтепереработка» подтвердили возможность их практического применения для индивидуального долгосрочного прогнозирования ресурса

В пятой главе дан анализ эксперимешального материала по исследованию жаропрочности стали 15Х5М после различных сроков эксплуатации.

В результате проведенных испытаний установлено, что длительная эксплуатация в течение 100, 150, 200 и 250 тысяч часов вызывает изменение жаропрочности труб из стали 15Х5М, определяемой при температурах до 600°С и давлениях 3-5 МПа минимальным уровнем значений пределов длительной прочности для отожжешюго материала. При этом термоупрочненный металл характеризуется более высокой степенью разупрочнения по сравнению с отожженным металлом.

Обобщение результатов исследований длительной прочности и ползучести, а также статистического анализа известных дшпшх позволило наработать банк данных основных характеристик жаропрочности длительно эксплуатируемых

змеевиков печей из стали 15Х5М установок каталитического риформинга, что представляется важным для прогнозирования их остаточного ресурса. На основе статистической обработки информационного массива физико-механических свойств стали 15Х5М после различных сроков наработки установлены корреляционные зависимости, позволяющие расширить область применения экспресс оценки длительной прочности по кратковременным механическим характеристикам, определяемым при рабочей температу ре.

Исследования жаропрочности металла труб печных змеевиков из стати 15Х5М установок кататтичсского риформинга ООО «ЛУКонл-Волгоград-нефтепереработка» показали, что наблюдаемое расхождение между проектным (100 тыс. часов) и фактическим (250-300 тыс. часов) ресурсом работоспособности оборудования обусловлено применяемыми в настоящее время критериями оценки жаропрочности при испытании на длительную прочность и ползучесть, которые в большинстве случаев дают заниженные значения.

Поскольку известные ироектно-конструкторскне решения не позволяли достоверно оценивать фактическое состояние и инженерные расчеты остаточного ресурса змеевиков печей установок кат аттического риформинга, впервые предложена и апробирована расчешо-экспернменган.ная меюдика определения ресурса работоспособности металла труб змеевиков печей реакторного блока установок каталитического риформинга данного предприятия, основанная на научных представлениях энергетической модели индивидуального датьнего прогнозирования ресурса мегатлнчсских материалов (рис.5).

Разработаны и экспсриментатьно обоснованы критерии и нормы предельных значений характеристик длительной прочности и ползучести металла труб из стати 15Х5М, эксплуатирующихся в условиях печей каталитического риформирования, учт ывающие:

а) время и напряжения окончания второй стадии прогнозируемых кривых ползучести для напряжет^, близких к эксплуатационным;

б) величину накопленной деформации к началу третьей стадии ползучести;

По результатам дальнего прогнозирования ресурса жаропрочности Сг - Мо стали установлены допускаемые напряжения для металла элементов печных змеевиков, определяемые по величине пределов ползучести, соответствующих напряжениям на момент окончания второй стадии ползучести.

Целесообразность введения вышеуказанных критериев отражена в «Рекомендации по надзору и оценке фактического ресурса работоспособности металла элементов трубчатых змеевиков установок каталитического риформинга Л35-11/300/400-95Н И Л35-8/300Б ООО «ЛУКойл-Волгоград-нефтепереработка» и во «Временной инструкции по контролю за состоянием металла элементов змеевиков печей реакторного блока установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл - Волгограднефтепереработка».

'На основе.результатов исследований 1996 - 2000 г.г. срок службы змеевиков нечей действующих установок кататитического риформинга ООО «ЛУКойл-Волгогратисфтепереработка» увеличен на 100-150 тысяч часов и равен 350-400 тысяч часов. Годовой экономический эффект составляет порядка 500 тысяч рублей в ценах 2000года (доля автора - 20%).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1.Для повышения сроков службы печных змеевиков из стали 15Х5М, широко применяемой в нефтеперерабатывающей отрасли, необходима реализация заданного комплекса физико-механических свойств металла, а также разработка критериев оценки их надежности при длительной эксплуатации на основе совершенствования существующих методов прогнозирования длительной прочности и ползучести.

2. Изучение влияния температурно-временных условий на свойства стали 15Х5М путем лабораторного моделирования в виде изотермического старения и старения под напряжением показало, что термомеханичсская стабильность

исследуемого материала зависит от «энергетических (термодеформационных)» условий старения и обусловлена диффузионными процессами, протекающими в металле, вызывающими его закономерное разупрочнение, степень которого определяется скоростью протекания структурно-фазовых изменений, развивающихся в направлении увеличения карбидной фазы, коагуляции и сфероидизации карбидов, а также характером их распределения.

3. Результаты математической обработки по обобщенной условной параметрической диаграмме дтггельной прочности позволили определить, что смена механизмов разрушения при ползучести от межзеренпого по трещинам к межзеренному по порам реализуется в стали 15Х5М как в состоянии поставки, так и после длительной эксплуатации в интервале значений времени до разрушения 1000-1600 часов.

4. На примере стати 15Х5М экспериментально подтверждена правомерность применений «энергетической» модели для прогнозирования ресурса работоспособности печных змеевиков, эксплуатирующихся в условиях каталитического реформирования, с достаточной для инженерных расчетов точностью не только на стадии проектирования, но и для оценки остаточного ресурса в процессе длительной службы.

5. При прогнозировании ресурса работоспособности печных змеевиков необходимо учитывать влияние текстурной анизотропии металла труб из стати 15Х5М в процессе длительной эксплуатации.

6. Наработан банк данных по физико-механическим свойствам и фазовому составу стали 15Х5М после эксплуатации в течение 100, 150, 200 и 250 тысяч часов, позволяющий определять закономерности старения метахпа в процессе длительной службы.

7. На осиовашш результатов обследований печных змеевиков установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл-Волгогрзднефтепереработка» после эксплуатации 100, 150, 200 и 250 тысяч часов установлено, что трубы из хромомолибденовой стали сохраняют стабильность структуры и служебных

свойств. При этом степень закономерного разупрочнения металла определяется состоянием матрицы'' твердого раствора, количеством и дисперсностью карбидов, а также их фазовым составом. После длительной эксплуатации в водородосодержащей Ьреде сталь 15Х5М не имеет признаков водородной коррозии.

8.На основании результатов проведенных исследований разработаны и экспериментально обоснованы критерии оценки предельного состояния металла учитывающие:

а) уровень значений допускаемых напряжений, соответствующих пределу ползучести, реализуемому по окончании второй стадии ползучести;

б) допустимую величину остаючной деформации;

в)соотвегствие химического состава и механических свойств стали !5Х5М после длительной эксплуатации требованиям стандартов;

г) ограничение твердости значениями 120-23511В;

л)недопустимы «опасные» виды неоднородное гей в виде пор, микротрещин, рыхло г, инородных включений и др..

9. Разработаны «Рекомендации по надзору и оценке фактического ресурса работоспособности металла элементов трубчатых змеевиков установок каталитического риформинга Л35-11/300/400-9511 и Л35-8/300К ООО «ЛУКойл -Волго1раднсфтепереработка» и «Временная инструкция по контролю за состоянием метатла элементов змеевиков печей реакторного блока установок катаппического риформинга ООО «ЛУКойл - Волгограднефтепереработка», использование которых позволяет увеличить срок службы змеевиков печей из стали 15Х5М с 200-250 до 350-400 тысяч часов. Годовой экономический эффект составляет порядка 500 тысяч рублей в ценах 2000года (доля автора -20%).

♦

Осиоиныс результаты лиссгртанни онублшлжанм

в следующих пабртау:

1) Сопоставление твердости и характеристик прочности стати 15Х5М, эксплуатировавшейся более 100000 часов./ Ватник Л.Е., Мухин В.П., Теплова Н.И и др. //Эксплуатация, модернизация и ремонт оборудования в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности», М„ ЦНИИТЭнефтехим,- 1983,- №4 - С. ¡2-14

2) Длительная прочность стати 15Х5М после длшелыюй эксплуатации в трубчатых печах нефтеперерабатывающих установок /Ватник ЛИ., Мухин В.Н., Теплова Н.И. и др. Шроблемы прочности - 1983.- №5,- С.76-80

3) Влияние пластической деформации на свойства стати I5X5M. / Ватник Л.Н., Мухин В.Н., Теплова Н И., Никулина О.А //Проблемы прочности - 1985 -№11,- Деп. в ВИНИТИ №3826-85 от 03.06.85

4) Влияние температурно-скоросшых условий деформирования на механические свойства сташ 15Х5М. / Вапшк Л.Н., Мухин В Н., Те]иона Н.И., Никулина O.A. //Проблемы прочности - 1986 -№12.

5) Исследование структуры и свойств металла труб из сташ 15Х5М после длительной эксплуа1ации печных змеевиков камер конвекции установок кататтттического риформиш а. / Ватник Л.Е., Теплова Н.И., Марахова Г.К. // «Повышение эксплуатационной надежности нефачаводского оборудования». Сб. научных трудов ВНИКТИнсфтехимоборудование, М.. ЦНИИТЭнефтехим- 1986 - С.20-32.

6) Прогнозирование жаропрочности стати I5X5M до 150 тыс. часов без вырежи металла из труб змеевиков печей установок кагаштического риформинга. /Ватник Л.Е.. Теплова Н.И., Стрюкаков В.Н. //«Повышение эксплуатационной

надежности нефтезаводского оборудования». Сб. науч. трудов ВНИКТИнеф-

те.химоборудование.- М., ЦНИИТЭнефтехим,- 1987 - С.48-55

7) Методика оценки длительной прочности но ограниченному объему вырезки металла после длшелыюй эксплуатации / Ватник Л.Ei.. Теплова Н И.. Кутыга Г.Н. // Повышение долговечности деталей машин прогрессивными методами обработки: Тезисы докл. науч.-техн. конф. - Волгоград- 1987.- С.97-101

8) Исследование стабильности фюико-мехашпеских свойств и работоспособности поковок трубных элементов жаропрочной стати 15Х5М. / Ватник Л.Е., Теплова Н.И. // Передовой опыт производства стати, ее внепечной обработки, разливки в слитки, отливки и получение кузнечных заготовок: Тез. докл. конф. -Волгоград - 1988,- С.118-121.

9) Прогнозирование предела длительной прочности по физико-механическим характеристикам стали 15Х5М после эксплуатации до 200 тыс. часов в условиях ползучести. /Ватник Л.Е., Теплова Н.И.// Новые жаропрочные и жаростойкие металлические материалы: Тезисы докладов 1 Всесоюзного симпозиума- М., 1989.- часть IL- С.24.

10) Вероятное тая опенка прогнозирования длительной прочности хромомолнбдеиовых сталей до 200 тыс. часов. /Геплова Н И., Ватник Л.И... Аникапдрова Т.Н./'/Повышение эксплуатационной надежности нефтезавод-скот оборудования: Сб. научи. трудов ВНИКТИнефгсхнмоборудование. М., ЦПИИГЗнефтехим.-.1989. - С. 34-39.

11)Влияние деформационной наследственности на жаропрочность металла печных змеевиков из стали I2X2M1 установки каталитического риформинга. / Ватник Jl.lv., Тсплова Н.И., Рабинович Г).И., Стр1гжаков В Е. //Повышение эксплуатационной надежности нефтезаводского оборудования. Сб. науч. трудов ВНИЮНнефтехимоборудование- М, ЦНИИ ГЭнефтехнм.- 1990,-С.91-95

12) Оценка остаточного ресурса металла паропроводов из стали 12Х1МФ после 200 тыс. ч. эксплуатации. / Тсплова Н.И., Ватник Л.Н. и др. // Повышение эксплуатационной надежности пефтемводекого оборудования: Сб. науч. трудов ВПИКТИнефтехимоборудованне.- М ,- ЦНИИТЭнефтсхим,- 1991-С. 105-111.

13) Оптимизация методики дальнего прогнозирования жаропрочных сталей.

/ Еремин Ю.А.. Радченко В.11, Ватник Л.Е.. 'Геплова Н И. //Синергетика

Новые технологии получения и свойства металлических материалов: Тез докл.

2-ю Всесоюзного симпозиума по перспективным металлическим материалам

(М, 12-17 мая 1997.)-М- 1991.- ч.2 - С. 126

14)Лвюрское cBiueie.ii.cino № 1774226. Заявка №4806911 Способ определения длительной нрочпосш хромомолибленовых статей / Ватник J1.E., Геплова H.H.

15)Оценка возможности индивидуального дальнего прогнозирования ресурса элеменюв печных змеевиков из стали 15X5M/Iсилона Н И. // Неупрутне деформации, прочность и надежность конструкций- Сб. науч. трудов Сам! ТУ. - Самара- 1993,- С.88-92

16) Влияние исходной текстурной ашгзстропни па повреждаемость при длительных иютермических выдержках металла печных змеевиков из стали 15X5N1 установок каталитического риформинга /Ватник Л.Е., Тсплова Н И. //Синергетика. Стр\кт\ра и свойства материалов. Самоорганизующиеся

технологии: Тез. докл. симпозиума- М- 1996.

17) Исследование влияния эксплуатационных параметров на свойства стали 15Х5М. /Тсплова И.И. //Методы и измерения: Тезисы докл. Всероссийской науч.-технич. конф - Нижний Новгород- 2000.-С.16

18) Исследование стабильности физико-механических свойств хромомолибде-новой стали в процессе хшлельной эксплуатации в условиях кататитичсското рнформиронания. /Тсплова 11.И. //Методы и измерения: Тезисы докл. Всероссийской науч.-технич. конф - Нижний Новгород- 2000.-С. 17

19)Исс.ледованне устойчивости сл али 15Х5М к воздействию технологической

среды. /Ю.П.Трыков. Н.И.'Геплова, Л.Е.Ватник, В.М.Попов. - в печати.

Обобщенная параметрическая диаграмма

Рис. 1

Межзеренное разрушение по порам

Микроструктура стали 15Х5М (состояние поставки)

'/•2' «г-'','." > ■'

V--/ - -Л-, -: «.»\Ч

О-

V

/7&Ц

V «■

... -ч > V ¿,

у.:- ■

. V -.л

•» г'4-' * * -'"'и ^ -'СГл^

V. ^Г.^г^

Рис.3

Микроструктура стали 15Х5М после 200 тысяч часов эксплуатации

Экспериментальные (а) и расчетные (б) кривые ползучести

•л

tk, час

а

U., тыс.час

б

Личный вклад ашора в получении научных результатов заключается : в обработке экспериментальных данных кратковременных и длительных механических испытаний металла труб из стали 15Х5М в состоянии поставки и после эксплуатации /1-4,13/; анализе результатов исследований стабильности структурно-механических характеристик исследуемого материала в процессе длительной службы в условиях печей установок каталитического рнформинга /5,8,15-19/, разработке методики оценки длительной прочности стали 15Х5М /7,10,14/; прогнозировании остаточного ресурса работоспособности Сг-Мо и Сг-\lo-V сталей/6,9,11,12/.

Подписано в печать^.. ЛС2000 г Тираж 100 экт. Печать офсетная. Усл. псч. л 1,0. Бумага офсетная. Формат 60 х 84 Ыб.Закат №

Типо! рафия «Политехник» Волгоградского государственного технического университета 400131, г. Волгоград, ул. Советская, 35

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. К ВОПРОСУ УВЕЛИЧЕНИЯ РЕСУРСА ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

1.1. Печные змеевики установок каталитического риформинга, эксплуатационные условия, материальное исполнение.

1.1.1. Эксплуатационные условия.И

1.1.2. Теплоустойчивая хромомолибденовая сталь 15Х5М.1.

1.2. Феноменологические модели прогнозирования длительной прочности и ползучести.~

1.2.1.Модели описания длительной прочности. .¿

1.2.2.Кинетические варианты теории ползучести.г>®

1.3. Оценка остаточного ресурса .оборудования, работающего в условиях ползучести.г.

1.4. Реологическая модель индивидуального дальнего прогнозирования ресурса.^

ВЫВОДЫ И НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.^

ГЛАВА2. МАТЕРИАЛ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ НА СВОЙСТВА СТАЛИ 15Х5М

2.1. Исследуемый материал.

2.2. Стандартные экспериментальные методы.

2.2.1. Методы химического анализа.

2.2.2. Рентгеноструктурный анализ.

2.2.3. Механические испытания.

2.2.4. Металлографические исследования.

2.2.5. Электронномикроскопические исследования.5Р

2.3. Разработанные методики.

2.3.1. Изотермическое старение.

2.3.2. Старение под напряжением.

2.4. Результаты исследования влияния эксплуатационных параметров на свойства стали 15Х5М.

2.4.1.Исследование влияния длительности изотермических выдержек в интервале температур эксплуатации на свойства стали 15Х5М.&

2.4.2. Исследование влияния эксплуатационных условий на жаропрочность стали 15Х5М.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.Ц

ГЛАВА 3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА РАБОТОСПОСОБНОСТИ СТАЛИ 15Х5М ДО ЭКСПЛУАТАЦИИ

3.1. Исследование возможности индивидуального дальнего прогнозирования жаропрочности стали 15Х5М.7/

3.2. Исследование влияния микроструктурной анизотропии на свойства металла труб из стали 15Х5М.9.Р.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

НА ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА ПЕЧНЫХ ЗМЕЕВИКОВ ИЗ СТАЛИ 15Х5М УСТАНОВОК КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА

4.1. Исследование изменения физико-механических свойств стали

15Х5М в процессе длительной эксплуатации.

4.2. Исследование устойчивости стали 15Х5М к воздействию технологической среды.

4.2.1. Технологические особенности эксплуатации печных змеевиков из стали 15Х5М установок каталитического риформинга.1/.

4.2.2. Результаты исследования коррозионной стойкости стали 15Х5М в условиях каталитического риформирования углеводородов.\

4.3. Исследование влияния перегревов на сталь 15Х5М.!Л

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4./З-Г

ГЛАВА 5.ЖАРОПРОЧНОСТЬ ХРОМОМОЛИБДЕНОВОЙ СТАЛИ

5.1. Исследование длительной прочности стали 15Х5М после эксплуатации.

5.2. Исследование жаропрочности металла труб печных змеевиков установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл-Волгограднефтепереработка» .("А

5.2.1. Длительная прочность и ползучесть.7ЧГ

5.2.2. Оценка жаропрочности металла печных змеевиков установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл-Волгограднефтепереработка».

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.

Процесс каталитического риформирования бензиновых фракций играет значительную роль в производстве высокооктановых автомобильных бензинов и в получении ароматических углеводородов - ценного нефтехимического сырья.

Проектный срок службы печных змеевиков установок каталитического риформинга из стали 15Х5М - 100 тысяч часов, определялся на основании экстраполированных на 100 тысяч часов значений пределов длительной прочности и коэффициентов запаса прочности п = 1.5 по допускаемому напряжению. Но, как показал опыт эксплуатации, эта величина не является для них предельной и в настоящее время на многих установках достигнута их надежная работа до 200 тысяч часов. Наблюдаемое расхождение между проектным и фактическим ресурсом службы змеевиков печей свидетельствует о том, что применяемые в настоящее время критерии оценки их работоспособности не достаточно объективно отражают характер изменения физико-механических свойств металла в условиях длительной эксплуатации при температурах 550-600°С и давлениях 3-5 МПа.

Несмотря на то, что хромомолибденовая сталь типа 15Х5М является предметом постоянного изучения, в связи со значительными масштабами применения ее в нефтеперерабатывающей отрасли, практически отсутствуют данные позволяющие оценить ее физический ресурс жаропрочности.

Поскольку процесс длительного воздействия жестких рабочих условий и агрессивных сред приводит к структурным изменениям материала, которые в свою очередь могут сопровождаться снижением его жаропрочности и длительной пластичности, то вопрос оценки работоспособности металла печных змеевиков по фактическому состоянию приобретает первостепенное значение. При этом обеспечение надежной работоспособности печных змеевиков в течение длительного срока, включая и после проектный, становится актуальной технико-экономической задачей, так как преждевременная замена змеевиков печей , исходя из их стоимости -5-8 млн.руб (в ценах 2000г), повлечет значительные и необоснованные финансовые расходы.

В связи с этим, целью данной работы является: увеличение сроков службы печных змеевиков установок каталитического риформинга с 200-250 до 350-400 тысяч часов, на основе комплексного исследования изменений структуры и физико-механических свойств теплоустойчивой стали 15Х5М под воздействием эксплуатационных условий, обоснованного прогнозирования ее жаропрочности и разработка практических рекомендаций для определения остаточного ресурса работоспособности нефтеперерабатывающего оборудования.

Отдавая должное важности и сложности этого вопроса, в данной работе прежде всего значительное внимание уделено обоснованию выбора метода индивидуального дальнего прогнозирования длительной прочности и ползучести стали 15Х5М.

Решение задачи повышения сроков эксплуатации требует проведения широкого комплекса экспериментальных исследований, что определило следующую структуру данной работы:

В первой главе рассмотрены особенности эксплуатационных условий работы печных змеевиков из стали 15Х5М установок каталитического риформинга, а также проанализированы теоретические аспекты поведения исследуемого материала в состоянии до и после длительной эксплуатации. Сделан обзор феноменологических моделей прогнозирования длительной прочности и ползучести. Показаны особенности прогнозирования остаточного ресурса оборудования, работающего в условиях ползучести. Рассмотрена реологическая модель индивидуального дальнего прогнозирования ресурса работоспособности металлических материалов. На основании проведенного анализа теории и практики определены задачи и направления исследований.

Во второй главе рассмотрена возможность моделирования в лабораторных условиях влияния эксплуатационных параметров на свойства стали 15Х5М ' в состоянии до эксплуатации на основе специально разработанных методов исследования. Акцентируется внимание на выполнение нормативных документов при проведении работ. Отмечается важность технологических испытаний для оценки адекватного отражения влияния реальных условий эксплуатации печных змеевиков установок каталитического риформинга на физико-механические свойства стали 15Х5М.

В третьей главе проведена экспериментальная проверка возможности дальнего прогнозирования ресурса жаропрочности хромомолибденовой стали в состоянии поставки, то есть на стадии проектирования. Показано, что при оценке фактического ресурса жаропрочности металла элементов печных змеевиков установок каталитического риформинга необходимо учитывать влияние исходной текстурной анизотропии.

В четвертой главе, на основании результатов статистической обработки, накопленного во ВНИКТИнефтехимоборудование информационного массива данных, дана оценка стабильности физико-механических свойств стали 15Х5М в процессе длительной эксплуатации. Определены интервалы значений исследуемых данных. На примере действующих установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл-Волгограднефтепереработка» проанализирована устойчивость исследуемого металла к воздействию широкого круга эксплуатационных факторов.

В пятой главе дан анализ экспериментального материала по исследованию жаропрочности стали 15Х5М после различных сроков эксплуатации, на основании которого был создан банк данных. Апробация метода индивидуального дальнего прогнозирования, применительно к конструкции печных змеевиков из стали 15Х5М установок каталитического риформинга, дала возможность определить допускаемые напряжения по значениям пределов ползучести, соответствующим напряжениям окончания второй стадии ползучести.

Результаты работы позволили не только оценить физический ресурс жаропрочности металла труб из стали 15Х5М на период до 400 тысяч часов эксплуатации, но и разработать научно-технические документы по надзору и оценке фактического ресурса работоспособности металла элементов трубчатых змеевиков установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл-Волгограднефтепереработка».

На основании проведенных исследований были получены новые данные о поведении металла труб из стали 15Х5М в процессе длительной эксплуатации в условиях печей каталитического риформинга, позволившие значительно повысить долговечность печных змеевиков, так, например:

1.Установлено, что термомеханическая стабильность стали 15Х5М зависит от термодеформационных условий старения и обусловлена диффузионными процессами, протекающими в металле и вызывающими его разупрочнение. Степень разупрочнения определяется скоростью протекания структурно-фазовых превращений, развивающихся в направлении роста карбидной фазы, коагуляции и сфероидизации карбидов, а также характером их распределения.

2.Экспериментально подтверждена правомерность применения «энергетической» модели для прогнозирования работоспособности печных змеевиков из стали 15Х5М как на стадии проектирования, так и для оценки их остаточного ресурса.

3.Доказано, что при рабочих напряжениях длительность третьей стадии ползучести стали 15Х5М составляет 40-50% от общего времени до разрушения.

4.Предложены критерии оценки предельного состояния стали 15Х5М, учитывающие допускаемые напряжения, соответствующие пределу ползучести при завершении второй стадии ползучести; допускаемую величину остаточной деформации; требуемый химический состав и механические свойства стали после длительной эксплуатации; отсутствие «опасных» неоднородностей.

Использование результатов исследований позволит более полно реализовать возможности стали 15Х5М применительно к условиям печей каталитического риформинга

Экономический годовой эффект от увеличения сроков службы печных змеевиков из стали 15Х5М на 12-18 лет (100 -150 тысяч часов) после 200-250 тысяч часов эксплуатации только по одной установке (Л35-8/300Б), с учетом капитальных затрат, составляет 500 тысяч рублей (в ценах 2000 года).

Работа выполнена в ОАО «ВНИКТИнефтехимоборудование», в Волгоградском государственном техническом университете и в ООО «ЛУКойл-Волгограднефтепереработка»

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: «Повышение долговечности деталей машин прогрессивными методами обработки» (Волгоград, 1987), «Передовой опыт производства стали, ее внепечной обработки, разливки в слитки, отливки и получение кузнечных заготовок» (Волгоград, 1988), на 1-ом Всесоюзном симпозиуме «Новые жаропрочные и жаростойкие металлические материалы» (М., 1989.), на 2-ом Всесоюзном симпозиуме по перспективным металлическим материалам. «Синергетика. Новые технологии получения и свойства металлических материалов» (М., 12-17 мая 1991), на симпозиуме «Синергетика. Структура и свойства материалов. Самоорганизующиеся технологии.» (М., 1996), на Всероссийской научно-технической конференции (Нижний Новгород, 2000) и 37-ой научно-технической конференции в Волгоградском государственном - техническом университете 2000г.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5

1.Ha основе обобщения результатов исследований длительной прочности и ползучести, а также статистического анализа известных данных получен банк данных основных характеристик жаропрочности длительно эксплуатируемых змеевиков печей из стали 15Х5М установок каталитического риформинга, что представляется важным для прогнозирования их остаточного ресурса.

2.Установлено, что длительная эксплуатация в течение 100, 150, 200 и 250 тысяч часов вызывает изменение жаропрочности труб из стали 15Х5М, определяемой при температурах до 600°С и давлениях 3-5МПа минимальным уровнем значений пределов длительной прочности для отожженного материала. При этом термоупрочненный металл характеризуется более высокой степенью разупрочнения по сравнению с отожженным металлом.

3.На основе статистической обработки информационного массива физико-механических свойств стали 15Х5М после различных сроков наработки, установлены корреляционные зависимости, позволяющие расширить область применения экспресс оценки длительной прочности по кратковременным механическим характеристикам, определяемым при рабочей температуре.

4.Исследования жаропрочности металла труб печных змеевиков из стали 15Х5М установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл-Волгограднефтепереработка» показали, что наблюдаемое расхождение между проектным (100 тыс. часов) и фактическим (250-300 тыс. часов) ресурсом работоспособности оборудования обусловлено применяемыми в настоящее время критериями оценки жаропрочности при испытании на длительную прочность и ползучесть, которые в большинстве случаев дают заниженные значения.

5. Известные проектно-конструкторские решения не позволяют достоверно оценивать фактическое состояние и инженерные расчеты остаточного ресурса змеевиков печей установок каталитического риформинга. Впервые предложена и апробирована расчетно-экспериментальная методика определения ресурса работоспособности металла труб змеевиков печей реакторного блока установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл-Волгограднефтепереработка», на научных представлениях энергетической модели индивидуального дальнего прогнозирования ресурса металлических материалов.

6.Разработаны и экспериментально обоснованы критерии и нормы предельных значений характеристик длительной прочности и ползучести металла труб из стали 15Х5М, эксплуатирующегося в условиях печей каталитического риформирования, учитывающие : а) время и напряжения окончания второй стадии прогнозируемых кривых ползучести, для напряжений близких к эксплуатационным; б) величину накопленной деформации к началу Ш-ей стадии ползучести;

7.По результатам дальнего прогнозирования ресурса жаропрочности Сг - Мо стали установлены допускаемые напряжения для металла элементов печных змеевиков, определяемые по величине пределов ползучести, соответствующих напряжениям на момент окончания второй стадии ползучести.

8.Для предприятия разработана «Временная инструкция по контролю за состоянием металла элементов змеевиков печей реакторного блока установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл - Волгограднефтепереработка», использование которой позволяет увеличить срок службы змеевиков печей из стали 15Х5М до 350-400 тысяч часов и сократить инспекционные расходы связанные с «разрушающими» испытаниями на длительную прочность и ползучесть.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Для повышения сроков службы печных змеевиков из стали 15Х5М, широко применяемой в нефтеперерабатывающей отрасли, необходима реализация заданного комплекса физико-механических свойств металла, а также разработка критериев оценки их надежности при длительной эксплуатации на основе совершенствования существующих методов прогнозирования длительной прочности и ползучести.

2. Изучение влияния температурно-временных условий на свойства стали 15Х5М путем лабораторного моделирования в виде изотермического старения и старения под напряжением показало, что термомеханическая стабильность исследуемого материала зависит от «энергетических (термодеформационных)» условий старения и обусловлена диффузионными процессами, протекающими в металле, рызывающими его закономерное разупрочнение, степень которого определяется скоростью протекания структурно-фазовых изменений, развивающихся в направлении увеличения карбидной фазы, коагуляции и сфероидизации карбидов, а также характером их распределения.

3. Результаты математической обработки по обобщенной условной параметрической диаграмме длительной прочности позволили определить, что смена механизмов разрушения при ползучести от межзеренного по трещинам к межзеренному по порам реализуется в стали 15Х5М как в состоянии поставки, так и после длительной эксплуатации в интервале значений времени до разрушения 1000-1600 часов.

4. На примере стали 15Х5М экспериментально подтверждена правомерность применения «энергетической» модели для прогнозирования ресурса работоспособности печных змеевиков, эксплуатирующихся в условиях каталитического риформирования, с достаточной для инженерных расчетов точностью не только на стадии проектирования, но и для оценки остаточного ресурса в процессе длительной службы.

1. При прогнозировании ресурса работоспособности печных змеевиков необходимо учитывать влияние текстурной анизотропии металла труб из стали 15Х5М в процессе длительной эксплуатации.

2. Наработан банк данных по физико-механическим свойствам и фазовому составу стали 15Х5М после эксплуатации в течение 100, 150, 200 и 250 тысяч часов, позволяющий определять закономерности старения металла в процессе длительной службы.

3. На основании результатов обследований печных змеевиков установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл-Волгограднефтепереработка» после эксплуатации 100, 150, 200 и 250 тысяч часов установлено, что трубы из хромомолибденовой стали сохраняют стабильность структуры и служебных свойств. При этом степень закономерного разупрочнения металла определяется состоянием матрицы твердого раствора, количеством и дисперсностью карбидов, а также их фазовым составом. После длительной эксплуатации в водородосодержащей среде сталь 15Х5М не имеет признаков водородной коррозии.

8.На основании результатов проведенных исследований разработаны и экспериментально обоснованы критерии оценки предельного состояния металла учитывающие: а) уровень значений допускаемых напряжений, соответствующих пределу ползучести, реализуемому по окончании второй стадии ползучести; б) допустимую величину остаточной деформации; в)соответствие химргческого состава и механических свойств стали 15Х5М после длительной эксплуатации требованиям стандартов; г) ограничение твердости значениями120-235НВ; д)недопустимость «опасных» видов неоднородностей в виде пор, микротрещин, рыхлот, инородных включений и др. г С

9. Разработаны «Рекомендации по надзору и оценке фактического ресурса работоспособности металла элементов трубчатых змеевиков установок каталитического риформинга Л35-11/300/400-95Н и Л35-8/300Б ООО «ЛУКойл -Волгограднефтепереработка» и «Временная инструкция по контролю за состоянием металла элементов змеевиков печей реакторного блока установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл Волгограднефтепереработка», использование которых позволяет увеличить срок службы змеевиков печей из стали 15Х5М с 200-250 до 350-400 тысяч часов. Годовой экономический эффект составляет порядка 500 тысяч рублей в ценах 2000года (доля автора - 20%).

1. Ентус H. Р. Техническое обслуживание и модернизация трубчатых печей. -М.: Машиностроение, 1968,- 19с.

2. Адельсон С.В'. Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимии,- М.: Гостоптехиздат, 1963.- 310с.

3. Гуляев В.А., Ластовкин Г.А., Ратнер Е.М., Тарабрина Е.И. Промышленные установки каталитического риформинга,- Л.: Химия, 1984,- 232с.

4. Ланская К. А. Жаропрочные стали,- М.: Металлургия, 1969,- 274с.

5. Дьяков В.Г., Медведев Ю.С. и др. Легированные стати для нефтехимического оборудования.- М.: Машиностроение, 1971,- 200с.

6. Крутасова Е.И. Надежность металла энергетического оборудования,- М.: Энергоиздат, 1981.- 240с.

7. Механизмы упрочнения и легирования Cr Mo - V сталей / Ланская К.А // в кн. Деформация и разрушение теплостойких сталей и сплавов. Материалы конференции. М., МДНТП им. Ф.Э.Дзержинского, 1981,- С.3-7.

8. Влияние содержания молибдена и структуры на длительную прочность жаропочной хромомолибденованадиевой стали /ВЦП-ЫА-46167-М.Т978.,8с.: Пер. ст. Diehl H., Granaher I., Wiegand H. из журн.: Archivv fur das Eisenhuttenwesen., 1975.- Vol.46, №7.-s.461-463.

9. Ланская К.А. Теплостойкие стали. // Металловедение и термическая обработка., Т. 14: Итоги науки и техники,- ВИНИТИ АН СССР,- М.: 1983.-С.54-99.

10. Эксплуатация и обследование печей установок каталитического риформинга, проработавших расчетный срок службы./ Мартынов Н.В., Туманянц A.A., Саяпин B.C., там же, с.7-10.

11. П.Миллер К. Ползучесть и разрушение. М.: Металлургия, 1986,- 119с.

12. Борздыка A.M. Методы горячих механических испытаний. М.: Металлургиздат, 1961.-, 382с.

13. Ковпак В.И. Прогнозирование жаропрочности металлических материалов. Киев.: Наукова Думка, 1981- 240с.

14. Закономерности ползучести и длительной прочности. /А.Л.Аршакуни, А.М.Локошенко и др.// Справочник . Под общей редакцией С.А.Шестерикова М.: Машиностроение, 1983,- 102с.

15. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. М.: Металлургия, 1969.-646с.

16. Работнов Ю.Н.Ползучесть элементов конструкций.М.:Наука, 1966,- 752с.

17. Кривенюк В.В. Прогнозирование длительной прочности тугоплавких металлов и сплавов. Киев: Наукова думка, 1990,- 247с.

18. Тайра С., Отани Р. Теория высокотемпературной прочности материалов. М.: Металлургия, 1986,- 279с.

19. Лепин Г.Ф. Ползучесть металлов и критерии жаропрочности. М.: Металлургия, 1976,- 345с.

20. К вопросу пересчета показателей жаропрочности на другие температуры испытаний./ Криш А.К. // Исследование жаропрочных сталей и сплавов. М.: Металлургиздат, I960.-С.228-240.

21. Ковпак В.И. Методы прогнозирования длительной прочности и ползучести металлических материалов на большие сроки службы. Автореферат диссертации на соискание д. т. н. // Киев., ИПП АН УССР, 1979.- 54с.

22. Larson F.R. and Miller J. Trans. ASME, Vol.74. №7, p. 765 (1952)

23. Dorn J.E. Some Fundamentel Experiments on High Temperature Creep. NPL, p.89 (1956)

24. Manson S.S. and Haferd A.M. NASA TN 2890 (1953)

25. Ковпак B.B. Прогнозирование длительной работоспособности металлических материалов в условиях ползучести. // Препринт. Киев, 1990,- 37с.

26. Метод прогнозирования длительной прочности металлов и сплавов / Трунин И.И., Логинов Э.А //Машиноведение.- 1971.- №2,- С.66-74.

27. Иванова B.C. Разрушение металлов. М.: Металлургия, 1979.- 166с

28. Качанов Л.М. Теория ползучести. М.: Физматгиз, I960.- 456с.

29. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975,- 395с.

30. Федоров В.В. Кинетика повреждаемости и разрушения твердых тел. Ташкент: ФАН, 1985.-167с.

31. Соснин О.В., Горев Б.В., Никитенко А.Ф. Энергетический вариант теории ползучести. Новосибирск, 1986.-95с.

32. Геминов В.Н. Длительная прочность материалов высокотемпературных агрегатов. М.: ВНИИЭгазпром, 1989.- 25с.

33. Р-54-286-89. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчетно-экспериментального определения характеристик ползучести и длительной прочности. М.: ВНИИНМаш, 1970.-51с.

34. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984,- 312с.

35. Методы индивидуальной оценки ресурса и межремонтный период энергетического оборудования. /Чижик A.A. и др. // Сб. науч. трудов ЦКТИ: Вопросы долговременной прочности энергетического оборудования., Ленинград.-1988.

36. Петреня Ю.К. Сопротивляемость деформированию и разрушению теплоустойчивых сталей с учетом полиморфизма микроразрушения при ползучести. Автореферат на соискание учен. степ. канд. техн. наук Л.: НПО ЦКТИ, 1984,- 21с

37. Методика описания ползучести и длительной прочности при частом растяжении. / Шестериков С.А., Локашенко A.M. // ПМТ.- 1980,- №3,-С. 155-159.

38. Стохастические механические характеристики и надежность контрукций с реологическими свойствами. /Самарин Ю.П. //Сб. науч. трудов Ползучесть и длительная прочность конструкций. Куйбышев, 1986,- С.8-17

39. Ковпак В.И. Теория остаточной долговечности металлических материалов, работающих в условиях ползучести. Препринт, Киев, 1983.- 31с.

40. Метод температурно-силового прогнозирования длительной прочности металлов / Шестериков С.А., Аршакуни A.J1., Чередеева JI.B. //Проблемы прочности,- 1989.- №9,- С.6-9

41. Кинетический вариант теории ползучести и длительной прочности металлов/ Аршакуни A.JI. //Прикладная механика и теоретическая физика1986,- №3.-Сс.142-148.

42. Обобщенная кинетическая модель ползучести и длительной прочности металлов в условиях смешанного характера процесса ползучести и нестационарного нагружения. / Аршакуни A.JL //Проблемы прочности.-1990,- №4,- С.55-59

43. Чередеева JI.B. Прогнозирование длительной прочности конструкционных металлических материалов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук, Тула, 1991,- 16с.

44. ОСТ. 108.031.08-85. Котлы стационарные паровые и водогрейные и трубопроводы пара и горячей воды. Нормы расчета на прочность

45. К вопросу о прогнозировании характеристик длительной прочности металлов, работающих в условиях высоких температур./ Писаренко Г.С., Ковпак В.И. '//Проблемы прочности,- №8,- 1976,- С.26-32

46. Достоверность температурно-временного прогнозирования характеристик длительной прочности на большие сроки службы./ Писаренко Г.С., Ковпак

47. B.И. //Проблемы прочности,- №4,- 1990,- С.43-49

48. Расчет статистической ползучести жаропрочных материалов методом изохрон./ Голуб В.П., Олейник A.C. //Проблемы прочности,- №2.-1990,1. C.40-44

49. Инженерные методы прогнозирования ресурса высокотемпературных деталей паровых турбин./ Неймин М.И., Марков Н.М., Чижик A.A. // Вып. 3. Под ред. К.В.Фролова, М.: Машиностроение, 1985,- С.56-63.

50. Инженерные методы прогнозирования ресурса энергетического оборудования. /Неймин М.И., Рыжков В.К., Чижик A.A. //Труды ЦКТИ-1986,- Вып.230,- С.26-33

51. Положение о порядке установления сроков дальнейшей эксплуатации элементов котлов, турбин и паропроводов, проработавших свыше нормативного времени. П34-00-003-84- М.: Произв. объединение «Союзтехэнерго», 1983,27с.

52. Приповерхностные трещины и ползучесть металлов./ Бетехтин В.И., Владимиров В.И. //Деформация и разрушение теплостойких статей и сплавов: Тез. докл. конф.(М., 1981г.) М.: МДНТП, 1981,- С.39-41

53. Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов. М.: Энергия, 1980,-424с.

54. Куманин В.И. Природа долговечности теплоустойчивых сталей в условиях ползучести. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора техн. наук. М.: 1982,- 46с

55. Ватник JI.E., Теплова Н.И. Способ определения длительной прочности хромомолибденовых сталей. Авторское свидетельство № 1774226. Заявка №4806911.

56. Чижик A.A. Индивидуальные методы прогнозирования ресурса основных элементов энергетического оборудования./ Чижик A.A. //Проблемы машиностроения и надежности машин,- №5,- 1990,- С.31-35

57. К вопросу об оценке остаточного ресурса материала элементов конструкций энергетического оборудования после длительной эксплуатации./ Осасюк В.В. //Проблемы прочности,- №1,- 1989.- С.62-67

58. К вопросу прогнозирования остаточной долговечности металлических материалов. / Ковпак В.И //Проблемы прочности,- №10.-1981.- С.95-99

59. Cornelis F, Etien, Huslage W. Restlebensdauer von wanfester Stahlen mit Hilfe Dehnungs Wechsel versuchen.- Eisenhuttenwesen, 1977.- 48.- №9,- p.495-499

60. Fabrinius H., Weber H. Restlebensdauer und Werkstoffeigenschaften von langszeitig bei hohen temperaturen betriebsbeanspruchten Bauteilen aus warmfesten Stahlen. VGD. Rraftwerkstechnir, 1974,- 54,- №4.-p.250-262

61. Феноменологические основы методов прогнозирования длительной прочности и ползучести металлических материалов на большие сроки службы. / Ковпак В.И. //Проблемы прочности- №1,- 1993,- С.57-69

62. Разрушение вследствие ползучести и механизмы микроразрушения. /

63. Построение экспоненциальных аппроксимаций для кривых ползучести методом последовательного выделения экспоненциальных слагаемых. / Самарин Ю.П. //Проблемы прочности,- 1974.- №9.- С.24-27

64. Феноменологическая модель и критерий разрушения металлов при одноосном напряженном состоянии./ Радченко В.П. //Проблемы прочности.-1991,- №11,- С. 13-19

65. Влияние пластической деформации на свойства стали 15Х5М./ Ватник Л.Е., Мухин В.Н., Теплова Н.И., Никулина O.A. //Проблемы прочности,-1985,- №11,- Деп. в ВИНИТИ №3826-85 от 03.06.85.

66. Трощенко В.Т., Красовский А.Я., Покровский В.В., Сосновский Л.А., Стрижало В.А. Сопротивление материалов деформированию и разрушению. Справочное пособие в 2-х томах, Киев, Наукова думка, 1994г.

67. Коррозия и защита химической аппаратуры. Т.9. Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность. Под ред. А.М.Сухотина, А.В.Шрейдера и Ю.И.Арчакова, Л.: Химия, 1974,- 576с

68. Коррозионная стойкость оборудования химических производств. Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность: Справочное издание /Под ред. Ю.И.Арчакова, А.М.Сухотина Л.: Химия, 1990,- 400с

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

70. Галактионова H.A. Водород в металлах. М.: Металлургиздат, 1959,- 255с

71. Шрейдер A.B., Шпарбер И.С., Арчаков Ю.И. Влияние водорода на нефтяное и химическое оборудование, М.: Машиностроение, 1976,- 144с

72. Асвиян M.Б. Сб. Влияние водорода на служебные свойства сталей. Иркутский дом техники, НТО. Иркутск, 1963,- С.78-84

73. Арчаков Ю.И. Водородоустойчивость стали. Серия «Достижения отечественного металловедения»., M.: Металлургия, 1978.- 152с

74. Nelson G.A. Anwendungsgrenzen fur Stahle in Kontakt mit Wasserstoff. «Werkstoffe und Korrosion», 1963,- Bd. 14,- №2,- s.65-69

75. Nelson G.A. Use curves to predict steel life. «Hydrocarbon Processing», 1965. V.44.- №5,- p. 185-188

76. Технические указания Регламент по эксплуатации и обследованию оборудования установок каталитического риформинга и гидроочистки, работающих в водородосодержащих средах при повышенных температурах и давлениях. С.- Петербург, 1998.

77. РД РТМ 38.14.006-86. «Методика определения сроков эксплуатации змеевиков печей установок каталитического риформинга, отработавших проектный ресурс»

78. Металлография железа. Под ред. Т.Ф.Тавадзе. т.З, «Структура сталей», Перев. с англ., М.: Металлургия, 1972,- 284с

79. РТМ 26-02-67-84 Методика расчета на прочность элементов печей, работающих под давлением.

80. ЮО.Оценка жаропрочных материалов новый подход./ВЦП-№Н47018.-М., 1987, -17с.: 14 ил., Пер. ст. Ойкава X. из журн. Нихон киндзоку гаккай кайхо, 1986,- т.25.- №6,- С.514-519.

81. Оценка нагревательных трубопроводов (печных змеевиков) каталитического риформинга обеспечивает долгий срок службы. Исследовательско конструкторское объединение, Принстон, Нью-Джерси, 1981.

82. Оценка остаточной ползучести деталей машин из стали 12%Cr-Mo-W-V после длительной эксплуатации. /ВЦП-№ КЕ-46404-К., 1983, 24с.: 11 ил., Пер. ст. Гото Т., СаконТ. из журн. Дзайре, 1981,-т.30,-№332,- С.434-440.

83. Ю5.Дефомация ползучести и оставшийся срок службы ползучепрочной стали. Zeedijk И В. ПопЬлг» W. F.tienne С F. /ВЦП-Х«И-П<)2П-М. 1084.-19с. *restlevensduur van kruipvaste stalen/ Polytecnsch tijdschrift Procestechniek, 1983.- Т.38,- №1,- C.862- 868.

84. Юб.Оценка срока службы при ползучести хромо молибденовой стали. . /ВЦП-№ Л-27085-М., 1985. -21.: 10 ил., Пер. ст. Сэтогути К и др. из журн. Дзайре, Токио, Япония, т.ЗЗ,- №370,- С.862-868.

85. Механика и микромеханизмы повреждения при ползучести. /ВЦП-№КЛ-87117-К., 1986,-40с.: ил., Пер. ст. Ashby M.F. and .Dyson B.F. Creep Damadge Mechanics and Micromechanisms из журн. Advances in Fracture Research, Oxford, 1984,-v.l.-p.3-30.

86. Деформация металла при ползучести. /ВЦП-№Л-00368-М., 1985, 36с.: 12 ил., Пер. ст.Иидзука X и др. из журн. Дзайре, Япония, 1983.- т.32.~ №361,-С.1174-1180

87. O.Lloyd G.T., Wareing J. Life predictions methods for combined creep fatique endurance. Metals Technology, 1981,- №8,- p.297-305.