автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Прогнозирование структуры и свойств сталей и сварных соединений при управлении ресурсом оборудования установок вторичной переработки нефти

Введение

Глава 1. Состояние проблемы и обоснование цели исследования

1.1. Анализ особенностей конструкции, сроков, параметров и условий эксплуатации.

1.2. Анализ требований к применяемым сталям и сварным соединениям.

1.3. Анализ повреждаемости основных элементов оборудования в условиях эксплуатации.

1.4. Анализ факторов определяющих показатели безопасности, надежности и ресурса материалов.

1.5. Анализ требований нормативно-технической документации по техническому диагностированию и продлению ресурса.

Глава 2. Прогнозирование изменений структуры и фазового состава сталей при сверхбольших сроках эксплуатации в водородосодержа- 43 щих средах

2.1. Исследование фазового состава сталей после длительной эксплуатации в водородосодержащих средах.

2.2. Кинетика изменения фазового состава в зависимости от давления водорода, температуры металла и длительности эксплуатации.

2.3. Контроль структурного состояния с помощью метода фазового анализа.

2.4. Использование данных фазового анализа при оценке ресурса металла.

2.5. Методика по проведению физико-химического фазового анализа при диагностике технического состояния металла после эксплуатации.

Глава 3. Прогнозирование и нормы механических свойств сталей и сварных соединений при сверхбольших сроках эксплуатации в водо- 65 родосодержащих средах

3.1. Результаты исследования влияния водорода на характеристики прочности и пластичности перлитных сталей.

3.2. Параметрическое прогнозирование изменения механических свойств сталей в водородосодержащих средах.

3.3. Оценка влияния водородосодержащих сред на.изменение механических характеристик сварных соединений.

Глава 4. Прогнозирование и нормы долговременной прочности сталей и сварных соединений при сверхбольших сроках эксплуатации в 146 водородосодержащих средах

Глава 5. Оценки хрупкой прочности и методы диагностирования тре-щиноподобных дефектов в условиях эксплуатации

5.1. Влияние водорода на уровень микронапряжений и характеристики тонкой структуры стали.

5.2. Температурная зависимость ударной вязкости стали после длительной эксплуатации в водородосодержащих средах.

5.3. К оценке сдвига переходной температуры хрупкости при воздействии водородосодержащих сред.

5.4. Влияние водородосодержащих сред на размер допустимого дефекта. Акустико-эмиссионный контроль оборудования. 195 Заключение и выводы 212 Список литературы 214 Приложение 1. Методика по проведению физико-химического фазового анализа при диагностике технического состояния металла после эксплуатации.

Большой парк установок вторичной переработки нефти имеет наработки, превышающие установленные при проектировании и изготовлении оборудования (100000 часов). Накопленный к настоящему времени опыт длительной эксплуатации этого оборудования указывает на потенциальную возможность его эффективной эксплуатации на сверхбольших длительностях (200000 - 300000 часов). Очевидно, что ресурс оборудования устанавливается с учётом условий обеспечения промышленной безопасности и эффективности его применения на допустимом уровне, а также уровня износа, когда на ремонт требуются недопустимо большие затраты или ремонт не обеспечивает необходимой степени восстановления работоспособности. В комплексе проблем продления ресурса оборудования установок вторичной переработки нефти центральное место занимает проблема дальнего прогнозирования структуры и служебных свойств основного металла и сварных соединений элементов с учётом ремонтных технологий, условий, сроков, объёмов и методов технического диагностирования, условий, параметров и сроков эксплуатации в водородосодержащих средах.

Согласно Методическим указаниям по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, поднадзорных ГОСГОРТЕХНАДЗОРу России, "определение остаточного ресурса объекта должно осуществляться на основе совокупности имеющейся информации прогнозированием его технического состояния по определяющим параметрам до достижения предельного состояния" [1]. Выбор метода прогнозирования ресурса должен обосновываться точностью и достоверностью полученных при диагностировании данных, требованиями достоверности прогнозируемого ресурса объекта, риском дальнейшей эксплуатации, наличием и надежностью системы контроля за его техническим состоянием [2-И4].

Конструкции нефтеперерабатывающей промышленности работают в широком диапазоне рабочих условий. Это наличие давления, коррозионно-активных и взрывоопасных сред, повышенных температур, циклических нагрузок, температурных перепадов в климатических условиях, термоциклиро-вания, связанного с пуском и остановками оборудования. Учет внешних (эксплуатационных) и внутренних (металлургических и технологических) факторов в оценке надежности конструкции является сложной задачей. Многообразие материалов, подходов к постановке лабораторных и стендовых испытаний не всегда дают однозначные, а порой и противоречивые данные.

Наиболее объективные данные, позволяющие судить в дальнейшем о ресурсе долговечности объекта, можно получить, пополняя статистику о состоянии конструкции, находящейся непосредственно в эксплуатации. В данном случае материал является объектом, несущим в себе весь комплекс факторов, определяющих его эксплуатационную надежность, учитывая также и вклад ремонтно-восстановительных операций.

Точный прогноз безопасного и остаточного ресурса возможен только на основе комплексного решения индивидуальной задачи, включающей металлографический анализ, исследование кратковременных механических характеристик металла, отработавшего длительный срок, оценку напряженнодеформированного состояния конструкции, испытание металла оцениваемой конструкции на длительную либо малоцикловую прочность в зависимости от режима работы оборудования, определение условий появления дефектов сварных соединений конструкции, а также характеристик их структуры, механических и специальных свойств.

На основании вышесказанного целью работы являлось установление и уточнение структуры и служебных свойств основного металла и сварных соединений ответственных элементов оборудования вторичной переработки нефти для сверхбольших сроков службы на базе обобщения и анализа опыта длительной эксплуатации этого оборудования «КИНЕФ-Сургутнефтегаз», результатов лабораторных, стендовых и промышленных исследований.

Настоящая работа посвящена обобщению данных диагностирования, опыта обследований и экспертиз оборудования накопленного на «КИНЕФ-Сургутнефтегаз», рассмотрению отбраковочных критериев, изучению поведения металла длительно работающего в условиях повышенных температур, давлений и коррозионно-агрессивных сред с целью внесения уточнения в существующие понятия о его предельном состоянии и разработки методик своевременного вывода оборудования с плохим металлом из эксплуатации, разработке метода выявления структурных изменений металла в процессе эксплуатации методом физико-химического фазового анализа, а также изучению сопротивления разрушению сварных соединений печных змеевиков, изготовленных из теплоустойчивых сталей, оценке влияния микроструктуры и тонкой структуры на статическую трещиностойкость различных областей сварного соединения, установлению температурной зависимости ударной вязкости сталей после длительной эксплуатации в водородсодержащих средах, оценке максимального сдвига величины критической температуры под влиянием водородсодержащей среды, установлению взаимосвязи между механическими свойствами, структурой, длительной прочностью и параметрами трещиностойкости, разработке методов оценки работоспособности металла деталей оборудования путем определения специальных характеристик трещиностойкости.

Целью работы являлась также разработка алгоритма обеспечения надежности металла и сварных соединений при управлении ресурсом, разработка комплекса мероприятий перспективных для создания единой системы диагностического и технического обслуживания потенциально опасных объектов.

В работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Обобщение влияния длительной (до 3,0-105 ч) эксплуатации оборудования и прогнозирование изменений структуры, фазового состава сталей типа 09Г2С, 16ГС, 12ХМ, 15ХМ, 15Х2МФА-А, 10Х2М1, 15Х5М при сверхбольших сроках эксплуатации в средах оборудования установок вторичной переработки нефти.

2. Прогнозирование и нормы механических свойств перлитных сталей и сварных соединений при сверхбольших сроках эксплуатации.

3. Параметрическое прогнозирование изменения механических свойств сталей в водородсодержащих средах.

4. Прогнозирование и нормы долговременной прочности сталей и сварных соединений при сверхбольших сроках эксплуатации.

5. Разработка подходов к диагностике физико-механического состояния металла сварного соединения стали 15Х5М, выполненного различными электродами.

6. Разработка методики по проведению физико-химического фазового анализа при диагностике технического состояния металла после эксплуатации.

7. Определение необходимых и достаточных требований к параметрам метода диагностики, позволяющим с инженерной точностью установить остаточный ресурс эксплуатации сварной конструкции (печных змеевиков) из стали 15Х5М и периодичность межремонтных циклов.

8. Исследование влияния водородсодержащей среды на уровень микронапряжений и характеристики тонкой структуры стали.

9. Количественная оценка сопротивления металла различных зон сварного соединения хрупкому разрушению при воздействии нагрузки и водородсодержащей среды.

10. Оценка прочности оборудования с учетом реальных дефектов. Применение метода АЭ для определения параметров трещиностойкости материалов.

8. Результаты исследования трещиностойкости основного металла и различных зон сварного соединения из стали 10Х2М1А-А показали, что воздействие водородсодержащей среды снижает трещиностойкость по сравнению с испытаниями на воздухе и степень его влияния существенно различается для различных зон сварного соединения.

9. Предложено проводить учет влияния водородсодержащей среды на хрупкую прочность стали через температурную зависимость коэффициента интенсивности напряжений и соответствующую поправку (сдвиг) критической температуры. Выполнена оценка величины сдвига критической температуры хрупкости основного металла и различных зон сварного соединения для стали 10Х2М1А-А.

10. Рассмотрена возможность оценки эквивалентной температуры металла при эксплуатации по неоднородности распределения концентрации водорода и свойств по толщине стенки элемента оборудования.

11. На основе проведенных исследований и полученных результатов разработаны методические указания по диагностике структурного состояния металла после эксплуатации методом физико-химического фазового анализа.

12. Разработана и обоснована методика контроля и диагностирования дефектов в элементах оборудования с применением метода акустической эмиссии, представлены схемы и результаты контроля и диагностирования ряда ответственных элементов установок вторичной переработки нефти на базе оборудования «КИНЕФ-Сургутнефтегаз».

1. РД 09-102-95. Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, поднадзорных ГОСГОРТЕХНАДЗОРу России // Постановление ГГТН России от 17.11.95. №57.

2. ПБ 10-115-96. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением // Утв. пост. ГОСГОРТЕХНАДЗОРа России от 18.04.95. №20.

3. ТУ-Регламент по эксплуатации и обследованию оборудования установок каталитического риформинга и гидроочистки, работающих в водородсодержащих средах при повышенных температуре и давлении. СПб.,1998. - 50с.

4. ОСТ 26-291-94. Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия.

5. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических и нефтехимических производств // Утв. ГОСГОРТЕХНАДЗОРом России 6.09.1988. М., Металлургия, 1988.

6. Положение о порядке диагностирования технологического оборудования взрывоопасных производств топливно-энергетического комплекса // Утв. МИНТОПЭНЕРГО1401.93.(Согласовано с ГОСГОРТЕХНАДЗОРом России). -М., 1993.

7. Положение о порядке установления сроков дальнейшей эксплуатации технологического оборудования взрывоопасных производств. МНХП, 06.08.90 - исх. N 5-6-17/1307 от 06.08.90.

8. Методика оценки ресурса работоспособности технологического оборудования нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств // ВНИКТИНефтехи-моборудование. Волгоград, 1998.

9. Инструкция по техническому надзору ИТН-93 // ВНИКТИНефтехимоборудование. -Волгоград, 1995.

10. РД 10-235-98. Инструкции по надзору за изготовлением, монтажом и ремонтом объектов котлонадзора // Утв пост. ГОСГОРТЕХНАДЗОРа России 03.09.98.

11. РД 34.17.439-96. Методические указания по техническому диагностированию и продлению срока службы сосудов, работающих под давлением // Утв. РАО «ЕЭС России».

12. РД 50-690-89. Надежность в технике. Методы определения показателей надежности по эксплуатационным данным. М.: Изд-во стандартов,1990.

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

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

15. Гельд П.В., Рябов Р.А. Водород в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1980. -712с.

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

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

18. Водород в металлах: Пер. с англ. / Под ред. Г.И. Алефельда, Н.М. Фелькля. М.: Мир, 1981.-T.I.-475 е., Т.Н.-430с.

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

20. Nelson G.A. Hydrocar. Proc. 1965. - V.44, №5. - Р.185-188.

21. Мороз Л.С., Чечулин Б.Б. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1967. -255с.25.