автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Снижение повреждений в металле труб печей пиролиза в процессе паро-воздушного выжига

и он

* * 1пН ЬМ

Яа правах рукописи

ЧИРКОВА АЛЕНА ГЕННАДИЕВНА

СНИЖЕНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ В МЕТАЛЛЕ ТРУБ ПЕЧЕЙ ПИРОЛИЗА В ПРОЦЕССЕ ПАРО-ВОЗДУШНОГО ВЫЖИГА

Специальность 05.04.09-"Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УФА 1998

Работа выполнена на кафедре "Машины и аппараты химических производств" Уфимского государственного нефтяного технического университета

Научный руководитель Научный консультант Официальные оппоненты -

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Кузеев И.Р. кандидат технических наук Хуснияров М.Х. доктор технических наук, профессор, чл. корр. РАН Махутов Н.А.

кандидат технических наук, профессор Гафаров Р.Х.

БашНИИНефтемаш

Защита диссертации состоится "_8 " октября 1998 г. в 12°° час. на заседании диссертационного совета Д 063.09.04 при . Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан " сентября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

И.Г. Ибрагимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Трубчатые нагревательные и реакционные печи, в частности печи пиролиза, являются одними из основных энергетических агрегатов на технологических установках нефтепереработки и нефтехимии.

Печи, также как и другое технологическое оборудование заводов Башкирии, имеют длительный срок эксплуатации, доходящий до 30-40 лет, моральный и физический износ которых составляет 80-90%.

Объектом исследования являются печи пиролиза, эксплуатируемые в достаточно жестких условиях: высоких температур (800-900 °С) и давления (0,12 МПа). Наиболее ответственным элементом печи является трубчатый змеевик, который изготавливается из жаропрочных, сталей (сталь 20Х23Н18). Особенностью эксплуатации печей пиролиза являются высокие температуры, что обусловливает интенсивное коксоотложение на внутренней поверхности труб. Неравномерное отложение кокса ведет соответственно к неравномерному перегреву труб змеевика с образованием локальных участков перегрева. Причем удаление кокса производится паро-воздушным выжигом с периодичностью два раза в месяц, который также сопровождается повышением температуры стенки трубы до 1100 °С. Нестабильный режим работы установок, несоблюдение режима пуска и остановки, неполный и некачественный ремонт, интенсивное коксоотложение и последующий паро-воздушный выжиг влекут за собой возникновение дефектов труб, которые не выявляются на ранних стадиях их зарождения и не обнаруживаются современными методами диагностирования. Отсутствуют также и методы расчета напряжений, возникающие в змеевике в процессе эксплуатации и паро-вздушного выжига (паровыжиг).

Высокая стоимость материалов змеевика, а также частые простои снижают экономическую эффективность всего процесса. Поэтому существует необходимость в разработке методов раннего обнаружения дефектов трубчатого змеевика на основе изучения изменения структуры и физико-механических свойств сталей после длительной эксплуатации и разработке математических методов расчета напряжений, которые возникают при эксплуатации и паровыжиге.

Поскольку затраты на ремонтные работы существенно влияют на формирование себестоимости товарных продуктов, экономически выгодно целенаправленно выявлять причины возникновения дефектов. Но на современном этапе отсутствуют специальные методы предотвращения отказов труб змеевиков печей пиролиза, целенаправленное использование обоснованных методов анализа причин возникновения дефектов на производстве, простые в эксплуатации приборы для раннего обнаружения дефектов.

Цель и задачи.

Цель: Разработка системы выявления дефектов и причин их возникновения для раннего диагностирования труб змеевиков печей пиролиза.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

1. Оценить надежность элементов змеевиков печей пиролиза и классифицировать возникающие дефекты.

2. Провести анализ изменения физико-механических свойств жаропрочных материалов трубчатого змеевика в процессе эксплуатации.

3. Разработать методы.оценки напряженного состояния труб в процессе паровыжига, влекущего за собой образование дефектов типа трещин и проверить адекватность расчетных схем полученным экспериментальным данным.

4. Разработать способ раннего обнаружения, дефектов труб змеевиков на основе изменения структуры металла.

Научная новизна.

1. Впервые предложены расчетные схемы, определяющие напряженно-деформированное состояние в трубах змеевика печи пиролиза в зоне горения кокса в процессе паро-воздушного выжига, которые позволяют объяснить характер накопления повреждений в металле и природу образования дефектов.

2. Обнаружен эффект локального намагничивания высоколегированной стали 20Х23Н18 в условиях функционирования труб змеевика печи пиролиза на ранних стадиях накопления повреждений в результате образования о-фазы и диффузионного перераспределения никеля, который приурочен к местам максимального накопления повреждений, что можно использовать в целях диагностики разрушения.

3. Обнаружен эффект экстремального изменения физико-механических свойств материала печных труб во времени, причем экстремум связан с восстановлением пластических свойств в результате наложения двух процессов: накопления усталостных повреждений и формирования системы пор по механизму ползучести.

Практическая ценность.

1. Разработана методика расчета, которая позволяет рассчитывать напряжения, возникающие в трубчатом змеевике при горении кокса, в процессе паро-выжига и число циклов до возникновения дефектов. Методика передана для использования на АО «Уфаоргсинтез».

2. Разработан и испытан прибор для обнаружения дефектных участков труб змеевиков печей пиролиза, который передан для использования на АО «Уфаоргсинтез». '

Апробация работ.

Основные положения работ диссертации докладывались:

- на 51-й Межвузовской студенческой научной конференции (г. Москва, 1997г.);.

- на Республиканской научно-технической конференции «Роль технической диагностики в обеспечении промышленной и экологической безопасности на объектах нефтегазохимического комплекса» (г. Уфа, 1995г.);

- на II Всероссийской научно-технической конференции «Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность» (г. Уфа, 1996 г.);

- на ХХХХУП-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Уфа, 1996 г.);

- на Вузовской учебно-методической конференции (г. Уфа, 1997);

- на 48-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Уфа, 1997).

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с ГНТП Академии наук Республики Башкортостан по направлению 6.2 "Надежность и безопасность технических систем б нефтегазохимическом комплексе" на 1996-2000 г. г., утвержденной постановлением N204 Кабинета Министров РБ, а также по Феде-

ральной целевой программе "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки 1997-2000 годы ФЦП "Интеграция" по государственному контракту №28 "Создание совместного учебно-научного центра "Механика многофазных систем в технологиях добычи, транспорта, переработки нефти и газа".

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов, содержит 169 страниц машинописного текста, в том числе 64 рисунка, 14 таблиц, список использованных источников из 80 наименований, приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертационной работы обоснован объект исследования, в качестве которого выбраны трубы змеевиков печей пиролиза. Наиболее часто на отечественных предприятиях нефтехимии и . нефтепереработки используются трубы из стали 20Х23Н18, как это имеет место на АО "Уфаоргсинтез". Трубчатый змеевик эксплуатируется при температуре процесса 750-820 °С, причем температура стенки трубы достигает 950-1100 "С за счет отложения кокса, каждый миллиметр которого увеличивает температуру стенки трубы на 50 °С. Ухудшение теплообмена и перегрев материала труб требуют удаления кокса наиболее распространенным паро-воздушным способом (способ паровыжига). Паровыишг осуществляется при подаче водяного пара под давлением 0,2 МПа в змеевик печи пиролиза "против хода" потоков при температуре в печи 600-650 °С в течение 16-24ч. Поскольку кокс откладывается неравномерно по стенке трубы змеевика, горение кокса происходит также неравномерно, что ведет к локальному перегреву трубы.

На первом этапе исследований произведена оценка эксплуатационной надежности пиролизной печи. Рассчитаны стандартные показатели надежности элементов печи, элементов змеевика и печи пиролиза в целом, из которых наиболее информативным, с точки зрения решаемых нами задач, является вероятность безотказной работы. Хотя наработка на отказ элементов змеевика в 3 и

более раз больше, то и последствия этих отказов могут быть катастрофическими. А также, как показывает расчет коэффициента готовности, трудоемкость ремонтных работ для восстановления змеевика (КГИ),9736) превышает аналогичный показатель для элементов печи (Кг-0,8934), что является дополнительным доказательством важности обнаружения причин выхода из строя элементов змеевика. Эти обстоятельства были учтены при формулировке целей наших исследований.

3500-

Нара ботка

на отказ, сут.

3 5 7 9 11 13 15 17 19 Номер трубы

■ Рисунок 1 - Наработка на отказ труб левого потока

3 500"

3 5 7 9 II 13 15 17 19 Номер трубы Рисунок 2 - Наработка на отказ труб правого потока Таким образом, оценка надежности элементов змеевика позволила обоснованно выбрать места отбора проб металла (трубы № 15-20 левого потока и № 18-20 правого потока; катушки труб № 18-20 левого потока и № 19, 20 правого

потока) для определения физико-механических свойств и изменения структуры (рисунки 1,2).

Во второй главе проведен анализ условий эксплуатации печей пиролиза с выявлением характерных дефектов. Для установления причин отказов труб змеевика проведены исследования макро- и микроструктуры металла труб (сталь марки 20Х23Н18) в очаге разрушения, распределения микротвердости по толщине стенки трубы, твердости наружней и внутренней поверхностей трубы, а также определены физико-механические свойства (испытание на растяжение, определение удлинения и поперечного сужения, испытание на ударный изгиб, определение вязкости разрушения К'1с)-

Результаты исследований показывают, что основной металл имеет аустенитную структуру с небольшим, количеством карбидной фазы. По мере приближения к внутренней поверхности размер зерна аустенита уменьшается и увеличивается количество карбидов: йауглероженная зона содержит около 50% карбидной фазы, поэтому твердость внутренней поверхности трубы в 2,5 раза выше твердости наружней. При этом глубина науглероженного слоя достигает 3 мм, что составляет 38% от толщины стенки. Результаты определения физико-механических свойств металла подвергались статистической обработке и представлялись в зависимости от срока эксплуатации. Полученные результаты сравнивались со стандартными значениями этих характеристик по ГОСТ 7350-77 для металла новых труб.

Исследование металла труб, отработавших различный срок на момент отбора проб, позволило построить зависимости изменения основных физико-механических свойств во времени, которые представлены на рисунке 3. Анализ зависимостей показывает сложный характер процесса накопления повреждений. При общем монотонном изменении параметров наблюдается выраженный экстремум, при прохождении которого характер зависимостей становится обратно пропорциональным начальному.

На графиках зависимостей можно выделить три характерных участка. На первом участке наблюдается снижение всех параметров. За 10 тыс.часов предел прочности снижается в два раза при резком уменьшении относительного удли-

нения. Эти две зависимости идентичны и характерны для процесса ползучести. Поскольку деформации ползучести для высоколегированных сталей становятся заметными при достижении 70% температуры плавления, то можно констатировать, что наблюдается перегрев металла труб значительно выше 1000 "С. Деформации ползучести как правило начинаются на границах зерен в виде взаимного скольжения и накопления микропор. Поэтому разрушение при ползучести носит межкристаллитный характер.

Наблюдается также постепенное накопление с-фазы, по границам которой происходит скопление микропор и в дальнейшем слияние микропор приводит к образованию трещин (см. глава 4).

Параллельно ползучести в металле труб происходит процесс диффузионного насыщения углеродом из слоя кокса, который откладывается на внутренней поверхности труб. Сам по себе этот процесс также сложный и зависит как от скорости отложения кокса, так и от периодичности его выжига. При наработке 1,5 тыс.часов толщина науглероженного слоя достигает 2-3 мм.

Деформации при ларовыжиге носят циклический характер. Такой сложный характер деформирования формирует многоуровневую сильно неравномерную структуру, в которой постепенно сменяются лидеры - дефекты, отвечающие за диссипацию энергии в ряду: дислокации - сверхдислокации - вакансии - дисклинации - микротрещины.

После 10 тыс.часов наработки накопление о-фазы становится критическим, а к 20 тыс.часам науглероженная зона достигает толщины 6 мм (75% толщины стенки) и начинает определять свойства металла.

При исследовании науглероженной зоны металла печной трубы обнаружили повышение содержания фуллеренов (С-60) в пять раз по сравнению с исходным металлом. Это означает, что часть углерода захватывает микропоры и образует сфероиды фуллеренов. Общее уменьшение нор в интервале 15-17 тыс.часов эксплуатации повышает ударную вязкость, но поскольку фуллерены обладают прочностью сопоставимой с прочностью алмаза увеличивается хрупкость.

5000 10000 15000 20000 25000 30000 Т. часов

а)

5000

10000 15000 20000 25000 30000 Т, часов

б)

10000 20000 Т, часов

?оооо

в)

Рисунок 3 - Зависимость прочностных и пластических характеристик стали 20Х23Н18 от срока эксплуатации в конструкции трубчатого змеевика: а) условного предела текучести 00,2; б) временного сопротивления о„; в) относительного сужения *|/

На рисунке 4 наблюдается значительное снижение трешиностойкости стали после 10 тыс.часов эксплуатации, что хорошо коррелирует с практическими данными. Согласно практическим данным, срок эксплуатации не превышает двух лет и можно сказать, что при существующих условиях эксплуатации труба из стали 20X231118 может надежно работать только в течение одного года. Выявлено, что скорость роста трещины в материале труб резко возрастает с уменьшением коэффициента интенсивности напряжений от 240 до 230 МПа*мм1/2 (соответствует 15,6 тыс.часов наработки) и увеличением числа паровоздушных выжигов (рисунок 5). Из чего можно сделать вывод, что критический срок службы работы наступает после 20 циклов паровыжига (на практике трубчатый змеевик претерпевает максимально 34 паровыжига).

Время эксплуатаиии, часы

Рисунок 4 - Зависимость К|С от срока эксплуатации трубы

Число паровыжигов Рисунок 5 - Зависимости скорости развития трещины от числа паровыжигов В третьей главе рассмотрены три модели напряженно-деформированного состояния труб змеевика в зоне горения кокса.

В литературе отсутствуют сведения о методиках определения напряженного состояния трубы печей пиролиза при проведении паро-воздушного выжига. Напряжения, возникающие в металле труб обычно оцениваются стандартными методами безмоментной теории оболочек, но не учитываются температурные напряжения, которые достигают больших значений. В первой модели при расчете напряжений предполагается использовать схему сопряжения двух цилиндров со скачкообразным изменением температуры (рисунок 6).

.„,..„, очертание деформированной стали

Рисунок 6 - Схема расчета напряженного состояния трубы печи пиролиза Одним из методов определения (}о и М0 заключается в составлении уравнений совместности радиальных и угловых деформаций

[Д1 = д2, 1©1 = е2.

которые для принятой нами схемы (рисунок 6) имеют вид.

(1)

(2)

1 -©Г-вР0-©^-©^^0-©?0

где д| ,д?- перемещения от температурных скачков соответственно для первого и второго цилиндров, которые могут быть найдены по зависимостям:

л1 = -а,-{,т; (3)

Д? = -а:-1:т. (4)

где а - коэффициент линейного расширения материалов стенок.

Для облегчения расчетов и получения точных результатов составлена программа на ЭВМ. Результаты расчетов отражены зависимостью с = Г(А1), приведенной на рисунке 7.

Ршость текмргтур, 'с

.у 1581 МПг

V/////'/////, )//■///,'.'7/7 г

|И1РШ1 \ 1 имут (

Рисунок 7 - Результаты расчета напряжений по схеме, приведенной на рисунке б

Таким образом, расчеты показывают, что реальная разность температур на локальном участке змеевика (в некоторые моменты эксплуатации печи, в частности, при паро-воздушном выжиге) могут вызывать возникновения напряжений, превышающих допустимые значения. Это ведет к образованию различных дефектов.

Во второй модели для расчета напряжений предлагается использовать схему сопряжения двух цилиндров с учетом длины локального перегрева.

Рассмотрим цилиндр длиной / (рисунок?), в одной части длиной а которого температура постоянна и равна а в другой - длиной Ъ = / - я, температура изменяется от ^ (в сечении стыка с левой частью) до I) (на свободном краю) по

линейному закону (6)

Рисунок 8 - Схема расчета напряжений в трубе с учетом длины локального перегрева где х - расстояние от сечения стыка.

Увеличение радиуса цилиндра в произвольном сечении будет определяться зависимостью

а поворот

• Л© Ь- Ь 8 = — = а-г ——- = сотш. ск Ь

(?)

(8)

Составим уравнения краевых сил, считая обе части цилиндра короткими. Получим

О0 сЬ(ра)- 5Ь(ра)-с05(ра) 5т(За)

2-р-О

5Ь3(Эа)-5ш2(Ра)

Мо ..^(РаКащЧМ.

2-(52- О 5Ь2(Ра)-яп2(Ра)"

= Оо СЬ(|ЗЬ)-5Ь(РЬ)-С05(РЬ)-5Ш(РЬ) _

~2-рэ-о" й^ЬЬмп^Ь)

Мо £112(рЬ)+Бт:(РЬ), 2-(Г-0 $Ь2(рь)-5т2(рЬ)' Оо ¿ЬЧЕ^ЬбУСЙ) Мо. 2 ¡З2 О £1г2(Ва)-з1п3(Ва) М сЬ(§аЬЬ([За) + со5(ра)-5т(ра)_

5112(ра)-5т2(ра)

Оо зЬ" (РЬ) + э^П 2 (рь) | Мо 2-р2Ф вЬ2ФЬ)—5т2(РЬ) Р-Э сЬ(рЬ)-5Ь(&Ь)-со5(рЬ> ап(рь)

бЬ2 (РЬ)— бш2 (РЬ) ь

(9)

Уравнения решаются в численном виде относительно СЬ, Мп и затем проводится расчет напряжений по составленной программе на ЭВМ по схеме, приведенной на рисунке 8. Результаты расчетов показаны на рисунке 9.

Раззот температур,1С

Рисунок 9 - Результаты расчета напряжений по схеме, приведенной на рисунке 8 Анализ вышедших из строя труб змеевика показывает, что их разрушение происходит в результате образования трещин на паружней поверхности, что согласуется с расчетами, так как напряжения в трубах на наружней поверхности в сопряжении значительно превышают напряжения в условиях эксплуатации. Это позволяет сделать вывод о возможности возникновении поверхностных трещин в момент паровыжига кокса.

В третьей модели для расчета напряжений предлагается использовать схему сопряжения цилиндра и сферического пояса.

В качестве расчетной схемы принимается сопряжение двух оболочек, одна из которых находится в зоне выжига кокса при температуре 11 = 800-1000 °С, а другая в зоне, освобожденной от кокса при ^ =300-500 °С.

Данное сопряжение реализуется в условиях кольцевой деформации трубы в зоне горения. В связи с этим можно допустить, что в результате деформации в зоне горения участок трубы принимает сферическую форму и расчеты сопряжения будут иметь вид, который приведен на рисунке 10.

Расчет напряжений в зоне горения кокса производился по моментной теории, результаты которых представлены на рисунке 11.

Зои» ос>сСо»'де'*ил

Зон:« гв|Чии|

Рисунок 10 - Расчетная схема напряжений в зоне горения кокса Определено временя действия локальных напряжений при проведении паровыжига равное 4,9...6,9 с, что и делает возможным эксплуатацию змеевика до 25-30 паровыжигов при значительном превышении допускаемых напряжений в момент пиковых нагрузок.

Полученные значения напряжений приняты в качестве амплитудных при расчете числа циклов (за число циклов принято количество паровыжигов) до разрушения по уравнению Кофина-Мэнсона (рисунок 12) с учетом характерных для ползучести изменений ов и у, полученных экспериментально. Результаты расчета коррелируют с реальными данными по ремонтам, обычно критический срок эксплуатации наступает после 18 паровыжигов. Комплексные исследования позволили сформулировать рекомендации по снижению уровня накопленных повреждений за счет смягчения условий проведения паровыжига при дос-

а)

Длина хорды основания сферической оболочки, мм б)

Рисунок 11 - Диаграмма эквивалентных напряжений в растянутой (а) и сжатой (б) зонах

тижении времени эксплуатации 10-15 тыс.часов, периодической термообработки змеевика для растворения о-фазы. Необходимо также перераспределить объем контроля труб змеевика с увеличением его при достижении критического времени эксплуатации (10-15 тыс.часов) и рекомендовать смягчение условий проведения паро-воздушиого выжига в этот период .

Четвертая глава посвящена анализу причин намагничивания немагнитной стали 20Х23Н18 в процессе накопления повреждений и разработке метода раннего обнаружения дефектов при диагностировании труб змеевика печи.

Рисунок 12 - Зависимость эквивалентных напряжений от числа паровыжигов Эффект намагничивания был обнаружен при визуальном изучении металла труб из печей различных цехов АО "Уфаоргсинтез", отработавших на момент анализа различное время. Аустенитная сталь 20Х23Н18 не обладает магнитными свойствами, что в первую очередь объясняется присутствием никеля, поэтому новые трубы та этой стали не реагировачи на магнит, а деформированные трубы на различных участках проявляли магнитные свойства.

С помощью специального устройства производили измерения относительной силы притяжения магнита на различных деформированных участках. Оказалось, что магнитная зона приурочена к местам возникновения и развития трещин. Причем максимальная сила притяжения была приурочена к вершинам трещин, т.е. в зонах наибольшего накопления дефектов.

Поскольку в специальной литературе не обнаружены сведения о механизме намагничивания высоколегированной немагнитной стали 20Х23Н18, это потребовало проведения микроструктурного и рентгеноструктурного анализов.

Взятый для анализа обрезок трубы содержат продольную трещину длиной 5,6 мм по наружней поверхности с шириной в зоне максимального раскрытия 1,2 мм, причем структура образцов отличается от исходной наличием сферических выделений, преимущественно по границам аустенитных зерен и второй фазы, которая с помощью рентгеновского дифрактометра была идентифи-

цирована как о-фаза (рисунок 13). По мере приближения к зоне разрушения количество и размеры отдельных частиц о-фазы возрастают, одновременно изменяется ее химический состав за счет растворения железа и никеля и насыщения хромом.

На шлифах можно идентифицировать два вида пор. Поры первого типа расположены на межфазных границах о-у и их происхождение видимо связано с ускоренной диффузией вакансий по межфазным границам или по деформационному механизму за счет развития процессов зернограничного проскальзова-ния при ползучести. Поры второго типа имеют заметно большие размеры и форму близкую к сферической, что свидетельствует об их росте по механизму Риделя.

Рисунок 13 - Зона разрушения по о-фазе, х200 В образцах, вырезанных из участков непосредственно прилегающих к зоне разрушения, количество ст-фазы достигает 80%. Изменяется ее морфология: наряду со сферическими наблюдаются пластинчатые выделения приуроченные ферритным пластинам. Видно, что протяжки между отдельными порами разрушаются с образованием микротрещин, которые вязко тормозятся, накапливаются и при слиянии образуют магистральную трещину.

Микро- и рентгеноструктурный анализы образцов показывает, что при длительной эксплуатации металла в условиях ползучести и цикличности наложенных секундных пиковых нагрузок с уровнем напряжений на два порядка превышающих допускаемые происходят существенные структурные изменения. Изменяются фазовый состав и морфология вторичных фаз, происходит перераспределение легирующих элементов между различными фазами. Все эти данные указывают на возможность предотвращения катастрофического накопления повреждений поскольку, как показали эксперименты, при температуре 1050 °С через 8 часов выдержки о-фаза не обнаруживается. С другой стороны, перераспределение никеля и образование о-фазы приводит к образованию зон намаг-ничиваемости, которые можно использовать для диагностики труб змеевика.

Создан и испытан прибор для обнаружения дефектных участков труб змеевиков гщролизных печей, который передан для использования на АО "Уфаоргеинтез" (рисунок 14).

Разработанный локализатор участков, обладающих высокой магнитной проницаемостью в немагнитных сталях, основан на методе взаимоиндукции. Две электромагнитные катушки, одна из которых излучающая, а другая принимающая, связаны через магнитную цепь исследуемого металла. При приближении датчика к металлу между катушками возникает индуктивная связь за счет взаимоиндукции. Причем, в случае магнитной стали происходит увеличение взаимоиндукции, а в немагнитных сталях этого не происходит в виду их малой магнитной проницаемости. Обнаружение локализатором магнитных участков немагнитной сталей происходит по изменению магнитной проницаемости.

В приборе используются инфранизкие частоты, глубина проникновения которых высока (чем ниже частота, тем глубже проникновение), это позволяет повысить информативность прибора. Обработка сигнала приемной катушки производится с помощью электронного блока, преобразующего его б элекгриче ский сигнал, отклоняющий стрелку прибора пропорционально магнитной проницаемости материала.

Излучающая Принимающая

катни катушка

Рисунок 14 - Структурная схема локализагора

Прибор аналогов не имеет, поэтому оформлена заявка на патент,

Общие выводы

1. Проведено комплексное изучение причин возникновения дефектов в трубах змеевиков печей пиролиза, которое включает оценку надежности элементов змеевиков, классификацию дефектов, определение закономерностей изменения физико-механических свойств металла в рабочих условиях процесса пиролиза, анализ напряженного состояния в экстремальных условиях локального горения кокса, изучение металлографических характеристик образцов металла труб. Это позволило выявить основные факторы, приводящие к катастрофическому накоплению повреждений: ползучесть с возникновением системы пор, усталость от циклически проводимых паровыжигов кокса, изменение фазового состава металла за счет интенсивных внутренних и внешних диффузионных процессов.

2. Оценка стандартных параметров надежности элементов трубчатого змеевика позволяет сделать вывод о нерациональности проектных разработок, поскольку наработка на отказ элементов печи изменяется в широких пределах от 250 до 2500 суток. При проектировании пиролизных печей не были учтены такие факторы как отложение кокса, диффузия углерода в металл труб, выжиг

кокса и характер изменения напряженно-деформированного состояния системы в пространстве и времени.

3. Изучение металла труб змеевиков печей пиролиза АО "Уфаоргсинтез" (выборка сделана из 10 змеевиков), проработавших в рабочих условиях различное время, позволило обнаружить экстремальный характер изменения основных механических характеристик металла (св, ст, у, 5). Экстремумы приурочены к наработке 15,6тыс.часов. Это позволяет перераспределить объем контроля труб змеевика и увеличить его при достижении времени эксплуатации 9,8-15 тыс.часов и рекомендовать предусмотреть смягчение условий проведения паровоздушного выжига в период наработки от 15 до 17 тыс.часов.

4. Рассмотрены три модели деформирования зоны горения кокса, которые основаны на аппроксимации геометрических характеристик трубы в зоне горения сопрягающимися короткими цилиндрическими оболочками со скачкообразным изменением температуры, цилиндрической и конической оболочками с учетом длины локального перегрева, цилиндрической оболочкой и сферическим поясом. Сравнение результатов расчета с реальными характеристиками работы змеевика, например, наработкой на отказ, позволяет рекомендовать как наиболее адекватные первую и третью модели. Оценка действующих напряжений и параметров роста трещин, позволяет разработать методику расчета долговечности печных труб.

5. Обнаружен ранее неизвестный для стали 20Х23Н18 механизм возникновения зон намагниченности, приуроченных к местам интенсивного накопления повреждений. Металлографический и рентгеноструктурный анализ металла труб позволил выявить процессы диффузионного перераспределения элементов, приводящие к изменению фазового состава стали, в частности, к возникновению о-фазы, обладающей магнитными свойствами, ее развитию и накоплению в ней повреждений в виде пор. Фазовый состав стали, ее механические свойства изменяются также в результате диффузии углерода из зоны контакта "кокс-металл" вглубь по толщине трубы.

6. Возникновение зон намагниченности в металле печных труб, сопряженных с местами интенсивного трещинообразования, позволяет с высокой

точностью обнаружить зоны зарождения трещин на ранних стадиях этого процесса. Разработан прибор "Локализатор", основанный на указанном эффекте и методе взаимоиндукции для диагностики состояния печных труб. Прибор испытан и передан для использования на АО "Уфаоргсингез".

7. Материалы диссертационной работы используются при чтении курса лекций по предмету "Повреждение материалов в конструкциях" для специализации 17.05.01 "Машины и аппараты химических производств".

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Чиркова А.Г. Расчет напряжений, возникающих в трубчатом змеевике при паровоздушном выжиге.//ХХХХУП-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых,- Уфа, 1996,- С. 154, 155.

2. Чиркова А.Г., Хуснияров М.Х. Разработка методов расчета напряжений, возникающих ^при паровоздушном выжиге в трубчатом змеевике.//ХХХХ\Ш-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых.- Уфа, 1996,- С.155,156.

3. Чиркова А.Г., Хуснияров М.Х. Определение напряженного состояния пирозмеевика при коксоотложении.//Н Всероссийская научно-техническая конференция «Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность»,- Уфа, 1996,- С. 121.

4. Затолокин C.B., Лысюк A.B., Хуснияров М.Х., Чиркова А.Г. Программное обеспечение термодиагностики печей лиролиза.//И Всероссийская научно-техническая конференция «Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность»,- Уфа, 1996,- С. 69-71.

5. Закирничная М.М., Чиркова А.Г., Худяков М.А. Результаты исследования змеевиков печей пиролиза.//51 Межвузовская студенческая научная конференция.- Москва: ГАНГ, 1997,- С. 6.

6. Мингазов K.P., Хуснияров М.Х., Чиркова А.Г., Закирничная М.М. Диффузионное насыщение углеродом поверхности труб печей пиролиза.//51 Межвузовская студенческая научная конференция - Москва: ГАНГ, 1997,- С. 31.

7. Чиркова А.Г., Хуснияров М.Х. Надежность работы печей пироли-за/'/Вузовская учебно-методическая конференция./Сборник тезисов и научных статей.-УГНТУ, Уфа, 1997,-С.85

8. Чиркова А.Г. Расчет напряжений в трубе с учетом длины локального перегрева./ЛЗузовская учебно-методическая конференция./Сборник тезисов и научных статей.-УГНТУ, Уфа, 1997,- С.94

9. Яровиков А.Б., Чиркова А.Г. Дефекты труб змеевика печей пиролиза.// Материалы 48-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых,- Уфа:УГНТУ, 1997,- С. 130

10. Мингазов K.P., Закирничная М.М., Чиркова А.Г. Влияние диффузии углерода на механические характеристики стали 20Х23Н18.//Материалы 48-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых,-Уфа:УГНТУ, 1997.-С. 147

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

Соискатель

А.Г. Чиркова

¿{у

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РФ УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЧИРКОВА АЛЕНА ГЕННАДИЕВНА

СНИЖЕНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ В МЕТАЛЛЕ ТРУБ ПЕЧЕЙ

ПИРОЛИЗА В ПРОЦЕССЕ ПАРО ВОЗДУШНОГО ВЫЖИГА

/

05.04.09 - Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор И.Р. Кузеев

с

Содержание

С.

Введение Ч

Глава 1 Эксплуатационная надежность печей. 7

1.1 Технологические особенности процесса пиролиза 7

1.2 Описание конструкций печей пиролиза <?

1.3 Основные показатели надежности 1 £

1.4 Методы расчета надежности 2 Ч

1.5 Расчет показателей надежности 2 7

1.6 Комплексные показатели надежности 32.

1.7 Расчет вероятности безотказной работы печи 3 5

Глава 2 Накопление повреждений в змеевике печей пиролиза Ц ^

2.1 Анализ условий эксплуатации печей с выявлением характерных дефектов Ч{

2.2 Методы исследования металла труб

2.3 Методика определения физико-механических свойств металла труб и их кристаллической структуры 58

Глава 3 Методика расчета напряжений, возникающих в трубе змеевика печи пиролиза при проведении паро-воздушного выжига Ю

3.1 Расчет напряжений в трубе по схеме сопряжения двух цилиндров со скачкообразным изменением температуры $О

3.2 Расчет напряжений в трубе с учетом длины локального перегрева &&

3.3 Определение напряженно-деформированного состояния труб в условиях паровыжига по схеме сопряжения цилиндра и сферы

3.4 Определение времени действия локальных напряжений

при проведении паро-воздушного выжига i07

3.5 Определение разрушающих напряжений и долговечности 4Н

Глава 4 Анализ причин намагничивания немагнитной стали

20Х23Н18 в процессе накопления повреждений и разработка

метода раннего диагностирования ИЬ

4.1 Сравнительное изучение магнитных свойств и микроструктуры различных зон деформирования печной трубы -/-/5" Общие выводы ^^

Список использованных источников Приложения

Введение

Трубчатые нагревательные и реакционные печи, в частности печи пиролиза, являются одними из основных энергетических агрегатов на технологических установках нефтепереработки и нефтехимии.

Печи, также как и другое технологическое оборудование заводов Башкирии имеют длительный срок эксплуатации, доходящий до 30-40 лет, моральный и физический износ которых составляет 80-90%.

Объектом исследования являются печи пиролиза, эксплуатируемые в достаточно жестких условиях: высоких температур (800-900 °С) и давления. Наиболее ответственным элементом печи является трубчатый змеевик, который изготавливается из жаропрочных сталей (сталь 20Х23Н18). Особенностью эксплуатации печей пиролиза являются высокие температуры, что обусловливает интенсивное коксоотложение на внутренней поверхности труб. Неравномерное отложение кокса ведет к неравномерному перегреву труб змеевика с образованием локальных участков перегрева. Причем удаление кокса производится паро-воздушным выжигом с периодичностью 2 раза в месяц, который также сопровождается повышением температуры стенки трубы до 1100 °С. Нестабильный режим работы установок, несоблюдение режима пуска и остановки, неполный и некачественный ремонт, интенсивное коксоотложение и последующий паро-воздушный выжиг влекут за собой возникновение дефектов труб, которые не выявляются на ранних стадиях их зарождения и не обнаруживаются современными методами диагностики. Отсутствуют также и методы расчета напряжений, возникающие в змеевике в процессе эксплуатации и паро-воздушного выжига (паровыжиг).

Высокая стоимость материалов змеевика, а также частые простои снижают экономическую эффективность всего процесса. Поэтому существует необходимость в разработке методов раннего обнаружения дефектов трубчатого змеевика на основе изучения изменения структуры и

физико-механических свойств сталей после длительной эксплуатации и математических методов расчета напряжений, которые возникают при эксплуатации и паро-воздушном выжиге.

Поскольку затраты на ремонтные работы существенно влияют на формирование себестоимости товарных продуктов, экономически выгодно целенаправленно выявлять причины возникновения дефектов. Но на современном этапе отсутствуют специальные методы предотвращения отказов труб змеевиков печей пиролиза, целенаправленное использование обоснованных методов анализа причин возникновения дефектов на производстве, простые в эксплуатации приборы для раннего обнаружения дефектов.

Основной целью диссертационной работы является разработка системы выявления дефектов и причин их возникновения для раннего диагностирования труб змеевиков печей пиролиза.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе ставятся и решаются следующие задачи:

а) оценить надежность элементов змеевиков печей пиролиза и классифицировать возникающие дефекты;

б) провести анализ изменения физико-механических свойств жаропрочных материалов трубчатого змеевика в процессе эксплуатации;

в) разработать методы оценки напряженного состояния труб в процессе паровыжига, влекущего за собой образование дефектов типа трещин, и проверить адекватность расчетных схем полученным экспериментальным данным;

г) разработать способ раннего диагностирования дефектов труб змеевиков на основе изменения структуры материала.

Для решения поставленных задач были впервые предложены три расчетные схемы оценки напряженно-деформированного состояния трубы в зоне горения кокса в процессе паровыжига, первая и третья из которых согласуются с эксплуатационными данными; был обнаружен эффект

локального намагничивания высоколегированной стали печной трубы на ранних стадиях накопления повреждений, который можно использовать при диагностировании змеевиков печей пиролиза; впервые обнаружен эффект экстремального изменения физико-механических свойств материала печных труб при наработке 15-16 тыс.часов; разработан прибор «Локализатор» для обнаружения локальных участков намагничивания.

Работа выполнена на комплексной кафедре «Машины и аппараты химических производств» Уфимского государственного нефтяного технического университета под руководством доктора технических наук профессора Кузеева И.Р., которому автор выражает искреннюю благодарность.

Автор выражает глубокую признательность кандидатам технических наук, доцентам Тукаевой Р.Б. и Хусниярову М.Х., доктору технических наук Ибрагимову И.Г. и старшему преподавателю Баязитову М.И. за критическое обсуждение результатов исследований и помощь при их осуществлении. Автор также благодарен дипломникам Яровикову А., Саитову А., Ченборисову Р., Насырову В., Тарасовой Л.

ГЛАВА 1. ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ ПИРОЛИЗНЫХ ПЕЧЕЙ

1.1 Технологические особенности процесса пиролиза

Термическое разложение углеводородов (пиролиз) представляет собой сложный процесс, который можно представить как ряд протекающих последовательно и параллельно химических реакций, с образованием большого количества продуктов, в том числе низших олефинов, метана, а так же других алкенов меньшей молекулярной массы, чем исходный. Но основными целевыми продуктами реакции являются этилен и пропилен.

В качестве сырья используются газообразные и жидкие углеводороды. Наибольший выход этилена и пропилена получается при разложении газообразного сырья - этана, пропана, н-бутана и их смесей. Наиболее широко в качестве сырья пиролиза используют бензиновые фракции. Обычно это - широкие бензиновые фракции, выкипающие в интервале температур 40-165 °С [1]. Глубина процесса пиролиза определяется следующими факторами: температурой и давлением. В соответствии с результатами термодинамических расчетов пиролиз углеводородов для производства этилена и пропилена проводится при температуре 700 °С и более, время контакта 0,3-1,0 с и давление в реакторе 0,03-0,12 МПа, в зависимости от характеристики и состава сырья. Эти важнейшие параметры устанавливаются в соответствии с известными зависимостями термодинамики и кинетики реакций углеводородов при пиролизе. С точки зрения технологических параметров переработка углеводородного сырья - пиролиз - считается "жестким" процессом, что связано с повышенной температурой и временем контакта сырья.

В процессе пиролиза кроме газообразных компонентов образуется также коксообразный продукт, практически состоящий полностью из углерода. Согласно литературным данным выход кокса для прямогонного бензина составляет 0,01% [2].

Образование кокса негативно отражается на всем процессе пиролиза, в связи с отложением его на стенках труб и аппаратов. Отложение кокса затрудняет теплопередачу через стенку реактора, способствует науглероживанию металла труб и аппаратов, коррозии и износу труб и уменьшает проходное сечение трубчатых реакторов.

В литературе отсутствуют надежные количественные данные о влиянии технологических параметров на скорость коксоотложения в промышленных печах. Однако, к настоящему времени накоплен большой практический материал, дающий возможность сделать достаточно надежные качественные выводы о скорости отложения пироуглерода [27]. Эти выводы могут быть сформулированы следующим образом: увеличение скорости отложения пироуглерода способствует повышению температуры, росту парциального давления сырья, увеличению времени пребывания реакционной массы в зоне высоких температур, большей шероховатости внутренней поверхности пирозмеевика, утяжелению сырья, повышению в нем доли изопарафиновых и ароматических соединений.

Пиролиз различного углеводородного сырья на этиленовых установках осуществляется в трубчатых печах, которые являются основными элементами этих установок.

1.2 Описание конструкций печей пиролиза Печи пиролиза и их эксплуатационные параметры.

Конструктивно трубчатая печь пиролиза состоит из следующих основных деталей и узлов: трубчатого змеевика, огнеупорной футеровки и тепловой изоляции, фундамента, металлического каркаса, топливной системы, гарнитуры печи. Обычно печи пиролиза бывают многопоточными. Часть труб каждого потока размещается в камере конвекции, где сырье нагревается и испаряется, а его разложение происходит в камере радиации. На рисунке 1 представлена типовая печь пиролиза [1,2].

Первые отечественные промышленные печи для пиролиза были двухпоточными с факельными горелками, радиантный змеевик представлен

как змеевик, состоящий из потолочного и частично настенного экрана с горизонтальным расположением труб. Недостатком печи является относительно низкая интенсивность теплопередачи со средней теплонапряженностью 105 МДж/(м~хч).

Рисунок I - Типовая печь пиролиза Для повышения процесса теплопередачи от горелок к трубчатому змеевику позднее были разработаны специальные беспламенные панельные горелки, что позволило минимально сократить расстояние между змеевиком и горелками. Теплонапряженность змеевика увеличилась до 126-134 МДж/(м2хч). В этих печах большинство труб радиантного змеевика подвергалось двустороннему облучению, что повышает равномерность их нагрева. Следующим этапом совершенствования конструкции печей

пиролиза, с целью интенсификации процесса, стало устройство радиантного змеевика с вертикальным расположением труб, объединенных в однорядный экран двустороннего облучения. Использование таких печей позволило вести пиролиз в высокотемпературном режиме с температурой Т=840-860 °С, и временем пребывания углеводородного сырья в зоне нагрева 0,3-0,5 с, при этом теплонапряженность была увеличена до 250-335 МДж/(м2хч) [1-5].

Тенденция совершенствования конструкций печей пиролиза в последние годы направлена на интенсификацию режима пиролиза с повышением температуры до 900-920 °С и снижения времени пребывания до 0,1-0,Зс.

Конструкции трубчатых змеевиков печей пиролиза.

На современных нефтехимических установках наиболее часто используются печи вертикального типа с вертикально расположенным змеевиком, в конструкцию которых были положены тенденции ужесточения режимов пиролиза, повышение температуры до 900-1000 °С и снижение пребывания в зоне реакции углеводородного сырья (принцип БЕТ) [13].

Трубы печей пиролиза изготавливаются из аустенитных жаропрочных сталей 12Х18Н10Т, 20Х23Н13(ЭИ 319), 10Х23Н18, 20Х23Н18 (ЭИ 417) и 45Х25НД. Эти стали характеризуются кристаллической решеткой твердого - у - раствора.

Аустенитная структура сплавов обеспечивается содержанием никеля в количестве более 18%, что создает условия для сохранения плотно упакованной решетки - у - раствора, в котором замедляются процессы деформации, благодаря чему сталь становится более жаропрочной. Углерод содержится в сплавах в количестве до 0,45% и обеспечивает сохранение структуры, жаропрочности и увеличивает длительную пластичность материала. Хром в составе аустенитной стали в количестве 17-27% обеспечивает повышение сопротивлению ползучести, длительную

прочность и жаропрочность. Марганец в количестве 1,5-2% также является аустенитообразующим элементом и увеличивает жаропрочность [10].

Наиболее часто на отечественных предприятиях нефтехимии используются трубы из сплава 20Х23Н18, которые эксплуатируются при температуре процесса 750-815 °С и температура стенки трубы 950 °С. При более жестких условиях пиролиза при температуре стенок до 1050 °С и времени процесса 0,2-0,3 с применяются трубы из сплавов марок 45Х25Н20, 20Х25Н20С и т.д., изготовленные методом центробежного литья

И-

Сталь марки 20Х23Н18 сочетает высокую стойкость к окислению при высоких температурах с хорошей жаростойкостью. Аустенитная структура этой стали обеспечивается в результате закалки. Недостатком стали 20Х23Н18 является нестабильность структуры при умеренно высоких температурах (600-800 °С), когда в зависимости от длительности выдержки образуется а-фаза, обнаруживаемая под микроскопом в виде темных включений, что повышает хрупкость стали и снижает ее жаропрочность. При эксплуатации стали выше 800 °С а-фаза не выпадает [2, 6].

Основной характеристикой физико-механических свойств материала труб является жаропрочность, определяемая его химическим составом и способом изготовления. Жаропрочность характеризуется текучестью и ползучестью материала, вызываемых пластической деформацией. Для труб печей пиролиза допускается деформация в 5% [2].

Важной характеристикой материала труб печей является жаростойкость - сопротивляемость металла термическим ударам, возникающим при быстром нагревании и охлаждении труб, а также сопротивляемость высокотемпературному воздействию, которое проявляется в виде высокотемпературной коррозии и т.д.

Жаропрочность стали зависит от большого числа факторов. Основными из них являются ползучесть, длительная прочность и пластичность. Ползучесть рассматривается как непрерывная и очень

медленная пластическая деформация, начинающаяся при высоких температурах под действием постоянно приложенных напряжений. Скорость пластической деформации во многом определяется действием постоянно действующих напряжений, которые могут быть вызваны как внутренним давлением, так и воздействием высоких температур. Сталь печных труб может надежно работать в условиях ползучести при высоких температурах под напряжением, если скорость деформаций не превышает некоторых значений. Для каждого материала установлены допускаемые значения деформаций, вызываемых возникающими напряжениями за определенный срок службы трубы при рабочих температурах. Согласно литературным данным [27] для металла печных труб пиролизных установок, работающих под давлением, допускаемая деформация за 100 тыс.ч. эксплуатации находится в пределах 1-1,5%.

Паро-воздушный способ очистки труб змеевика печей пиролиза.

Удаление кокса из труб этим способом является очень ответственной операцией. Для ее проведения должны привлекаться опытные работники, хорошо изучившие технологию очистки.

Инструкцию по паро-воздушному выжигу необходимо составлять с учетом особенностей работы данной печи.

В период подготовки к выжигу кокса желательно иметь данные лабораторного анализа о содержании в отложениях отдельных компонентов, особенно негорючих веществ. Не менее важно определить примерное количество кокса в трубах. Для этого составляют информацию о работе установки: длительность межремонтного пробега, качественный состав сырья, давления на входе в печь и выходе из нее перед выключением агрегата, производительность и температуры в различных секциях печи. Учет сведений о качестве и количестве кокса в печных трубах позволяет правильно организовать паро-воздушный выжиг.

Операции по выжигу проводят в следующей последовательности: после остановки печь освобождают от нефтепро