автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование методов проектирования и расчета змеевиков трубчатых печей установок висбрекинга

На правах рукописи

)

ГИЛИМКЯНОВ РУСТЕМ МАРАТОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ЗМЕЕВИКОВ ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ УСТАНОВОК ВИСБРЕКИНГА

Специальность 05 02 13 - «Машины, агрегаты и процессы» (машиностроение в нефтеперерабатывающей промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2007

003070933

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

Научный руководитель

доктор технических наук Кузеев Искандер Рустемович

Официальные оппоненты

доктор технических наук Абдуллин Рафиль Сайфуллович,

кандидат технических наук Поподько Дмитрий Валентинович

Ведущая организация-

ГУП «Институт нефтехимпереработки РБ»

Защита состоится 25 мая 2007 г в 10-00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212 289 05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу 450062, Республика Башкортостан, г Уфа, ул Космонавтов, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета

Автореферат разослан « апреля 2007 года

Ученый секретарь совета Закирничная М М

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Трубчатые печи являются одной из основных групп энергетических агрегатов на установках нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий Эксплуатационная надежность и долговечность трубчатых печей влияет на технико-экономические показатели работы всей установки В свою очередь работоспособность печи зависит от состояния ее конструкционных элементов Одним из основных узлов, лимитирующих безремонтный пробег печных трубчатых печей, а следовательно, и установок в целом, является трубчатый змеевик

Анализ дефектов змеевиков позволяет сделать вывод, что для металла тр) б наиболее характерно образование трещин и развитие остаточных пластических деформаций Появление дефектов подобного рода вызвано эксплуатационным температурным режимом и конструктивными особенностями печей Наиболее жесткими рабочими условиями характеризуются печи установок вторичных термодеструктивных процессов нефтепереработки (термический крекинг, висбрекинг, замедленное коксование) Применение в качестве сырья тяжелых остатков прямой перегонки в сочетании с высокими температурами обуславливает значительную интенсивность коксоотложения, ведущего к локальным перегревам труб змеевика и изменению физико-механических свойств трубной стали вследствие диффузии углерода. Из указанных выше технологических процессов наибольшее распространение на отечественных нефтеперерабатывающих предприятиях получил процесс вис-брекинга

Для снижения количества отказов змеевиков необходимо выявить основные факторы, инициирующие развитие указанных дефектов, и дать рекомендации по их предупреждению или снижению воздействия на стадии разработки рабочего проекта

Поэтому исследования по оценке напряженно-деформированного состояния змеевиков трубчатых печей установок висбрекинга, изготовленных

из стали 12Х18Н10Т, структура которой претерпевает изменения в процессе эксплуатации, с целью усовершенствования методов расчета и конструирования являются актуальными

Цель работы - изучение напряженно-деформированного состояния змеевиков трубчатых печей из стали 12Х18Н10Т, структура и свойства которой претерпели изменение в процессе эксплуатации, с целью разработки практических рекомендаций по совершенствованию методов проектирования и расчета, способствующих снижению количества отказов

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1 Анализ условий работы труб змеевиков трубчатых печей и выделение дефектов, наиболее часто являющихся причиной отказа

2 Изучение характера изменения структуры и механических свойств стали 12Х18Н10Т в процессе эксплуатации змеевиков трубчатых печей установки висбрекинга Определение труб как квазимногослойных оболочек

3 Оценка влияния изменения структуры материала змеевиков на напряженно-деформированное состояние с использованием метода конечных элементов

4 Разработка практических рекомендаций по совершенствованию методов расчета и конструирования змеевиков трубчатых печей установок висбрекинга с целью предотвращения возникновения дефектов

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1 Применена модель квазимногослойной оболочки для решения задачи определения несущей способности труб змеевика нагревательных печей при развитии потери устойчивости формы

2 Произведена оценка влияния на величину критической нагрузки различных эксплуатационных факторов, не учитываемых действующими нормативами по расчету змеевиков, а именно толщины науглероженного слоя, условий закрепления, неравномерного нагрева. При этом установлено, что на развитие потери устойчивости формы в значительной степени влияет возникновение градиента температуры по сечению трубы вследствие отложения

кокса либо неравномерного излучения со стороны факелов, тогда как влияние величины расстояния между смежными опорами и толщины науглеро-женного слоя металла трубы менее выражено ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

Разработаны рекомендации к рабочим программам по дисциплине «Численные методы моделирования» специальности 130603 «Оборудование нефтегазопереработки» направления 150400 «Технологические машины и оборудование» на кафедре МАХП ГОУ ВПО УГНТУ ПУБЛИКАЦИИ

По материалам диссертации опубликовано четыре работы ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 90 наименований; содержит 92 страницы машинописного текста, включая 47 рисунков, 14 таблиц и приложения

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении раскрыта актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, а также отражена научная новизна выполненных исследований и их практическая ценность

В первой главе рассмотрена конструкция, материальное оформление и особенности эксплуатации реакционных и нагревательных трубчатых печей Проанализированы причины выхода из строя наиболее ответственного узла печей — змеевиков, показано, что возникновение дефектов труб змеевиков зачастую связано с необратимым изменением структуры и свойств стали Подобные процессы обусловлены коксоотложением в процессе нагрева и крекирования углеводородов, которое вызывает неравномерный нагрев отдельных участков труб, а также диффузионное насыщение металла труб избыточным углеродом.

Рассмотрены особенности структуры и свойств жаропрочных сталей аустенитного класса, широко применяемых для изготовления змеевиков нагревательных печей Приведены данные об изменении физико-механических свойств металла труб печей в процессе эксплуатации и о механизмах науглероживания конструкционных сталей при переработке углеводородного сырья

Из проведенного анализа рассмотренных вопросов сделан вывод о целесообразности и актуальности темы диссертации

Вторая глава содержит описание методик и результатов исследования изменения структуры и свойств стали 12Х18Н10Т в процессе эксплуатации змеевика нагревательной печи установки висбрекинга

В качестве объекта исследования был выбран змеевик печи легкого сырья установки висбрекинга гудрона Данный выбор объясняется распространенностью этого технологического процесса на отечественных нефтеперерабатывающих предприятиях, а также показательным сочетанием достаточно жестких рабочих параметров - температура на выходе из печи не менее 500 °С, рабочее давление 2,0 МПа, в качестве сырья используются остатки вакуумной перегонки нефти с АВТ в смеси с экстрактами селективной очистки масел Данная печь - типовая двухкамерная с горизонтальным змеевиком Змеевик собран из горячекатаных бесшовных труб Ш159x10, изготовленных из высоколегированной аустенитной стали 12Х18Н10Т Общий вид продуктового змеевика печи приведен на рисунке 1

Установлено, что наиболее часто подвергаются замене трубы потолочного экрана камеры радиации Очевидно, что данное обстоятельство вызвано наиболее неблагоприятным сочетанием рабочих условий и поэтому данные трубы представляют наибольший интерес Для исследования был отобран дефектный участок трубы потолочного экрана правой камеры радиации змеевика печи легкого сырья установки висбрекинга, а также участок трубы в состоянии поставки Все трубы - бесшовные горячедеформированные по ГОСТ 9941-80, материал-сталь 12Х18Н10Т

Рисунок 1 - Змеевик печи легкого сырья установки висбрекинга

Для оценки механических свойств стали в состоянии поставки и после эксплуатации проводились испытания на одноосное растяжение. Изготовление образцов и сами испытания проводились по ГОСТ ] 0006-80. Испытания проводились на разрывной машине УММ-20. Все размеры образцов, необходимые для расчета, определялись с помощью инструментального микроскопа.

В результате испытаний были определены такие прочностные характеристики, как условный предел текучести и временное сопротивление огв. А также характеристики пластичности - относительное удлинение 5 и относительное сужение у. Обработка результатов и оценка их погрешностей вт>(поднялись согласно рекомендациям ГОСТ 8.207-76. Для определения характера разрушения изучались изломы образцов после динамических испытаний на изгиб по ГОСТ 9454-78. Использовались образцы Менаже с и-об разным надрезом. Испытания проводились на маятниковом копре МК-ЗОА. Результаты механических испытаний представлены на рисунке 2.

В результате предпринятых механических испытаний (на растяжение и ударный изгиб) было установлено, что для стали после эксплуатации в целом характерно повышение прочностных и снижение пластических характеристик, при этом из последних в набольшей степени снижается вязкость раэру-

а б в

| механические свойства в состоянии поставки;

|_механические свойства после эксплуатации;

а - предел прочности ов и условный предел текучести а|| 2; б - относительное удлинение 6 и относительное сужение \|/; в - ударная вязкость КСЧ) Рисунок 2 - Механические свойства стали 12Х18Н10Т в состоянии поставки и после эксплуатации

шения (более чем на 40%),

Исследование структуры стали осуществлялось на образцах, подвергнутых механической шлифовке и электролитической полировке. Использовались приемы химического и электрохимического травления для определения различных составляющих структуры стали. Съемка проводилась при помощи оптического микроскопа с автоматизированной приставкой «АхюусЛ 100 А». Результаты микрострукхурного анализа приведены па рисунках 5 6.

На внутренней поверхности образца хорошо выделяется науглеро-женная область толщиной до 100 мкм. В зоне основного металла обнаруживаются деформационные полосы, по которым идет наиболее интенсивное травление, В данных областях хорошо выделяется граница зерен, также вдоль данных областей наблюдаются характерные цепочки выделений вторичных фаз. Эти полосы, по всей видимости, образовались в процессе изготовления трубы методом горячей прокатки. Также отдельные включения вторичных фаз рассредоточены равномерно в области основного металла.

МДж/м3

а б в

а - внутренний край образца; б - среднее сечение образца; в - наружный край образца

Рисунок 3 - Изменение структуры стали по толщине стенки, 500Л

Рисунок б - Граница раздела науглероженного слоя с основным металлом, 1000х

При переходе от науглероженной зоны к основному металлу наблюла-

ется уменьшение размера зерен Науглероженный слой характеризуется значительно большим размером зерен (от 30 до 40 мкм), нежели основной металл, при этом в нем наблюдаются стыки четырех и более зерен, что свидетельствует о нестабильности структуры

Таким образом, наблюдается существенное различие структуры стали, вследствие чего следует ожидать появления различия свойств стали по толщине стенки трубы

Для разграничения науглероженного слоя и основного металла было произведено измерение микротвердости в соответствии с требованиями ГОСТ 9450-76 Изменение производилось четырехкратно в радиальном направлении по толщине стенки трубы При этом для всех четырех измерений наблюдалась аналогичная картина распределения микротвердости Результаты измерения для наиболее характерного случая представлены на рисунке 7

3000 2900 2800 2700 2600 2500 2400 2300 2200

0123456789 10

Рисунок 7 - Изменение микротвердости по толщине стенки трубы

Существенный разброс значений микротвердости в пределах зоны основного металла свидетельствует о выпадении значительного количества вторичных фаз В свою очередь, скачкообразное возрастание микротвердости в зоне интенсивного насыщения стали углеродом указывает на возникновение значительного градиента механических свойств по толщине стенки тру-

бы, наиболее выраженного в переходной области между основным металлом и науглероженным слоем, толщина которого.

Для того чтобы охарактеризовать изменение прочностных свойств различный слоев науглероженной трубы, было произведено измерение твердости металла в обеих зонах, выявленных микроструктурным анализом и измерением микротвердости. По полученным значениям твердости были рассчитаны (по методикам, описанным в работах Ю.И. Слаоского и М.С. Дрозда) величины механических характеристик слоев металла, представленные на рисунке 8.

МПа

баб

800,

жП : 568

Щ

О ^ U#2

а б

J - механические свойства основного металла; |~| ~ механические свойства науглероженного слоя; Рисунок 8 - Расчетные значения предела прочности и текучести (а), а также средние значения относительного удлинения и сужения (б) в науглероженной зоне и основном металле

Как следует из полученных результатов, металл науглероженного слоя является более прочным, но менее пластичным, чем основной металл. Таким образом, предположение о возникновении квазимногослойной структуры стали печных труб в процессе эксплуатации печей установки висбре-кинга подтверждается полученными результатами.

В третьей главе проведен анализ напряженно-деформированного состояния науглерожеиного участка змеевика нафевательной печи методом

конечных элементов

Наиболее распространенным частным случаем деформированного состояния труб змеевика является продольный изгиб В то же время в процессе эксплуатации может возникнуть «заклинивание» в паре «змеевик - подвеска» Оно обусловлено образованием окалины на поверхностях пары, что ведет к повышению коэффициента трения и торможению движения змеевика по подвеске При этом возникает нескомпенсированная осевая сжимающая сила, которая, по достижении определенной величины, может вызвать исчерпание несущей способности трубы змеевика, обусловленное потерей устойчивости формы задолго до того, как величина напряжений в стенке трубы превысит величину предела прочности

Таким образом, представляет интерес оценить влияние квазимногос-лойпой структуры науглероженной трубы на ее несущую способность, рассматривая гипотетический случай выхода из строя двух смежных подвесок змеевика, выразившегося в невозможности перемещения двух кольцевых сечений трубы. Для достижения поставленной цели была произведена серия расчетов методом конечных элементов в программном комплексе

Расчетная схема участка змеевика, созданная по проекту на печь, из змеевика которой были отобраны образцы для испытаний, описанных в главе 2, представляет собой неразрезную многопролетную балку, изображенную на рисунке 9 Для того чтобы охарактеризовать наиболее общую и универсальную схему поведения деформируемой трубы, в расчете рассматривался лишь один пролет трубы, ограниченный двумя условно «заклиненными» опорами

Рисунок 9 - Расчетная схема участка змеевика Задача решалась в трехмерной постановке Рассматриваемый участок моделировался как составной двухслойный цилиндр В силу симметричности

нагрузок рассматривалась лишь половина участка змеевика К внутренней поверхности трубы приложено равномерно распределенное внутреннее давление, составляющее, согласно технологическому регламенту, 2,0 МПа Верхняя часть трубы нагрета до 500 °С, что соответствует температуре продукта на выходе из змеевика Нижняя часть трубы перегрета относительно верхней на переменную величину ДТ, что соответствует перегреву в результате отложения кокса и неравномерного облучения со стороны факелов горелок Схема приложенных нагрузок приведена на рисунке 10

В качестве конечного элемента был использован трехмерный восьми-узловой структурный твердотельный объемный элемент SOLID 185 Было применено регулярное разбиение объемов, число конечных элементов составило 2500 Общий вид конечно-элементного разбиения представлен на рисунке 11

Рисунок 11 - Сетка конечных элементов

Для расчета были созданы две модели материала., соответствующие соответственно основному металлу и науглероженному слою. Каждый из материалов описывался моделью пластичности по Мизесу путем задания следующих свойств как функций температуры:

- модуля линейной упругости;

- коэффициента Пуассона;

- предела упругости;

- касательного модуля (тангенса угла наклона прямой на диа)рамме о -е, соответствующей пластической деформации);

- плотности.

Величина температур ною коэффициента линейного расширения была принята независимой от температуры. Значения механических свойств слоев были приняты по результатам расчетов, выполненных во второй главе.

При проведении расчетов осуществлялось варьирование величинами следующих факторов:

- градиент температуры но сечению трубы ДТ, варьировавшийся в пре-

делах от 0 до 500 °С с шагом в 100 °С;

- отношение толщины наугпероженного слоя к суммарной толщине стенки трубы, составлявшее от 0 до 0,5 мм/мм с шагом в 0,1 мм/мм;

- расстояние между неподвижными опорами, принятое равным 5000, 5500, 6000, 6500 и 7000 мм соответственно согласно проекту на змеевик.

Для решения поставленной задачи создавались отдельные модели для каждого сочетания длины пролета и отношения толщин слоев. Их общее количество составило 25. Каждая из моделей решалась пятикратно для различных значений ДТ.

В ходе решения всех задач наблюдалась схожая картина распределения напряжений и деформаций. Один из частных случаев (в частности, для ДТ = 400 °С при отношении толщин, равном 0,4 мм/мм) представлен на рисунке 12. Как видно из приведенного рисунка, при достаточно высоких напряжениях на растянутых волокнах (в зоне II - до 140 МПа) напряжения в середине трубы минимальны (в зоне интенсивного изгиба I - 68 МПа) при наличии весьма значительных перемещений. Таким образом, в середине трубы, претерпевающей продольный изгиб под действием осевой силы, вызываемой развитием нес компенсированных температурных деформаций, образуется пластический шарнир.

Рисунок 12 - Распределение поля эквивалентных напряжений в объеме трубы

Для определения критической величины осевой сжимающей силы была адаптирована методика, разработанная Д. Мюрреем и применяемая, в частности, для расчета потери устойчивости высокотемпературных заглубленных трубопроводов.

Если проанализировать зависимость между прогибом трубы (примени-

тельно к данной задаче - вертикальным перемещением Ау верхнего узла среднего кольцевого сечения трубы) и величиной осевой сжимающей силы (в данном случае - осевая составляющая реакции в зафиксированном узле Я7), то моменту потери устойчивости формы будет соответствовать наибольшее по модулю значение осевой силы Подобная упрощенная схема приведена на рисунке 13

Данная зависимость для указанного выше частного случая представлена на рисунке 14. При этом, как видно из графика, после достижения осевой силой своего максимального значения 61,696 кН начинается значительный рост перемещений при снижении величины сжимающей силы, что объясняется началом работы пластического шарнира По данному принципу обрабатывались результаты расчетов для всех возможных сочетаний переменных величин, указанных выше

±

Рисунок 13 - Интерпретация результатов расчета

1*2, *н

Рисунок 14 - Изменение прогиба трубы и осевой сжимающей силы в процессе развития потери устойчивости формы

Графическая интерпретация полученных результатов приведена на рисунке 15

ПО

¿к

1 4 -й 5 "--—и, X 1 X —

. т ■— -—^^

---—

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 Относительная толщи в наутероненного слоя

а) пролет участка Ь=5000 мм,

Ь- -

I - * г- .-с

— --—

0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 Огнхигельная тоши н шуглероиснного слоя

б) пролет участка Ь=5500 мм, Рисунок 15 - Изменение критической сжимающей силы для различных расчетных условий

0,00 0,10 0Д0 0,30 0,40 0,50 Опюсителыия толщин щупЕрожвдюго слоя

в) пролет участка L=6000 мм,

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 Омхшепывя толщина шуглерсшэиэго слоя

г) пролет участка L=6500 мм, Рисунок 15 - Продолжение

% 140 £

g 135

Я и

1130 го

§ 125

0 U

1 120

110 105

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 Опюсшеньная толщии 1ЕупЕро»вншго слоя

д) пролет участка L=7000 мм 0 - ДТ = 0 □ - АТ = 100 А - ДТ = 200 х - ДТ = 300 + - ДТ = 400 о - ДТ = 5000 Рисунок 15- Окончание

Как показывают результаты предпринятого моделирования, для всех значений расстояния между опорами наблюдаются следующие закономерности

- увеличение градиента температуры ведет к снижению величины критической силы,

- увеличение толщины науглероженного слоя вызывает снижение величины критической силы.

Видно, что наибольшее влияние на развитие потери устойчивости оказывает величина градиента температуры по сечению трубы В меньшей степени оказывают влияние величины расстояния между смежными опорами и толщины науглероженного слоя

При этом следует отметить, что подобный анализ изменения критической сжимающей силы в зависимости от величин расстояния между опорами,

градиента температуры и толщины науглероженного слоя может быть осуществлен для любого другого типоразмера труб (отличного от 0159x10) без изменения методики

В четвертой главе предложена методика расчета змеевиков трубчатых печей установок висбрекинга с учетом развития науглероживания трубной стали и возможности возникновения потери устойчивости формы

Опираясь на полученные результаты, можно рекомендовать следующую последовательность действий при проведении механических расчетов змеевиков трубчатых печей

1 Сбор и анализ исходных данных Ориентировочная величина градиента температуры может быть получена из опыта эксплуатации печи либо определена из известных эмпирических зависимостей Отправное значение толщины науглероженного слоя может быть рассчитано исходя из данных по скорости диффузии углерода в сталь Исходя из полноты исходных данных и специфики конкретного проекта, необходимо определить пределы варьирования величинами градиента температуры и толщины науглероженного слоя

2 Определение исполнительной толщины стенки по методике РТМ 26299-78

3 Рассмотрение принятой в проекте эскизной компоновки змеевика и определение участка, который представляет наибольшую опасность в случае выхода из строя двух смежных опор с последующим развитием потери устойчивости формы

4 Моделирование деформирования науглероженного участка змеевика методом конечных элементов

5 Анализ результатов расчета, а именно установление возникновения потери устойчивости формы при том или ином сочетании расчетных параметров

6 Принятие решения о сохранении или изменении расчетной толщины стенки либо о введении в технические условия, сформулированные в рамках проекта, дополнительных ограничений, например по допускаемым величи-

нам температуры локального перегрева, отбраковочной толщины стенки, межремонтного периода В качестве альтернативного решения может выступать изменение расположения опор

Алгоритм действий по предлагаемой методике представлен на рисунке 16 Применение данной схемы принятия решений при проектировании поможет снизить неопределенность при учете эксплуатационных факторов и, в конечном счете, обеспечить достижение требуемого срока службы змеевика

Сбор и анализ исходных данных

Расчет толщины стенки по РТМ 26-02-67-84

Анализ конструкции

змеевика, выбор расчетного участка

Моделирование деформирования участка змеевика при различных сочетаниях рабочих параметров

Принятие выбранной ранее компоновки змеевика и толщины

потеря устойчивости формы

Рисунок 16 - Алгоритм предлагаемой методики проектирования змеевиков

установок висбрекинга

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Анализ литературных данных и результатов собственных исследований показывает, что сталь печных труб подвергается диффузионному насыщению углеродом со стороны нагреваемого продукта и отложений кокса в процессе эксплуатации печей Механизм этого явления изучен недостаточно и имеющиеся исследовательские данные не доведены до расчетных методик, позволяющих оценить напряженно-деформированное состояние змеевика В связи с этим проведен комплекс исследований труб с различными сроками эксплуатации, включающий в себя микроструктурный анализ, определение твердости и микротвердости, механические испытания

2 Анализ изменения механических свойств в процессе эксплуатации показал умеренное (в среднем на 20%) снижение пластических характеристик при незначительном (не более чем на 10%) росте прочностных, в то же время наблюдается существенное (более чем на 40%) уменьшение ударной вязкости, что говорит о развитии охрупчивания Измерения твердости и мик-роствердости свидетельствуют о возникновении существенного градиента механических свойств по толщине стенки В подобных условиях рассмотрение материала трубы змеевика как сплошного металла при расчетах становится неприемлемым

3 Анализ существующих нормативных документов, регламентирующих проектирование змеевиков трубчатых печей установок нефтеперерабатывающих производств, показал, что действующие методики, обязательные к применению проектными организациями, не учитывают при расчете толщин стенок труб и отводов змеевиков влияние ряда немаловажных факторов, в частности

- геометрию труб змеевика (высоты стояков, пролет между опорами),

- неравномерный нагрев труб по длине змеевика и по сечению вследствие отложения кокса,

- возникновение градиента механических свойств по толщине стенки трубы в силу развития науглероживания и изменение этих свойств со временем

В то же время, результаты предпринятых конечно-элементных расчетов показали необходимость учета температурных напряжений при изменении структуры металла, а также возможности возникновения продольного изгиба труб при стеснении осевых перемещений

4 Разработана методика расчета змеевиков трубчатых печей установок висбрскинга, учитывающая развитие науглероживания трубной стали и возможности возникновения потери устойчивости формы труб змеевика

Основное содержание диссертации опубликовано в 4 научных трудах, из которых №2 опубликован в издании, включенном в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки РФ

1 Коченкова С А, Гилимьянов Р М Способность к науглероживанию стали 12Х18Н10Т в процессе эксплуатации // 57-я конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ - Уфа. Изд-во УГНТУ, 2006 -С. 156

2 Гилимьянов Р М Изменение структуры и свойств печной трубной стали 12Х18Н10Т при высокотемпературном контакте с коксообразующими углеводородами // Нефтегазовое дело - 2006 -Т2, №4 -С 169-172

3 Гилимьянов РМ, Чиркова А Г Влияние науглероживания труб змеевиков нагревательных печей на их напряженно-деформированное состояние II Мировое сообщество проблемы и пути решения - 2007 - №21 -С 5-11

4 Гилимьянов Р М, Чиркова А Г Изменение структуры и свойств печной трубной стали 12Х18Н10Т в процессе эксплуатации // Мировое сообщество проблемы и пути решения - 2007 - №21. - С. 12 - 16

Подписано в печать 23 04 07 Бумага офсетная Формат 60x80 1/16 Гарнитура «Тайме» Печать трафаретная Уел печ л 1 Тираж 90 Заказ 116 Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета Адрес типографии 450062, Республика Башкортостан, г Уфа, ул Космонавтов, 1

Введение

1 Литературный обзор

1.1 Конструкция, материальное оформление и особенности эксплуатации нагревательных и реакционных трубчатых печей

1.2 Структура и свойства жаропрочных сталей аустенитного класса

1.3 Старение металла печных труб в процессе эксплуатации

1.3.1 Изменение физико-механических свойств металла труб печей

1.3.2 Науглероживание конструкционных сталей при переработке углеводородного сырья

1.4 Выводы

2 Исследование изменения структуры и свойств стали печных труб в процессе эксплуатации

2.1 Объект исследования

2.2 Проведение микроструктурного анализа

2.3 Измерение микротвердости

2.4 Измерение твердости

2.5 Испытания на растяжение (статические)

2.5.1 Условия эксперимента

2.5.2 Определение предела прочности (временного сопротивления)

2.5.3 Определение предела текучести

2.5.4 Определение относительного равномерного удлинения

2.5.5 Определение относительного сужения

2.5.6 Результаты испытаний

2.6 Испытания на ударный изгиб (динамические)

2.7 Выводы

3 Оценка напряженно-деформированного состояния науглеро-женного участка змеевика нагревательной печи методом конечных элементов

3.1 Исходные данные

3.2 Моделирование потери устойчивости формы

3.3 Результаты расчетов 72 3.3 Выводы 77 4 Методика проектного расчета змеевиков трубчатых печей установок висбрекинга 78 Основные выводы 83 Список литературы

Актуальность работы. Трубчатые печи являются одной из основных групп энергетических агрегатов на установках нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий. Эксплуатационная надежность и долговечность трубчатых печей влияет на технико-экономические показатели работы всей установки. В свою очередь работоспособность печи зависит от состояния её конструкционных элементов. Одним из основных узлов, лимитирующих безремонтный пробег печных трубчатых печей, а следовательно, и установок в целом, является трубчатый змеевик.

Анализ дефектов змеевиков позволяет сделать вывод, что для металла труб наиболее характерно образование трещин и развитие остаточных пластических деформаций. Появление дефектов подобного рода вызвано эксплуатационным температурным режимом и конструктивными особенностями печей. Наиболее жесткими рабочими условиями характеризуются печи установок вторичных термодеструктивных процессов нефтепереработки (термический крекинг, висбрекинг, замедленное коксование). Применение в качестве сырья тяжелых остатков прямой перегонки в сочетании с высокими температурами обуславливает значительную интенсивность коксоотложения, ведущего к локальным перегревам труб змеевика и изменению физико-механических свойств трубной стали вследствие диффузии углерода. Из указанных выше технологических процессов наибольшее распространение на отечественных нефтеперерабатывающих предприятиях получил процесс висбрекинга.

Для снижения количества отказов змеевиков необходимо выявить основные факторы, инициирующие развитие указанных дефектов, и дать рекомендации по их предупреждению или снижению воздействия на стадии разработки рабочего проекта.

Поэтому исследования по оценке напряженно-деформированного состояния змеевиков трубчатых печей установок висбрекинга, изготовленных из стали 12Х18Н10Т, структура которой претерпевает изменения в процессе эксплуатации, с целью усовершенствования методов расчета и конструирования являются актуальными.

Цель работы - изучение напряженно-деформированного состояния змеевиков трубчатых печей из стали 12Х18Н10Т, структура и свойства которой претерпели изменение в процессе эксплуатации, с целью разработки практических рекомендаций по совершенствованию методов проектирования и расчета, способствующих снижению количества отказов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1 Анализ условий работы труб змеевиков трубчатых печей и выделение дефектов, наиболее часто являющихся причиной отказа.

2 Изучение характера изменения структуры и механических свойств стали 12Х18Н10Т в процессе эксплуатации змеевиков трубчатых печей установки висбрекинга. Определение труб как квазимногослойных оболочек.

3 Оценка влияния изменения структуры материала змеевиков на напряженно-деформированное состояние с использованием метода конечных элементов.

4 Разработка практических рекомендаций по совершенствованию методов расчета и конструирования змеевиков трубчатых печей установок висбрекинга с целью предотвращения возникновения дефектов труб.

Научная новизна

1 Применена модель квазимногослойной оболочки для решения задачи определения несущей способности труб змеевика нагревательных печей при развитии потери устойчивости формы.

2 Произведена оценка влияния на величину критической нагрузки различных эксплуатационных факторов, не учитываемых действующими нормативами по расчету змеевиков, а именно толщины науглероженного слоя, условий закрепления, неравномерного нагрева. При этом установлено, что на развитие потери устойчивости формы в значительной степени влияет возникновение градиента температуры по сечению трубы вследствие отложения кокса либо неравномерного излучения со стороны факелов, тогда как влияние величины расстояния между смежными опорами и толщины науглероженного слоя металла трубы менее выражено.

Практическая ценность

Разработаны рекомендации к рабочим программам по дисциплине "Численные методы моделирования" специальности 130603 "Оборудование нефте-газопереработки" направления 150400 "Технологические машины и оборудование" на кафедре МАХП ГОУ ВПО УГНТУ.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на 57-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2006 г.).

Публикации

Содержание работы опубликовано в 4 научных трудах, из которых 1 включен в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ.

1 Литературный обзор

Основные выводы

1 Анализ литературных данных и результатов собственных исследований показывает, что сталь печных труб подвергается диффузионному насыщению углеродом со стороны нагреваемого продукта и отложений кокса в процессе эксплуатации печей. Механизм этого явления изучен недостаточно и имеющиеся исследовательские данные не доведены до расчетных методик, позволяющих оценить напряженно-деформированное состояние змеевика. В связи с этим проведен комплекс исследований труб с различными сроками эксплуатации, включающий в себя микроструктурный анализ, определение твердости и микротвердости, механические испытания.

2 Анализ изменения механических свойств в процессе эксплуатации показал умеренное (в среднем на 20%) снижение пластических характеристик при незначительном (не более чем на 10%) росте прочностных; в то же время наблюдается существенное (более чем на 40%) уменьшение ударной вязкости, что говорит о развитии охрупчивания. Измерения твердости и микроствердости свидетельствуют о возникновении существенного градиента механических свойств по толщине стенки. В подобных условиях рассмотрение материала трубы змеевика как сплошного металла при расчетах становится неприемлемым.

3 Анализ существующих нормативных документов, регламентирующих проектирование змеевиков трубчатых печей установок нефтеперерабатывающих производств, показал, что действующие методики, обязательные к применению проектными организациями, не учитывают при расчете толщин стенок труб и отводов змеевиков влияние ряда немаловажных факторов, в частности:

- геометрию труб змеевика (высоты стояков, пролет между опорами);

- неравномерный нагрев труб по длине змеевика и по сечению вследствие отложения кокса;

- возникновение градиента механических свойств по толщине стенки трубы в силу развития науглероживания и изменение этих свойств со временем.

В то же время, результаты предпринятых конечно-элементных расчетов показали необходимость учета температурных напряжений при изменении структуры металла, а также возможности возникновения продольного изгиба труб при стеснении осевых перемещений.

4 Разработана методика расчета змеевиков трубчатых печей установок висбрекинга, учитывающая развитие науглероживания трубной стали и возможности возникновения потери устойчивости формы труб змеевика.

1. Ентус Н.Р., Шарихин В.В. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.- М.: Химия, 1987.- 304с.

2. Котишек Я., Род В. Трубчатые печи в химической промышленности. Пер. с чешского.- JL: Гостоптезиздат, 1963.- 147с.

3. РД 26-02-80-88. Змеевики сварные для трубчатых печей. Требования к проектированию, изготовлению и поставке.- М.: ВНИИНефтемаш, 1995.- 64с.

4. Кузеев И.Р., Баязитов М.И., Куликов Д.В., Чиркова А.Г., Высокотемпературные процессы и аппараты для переработки углеводородного сырья.- Уфа: Гилем, 1999.-325с.

5. Высекерси А.Г., Фишер Г., Шилмоллер К.М., Уменьшение коксообра-зования в трубах печей олефиновых установок // Нефтегагазовые технологии.-1999, №3.- 82-84с.

6. Смидович Е.В. Технология переработки нефти и газа.- М.: Химия, 1968.- 246с.

7. Petrone S, Mandyam R., Wysiekiersri A., Tzatzov K. and Chen Y. A "Carbon-Like" Coating for Improved Coking Resistence in Pyrolysis Furnances // http://preprint.chemweb.com/physchem/00090Q5

8. Towfighi J., Niaei A., Karimzadeh R. Simulation Reactions and Coke Deposition in Industrial LPG Cracking Furnace. // http://www.modares.ac.ir

9. РД 26-02-80-2004. Змеевики сварные для трубчатых печей. Требования к проектированию, изготовлению и поставке. ВНИИНефтемаш, 2004.- 78 с.

10. Структура и физико-механические свойства немагнитных сталейЛТод ред. д.т.н. О.А. Банных.- М.: Наука, 1982.- 240с.

11. Иванова B.C., Курзина Е.Г. Мультифрактальная параметризация микроструктуры немагнитных сталей Mn-Ni-Cu-V после старения с целью выявления эффекта синергизма легирования.- Металлы, №2, 1999.- 59-67с.

12. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: учебник для вузов.-М.: Машиностроение, 1990.- 291-299, 367-371с.

13. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов.- М.: Металлургия, 1977.- 449-470, 483-497, 540-556с.

14. Дьяков В.Г. и др. Эксплуатация материалов в углеводородных средах печей пиролиза.- М.: ЦНТИИЭнефтехим, 1983.- 53с.

15. Металлография железа. Том И. «Структура сталей». Издательство «Металлургия», 1972.-284с.

16. Ланская К.А. Высокохромистые жаропрочные стали. Москва: Металлургия, 1976. 57-117с.

17. Бородулин Г.М., Мошкевич Е.И. Нержавеющая сталь. Москва: Металлургия, 1973. 23-40с.

18. Металловедение, сталь./Пер. с нем. И.М. Копьева, В.А. Федоровича, под ред. д.т.н. С.Б. Масленкова.- М.: Металлургия, 1995.- С. 115 -128

19. Гудермон Э. Специальные стали. Том 1- М.: Металлургия, 1966.513с.

20. Металловедение и термическая обработка стали./Под ред. М.Л. Берн-штейна, А.Г. Рахштадта. Том 1,2- М.: Металлургия, 1991.- 47-114, 199-208с.

21. Малинин А.Н. Расчеты на ползучесть элементов машиностроительных конструкций. М.: Машиностроение, 1981. 221 с.

22. Кузеев И.Р., Анкобия И.А., Шарафиев Р.Г. и др. Высоко температурное науглероживание печных труб,- /В сб.: Проблемы нефти и газа,- Уфа, 1981.-С. 119-120

23. Кузеев И.Р., Филимонов Е.А., Ибрагимов И.Г. Образование диффузионной зоны при контакте кокса с металлом.- /В сб.: Резервуары повышения надежности оборудования нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.- Уфа, 1982.- 23-25с.

24. Кузеев И.Р., Ибрагимов И.Г., Хайрудинов И.Р, Баязитов М.И. Особенности диффузии углерода из нефтяного кокса в металл // Химия и технология топлив и масел, 1986.- 13-14с.

25. Ибрагимов И.Г., Кузеев И.Р., Филимонов Е.А., Баязитов М.И. Остаточная толщина стенки труб конвекционных и радиантных экранов нагревательных печей // Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии.- Сумы, 1986,- 217-218с.

26. Вольфсон С.И. Паро-воздушный способ удаления кокса из печей нефтеперерабатывающих заводов.- Мю: Гостехиздат, 1946.- 150с.

27. Закирничная М,М., Чиркова А.Г., Кузеев И.Р. Изменение структуры и свойств металла труб змеевика печей пиролиза в процессе эксплуатации // Нефть и газ. 1998.- 87-92с.

28. Печи химической промышленности: Тр. №6 JL: Машиностроение, 1971.- 136с.

29. Берлин М.А. Износ основных элементов трубчатых печей. М.: Недра, 1978.- 325с.

30. Баязитов М.И., Ибрагимов И.Г., Газиев P.P. и др. Анализ напряженно-деформированного состояния печных труб // Научно-техническое творчество молодежи в помощь производству.- Уфа, 1986,- 67с.

31. Баязитов М.И., Кузееа И.Р. О механизме коксообразования на внутренней поверхности печных труб // Нефть и газ.- Уфа, 1996.- ?

32. Лысюк а.В., Баязитов М.И. О коллективных эффектах в змеевиках трубчатых печей: Мат-лы 49 конф. Молодых ученых, аспирантов и студентов.-Уфа, 1998.- С.128

33. Баязитов М.И. Долговечность печных труб нагревательных печей // десять лет эксплуотации на кафедре МАХП. Некоторые результаты.- Уфа: УГНТУ, 1997.- 63-65с.

34. Баязитов М.И. Оценка поврежденности печных труб в процессе эксплуатации // Проблемы машиноведения, конструкционных металлов и технологий. Уфа, 1997.- 230-2 Юс.

35. Соркин Я.Г. К вопросу экономии топлива в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Химия и технология топлив и масел. 1966.- 112с.

36. Авдеева Л.Г. Изминение структуры и механических свойств аусте-нитной стали 20Х23Н18 в условия пиролиза углеводородов. Уфа: УГНТУ, 2003.- 96с

37. Хаерланамова Е.А. Совершенствование методов расчета и конструирования элементов печей пиролиза / Дисс. канд. техн. наук.- Уфа: УГНТУ, 2003- 105 с.

38. Закономерности ползучести и длительной прочности: Справочник. Под общ. ред. С.А. Шестерникова. М.: Машиностроение, 1983. 101 с.

39. Полухин П.И., Гунн Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: Справочник. 2-е изд. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

40. Денисов В.Д. Изменение химического состава металла реактора для переработки остатков сернистых и высокосернистых нефтей и сернистых газовых конденсатов. Уфа, 1984. 183,184 с.

41. Кузеев И.Р., Кретинин М.В., Грибанов А.В. и др. Старение металла реакторов установок замедленного коксования. Химическое и нефтяное машиностроение, 1984, № 1. 17-19 с.

42. Кузеев И.Р. Вопросы прочности аппаратов для переработки нефтепродуктов. В сб.: Резервы повышения надежности оборудования нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. -Уфа, 1982. 69-73 с.

43. Каплун С.М. Оптимальная надежность энергоустановок. Новосибирск: Наука, 1982. 272с.

44. Ромашкин Ю.П., Малыгин А.Ф., Игнатов В.А. Эффект ускорения диффузии углерода в стали при термоциклировании. В кн.: Проблемы прочности и пластичности твердых тел. - JI.: Наука, 1979. 256-262 с.

45. Ибрагимов И.Г., Баязитов М.И., Хайрудинов И.Р., Кузеев И.Р. Влияние напряженного состояния на диффузию углерода в металл. В кн.: Перспективы развития исследований в области структуры и свойств углерода и материалов на его основе. - М.: НИИГрафит, 1985.

46. Высекерси А.Г., Фишер Г., Шилмоллер К.М., Уменьшение коксооб-разования в трубах печей олефиновых установок // Нефтегагазовые технологии.-1999, №3.- С. 82-84.

47. Grabke H.J. Carburization, carbide formation, metal dusting, coking // Material! in Technologye, 2002.- V. 36, №6.- pp. 297-304.

48. Schnaas A., Grabke H.J. // Oxidation of Metals, 1978.- V. 12.- 387 p

49. Schneider A. Corrosion Science, 2002. V. 44. - pp. 2353 - 2365

50. Володин С.И., Душин Ю.А., Куниловский B.B., Новикова И.Е. Физико-химическая механика материалов. 1992. № 4. 55-59 с.

51. Горицкий В.М. Диагностика металлов.- М.: Металлургиздат, 2004.408с.

52. Электронная микроскопия. Справочное издание / Смирнов А.В., Ко-корин А.П., Полонский С.М. М.: Металлургия, 1985. - 192 с.

53. ГОСТ 8233-56 Сталь. Эталоны микроструктуры.

54. ГОСТ 25536-82 Металлы. Масштабы изображений на фотоснимках при металлографических методах исследования.

55. ГОСТ 5639-82 Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна.

56. ГОСТ 9450-76 Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников.

57. ГОСТ 2999-75 Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу.

58. ГОСТ 14766-69 Машины и приборы для определения механических свойств материалов. Термины и определения.

59. ГОСТ 4.403-85 Машины и приборы для определения механических свойств материалов. Номенклатура показателей.

60. ГОСТ 9031-75 Меры твердости образцовые. Технические условия.

61. ГОСТ 23677-79 Твердомеры для металлов. Общие технические требования.

62. ГОСТ 9012-59 Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю.

63. ГОСТ 22761-77 Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Бринеллю переносными твердомерами статического действия.

64. ГОСТ 9013-59 Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу.

65. Данилин В.И., Дроздов М.С., Славский Ю.И., Применение без образцового метода контроля механических свойств сталей в условиях металлургического производства// Заводская лаборатория, 1972, т. 38, № 2.- С. 217-221

66. Дрозд М.С., Славский Ю.И., о выборе угла конуса при контроле механических свойств стали по твердости // Заводская лаборатория, 1970, т. 36, № 1,- С. 80-84

67. Гудков А.А., Славский Ю.И., Методы измерения твердости металлов и сплавов.- М.: Металлургия, 1982.- С. 168

68. ГОСТ 1497-84 Металлы. Метод испытания на растяжение.

69. ГОСТ 9651-84 Металлы. Метод испытания на растяжение при повышенных температурах.

70. ГОСТ 11150-84 Металлы. Метод испытания на растяжение при пониженных температурах.

71. ГОСТ 11701-84 Металлы. Метод испытания на растяжение тонких листов и лент.

72. ГОСТ 9454-78 Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах.

73. ГОСТ 10708-82 Копры маятниковые. Технические условия.

74. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров. Справочное пособие. М.: Машиностроение, 2004. 512 с.

75. Басов К.A. ANSYS в примерах и задачах / Под общей редакцией Красковского Д.Г. -М.: КомпьютерПресс, 2002. 224 с.

76. ANSYS Programmer's Manual ANSYS Inc., 1998. 152 с.

77. Сторожев M.B., Попов Е.А. Теории обработки металлов давлением. Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1977.-473 с.

78. Казалевич Г.С., Рудской А.И. Механика сплошных сред. Теория упругости и пластичности. СПб.: Издательство СПбГПУ, 2003.-264 с.

79. Золоторецкий В.С.Механические свойства металлов. Учебник для вузов. 3-е издание, переработанное и дополненное. - М.: МИССИС, 1998. -400 с.

80. Ильин J1.H. Основы учения о пластической деформации. Учебник для машиностроительных техникумов. -М.: Машиностроение, 1980. 150 с.

81. Полещук Н.Н. Самоучитель AutoCAD2002. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 608 с.

82. Бердин В.К., Смоляков А.А., Ахунова А.Х. Численное моделирование интенсивного пластического деформирования меди равно- канальным угловым прессованием. Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением, 2006. № 4. - С. 17-22.

83. Остсемин А.А., Платонов А.Д., Кравец П.Я. Определение коэффициентов интенсивности напряжений для образца методом конечных элементов. Заводская лаборатория. Диагностика металлов, 1998. -№ 2. С. 46-50.

84. Бердин В. К., Ахунова А. X. Математическое моделирование механического поведения упруго-вязкопластических материалов в среде ANSYS 6.0. Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением, 2006.-№7.-С. 32-36.

85. Коррозионно-стойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы: Справ, изд. / А.П. Шлямнев и др. М.: "Имет Инжиниринг". 2000 - 232 с.

86. D.W. Murray. Local Buckling, Strain Localization, Wrinkling and Post-Buckling Response of Line Pipe // Engineering Structures, 1997, №.19, N.5, pp. 360371.

87. R.A. Einsfeld, D.W. Murray, N. Yoosef-Ghodsi. Buckling analysis of high-temperature pressurized pipelines with soil-structure interaction // J. Braz. Soc. Mech. Sci. & Eng. V.25 N.2 Rio de Janeiro Apr./June 2003, pp. 110-128

88. РД 3688-00220302-003-04. Трубчатые нагревательные печи. Требования к проектированию, изготовлению и эксплуатации. ВНИИНефтемаш, 2004.- 68 с.

89. РТМ 26-02-67-84. Методика расчёта на прочность элементов печей, работающих под давлением. М.: ВНИИНефтемаш, 1984.- 7 с.

90. ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

91. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

92. УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (УГНТУ)