автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета и конструирования элементов печей пиролиза

Введение

Глава 1 Литературный обзор

1.1 Технологические особенности процесса пиролиза

1.2 Печи для высокотемпературных процессов 9 деструктивных превращений углеводородного сырья

1.3 Трубчатый змеевик печей пиролиза

1.3.1 Условия эксплуатации

1.3.2 Материальное оформление

1.3.3 Основные дефекты и их причины

Глава 2 Материалы и методы исследований

2.1 Объект исследований

2.2 Методы исследований

Глава 3 Результаты исследований

3.1 Результаты микроструктурного анализа и определения 40 химсостава обнаруженных фаз

3.2 Результаты механических испытаний и фрактографии

3.3 Анализ ползучести стали в условиях эксплуатации в 56 печах пиролиза

3.4 Анализ границ раздела квазислоев

Глава 4 Исследование напряженно-деформированного состояния труб змеевиков печей пиролиза

4.1 Расчет радиантных змеевиков реакционных печей

4.2 Анализ свойств квазислоев

4.3 Конечно-элементное моделирование напряженно- 64 деформированного состояния квазимногослойной трубы змеевика печи пиролиза в программе АЫБУБ

4.3.1 Описание расчетной процедуры

4.3.2 Постановка задачи

4.3.3 Представление результатов расчета

4.4 Анализ возможностей усовершенствования конструкции 75 элементов печи пиролиза

4.4.1 Ситаллы

Общие результаты и выводы

В настоящее время особое внимание уделяется процессам переработки углеводородного сырья при высоких температурах и давлениях. В частности, подобным процессом является пиролиз углеводородных газов для получения этилена. В связи с тем, что мощность данных установок постоянно возрастает, пристального внимания заслуживают процессы повышения надежности и долговечности оборудования. В первую очередь это относится к реакторным печам, в которых непосредственно происходит процесс конверсии углеводородов.

Процесс пиролиза углеводородов в трубчатых печах с горизонтальным расположением змеевика получил наибольшее развитие в 1960-х годах. Наибольшее распространение сегодня имеют шатровые печи с горизонтальным расположением змеевика, построенные в 1930 — 1970 гг. Данные агрегаты эксплуатируются практически на всех заводах России.

Одним из основных элементов конструкции печи является трубчатый змеевик. В нем происходит нагрев и разложение сырья. В наиболее жестких условиях находится змеевик радиантной камеры. Его собирают из горячекатаных бесшовных труб, соединенных отводами, которые изготавливаются методом литья или в штампосварном варианте.

В основном для изготовления змеевика используется жаропрочная, жаростойкая сталь аустенитного класса 20Х23Н18. Змеевик работает при температурах нагрева стенки 900 - 1080 °С в среде продуктов сгорания топлива снаружи и в науглероживающей среде внутри. При этом температурный профиль нагрева далеко не всегда равномерен. В процессе эксплуатации на внутренней поверхности реакционных труб происходит отложение кокса, что требует проведения регулярного выжига, являющегося «стрессом» для металла.

Известно, что науглероживание и ползучесть являются основными факторами, снижающими срок службы реакционных труб установок производства этилена. Данные явления существенно изменяют структуру металла змеевика и его физико-механические свойства. Что в свою очередь приводит к возникновению дефектов: трещин, деформаций формы.

Для достижения высоких технико-экономических показателей работы трубчатых печей первостепенное значение имеет повышение эксплуатационной надежности змеевиков.

Большой эффект дают комплексные - исследования, включающие металловедческие и прочностные аспекты проблемы. При проектировании необходим учет объемно-структурных напряжений в результате образования новых фаз, часто приводящих к разрушению металла труб. Подобные расчеты проводятся методом конечных элементов. Необходима разработка специальных критериев отбраковки для конкретных расчетных случаев. Учет ползучести и истории нагружения позволяет более точно определить остаточный ресурс труб, обеспечить максимальную длительность безопасной эксплуатации.

Поэтому целью данной работы является изучение напряженно-деформированного состояния змеевиков печей пиролиза из стали 20Х23Н18, металл которых претерпел изменения в процессе эксплуатации, с целью разработки практических рекомендаций по совершенствованию методов расчета и конструирования, способствующих снижению количества отказов.

В связи с этим решались следующие задачи:

1) анализ условий работы труб змеевиков печей пиролиза и определение дефектов, наиболее часто являющихся причиной отказа;

2) изучение характера изменения структуры и механических свойств стали 20Х23Н18 в процессе пиролиза. Определение труб как квазимногослойных оболочек;

3) изучение характера ползучести металла труб при данных условиях эксплуатации;

4) оценка влияния изменения структуры змеевиков на напряженно-деформированное состояние с использованием метода конечных элементов;

5) разработка практических рекомендаций по совершенствованию методов расчета и конструирования элементов печей пиролиза с целью предотвращения возникновения дефектов труб.

Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств» Уфимского государственного университета под руководством доктора технических наук, профессора И.Р. Кузеева и кандидата технических наук А.Г. Чирковой, которым автор выражает искреннюю благодарность.

Автор признателен Авдеевой Л.Г. за предоставленные для исследований образцы труб печей пиролиза, сотрудникам лаборатории 05 ИПСМ РАН за помощь в проведении металлографических исследований и Хаерланамову P.P. за помощь при оформлении рукописи.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных данных и собственных исследований показывает, что металл труб печей пиролиза подвергается диффузии углерода. Происходит насыщение внутренней поверхности змеевика, в основном в зоне контакта с коксом. В результате ползучести образуются поры. Эти два процесса приводят к отслаиванию металла и утонению стенок труб. Механизм этого явления изучен недостаточно. Исследовательские данные не доведены до расчетных методик, позволяющих оценить НДС змеевика. В связи с этим проведен комплекс исследований труб с различными сроками эксплуатации: микроструктурный анализ и химический анализ, механические испытания, фрактографический анализ.

2. Показано, что диффузия углерода с внутренней поверхности труб сопряжена с образованием поровой поверхности по механизму ползучести. Причем скорость ползучести, определенная по деформационным картам разрушения для наиболее напряженных участков труб, выше принятой в стандартной методике в 103 раз. Границы раздела квазислоев формируются как фрактальные объекты со средним значением размерности Хаусдорфа-Безиковича 1,4505и 1,214. Предлагается связать фрактальную размерность с концентрацией напряжений и учитывать при оценочных расчетах рабочего ресурса змеевиков.

3. Моделирование квазимногослойного змеевика печи пиролиза в программе ANS YS с учетом реальных свойств квазислоев, отличающихся от основного металла по величине модуля упругости или коэффициенту линейного расширения, показали наличие концентрации напряжений. При этом коэффициент концентрации изменяется в пределах 1,02 - 1,35 на границе пористого квазислоя и 2,67 - на границе науглероженного.

Рассчитана объемная доля карбидов для науглероженного слоя различной толщины, при которой следует отбраковка змеевика.

4. Анализ изменения механических свойств в процессе эксплуатации показал наличие зоны перехода от вязкого разрушения к квазихрупкому.

Применение мультифрактального анализа показало информативность параметра скрытой упорядоченности, с помощью которого определяется временная область смены механизма разрушения. Смена механизмов разрушения доказана фрактографически.

5. Анализ условий работы змеевика печи пиролиза и его конструкционного оформления показывает необходимость решения при проектировании следующей оптимизационной задачи: учет температурных напряжений при изменении структуры металла, возможности возникновения продольного изгиба труб при стеснении осевых перемещений. Для устранения появления изгиба, в случае затруднения перемещения змеевика по подвеске, предложена принципиальная, конструкция подвески с применением ситалловых элементов для снижения коэффициента трения в паре труба-подвеска.

1. Мухина Т.Н., Барабанов H.J1., Бабаш С.Е. и др. Пиролиз углеводородного сырья.- М.: Химия, 1987.- С.95 — 136.

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

3. Лебедев Н.н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза.- М.: Химия, 1981.- С. 35 44.

4. Гуревич И.Л. Технология переработки нефти и газа.- М.: Химия, 1972.- С. 187.

5. Степанов A.B. Производство низших олефинов.- Киев: Наукова думка, 1978.-С. 286.

6. Барабанов Н.Л. Высокотемпературный пиролиз углеводородов.- М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1971.- С. 56.

7. Свинухов А.Г. Высокотемпературные процессы пиролиза и гидропиролиза нефтяного сырья.- М.: Химия, 1985. С. 36.

8. Аспель Н.Б., Демкина Г.Г. Гидроочистка моторных топлив.- Л.: Химия, 1977.-С. 159.

9. Рудин М.Г., Смирнов Г.В. Проектирование нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов.- Л.: Химия, 1984.-С.256.

10. Шарихин В.В., Ентус Н.Р. Трубчатые печи нефтепереработки инефтехимии.- М.: Химия, 2000.- С. 392.

11. Трубчатые печи. Каталог.- М.: ЦНИИТИнефтемаш, 1998.

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

13. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии.-М.: Химия, 1995.- С. 400.

14. Берлин М.А. Износ основных элементов трубчатых печей.- М.: Недра, 1964.-С. 164.

15. Чиркова А.Г. Снижение повреждений в металле труб печей пиролиза в процессе паровоздушного выжига / Диссертация на соиск. уч. ст. к. т. н.- Уфа: УГНТУ, 1998.

16. Баязитов М.И. оценка поврежденности печных труб в условиях эксплуатации//Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий: Сб. науч.ст,- Уфа, 1997.- С. 203 -210.

17. Ланская К. А. Высокохромистые жаропрочные стали.- М.: Металлургия, 1976.- С. 238.

18. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы.- М.: Металлургия, 1969.-С. 672.

19. Мартин Дж., Доэрти Р. Стабильность микроструктуры металлических систем.- М.: Атомиздат.- 1976, 280 с.

20. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для вузов.- М.'.Машиностроение, 1990.- С. 448.

21. Гудермон Э. Специальные стали. Т.1.-М.: Металлургия, 1966.1. С. 513.

22. Паршин А.М., Тихонов А.Н., Бондаренко Г.Г., Криворук М.И. Предотвращение преждевременных разрушений формированием определенной структуры металла.- Металлы, №5, 1999.- С. 87 92.

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

24. Угасте Ю.Э., Журавска В.Я. Процессы диффузии и фазообразования в металлических системах.- Красноярск: Изд-во Красноярского ун-та, 1985.- 112 С.

25. Бокштейн Б.С., Бокштейн С.З., Жуковицкий A.A. Термодинамика и кинетика диффузии в твердых телах.- М.: Металлургия, 1974.- С. 280.

26. Гетузин Я.Е. Диффузионная зона,- М.: Наука, 1979.- С. 343.

27. Бокштейн С.З. Строение и механические свойства металлических сплавов.- М.: Металлургия, 1971.- С. 307.

28. Бокштейн С.З. Диффузия и структура металлов.- М.: Металлургия, 1973.-С. 208.

29. Аарна А .Я., Жиряков Ю.И. Влияние состава труб пирозмеевика на процесс коксообразования при пиролизе.- НТРС «Эксплуатация, модернизация и ремонт оборудования.», 1981, №1.- С. 12-14.

30. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков.- М.: Машиностроение, 1979.- С. 252.

31. Мельник П.И. Диффузионное насыщение железа и твердофазные превращения в сплавах.- М.: Металлургия, 1993.- 128 с.

32. Процессы диффузии, дефекты структуры и свойства металлов / Под ред. А.Т. Туманова.- М.: Металлургия, 1972.- С. 221.

33. Рыжов Н.М., Семенов М.Ю., Фархутдинов P.C., Смирнов А.Е. Модель диффузионного роста частиц карбидной фазы в цементованном слое теплостойких сталей // Металловедение и термическая обработка металлов, 1998, №9.-С. 26-30.

34. Тарасенко Л.В. Закономерности формирования химического состава многокомпонентного карбида МгзСб в жаропрочных сталях //Металловедение и термическая обработка металлов.- 2000, №1.- С. 6 — 10.

35. Доильницина В.В. О закономерностях процесса окисления металлов//Металлы.- 1999, №5.- С. 27 32.

36. Кириллов Ю.А., Дмитриев Л.Х., Колпишон Э.Ю., Лебедев В.В.

37. Влияние структуры и свойств окалины на качество поверхности при горячейt,обработке металла давлением//Металловедение и термическая обработка металлов.- 2000, №3.- С. 36 38.

38. Павловский Б.,Ильин Ю., Большаков В., Вольфсон В., Байдуганов А., Третьякова А. Эксплуатация жаропрочных материалов в нефтехимии и нефтепереработке//Нефть и газ. Евразия.- 2003, №6.- С. 20-21.

39. Чадек Й. Ползучесть металлических материалов: Пер. с чешск./Под ред. В.Р. Регеля.- М.: Мир, 1987.- С/304.

40. Пуарье Ж.П. Высокотемпературная пластичность кристаллических тел: Пер. с франц. / Под ред. A.C. Кагана и С.С. Рыжак.- М.: Металлургия, 1982.- С. 272.

41. Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации.- М.: Металлургия, 1982.- С. 584.

42. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов.- М.: Металлургия, 1986.- С. 224.

43. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов: Пер. с англ. / Под ред. Б .Я. Любова- М.: Мир, 1972.- С. 408. .

44. Золотаревский B.C. Механические свойства металлов.- М.: МИСИС, 1998.- С. 286 287.

45. Фрост Г.Дж., Эшби М.Ф. Карты механизмов деформации.-Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1989.- С. 328.

46. Бойл Дж., Спенс Дж. Анализ напряжений в конструкциях при ползучести: Пер. с англ.- М.: Мир, 1986.- С. 360.

47. Авдеева Л.Г. Изменение структуры и механических свойств аустенитной стали 20Х23Н18 в условиях пиролиза углеводородов / Дис. на соискание уч. ст. к.т.н.- Уфа: УГНТУ, 2003.- С. 14 15.1. К главе 2

48. Беккерт М., Клемм X. Способы металлографического травления.-М.: «Металлургия», 1998.- С. 119-126.

49. Самохоцкий А.И., Кунявский М.Н. Лабороторные работы по металловедению.-М.: Машиностроение, 1971.- С. 90- 100.

50. Лаборатория металлографии / Под ред. Б.Г. Лившица.- М.: Металлургия, 1957.- С. 418.

51. Вашуль X. Практическая металлография.- М.: Металлургия, 1988.1. С. 265.

52. Прокошкин Д.А. Химико-термическая обработка металлов — карбонитрация.- М.: Металлургия, Машиностроение, 1984.- С. 240.

53. Приборы МПТ-2 и ПМТ-3 для испытания микротвердости.- М.: Издательство АН СССР, 1950.- С. 26-29.

54. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов.- М.: Наука, 1976.- С. 9-31.

55. Беркович Е.С., Хрущов М.М. Микротвердость, определяемая методом вдавливания.- М: Издательство АН СССР, 1943.- С.145 152.

56. Федер Е. Фракталы.- М.: Мир.- 1991, С. 254.

57. Колмаков А.Г., Бунин И.Ж., Козицкий Д.В. Мультифрактальный анализ рекристаллизованной структуры молибдена/Металлы №1, 1999.- С.80 -87.

58. Встовский Г.В., Колмаков, Терентьев В.Ф. Мультифрактальный анализ особенностей разрушения приповерхностных слоев молибдена / Металлы №4, 1993.- С. 164 177.

59. Иванова B.C., Встовский Г.В. Механические свойства металлов и сплавов с позиций синергетики//Итоги науки и техники. Металловедение и термическая обработка.- М.: ВИНИТИ, 1990.- С. 43-98.

60. Иванова B.C. Синергетика: прочность и разрушение металлических материалов .- М.: Наука, 1992.- С. 160.

61. Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Бунин И.Ж. Введение в мультифрактальную параметризацию структур материалов.- Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2001.-С.161.

62. Марочник сталей и сплавов / Под общ. ред. В.Г. Сорокина.- М.: Машиностроение, 1989,- С. 615-616.

63. Фрост Г.Дж., Эшби М.Ф. Карты механизмов деформации.-Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1989.- С. 120 139.

64. Фрактография и атлас фрактограмм/Справ. под ред. Дж. Феллоуза.- М.: Металлургия, 1982.- С. 120-139.1. К главе 3

65. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов.- М.: Металлургия, 1977.- С. 624.

66. Металловедение, сталь/Пер. с нем. И.М. Копьева, В.А. Федоровича, под ред. д.т.н. O.A. Банных.- М.: Наука, 1982.- С. 240.

67. Паршин A.M. Структура, прочность и радиационная повреждаемость коррозионно-стойких сталей и сплавов.- Челябинск: Металлургия, 1998.- С. 816.

68. Дьяков В.Г. и др. Эксплуатация материалов в углеводородных средах печей пиролиза.- М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1983.- С. 53.

69. Авдеева Л.Г. Изменение структуры и механических свойств аустенитной стали 20Х23Н18 в условиях пиролиза углеводородов: Автореферат дис. на соискание уч. ст. к.т.н.- Уфа: УГНТУ, 2003.- С. 21.

70. Золотаревский B.C. Механические свойства металлов.- М.: МИСИС, 1998.- С. 400.

71. Фрактография и атлас фрактограмм/Справ. под ред. Дж. Феллоуза.-М.: Металлургия, 1982.- С. 500.

72. 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.- С. 59 — 67.

73. Шанявский A.A. Синергетические аспекты фрактографического анализа эксплуатационных разрушений / Металлы №6, 1996.- С. 83 — 92.

74. Фрост Г.Дж., Эшби М.Ф. Карты механизмов деформации.-Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1989.- С. 131.

75. Мельник П.И. Диффузионное насыщение железа и твердофазные превращения в сплавах.- М.: Металлургия, 1993.- С. 128.

76. Федер Е. Фракталы.- М.: Мир.- 1991, С. 254.1. К главе 4

77. Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть II.- М.: МИСИС, 1997.1. С. 527.

78. Замараев Л.М., Смирнов C.B., Солошенко А.Н. Моделирование температурного и напряженного состояний структурных составляющих при нагреве углеродистой стали / Металлы №4, 2001.- С. 50 — 54.

79. Марочник сталей и сплавов / Под общ. ред. В.Г. Сорокина.- М.: Машиностроение, 1989.- С. 640.

80. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы.- М.: Металлургия, 1969.-С. 672.

81. ANS YS в примерах и задачах / Под общ. Ред. Д.Г. Красковского.-М.: КомпьютерПресс, 2002.- С. 224.

82. ANSYS Users Manual for revision 5.6 Volume I. Procedure.

83. ANSYS Users Manual for revision 5.6 Volume I. Command.

84. ANSYS Users Manual for revision 5.6 Volume I.Elements.

85. ANSYS Users Manual for revision 5.6 Volume I. Theory.

86. Огородникова O.M. Введение в компьютерный конструкционный анализ.- Екатеринбург: Издательство УГТУ-УПИ, 2001.- С. 45.

87. Наседкин A.B. Конечно-элементное моделирование на основе ANSYS. Программы решения статических задач сопротивления материалов с вариантами индивидуальных заданий.- Ростов-на-Дону: УПЛ РГУ, 1998.- С. 44.

88. Кабанов Б.С., Пигрова Г.Д., Седов В.М. Использование фазового анализа для диагностики структурного состояния металла в процессе эксплуатации / Химическое и нефтегазовое машиностроение №10, 2002.- С. 41-43.

89. Ентус Н.Р. Техническое обслуживание и модернизация трубчатых печей.- М.: Машиностроение, 1968.- С.28-36, 63.

90. Сопротивление материалов / Под ред. А.Ф. Смирнова. Учебник для вузов.- М.: Высшая школа, 1975.- С. 480.

91. Бережной А.И. Ситаллы, стеклокристаллические материалы.-Киев:Главная редакция Украинской Советской Энциклопедии, 1997.- С. 394398.

92. Бережной А.И. Ситаллы и фотоситаллы.- М.: Машиностроение, 1981.- С. 464.

93. Стекло, ситаллы и силикатные материалы/Под ред. К.И. Тарасова.-Минск: Издательство «Вышэйшая школа», 1970.- 238.

94. Исаханов Г.В., Журавель А.Е. Прочность армированных пластиков и ситаллов.- М.: Машиностроение, 1981.- С. 234.