автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Технология конструктивных элементов нефтехимического оборудования из стали 15Х5М

99 - Ш

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ)

На правах рукописи

Халимов Айрат Андалисович

ТЕХНОЛОГИЯ РЕМОНТА КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ИЗ СТАЛИ 15Х5М

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.04.09 "Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств'

Научный руководитель профессор, д-р техн. наук Зайнуллин Р.С.

Уфа - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение..........................................................................................4

1. Проблема обеспечения работоспособности элементов нефтехимического оборудования из стали 15Х5М............................................................6

1.1. Повреждения конструктивных элементов нефтехимического оборудования из стали 15Х5М...................................................6

1.2. Особенности технологии ремонта элементов оборудования из

стали 15Х5М с коррозионно-механическими повреждениями..........24

1.3. Роль механической неоднородности в работоспособности конструктивных элементов оборудования из стали 15Х5М.............29

1.4. Цель и задачи исследования.....................................................33

2. Исследование термомеханических напряжений при ремонте сосудов и трубопроводов, работающих под давлением....................:....................34

2.1. Остаточные напряжения в механически однородных элементах.......34

2.2. Влияние механической неоднородности на характер распределения остаточных напряжений......................................40

2.3. Влияние структурных превращений на остаточные напряжения.......48

2.4. Выводы по главе 2................................................................51

3. Исследование технологической и эксплуатационной трещиностойкости конструктивных элементов из стали 15Х5М.........................................52

3.1. Образцы для оценки трещиностойкости.....................................52

3.2. Определение трещиностойкости основного металла, зоны термического влияния и металла шва.........................................62

3.3. Выводы по главе 3................................................................67

стр.

4. Исследование предельных нагрузок элементов действующего

нефтехимического оборудования из стали 15Х5М при ремонте................68

4.1. Несущая способность элементов нефтехимического оборудования из стали 15Х5М при ремонте................................68

4.2. Ремонтная полуавтоматическая сварка в среде защитных газов.......82

4.3. Оценка предельных нагрузок при ремонте сваркой и эксплуатации по критериям механической неоднородности..............................97

4.4. Выводы по главе 4...............................................................113

Выводы и рекомендации по работе......................................................114

Литература....................................................................................116

Приложения...................................................................................130

ВВЕДЕНИЕ

Для изготовления конструктивных элементов трубчатых печей и аппаратуры различных установок высокотемпературной подготовки нефти и газа, переработки нефти и нефтехимии, приемлемым по своим физико-механическим и химическим характеристикам являются жаропрочные хромомолибденовые стали. Имея сравнительно низкую стоимость, высокую теплопроводность, малый коэффициент линейного расширения и хорошую релаксационную способность, они обладают достаточно высокой стойкостью в рабочих средах, коррозионная активность которых прежде всего обусловлена наличием водорода, сероводорода и растворов хлоридов.

Склонность к закалке даже в условиях сварки с подогревом до 350-400 °С вызывает весьма серьезные затруднения при изготовлении и ремонте элементов нефтехимического оборудования и трубопроводов из жаропрочной стали 15Х5М. Наличие хрупких, с пониженной трещиностойкостью, участков металла с неравновесной мартенситной структурой связано с вероятностью возникновения отказов непосредственно в процессе ремонтной сварки или термической их обработки, при сборке трубных узлов или гидравлических испытаниях, а также в процессе пуска технологических установок.

Общепринятыми технологическими приемами обеспечения технологической прочности в процессе изготовления изделий из хромомолибденовых сталей является применение предварительного и сопутствующего подогрева до 350-400 °С или использование высоконикелевых электродов аустенитного класса. Получение качественных однородных соединений требует применения дорогостоящей технологии предварительной и последующей высокотемпературной термической обработки со строгим соблюдением температурно-временных параметров операций термической обработки, что в условиях ремонта трудно осуществимо.

Повышение надежности конструктивных элементов технологического оборудования и трубопроводов является актуальной и важной задачей. Технологическое оборудование и трубопроводы являются сложными, наиболее напряженными и ответственными конструкциями. Аварии на них, особенно конструкций эксплуатируемых при повышенных температурах, приводят к большим потерям продукта, к загрязнению окружающей среды, а в некоторых случаях и к перебоям работы установок нефтепереработки и нефтехимии. Обнаружение и своевременное устранение повреждений и дефектов, выявленных на технологических трубопроводах в процессе их эксплуатации предотвращает аварийные отказы.

Одним из ведущих технологических процессов при ремонте технологических трубопроводов является ручная электродуговая сварка. При этом наиболее экономически выгодным и экологически благоприятным является выполнение ремонтно-восстановительных работ на действующем оборудовании под давлением продукта. За счет этого повышается производительность ремонтных работ, не происходит сокращение объема переработки, исключаются потери продукта и увеличивается срок службы оборудования и трубопроводов.

Данная работа посвящена разработке и обоснованию качественной и безопасной технологии ремонта механических и коррозионных повреждений металла конструктивных элементов действующего технологического оборудования и трубопроводов из жаропрочной стали 15Х5М под давлением рабочей среды.

1. ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕЙСТВУЮЩЕГО НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ИЗ СТАЛИ 15Х5М

1.1. Повреждения конструктивных элементов нефтехимического

оборудования из стали 15Х5М

Промышленно широко освоенные стали типа 15Х5М (1Х2М1, 15Х5М-У, 15Х5ВФ, 12Х8ВФ, Х9М) выгодно отличаются от высоколегированных аусте-нитных сталей более низкой стоимостью, лучшей деформируемостью в горячем состоянии и обрабатываемостью резанием, более высокой теплопроводностью и меньшим температурным коэффициентом линейного расширения, большей релаксационной способностью и возможностью изменения механических свойств в широких пределах посредством термической обработки. Они работают в тяжелых условиях эксплуатации одновременного воздействия высоких температур, давлений и рабочих сред, коррозионная активность которых обусловлена наличием водорода, растворами хлоридов и сероводорода. Так, трубы печных змеевиков изнутри подвержены коррозионному воздействию рабочих сред, а снаружи огневому обогреву углеводородных окислительных газов [137].

Однако при термической резке и сварке небольшая скорость распада хромистого аустенита, вызывающая склонность к закалке и фазовые превращения мартенситного характера, существенно усложняет технологический процесс изготовления сварных конструкций. Наличие хрупких, с пониженной трещино-стойкостью участков металла с неравновесной мартенситной структурой (твердых прослоек) может привести к возникновению трещин в процессе сварки, к разрушениям при сборке узлов или гидравлических испытаниях, в процессе монтажа, пуска и длительной эксплуатации технологического оборудования.

Наиболее подвержены образованию трещин при сварке сварные соединения, выполненные однородными (типа Э-10Х5МФ) перлитными электродами.

При этом металл шва и околошовной зоны имеет значительно более высокую твердость, чем основной металл. Наибольшую твердость до 380-409 HV имеют околошовные зоны по линии сплавления, и структура этих участков наиболее крупноигольчатая троститомартенситовая (рис. 1.1, в). Склонность к закалке и фазовые превращения мартенситного характера не устраняются даже при сварке с подогревом до 350-450 °С. Наличие таких широких участков с высокой твердостью и возникающие остаточные сварочные напряжения в локальных микрообъемах свежезакаленной структуры вызывают необходимость проведения незамедлительной термической обработки. При сварке толстостенных трубопроводов термообработка должна проводится сразу после окончания сварки [42-44].

Анализ фактического материала по разрушенным однородным соединениям позволяет определить причины растрескивания и преждевременного разрушения, которые сводятся в основном к несоблюдению непрерывного цикла "сварка - термообработка" и некачественной термообработке.

Так, например, отсутствие надлежащей термообработки после сварки явилось причиной аварийных разрушений трубопроводов из стали 15Х5М на ряде нефтеперерабатывающих заводов с пропуском рабочей среды в печное пространство. Такие пропуски привели к взрыву печи с трагическими последствиями. На рис. 1.2, представлены результаты выполненных нами исследований разрушенного сварного стыка печного змеевика диаметром 325x9 мм из стали марки 12СгМо20,5 (отечественный аналог сталь 15Х5М) на Уфимском нефтеперерабатывающем заводе. Замер твердости вырезанного образца из разрушенного стыка показал (см. кривые I -1 и II - II на рис. 1.2, б), что твердость в сварном шве (33 - 35 HRC) и в ЗТВ (37 HRC) значительно выше допустимой. В последующем исследуемый образец был подвергнут высокому отпуску нагревом до 700-720 °С в течение 15 минут. Результаты измерения твердости соединения, подвергнутого такой термообработке (см. кривую III - III рис. 1.2, б) показали, что максимальная твердость в этих случаях находится в пределах допустимой.

*Т1 I Им»»* Г V ГТТТТ < ГТПТП1ТП

2-а

400 350 300 230 200 150

""""Л

1*

шов ЗТ8 1 0м

г \

д V/

5 Ш 15 20 Расстояние от оси ш£а{ мм

б)

шов

1-в ЗТВ 2-в

Рис. 1Л. Макроструктура (а), твердость (б) и микроструктура (в) при сварке стали 15Х5М перлитными электродами: 1 - с подогревом 350-400 °С; 2 - с охлаждением; 3-е высоким отпуском в печи

нв

а)

ем

НВ НйС 352

326

В

в)

Рис. 1.2, Вид поперечного сечения, схема измерения твердости и расположения фотографии микроструктуры (а), результаты измерения твердости (б) и микротрещины вблизи линии сплавления второго слоя шва с основным металлом (в, х 200) образца, вырезанного из разрушенного сварного соединения трубопровода стали 12СгМо20,5 (15Х5М)

При рассмотрении микрошлифа в металле сварного шва была обнаружена магистральная трещина, расположенная во втором слое, и многочисленные разветвления микротрещины. На фотографии (рис. 1.2, в) показаны микротрещины, расположенные вблизи линии сплавления с основным металлом.

Усугубляющим снижение надежности при сварке однородными электродами является то, что возникшие холодные трещины имеют микроскопическое раскрытие (слипшиеся трещины), поэтому не всегда могут быть обнаружены методами неразрушающего контроля. Они могут явиться следствием развития трещин при термической обработке изделия. Процесс эксплуатации таких сварных соединений опасен. В особенности опасны околошовные зоны перегрева по линии сплавления, имеющие наиболее крупнозернистое строение обладающие наименьшей стойкостью против образования трещин по сравнению с другими участками сварного соединения. При наличии хрупких участков во избежание трещинообразования особое внимание необходимо уделить качественному выполнению корневого слоя шва. На рис. 1.3 показано развитие трещин от непровара в корне шва сварного соединения трубы диаметром 426х 16 мм стали 15Х5М, выполненного электродами марки ЦЛ-17 (типа Э-10Х5МФ). Сварка выполнялась с подогревом 350-400 °С. После сварки проводился отпуск при 720-740 °С, выдержка 2,5-3 часа затем охлаждение с печью до 500 °С и далее охлаждение с печью на спокойном воздухе.

В некоторых случаях, вследствие склонности к трещинообразованию, возможность выполнения сварочных работ без промежуточной термической обработки каждого стыка может исключаться. Так, при изготовлении трубчатых змеевиков и толстостенных штампосварных отводов из стали 15Х5М на Салаватском машиностроительном заводе, обнаруживались трещины в зоне сварных соединений при вторичном рентгенопросвечивании после термической обработки готовых изделий.

С позиции деформационных критериев разрушения, наиболее слабыми участками таких сварных соединений являются зоны с повышенной твердо-

стью, но с низкой пластичностью и сопротивляемостью хрупкому разрушению. Для получения качественных сварных соединений необходимо исключить отрицательное воздействие твердых структурных образований. Низкая сопротивляемость к хрупким разрушениям твердых прослоек ставят проблему облагораживания вязкопластических свойств или вовсе исключения их из состава сварных соединений.

Одним из рациональных методов решения этой задачи при изготовлении сварных изделий из хромомолибденовых сталей является использование высоколегированных аустенитных сварочных материалов. Однако, при этом получается разнородное сварное соединение, и в околошовных зонах присутствуют закаленные хрупкие прослойки (рис. 1.4 - 1.8).

При сварке аустенитными сварочными материалами повышается предрасположенность швов к образованию горячих трещин. Они могут возникать при неблагоприятном сочетании факторов, связанных с понижением деформационной способности металла шва вследствие наличия в структуре легкоплавких эвтектик, дефектов кристаллического строения, выделения хрупких фаз, а также под действием внутренних и внешних напряжений. Методы повышения стойкости против горячих трещин обычно сводятся к уменьшению содержания элементов, способствующих их возникновению, снижению содержания неметаллических включений, уменьшению химической неоднородности, формированию благоприятной первичной структуры и т.п. Другой причиной разрушения подобных стыков является чрезмерное перемешивание корневого слоя. Наличие дефектов в корневом слое в виде непроваров усугубляет трещинообразо-вание, и они могут иметь более закалочный характер. На рис. 1.4 показан характер развития трещин от непровара в металле сварного шва стали 15Х5М. Сварка выполнена электродами марки ОЗЛ-6 (типа Э-10Х25Н13Г2) с предварительной наплавкой кромок в два слоя этими же электродами при толщине листового проката в 16 мм.

а) хЗ б)х ю

Рис. 1.3. Развитие трещин от непровара в корне шва сварного соединения из стали 15Х5М, выполненного электродами марки ЦЛ-17 (а - х 3; б - х Ю)

Рис. 1.4. Развитие трещин (отмечены стрелками) от непровара в металле сварного шва, выполненного электродами марки ОЗЛ-б

350

зао 250 200 150

\д

Ш08 \л \зтв \ ом

_3

—^

5 10 15

Расстояние от оси мм

б)

ГС**

шов (х440)

1-в линия сплавления (х200) 2-в Рис, 1.5. Макроструктура (а), твердость (б) и микроструктура (в) при сварке стали 15Х5М аустенитными электродами: 1-е подогревом до 350°С; 2-е сопутствующим охлаждением

Обобщение сведений о повреждениях конструктивных элементов нефтехимического оборудования с разнородными сварными стыками из хромомо-либденовых сталей показывает, что наличие в околошовных зонах хрупких с пониженной трещиностойкостью участков металлов с неравновесной мартен-ситной структурой связано с вероятностью их отказов. Большинство разрушений при длительной эксплуатации инициируются по закаленным участкам или в местах возникновения термодиффузионной структурно- механической неоднородности. Данные по отказам за 15 лет эксплуатации по более 4000 стыков технологических линий на различных установках ПО "Салаватнефтеоргсинтез" (табл. 1.1) были сгруппированы по их конструктивному исполнению кольцевых стыков соединений труб на прямых участках, переходов, отводов и фланцевых соединений, а также угловых неповоротных сварных стыков ответвлений в виде приварки штуцеров, тройников или непосредственного соединения труб [14]. Были также проанализированы данные ВНИКТИнефтехимоборудование по обследованию за 10 лет эксплуатации 118.560 сварных стыков трубных элементов печных змеевиков из сталей типа 15Х5М, сваренных аустенитными электродами, по ряду нефтехимических предприятий (табл. 1.2). Анализ этих статистических данных показывает, что стимулирующую, а в отдельных случаях самостоятельную роль в обеспечении их работоспособности может играть ярко выраженная структурно-механическая неоднородность. Усиливается эффект перенапряжения металла в локальных областях с неравновесными закалочными структурами, имеющими максимальные скопления несовершенств кристаллического строения, особенно работающими в условиях сложного напряженного состояния, присущего эксплуатации нефтехимического оборудования. Анализ разрушений показывает, что повреждения, как правило, инициируютс