Научные основы обеспечения безопасности эксплуатации оборудования из жаропрочных хромистых сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ ХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс)

Халимов Айрат Андалисович

Уфа 2009

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы

Нефтегазовая отрасль, в особенности нефтепереработка и нефтехимия, имеет широкую потребность в оборудовании из жаропрочных хромистых сталей, дополнительно легированных стойкими карбидообразующими элементами, имеющих относительно высокую коррозионную стойкость. Значительное количество такого оборудования работает под одновременным воздействием высоких давлений и температур, а также рабочих сред, коррозионная активность которых обусловлена, прежде всего, наличием водорода, хлоридных, сероводородных и серосодержащих сред.

Однако неблагоприятная реакция на термодеформационный цикл сварки, выражающаяся в образовании хрупких участков металла с закалочной неравновесной структурой, влияет на технологическую прочность и эксплуатационную надежность сварного оборудования, снижая трещиностойкость, ограничивая деформационную способность и повышая склонность к непредсказуемым аварийным хрупким разрушениям. При последующей разгерметизации и выбросе пожаровзрывоопасных рабочих сред велика вероятность возникновения облака газопаровоздушных смесей (ГПВС), которые при поджигании от искры или от открытого огня пламени форсунок в рабочем пространстве трубчатой нагревательной печи могут мгновенно сгорать с образованием высокотемпературного огненного шара или взрываться по детонационному механизму. При взрывном разрушении корпуса оборудования могут образовываться осколки, дополнительно поражающие рабочий персонал и оборудование, что значительно повышает риск травматизма и аварийности на предприятиях.

Анализ работоспособности нефтегазохимического оборудования показывает, что одной из причин преждевременного разрушения сварных соединений из среднелегированных жаропрочных хромистых сталей является структурно-механическая разнородность сварных конструктивных элементов. Склонность к воздушной закалке и фазовые превращения мартенситного характера, не устраняемые даже при сварке с подогревом до 350…400 C, существенно усложняют технологический процесс изготовления и ремонта таких сварных изделий. При термической резке и сварке этих сталей возникают хрупкие участки, металл которых обладает твердостью, превышающей верхний предел допустимых нормативных значений. Применительно к обеспечению работоспособности сварного оборудования такие напряженные участки называют твердыми прослойками. Образование закалочных неравновесных структур в металле шва и околошовных зонах при использовании сварочной проволоки, однородной по химическому составу с основным металлом, или в околошовных зонах термического влияния (ЗТВ) при сварке аустенитными сварочными материалами влияет на технологическую прочность и эксплуатационную надежность сварных конструкций. При этом снижается трещиностойкость, ограничивается деформационная способность и повышается склонность к хрупким разрушениям.

Мягкие прослойки термического разупрочнения возникают при сварке термоупрочненного проката и труб, например, из сталей 15Х5МУ и 12Х9МУ, а также при высокотемпературной длительной эксплуатации разнородных сварных стыков в виде обезуглероженных участков в зоне сплавления. При этом вследствие диффузионных перемещений атомов углерода рядом с мягким основным металлом в более легированном металле шва возникает науглероженная твердая прослойка.

Разнородность характерна при сварке низколегированных нефтеаппаратурных сталей типа 12ХМ. В более сложнолегированных хромомолибденовых сталях, таких как 12Х2М1, 12Х2МФСР, 14Х2ГМР, 20Х3МВФ, происходит заметный сдвиг структурных превращений в сторону большей вероятности образования мартенситных прослоек. Соответственно весьма вероятна степень возрастания значений твердости металла шва и зоны термического влияния при применяемых трудоемких технологиях сварки с предварительным и сопутствующим подогревом.

Разнородность конструктивных элементов, заключающаяся в различии свойств характерных зон сварного соединения, является, с одной стороны, следствием неоднородности термодеформационных полей при сварке в структурно-неравновесных сталях, с другой, применения технологий сварки с отличающимися по свойствам сварочными материалами для обеспечения технологической прочности. Все это приводит к возникновению сложного напряженного состояния в конструктивных элементах оборудования, работающего под внутренним давлением. Поэтому анализ поведения соединений при нагружении необходимо вести с учетом влияния их разнородности. Учет этого влияния и возможность регулирования разнородности позволяют более адекватно подходить к оптимизации оборудования нефтегазового комплекса и технологии его изготовления и ремонта, а также более объективно оценивать работоспособность и безопасность.

Усугубляющим решение вопроса повышения надежности нефтегазохимического оборудования из рассматриваемых сталей является то, что возникшие холодные трещины имеют микроскопическое раскрытие (слипшиеся трещины), поэтому не всегда могут быть обнаружены методами неразрушающего контроля.

Актуальность и важность рассматриваемой проблемы обусловили основную направленность настоящей работы.

Цель работы - обеспечение безопасности эксплуатации нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей регламентацией остаточного ресурса и ресурсосберегающих технологий его ремонта.

Для решения основной цели были поставлены следующие задачи:

- анализ проблемы разнородности конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования;

- изучение особенностей взаимодействия разнородных металлов с различными прочностными свойствами в окрестности линии их сплавления;

- совершенствование методов расчета напряженного и предельного состояний многокомпонентных разнородных конструктивных элементов с различной степенью механической неоднородности и создание на этой базе методов расчета их несущей способности;

- разработка методов определения остаточного ресурса нефтегазохимического оборудования с многокомпонентными разнородными конструктивными элементами;

- создание новых технологий ремонта нефтегазохимического оборудования из среднелегированных жаропрочных хромистых сталей.

Методы решения поставленных задач

Исследования выполнены на базе современных и апробированных теоретических и экспериментальных методов и подходов теории упругости и пластичности, механики разрушения, механохимии металлов, металловедения и сварочных процессов и др.

Научная новизна

1. Впервые решена задача о напряженном состоянии в окрестности линии сплавления двух металлов с различными прочностными свойствами. Показано, что на линии сплавления касательные напряжения существенно зависят от коэффициента механической неоднородности и изменяются по степенной зависимости от нулевого значения вдоль оси элемента до максимального значения на свободных поверхностях плоских и осесимметричных моделей конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования. Установлены закономерности распределения основных компонентов напряжений в окрестности мягкой и твердой частей двухкомпонентной разнородной модели. Произведена оценка коэффициентов жесткости напряженного состояния, от величины которой зависит степень упрочнения мягкой и разупрочнения твердой частей двухкомпонентной разнородной модели. Для оценки степени механического упрочнения мягкого и разупрочнения твердого металла в окрестности линии их сплавления получены соответствующие аналитические зависимости.

2. Базируясь на результатах решения предыдущей задачи для двухкомпонентной модели, а также основных подходах теории пластичности, получено уточненное решение задачи о напряженном и предельном состояниях мягких и твердых прослоек с учетом взаимодействия металлов разнородной многокомпонентной модели. Это позволило установить основные закономерности проявления эффектов механического разупрочнения твердых и упрочнения мягких участков и изменения несущей способности многокомпонентной разнородной модели с учетом ее геометрических параметров и пространственного расположения в конструктивных элементах, работающих при различных условиях деформации.

Впервые с использованием подходов краевой задачи теории тонких оболочек вращения установлено, что при упругих деформациях разномодульных по модулю упругости кольцевых конструктивных элементов возникающие краевые силы и моменты значительно снижаются с уменьшением относительной толщины разномодульных прослоек.

3. Получены аналитические зависимости для расчетного определения допускаемых геометрических и механических параметров разнородных многокомпонентных конструктивных элементов, обеспечивающих максимальные прочностные и пластические характеристики, соответствующие основному металлу.

4. На основании проведенного комплекса исследований напряженного и предельного состояний разработаны методы расчетного определения прогнозируемого и остаточного ресурсов конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей с учетом их разнородности и коррозионной поврежденности по критериям статической и циклической трещиностойкости, механохимической повреждаемости и длительной прочности при высоких температурах.

На защиту выносится комплекс разработок и результатов, имеющих научную новизну и практическую ценность, в частности:

· методы оценки особенностей напряженного состояния в окрестности линии сплавления двухкомпонентных разнородных конструктивных элементов;

· методы и математические модели оценки несущей способности разнородных конструктивных элементов оборудования из жаропрочных хромистых сталей;

· методы прогнозирования безопасного срока эксплуатации конструктивных элементов различных конфигураций и комбинаций механической неоднородности с учетом коррозии, дефектности, ползучести, циклических нагрузок;

· технологии ремонта напряженных конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей;

· усовершенствованная технология ремонта нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей полуавтоматической сваркой в среде защитных газов;

· технология восстановления работоспособности крупногабаритного нефтегазохимического оборудования объемной термообработкой;

· возможность повышения безопасности эксплуатации нефтегазохимического оборудования применением виброобработки при выполнении ремонтно-сварочных работ;

· комплекс нормативно-технических материалов по обеспечению и расчету ресурса безопасной эксплуатации нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей.

Практическая ценность результатов работы

Результаты оценки критических параметров разнородных конструктивных элементов являются базовыми для нормирования механической неоднородности, создания новых технологий и расчетной оценки ресурса безопасной эксплуатации оборудования.

Разработанные методы оценки прогнозируемого и остаточного ресурсов позволяют научно обоснованно назначать последующие сроки безопасной эксплуатации нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей.

Предложенные технологии ремонтно-сварочных работ и восстановления позволяют обеспечивать достаточно высокие характеристики работоспособности и безопасности нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей при достаточно низких капиталовложениях.

Достоверность результатов работы

Большинство результатов исследований подтверждено экспериментально лабораторными и натурными испытаниями с использованием современных приборов и машин, прошедших госповерку.

В частных случаях из полученных теоретических результатов оценки напряженно-деформированного состояния и несущей способности вытекают ранее известные аналитические формулы и выводы.

Некоторые результаты исследований качественно и количественно совпадают с экспериментальными данными других авторов.

Личный вклад автора

Постановка задач данных исследований, формулировка и разработка всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы, руководство всеми этапами исследований, участие в их проведении, публикации и внедрение полученных результатов.

Лично автором проведены исследования напряженного и предельного состояний разнородных многокомпонентных конструктивных элементов, в том числе разномодульных. Разработаны методы оценки несущей способности и остаточного ресурса. Под его руководством и при непосредственном участии проведены экспериментальные исследования технологии ремонтно-сварочных работ на натурных сосудах. Разработана усовершенствованная технология полуавтоматической сварки сталей типа 15Х5М. Предложена, обоснована и внедрена технология восстановления заводских печей из стали 15Х5М путем полной объемной термообработки. Разработан ряд стандартов предприятий по технологическому обеспечению работоспособности и оценке ресурса безопасной эксплуатации нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей. Все это подтверждается соответствующими публикациями. Промышленные испытания проведены в ОАО «Салаватнефтемаш» и ОАО «Ново-уфимский НПЗ» при непосредственном участии автора.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались на научных семинарах и конференциях УГНТУ, ГУП «ИПТЭР», АН РБ, всероссийских и международных конгрессах, конкурсах и конференциях в 1995 2009 гг.

Работа заслушана и рекомендована к защите на расширенном заседании Научно-технического совета ЗАО НТЦ «ТЭН» (протокол № 3 от 11.06.2009 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 50 печатных работ, в том числе 11 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК Министерства образования и науки России.

Всего автор имеет 77 печатных работ, в том числе 5 монографий, учебное пособие «Техническая диагностика и оценка ресурса аппаратов» (2001 г., 408 с.) с грифом Государственного комитета РБ «Для студентов высших учебных заведений инженерно-механических, машиностроительных и строительных специальностей», комплекс учебно-методических пособий по курсу «Диагностика технического состояния и оценка ресурса оборудования».

2. Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, обозначены положения, выносимые на защиту, обоснован личный вклад автора, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы и др.

Первая глава посвящена анализу проблемы обеспечения безопасности эксплуатации сварного нефтегазохимического оборудования.

В соответствии с требованиями Федерального закона № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» нефтегазохимическое оборудование относится к категории опасных производственных объектов. В оборудовании нефтегазового комплекса часто присутствуют несколько признаков опасности, в частности факторы агрессивности рабочей среды по пожаро- и взрывоопасности, токсичности и т.д. Кроме того, сосуды, аппараты и трубопроводы работают под давлением и в условиях воздействия повышенных температур.

Параметры эксплуатации сосудов, аппаратов и трубопроводов охватывают очень широкие интервалы. По степени воздействия на материал они также весьма различны, включают различные виды и сочетания механических, тепловых и коррозионных воздействий. При этом необходимо учитывать их крупногабаритность, разнообразие по конструктивному оформлению при мелкосерийности производства; протяженность сварных швов, наиболее «заселенных» дефектами, и большие поверхности контакта с рабочей средой, которая может проявлять коррозионную и эрозионную активность.

Вследствие сложных условий работы металла нефтегазохимического оборудования оценка его технического состояния должна предусматриваться по комплексу диагностических параметров с получением при этом достоверной информации о фактическом состоянии конструктивных элементов оборудования: их напряженно-деформированном состоянии, степени износа и дефектности, соответствии их геометрических размеров и свойств материала установленным нормам и т.д. Методы прогнозирования работоспособности сварного оборудования при этом должны базироваться на таких критериях, которые бы учитывали возможные временные процессы накопления повреждений в металле.

Одним из наиболее важных аспектов решения проблемы обеспечения промышленной безопасности нефтегазохимических производств является дальнейшее совершенствование методологии оценки ресурса оборудования.

Наиболее актуальной является разработка расчетных методов определения остаточного ресурса оборудования, когда с определенной вероятностью прогнозируется продолжительность эксплуатации, в течение которой исключается переход в предельное состояние при установленных режимах и условиях эксплуатации. Научившись определять критерии предельного состояния наиболее нагруженных конструктивных элементов, можно было бы наиболее достоверно определять индивидуальный остаточный ресурс длительно проработавших опасных производственных объектов. При этом весьма важно, насколько адекватно полученные результаты диагностирования отражают их реальное техническое состояние. Поддерживать работоспособное состояние потенциально опасных видов оборудования не представляется возможным без решения проблем разработки достоверных методов оценки остаточного ресурса. В процессе длительной эксплуатации в металле конструктивных элементов оборудования происходит постепенное накопление необратимых повреждений в местах концентраций деформаций и напряжений и по истечении определенного срока эксплуатации возможны преждевременные отказы или аварийные разрушения.

В работе рассмотрены основные виды разнородности конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей. Показана роль твердых и мягких прослоек в формировании характеристик безопасности нефтегазохимического оборудования. Проанализированы существующие методы расчетов напряженного состояния и несущей способности конструктивных элементов оборудования с мягкими и твердыми прослойками. Отмечены основные направления обеспечения безопасности эксплуатации нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей.

Показано, что в соответствующих нормативных материалах по производству и ремонту нефтегазохимического оборудования недостаточна лишь регламентация максимальной твердости сварных конструктивных элементов. Тем не менее, анализ обширной опубликованной литературы (Н.О. Окерблом, О.А. Бакши, Н.М. Немчинский, Г.А. Николаев, Р.З. Шрон, А.А. Шатов, А.В. Бакиев, Р.С. Зайнуллин, М.В. Шахматов, В.П. Ерофеев, А.Г. Халимов, К.М. Гумеров, А.Г. Вахитов и др.) показывает, что наряду с твердостью важными, оказывающими превалирующее влияние на работоспособность различных конструкций являются геометрические и механические параметры, характеризующие разнородность конструктивных элементов.

Общим для всех существующих решений задач о напряженном состоянии разнородных конструктивных элементов является допущение о постоянстве касательных напряжений на линиях сплавления разнородных материалов. Этот факт в ряде случаев дает неадекватную оценку распределения компонент тензора напряжений в объеме твердых и мягких прослоек как в качественном, так и количественном отношениях. Следствием этого является завышенная оценка критических размеров разнородных участков, при которых обеспечивается равнопрочность конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования.

Показано, что для конструктивных элементов из жаропрочной хромистой стали типа 15Х5М свойственна многокомпонентная разнородность. В ряде случаев разнородность проявляется по модулю упругости. Не исключена возможность возникновения такой разнородности, когда мягкая или твердая прослойка контактирует с двумя частями, имеющими различную прочность.

Все это вызывает необходимость более глубоких исследований напряженного и предельного состояний разнородных конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования.

При этом требуют существенной доработки существующие технологии производства и ремонта нефтегазохимического оборудования, обеспечивающие регламентированные геометрические и механические параметры разнородных конструктивных элементов.

Во второй главе приведены результаты теоретических исследований напряженного состояния двухкомпонентной разнородной модели (рисунок 1). Полученное решение легло в основу усовершенствования методов оценки напряженного и предельного состояний конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования с многокомпонентной разнородностью.

Рисунок 1 - Разнородная модель с зонами сложного напряженного состояния в твердом (ЗСН)^Т и мягком (ЗСН)^М металлах

На этом рисунке буквами T и M обозначены соответственно «твердая» и «мягкая» части модели. Этими же буквами будем обозначать соответствующие характеристики свойств той или иной части модели, в частности пределы текучести и и временные сопротивления и .

Опыты показывают, что при растяжении такой модели (при условии качественного соединения частей) разрушение, как правило, происходит вдали от линии сплавления по мягкой части модели. Когда средние (номинальные) напряжения , модель будет работать при упругих деформациях в условиях однородного напряженного состояния. Здесь имеется в виду, что модули упругости мягкой (E_M) и твердой (E_T) частей одинаковы (E_M = E_T).

При достижении нагрузкой значений напряжений предела текучести в мягкой части модели она полностью переходит в пластическое состояние. С развитием пластических деформаций напряженное состояние все более отклоняется от равномерного растяжения и приобретает сложный пространственный характер, так как деформированию мягкого металла в окрестности линии сплавления препятствует металл твердой части модели. При этом в окрестности плоскости сплавления модели развиваются касательные напряжения .

В случае, когда , можно полагать, что могут достигать предела текучести мягкой части металла при чистом сдвиге: . Очевидно, что в реальных соединениях и могут отличаться незначительно. Поэтому возникает вопрос оценки касательных напряжений по линии сплавления модели в случае, когда отношение к имеет произвольное значение. Не менее серьезный вопрос, по какому закону касательные напряжения изменяются вдоль линии сплавления и как они развиваются по мере роста приложенной нагрузки (или номинального напряжения ).

Базируясь на экспериментальных данных, полученных на моделях с мягкими и твердыми прослойками методом муаровых полос, нами предлагается следующая формула для оценки касательных напряжений вдоль линии сплавления:

,(1)

где , номинальное напряжение в мягком металле вне зоны контакта, временное сопротивление мягкого металла; , предел текучести мягкого металла; , высота слоя со сложным (объемным) напряженным состоянием. Координаты и видны из рисунка 1. Величина в формуле (1) зависит от высоты зоны со сложным напряженным состоянием , а постоянная .

Эксперименты показывают, что по координате у касательные напряжения изменяются по линейному закону:

,(2)

где ; безразмерные параметры координат.

В условиях плоской деформации уравнение равновесия имеет следующий вид:

.(3)

Путем интегрирования дифференциального уравнения равновесия (3) можно получить величину поперечных напряжений в ЗСН мягкой части элемента:

,(4)

где постоянная интегрирования.

Поскольку боковые поверхности модели свободны от напряжений, то можно полагать, что = 0.

В этом случае из уравнения (4) получаем значения поперечных напряжений на линии сплавления модели:

.(5)

Уравнение пластичности на линии сплавления будет иметь следующий вид:

. (6)

Откуда находим осевые напряжения :

.(7)

В предельном состоянии () напряженное состояние мягкой части модели описывается следующей системой уравнений:

(8)

При

.(9)

Для удовлетворения условия (9) полагаем, что поперечные напряжения в изменяются по линейному закону:

.(10)

Следовательно, осевые продольные напряжения в объеме будут определяться формулой

.(11)

Для примера на рисунках 2 и 3, а приведены распределения напряжений и по координате .

Как известно, третье напряжение при плоской деформации равно:

.(11)

Интегрируя выражение (11) при , можно получить среднеинтегральное значение осевых напряжений :

.(12)

В предельном состоянии () формула (12) приобретает следующий вид:

.(13)

Рисунок 2 - Распределение контактных поперечных относительных напряжений по линии сплавления модели при различных значениях

Отношение условимся называть коэффициентом механического упрочнения мягкой части модели , реализуемого в результате стесненного плоского деформированного и сложного (объемного) напряженного состояний. При этом его величина снижается по мере удаления от линии сплавления модели.

Рисунок 3 - Графики зависимости относительных осевых напряжений (а) и (б) от относительной координаты

С уменьшением величины значение значительно повышается. Однако, параметр в каждом конкретном случае механической неоднородности является величиной постоянной, в среднем величина .

Полученные закономерности напряженного состояния являются причиной разрушений рассматриваемой модели вне зоны линии сплавления .

Далее рассмотрим особенности напряженного состояния в окрестности линии сплавления модели со стороны твердой части.

Толщину участка твердой части модели со сложным напряженным состоянием обозначим через безразмерный параметр . Тогда касательные напряжения в объеме будут определяться следующей формулой:

.(14)

По аналогии с предыдущим решением находим относительные поперечные напряжения :

.(15)

В этом случае условие пластичности Мизеса дает:

.(16)

Среднеинтегральное напряжение , соответствующее формуле (16), равно (при и ):

,(17)

где коэффициент механического разупрочнения, реализуемого из-за возникновения объемного напряженного состояния с шаровым тензором, меньшим, чем при одноосном напряженном состоянии. К примеру, при величина .

На рисунке 3, б представлены графики зависимости осевых напряжений по линии сплавления модели для твердой части.

В отличие от напряжений в твердой части модели осевые напряжения уменьшаются при 1,0. При этом чем меньше , тем выше степень указанного снижения осевых напряжений в области .

Реализация такого напряженного состояния заметно снижает шаровую часть тензора напряжений .

В работе также рассмотрены особенности напряженного и предельного состояний осесимметричных элементов (рисунок 4).

Рисунок 4 - Осесимметричные двухкомпонентные разнородные круглые (а) и цилиндрические (б) элементы

Алгоритм решения задачи о напряженном состоянии осесимметричных элементов аналогичен предыдущему для плоской деформации.

Механизмы упрочнения мягкой и разупрочнения твердой частей моделей одинаковы. Отмечается лишь некоторое количественное различие в коэффициентах и в сравнении с таковыми, полученными для плоской деформации двухкомпонентной разнородной модели.

Установлено, что в двухкомпонентных разномодульных цилиндрических элементах при упругих деформациях возникают краевые силы и моменты . В работе получены формулы для оценки и , которые способствуют снижению их несущей способности.

Третья глава посвящена разработке расчетных методов оценки напряженного состояния и несущей способности конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования, для которых характерна многокомпонентная разнородность.

Наиболее характерна многокомпонентная разнородность для конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования из стали марок 15Х5М и 15Х5МУ, выполненных аустенитными электродами (рисунок 5).

Рисунок 5 Схемы многокомпонентных разнородных конструктивных элементов и распределение твердости сварных соединений стали марок 15Х5МУ и 15Х5М: а сварка с подогревом 300…350 ^оС б - сварка с сопутствующим охлаждением

При сварке стали 15Х5МУ с подогревом схема структурно-механической неоднородности неблагоприятная (см. рисунок 5, а) за счет увеличения ширины наиболее твердой и хрупкой околошовной зоны подкалки (ОТ) и появления участков разупрочнения (М1). Характерная схема многокомпонентной разнородности при сварке сталей типа 15Х5М с регулированием термических циклов за счет сопутствующего принудительного охлаждения (водовоздушной смесью) показана на рисунке 5, б. Более простые схемы разнородных конструктивных элементов показаны на рисунках 6 и 7.

Рисунок 6 - Цилиндрический элемент (обечайка) (под давлением Р) с продольной мягкой (М) и твердой (Т) прослойками (а) и его расчетная схема (б)

Рисунок 7 - Схемы цилиндра (а) и круглого образца (б) с осесимметричной твердой (мягкой) прослойкой

Определенный практический интерес представляет разнородная модель, представленная на рисунке 8.

Рисунок 8 - Модель с мягкой прослойкой, закрепленной с твердыми частями различной прочности и

В отличие от предыдущей задачи (глава 2) здесь имеются две линии сплавления. Для плоской деформации введем следующие безразмерные параметры: .

В этом случае относительные касательные напряжения в объеме мягких и твердых прослоек определяются по формулам:

;(18)

,(19)

где предельные номинальные напряжения. Для соединения с твердой прослойкой .

Интегрируя уравнение равновесия (3) с учетом формул (18) и (19) при и , получаем:

;(20)

,(21)

где .

Условие пластичности Мизеса, в первую очередь, удовлетворяется при и = . Поэтому осевые напряжения будем определять в центральной части прослоек (при ), где касательные напряжения равны нулю .

В этом случае условие пластичности имеет вид:

(22)

Тогда, рассматривая уравнения (20) (22), получаем:

;(23)

,(24)

где .

В предельном состоянии () уравнениям (23) и (24) соответствуют следующие формулы для определения среднеинтегральных напряжений :

;(25)

.(26)

Из полученных формул (25) и (26) вытекают следующие выражения для оценки коэффициентов механического упрочнения мягких и разупрочнения твердых прослоек:

;(27)

.(28)

В дальнейшем решены задачи о напряженном и предельном состояниях осесимметричных элементов в виде круглого стержня и цилиндра с поперечными твердыми и мягкими прослойками. Показано, что соответствующие значения К_му и К_мр для стержней и цилиндров отличаются незначительно.

В работе дан полный анализ большинства характеристик тензора напряжений. В частности, получены формулы для определения коэффициента жесткости напряженного состояния

: ,

где гидростатическое давление (среднее напряжение); интенсивность напряжений. Как известно, величина предопределяет характеристики работоспособности разнородных конструктивных элементов нефтехимического оборудования.

В частности, для центральной части мягких и твердых прослоек при плоской деформации величина определяется по формулам (при ):

;(29)

.(30)

Как и следовало ожидать, с уменьшением параметра коэффициент жесткости напряженного состояния в мягкой прослойке значительно возрастает (рисунок 9, а). Для модели с твердой прослойкой, наоборот, с уменьшением параметра величина уменьшается (рисунок 9, б).

Эти факторы являются причинами повышения прочности мягких и разупрочнения твердых прослоек.

В формулах (29) и (30) величина соответствует параметру для однородных конструктивных элементов в условиях плоской деформации.

В работе получены обобщенные аналитические зависимости для определения для произвольной схемы деформации.

Важными параметрами прослоек являются их критические (допускаемые) относительные толщины и . Как известно, при прочность конструктивного элемента достигает прочности основного (твердого) металла ( или ). Если , то металл твердой прослойки полностью вовлекается в пластическую деформацию, повышая деформационную способность конструктивного элемента.

Рисунок 9 - Графики зависимости коэффициента жесткости напряженного состояния от относительной толщины мягкой (а) и твердой (б) прослоек

Для определения получена следующая формула:

,(31)

где а_м - константа; ; - коэффициент механической неоднородности, определяемый с учетом многокомпонентности разнородного соединения.

Для схемы, представленной на рисунке 6, К_вэ = К_в. Аналогичные зависимости получены и для определения для более сложных разнородных соединений (см. рисунки 5, 8), включая композиционные мягкие прослойки.

На рисунке 10 показаны зависимости . Как видно, данные формулы (31) консервативны по отношению к данным других авторов, что подтверждается результатами натурных испытаний (Р.С. Зайнуллин и др.). Расчеты показывают, что наличие участков ОТ в моделях (см. рисунок 5) значительно повышает несущую способность конструктивных элементов с мягкими прослойками. При этом соответственно увеличиваются критические значения .

Рисунок 10 - Графики зависимости от параметра : 1 - Бакши О.А.; 2 - по формуле (31)

Для расчетов в работе получена аналитическая зависимость:

,(32)

где а_т - константа; ; .

График зависимости от показан на рисунке 11.

Расчетная формула (32) подтверждает имеющиеся экспериментальные данные, полученные путем непосредственного замера остаточных деформаций в твердых прослойках моделей сварных образцов (_), сварных пластин (^) и натурных сварных сосудов (?) из стали 15Х5М (15Х5МУ).

В ряде случаев при ремонтной сварке мягкие прослойки могут иметь незначительную протяженность .

Рисунок 11 - График зависимости от параметра

Вследствие «поддерживающего» эффекта уменьшение протяженности мягких продольных и кольцевых швов приводит к значительному росту несущей способности конструктивных элементов.

В работе установлено, что прочность конструктивных элементов с короткими мягкими прослойками определяется по формуле:

,

где и - соответственно временное сопротивление конструктивного элемента и мягкой прослойки; - коэффициент механического упрочнения мягкой прослойки; - коэффициент, учитывающий «поддерживающий» эффект. В работе получены аналитические зависимости для определения для продольных и кольцевых коротких мягких прослоек.

Кроме этого, в работе рассмотрены особенности напряженного состояния разномодульных цилиндрических конструктивных элементов с мягкими и твердыми прослойками с позиции подходов теории оболочек.

Базируясь на основных подходах краевой задачи теории тонких оболочек, определены краевые силы и моменты в окрестности линий сплавления разномодульных цилиндров. Установлено, что при сближении линий сплавления твердых прослоек (или при уменьшении их относительной толщины) величины и уменьшаются, что способствует повышению несущей способности конструктивного элемента.

Четвертая глава посвящена разработке методик оценки остаточного ресурса конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей.

На основе проведенного анализа обширных данных по фактическим механическим отказам на крупных нефтехимических комплексах установлено, что основными повреждающими факторами являются пониженная трещиностойкость сварных элементов, общая и локализованная механохимическая коррозия, температурное разупрочнение (ползучесть) и др.

В процессе эксплуатации нефтегазохимического оборудования в его конструктивных элементах появляются различные коррозионные повреждения, вызывающие общее (равномерное или неравномерное) и локализованное (в результате язвенной, канавочной и питтинговой коррозии, коррозионного растрескивания и др.) снижение их рабочих сечений, несущей способности и долговечности. В связи с этим возникают две взаимосвязанные и сложные проблемы установления степени снижения несущей способности и долговечности конструктивных элементов с различными коррозионными повреждениями. Такие сведения необходимы для принятия обоснованных технических решений по дальнейшей эксплуатации нефтегазохимического оборудования с соблюдением всех требований промышленной и экологической безопасности.

В работе установлены основные закономерности напряженного состояния и разрушения конструктивных элементов с локальными утонениями стенок труб, вызванными общей, язвенной, канавочной и питтинговой коррозией.

Установлено, что в средах, не вызывающих растрескивания, разрушающее давление (окружное напряжение ) конструктивных элементов с характерными коррозионными повреждениями определяется степенью снижения их рабочего сечения, которая оценивается относительной глубиной m_h (m_h = H_к / S₀, где H_к и S₀ средняя глубина повреждения и толщина стенки элемента) и длиной m (m = _к / D, где _к и D средняя длина повреждения и диаметр конструктивного элемента). При m > 1,0 коэффициент прочности элемента уменьшается ( разрушающее окружное напряжение). Снижение протяженности повреждения (m < 1,0) приводит к росту несущей способности элемента.

Острые коррозионные повреждения в сочетании с охрупчивающим действием рабочих сред могут дополнительно снижать несущую способность. В этом случае коэффициент прочности конструктивного элемента определяется по формуле

,(33)

где _тр - коэффициент трещиностойкости, определяемый на малогабаритных (S₀ЧS₀) образцах с острыми надрезами, при m_h = 0,5 (ГУП «ИПТЭР»). Экспериментально установлено, что для жаропрочных хромистых сталей _тр изменяется в пределах 0,9…1,0. Для сварных швов, выполненных аустенитными электродами по предлагаемой технологии, _тр = 1,0. Наименьшую трещиностойкость имеет металл в зонах термического влияния (зонах подкалки), для которых _тр = 0,6…0,7.

На следующем этапе работы произведена оценка влияния начальной поврежденности конструктивных элементов на ресурс оборудования с различными коррозионными повреждениями. Показано, что наличие исходных повреждений значительно снижает период эксплуатации. При этом указанный факт проявляется тем в большей степени, чем выше степень локальной перенапряженности, реализуемой в окрестности вершины повреждений.

Особый интерес и сложность представляет оценка долговечности конструктивных элементов с мягкими прослойками в условиях механохимической повреждаемости. Одной из сложностей решаемой задачи является оценка предельных деформаций в металле мягкой прослойки, поскольку из-за механического стеснения величина должна уменьшаться.

На основе анализа литературных данных и результатов проведенных собственных исследований получена следующая формула для определения для конструктивных элементов оболочкового типа:

.(34)

Как известно, при растяжении однородного круглого стержня . С учетом механического стеснения:

.(35)

При по формуле (35) . Этот факт объясняется тем, что при контактные упрочнения мягкой прослойки практически отсутствуют и мягкий металл ведет себя как однородный. Графики зависимости от показаны на рисунке 12.

Рисунок 12 - Графики зависимости от : 1 - по формуле (34); 2 - Ю.И. Анисимов

На основании выполненного анализа кинетики механохимической повреждаемости при длительном статическом нагружении конструктивных элементов с мягкими прослойками получена следующая формула для определения долговечности (времени до разрушения ):

,(36)

где - начальное напряжение; скорость коррозии ненапряженного металла; - временное сопротивление элемента с мягкой прослойкой, рассчитываемое на основании данных главы 3; и окружное и осевое (меридиональное) напряжения; универсальная газовая постоянная; мольный объем стали; абсолютная температура; - константа стали.

На рисунке 13 построены графики зависимости на основании формулы (36) для круглого стержня с мягкой прослойкой. Там же даны экспериментальные данные испытаний круглых стержней с мягкими прослойками (Р.С. Зайнуллин).

Отмечается достаточно хорошая сходимость теоретических и экспериментальных данных. При этом с уменьшением величина возрастает более чем в три раза. При отмечается перенос места разрушения с мягкого металла на основной более прочный металл.



Рисунок 13 - Графики зависимости времени до разрушения круглых образцов с мягкой прослойкой при длительных испытаниях в растворе соляной кислоты: 1 - расчет без учета механохимической коррозии; 2 - расчет по формуле (36); эксперимент Р.С. Зайнуллина

Неучет механохимического эффекта приводит к существенному завышению долговечности образцов (кривая 1).

Величина в формуле (36) определялась на основании данных главы 3 по формуле

,(37)

где ; . При этих данных равнопрочность элемента достигается при .

Графики зависимости (37) показаны на рисунке 14. Полученная формула (37) наиболее адекватно отвечает эксперименту.



Рисунок 14 - Графики зависимости временного сопротивления круглого стержня с мягкой прослойкой от ее относительной толщины : 1 - О.А. Бакши; 2 - Р.С. Зайнуллин; 3 - по формуле (37); 4 - эксперимент Р.С. Зайнуллина

Для оценки малоцикловой долговечности конструктивных элементов с мягкими прослойками в работе обоснована следующая аналитическая зависимость:

,(38)

где - определяется по данным главы 3; - коэффициент запаса прочности по временному сопротивлению с учетом контактного упрочнения мягкой прослойки . При достигаются равнопрочность конструктивного элемента с мягкой прослойкой и максимальное значение .

Расчеты показывают, что с уменьшением долговечность конструктивных элементов значительно возрастает.

На основании описанного метода в работе произведена оценка степени опасности возможных трещин в твердых прослойках. Показано, что с уменьшением относительной толщины твердых прослоек отмечается значительный рост циклической долговечности конструктивных элементов нефтехимического оборудования.

Доказано, что при обеспечении в конструктивных элементах твердых прослоек с критическими достигается не только равнопрочность, но и их равнопластичность.

В дальнейшем произведена оценка долговечности конструктивных элементов нефтехимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей в условиях одновременного действия высоких температур и механохимической коррозии.

Базируясь на основных положениях механохимии и ползучести металлов, в работе получена следующая формула для определения времени до наступления предельного состояния конструктивных элементов, работающих в условиях механохимической коррозии и действия высоких температур при длительном статическом нагружении:

,(39)

где рабочее окружное напряжение; допускаемое напряжение при температуре 20 C; механохимический параметр; коэффициент температурного разупрочнения при длительном статическом нагружении.

Величина в (39) определяется по формуле

.(40)

Для оценки коэффициента термического разупрочнения получена эмпирическая формула:

,(41)

где а и в - эмпирические константы; ; и - текущая и базовая температуры. Установлено, что для исследованных сталей …; ….

Анализ формулы (39) показывает, что с увеличением температуры эксплуатации механохимический эффект заметно снижается вследствие уменьшения уровня действующих напряжений и параметра . Кроме этого в работе дан алгоритм решаемой задачи с позиции подходов теории ползучести.

Анализ литературных данных (ОАО «ВНИИНЕФТЕМАШ») и результатов проведенных собственных испытаний на длительную прочность основных жаропрочных хромистых сталей и их сварных соединений показывает, что для оценки долговечности (времени до разрушения ) конструктивных элементов может быть использована следующая формула:

,(42)

где и - константы, определяемые экспериментально (таблица 1).

Таблица 1 - Параметры длительной прочности жаропрочных хромистых сталей

Марка стали	15Х5М	15Х5МУ	12Х5ВФ	12Х2М1	12Х8ВФ	12Х9М
А, МПа	Т = 550 C	260	387	256	400	272	308
m		- 0,115	- 0,137	- 0,140	- 0,128	- 0,127	- 0,113
, МПа		69	80	50	92	63,3	84
А, МПа	Т = 600 C	205	321	202	330	220	280
m		- 0,138	- 0,176	- 0,152	- 0,156	- 0,146	- 0,130
, МПа		42	42	35	55	41	63

Остаточный ресурс безопасной эксплуатации для сварных конструктивных элементов:

.(43)

Для сварных соединений, в частности, из стали 15Х5М, выполненных аустенитными электродами, параметр m больше (по абсолютной величине), чем для основного металла (таблица 2). Как видно, наименьшее значение коэффициента m соответствует сварным соединениям, выполненным по предлагаемой технологии (см. колонку I таблицы 2). При этом коэффициент прочности сварных соединений оказывается наибольшим ().

Таблица 2 - Характеристики длительной прочности сварных элементов из стали 15Х5М при T = 550 C

Тип образца	m	A, МПа	, МПа
ОМ	- 0,115	260	69	1,0
I	- 0,124	-//-	62	0,9
II	- 0,148	-//-	47	0,68
III	- 0,176	-//-	34	0,49

Примечание. Здесь ОМ - основной металл; I - полуавтоматическая сварка в среде защитных газов (Ar + CO₂) c сопутствующим охлаждением; II - сварка электродами АНЖР-2; III - сварка электродами ОЗЛ-6; коэффициент прочности сварных элементов по .

При оценке возможности обеспечения условий безопасности эксплуатации потенциально опасных объектов, в особенности взрывопожароопасных производств нефтегазовой отрасли, весьма актуально обоснованно устанавливать параметры предельного состояния по различным диагностическим параметрам. Для разнородных соединений характерна ярко выраженная неоднородность свойств, обусловленная закалочными и диффузионными процессами, происходящими при сварке и последующей длительной эксплуатации. В работе получены аналитические зависимости для оценки допускаемых геометрических и механических параметров диффузионных мягких (ДМП) обезуглероженных и твердых (ДТП) науглероженных прослоек в разнородных соединениях трубопроводов из специальных теплоустойчивых и жаропрочных сталей с высоколегированными нержавеющими сталями (типа 08Х13 и 08Х18Н10Т). Установленные пределы характеристик ДМП и ДТП, а также закономерности напряженного состояния в окрестностях линии сплавления из сталей феррито-перлитной и аустенитной структуры могут быть использованы как диагностические параметры для оценки технического состояния и остаточного ресурса дальнейшей безопасной эксплуатации оборудования нефтегазового комплекса.

Полученные результаты доведены до практического использования в виде разработки методических рекомендаций по оценке ресурса безопасной эксплуатации по критериям длительной прочности, механохимической повреждаемости, долговечности при малоцикловом нагружении и внедрения стандарта предприятия - изготовителя оборудования.

Пятая глава посвящена разработке и внедрению ресурсосберегающих технологий ремонта нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей.

Одной из актуальных и важных проблем нефтехимических производств является возможность восстановления работоспособности объектов после аварийной остановки вследствие непредвиденных пожаров.

В работе научно обосновано применение технологии восстановления работоспособности змеевика из стали 15Х5М крупногабаритной печи установки АВТМ-9 Ново-Уфимского нефтеперерабатывающего завода после пожара путем объемной термообработки его по режиму высокого отпуска от собственных горелок печи с обязательным выполнением рекомендуемых специальных технологических мероприятий (рисунок 15).

Рисунок 15 - Графики термических воздействий на трубы и режимы высокого отпуска объемной термической обработки змеевика печи: 1 - регламентируемый НТД; 2 - закаленные трубы с твердостью 360…410 HB; 3 - участки крутоизогнутых калачей с твердостью труб ниже 200 HB

Очень низкие вязкопластичные свойства по относительному удлинению и сужению образцов, вырезанных из охрупченных участков трубчатого змеевика, можно объяснить образованием закалочных структур вследствие резкого охлаждения при пожаротушении. Наиболее опасными с этой точки зрения являются сварные соединения, которые находятся в сложнонапряженном состоянии из-за наличия в них твердых участков (твердых прослоек) с неравновесной структурой мартенситного характера (рисунок 16, а; вариант 1), насыщенных различными трещиноподобными дефектами, склонными к развитию в процессе эксплуатации. С этой точки зрения, надежность безопасной эксплуатации трубчатого змеевика, выполненного из стали 15Х5М, в первую очередь, определяется напряженно-деформированным состоянием сварных соединений.

Вариант 1

а) НВ = 360…410 б) НВ = 337…380

Вариант 2

а) НВ = 227…249 б) НВ = 153…198

Рисунок 16 - Микроструктуры (х 200) различных участков сварного стыка печного змеевика из стали 15Х5М: а - шов; б - основной металл; 1 после пожаротушения; 2 - после высокого отпуска;

Установлено, что металл труб змеевика печи, практически полностью охрупченный при пожаре, за счет разработанной технологии объемной термической обработки восстановил регламентируемые нормативными документами характеристики работоспособности.

Полученные после объёмной термической обработки по режиму высокого отпуска механические свойства основного металла и сварных соединений обеспечивают возможность безопасной эксплуатации нагревательной печи. При этом твердость закаленных участков труб, подвергшихся воздействию огня пожара в печи, снизилась до нормативных значений и произошло образование структуры металла (рисунок 16, вариант 2) с повышенными прочностными и вязкопластичными свойствами. Структура металла восстановленных участков труб и сварных швов после высокого отпуска стала равновесной мелкозернистой с равномерным распределением упрочняющих зернистых карбидов. Твердость металла охрупченных труб с 360…410 НВ уменьшилась до 153…198 НВ.

Выполненная впервые в производственных условиях нефтеперерабатывающего завода объемная термическая обработка по восстановлению работоспособности крупногабаритного змеевика трубчатой печи позволила сэкономить 1,7 км труб диаметром 273Ч10 мм из жаропрочной стали марки 15Х5М. За счет снижения трудоемкости строительно-монтажных работ по демонтажу и монтажу при замене охрупченных участков змеевика получен экономический эффект более 8 млн рублей в ценах 2000 г.

В работе показано, что в ряде случаев вместо предварительной термообработки целесообразно применение вибрационной обработки сварного соединения из стали 15Х5М. Установлено, что вибрационная обработка при сварке однородными электродами позволяет снизить величину остаточных напряжений до 25 % и повысить трещиностойкость сварных соединений до последующей высокотемпературной термической обработки (рисунок 17).

Рисунок 17 - Распределение микротвердости (а), остаточных напряжений: (б) и микроструктуры сварного шва ( 300) после высокого отпуска при сварке с подогревом (в) и виброобработкой (г)

Для выполнения ремонтно-сварочных работ при восстановлении работоспособности конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования в работе обосновано применение полуавтоматической сварки (рисунок 18) в смеси защитных газов (аргона и углекислого газа).

а) б) в)

Рисунок 18 - Заварка дефектов типа «каверна» полуавтоматической сваркой в среде СО₂ (а) и микроструктуры околошовной зоны под дефектом (Ч 200) при сварке без давления (б) и под давлением рабочей среды (в)

...