Научные основы обеспечения безопасности эксплуатации оборудования из жаропрочных хромистых сталей

Технология газоэлектрической сварки сварочной проволокой повышает (с точки зрения водородной теории хрупкости) стойкость сварных соединений к холодным трещинам. Снижение содержания водорода достигается применением осушенных газов и проволоки с чистой поверхностью без покрытия. Кроме того, механизированная дуговая сварка в среде защитного газа плавящимся электродом имеет ряд весьма существенных преимуществ, например, в ремонтном производстве. Использование сварочной проволоки малого диаметра и высокая плотность тока при этом будут способствовать увеличению провара, качественному исправлению дефектных сварных стыков и других видов повреждений (коррозионных язв, трещин, рисок и т.п.).

Проведенные исследования зависимости разрушающего напряжения (давления) от остаточной толщины стенки трубы под дефектом при его заварке под давлением перекачиваемой среды показали, что при полуавтоматической сварке в среде углекислого газа опасность прожога уменьшается в 2,0…2,4 раза по сравнению с ручной электродуговой сваркой электродами диаметром 3 мм и в 3,0…3,5 раза при сварке электродами диаметром 4 мм. Исследования качества наплавленных швов при заварке коррозионных язв в различных пространственных положениях показали, что сварка в среде защитного газа способствует созданию условий для более безопасного ведения ремонтно-сварочных работ и при этом обеспечивается регламентируемый уровень свойств сварных соединений. При заварке повреждений металла труб за счет благоприятного воздействия на металл околошовных зон внутреннего давления в определенных пределах нагружения и охлаждающего влияния защитного газа, рабочей среды в трубопроводе возможно повышение трещиностойкости сварных соединений закаливающихся хромомолибденовых сталей (таблица 3).

Таким образом, преднамеренное пластическое деформирование сварного соединения в сочетании с регулированием термических циклов сварки может способствовать повышению трещиностойкости и, соответственно, ресурса безопасной эксплуатации нефтегазохимического оборудования из жаропрочных склонных к закалке сталей и сплавов, легированных стойкими карбидообразующими элементами. Комплексными экспериментальными исследованиями доказана возможность устранения коррозионных повреждений напряженных конструктивных элементов.

Таблица 3 Механические свойства образцов с заваренными повреждениями типа «каверна» на сосуде из стали 15Х5М полуавтоматической сваркой в СО₂ (среда нефть)

Выполнение ремонтно-восстановительных сварочных работ на конструктивных элементах нефтегазохимического оборудования с применением вибрационной обработки сварного соединения и ремонтных сварочных работ под давлением рабочей среды за счет благоприятных изменений структурно-механической неоднородности способствует обеспечению работоспособности и продлению ресурса безопасной эксплуатации. Механизмы влияний на структурно-фазовые превращения хромистых жаропрочных сталей мартенситного класса при этих технологических приемах ремонтных работ как по отдельности, так и в совокупности аналогичны. Создание дополнительных напряжений в зоне заварки повреждений от вибрационной нагрузки или внутреннего давления способствует высокотемпературному распаду хромистого аустенита малоуглеродистых хромистых сталей типа 15Х5М. Фазовые превращения в условиях воздействия сварочного термического цикла при непрерывном охлаждении необходимо рассматривать как квазистационарные, протекающие ступенчато при изотермических условиях. Преднамеренное приложение растягивающих напряжений от виброобработки и внутреннего давления интенсифицирует превращения аустенита при высоких температурах сварочного нагрева. Следовательно, в околошовных зонах подкалки будет меньше фазового наклепа металла, а интенсивный отвод тепла из зон сварки рабочей средой помимо уменьшения ширины хрупких участков в ЗТВ будет способствовать получению измельченной структуры с более высокой пластичностью и трещиностойкостью.

Отмеченные факторы подтверждены экспериментальными исследованиями возможности проведения ремонта сваркой на сосудах из стали 15Х5М, находящихся под внутренним давлением.

Установлено, что в отдельных зонах в сварных элементах происходит снижение до 50 % и выше остаточных напряжений. Получены соответствующие формулы для определения степени снижения остаточных напряжений при выполнении ремонтно-сварочных работ на напряженных конструктивных элементах.

По исследованным технологиям восстановления работоспособности конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования создан комплекс нормативно-технических документов, регламентирующих повышение характеристик безопасности дальнейшей эксплуатации. В этих руководящих документах регламентированы конструктивные формы и размеры элементов подготовки кромок, последовательность и требования к сборке, допустимые параметры твердых прослоек во взаимосвязи с геометрическими размерами и степенью их механической неоднородности. Кроме того, в них отражены порядок выполнения сварки, выбор сварочных материалов и рекомендуемые режимы сварки, параметры сопутствующего охлаждения и виброобработки с учетом толщины металла свариваемых элементов и рабочих условий эксплуатации.

долговечность нефтегазохимический термообработка сталь

Основные выводы

1. Разнородность конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей создает особые трудности для обеспечения безопасности их эксплуатации, обусловленные реализацией определенных зон с пониженной трещиностойкостью и различиями в напряженно-деформированных состояниях, что особенно актуально при воздействии водородсодержащих рабочих сред и механохимической коррозии, циклических нагрузок и высоких температур.

С целью снижения негативного проявления разнородности необходима разработка нетрадиционных технологий ремонта нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей.

На основании обширного анализа литературных данных по влиянию разнородности на работоспособность конструктивных элементов систематизированы и получены новые сведения о механизме контактных явлений на линиях сплавления металлов с отличающимися механическими характеристиками. В частности, показано, что касательные напряжения на плоскостях сплавления (или плоскостях, разделяющих разнородные участки) непостоянны и изменяются по сложным зависимостям, характер которых зависит от размеров и степени разнородности отдельных участков (прослоек).

В ряде случаев конструктивные элементы оборудования из жаропрочных хромистых сталей приобретают многокомпонентные неоднородности, параметры которых зависят от длительности эксплуатации.

2. Базируясь на установленных закономерностях распределения касательных напряжений на линиях сплавления разнородных металлов, впервые решена задача о напряженном состоянии двухкомпонентной разнородной модели при плоской и осесимметричной деформациях применительно к различным конструктивным элементам нефтегазохимического оборудования оболочкового типа различной формы.

Получены аналитические зависимости для расчетов коэффициентов упрочнения мягкой и разупрочнения твердой частей двухкомпонентной разнородной модели, а также коэффициентов жесткости напряженного состояния в ее объеме.

Полученные результаты легли в основу разработанных методов расчета напряженного и предельного состояний многокомпонентных разнородных конструктивных элементов нефтехимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей.

Выведены аналитические зависимости для расчетов краевых сил и моментов в окрестности линии сплавления двух разномодульных металлов.

3. Используя результаты предыдущих исследований и основные подходы деформационной теории пластичности идеально-пластических материалов, произведена уточненная оценка основных компонентов тензора напряжений в мягких и твердых прослойках многокомпонентной разнородной модели при плоской и осесимметричной деформациях.

Получены формулы для расчетного определения коэффициентов жесткости напряженного состояния, которые предопределяют степень упрочнения мягких и разупрочнения твердых прослоек разнородных моделей конструктивных элементов.

Определена взаимосвязь критических параметров многокомпонентных разнородных моделей, при которых обеспечивается перенос места разрушения с разнородного шва конструктивного элемента на основной металл.

Впервые дана расчетная оценка напряженного и предельного состояний мягких прослоек, прочно скрепленных двумя частями с различными прочностными характеристиками.

Установлены и описаны основные закономерности влияния протяженности продольных мягких и твердых прослоек в составе цилиндрических и сферических сосудов и аппаратов. Показано, что уменьшение протяженности мягких и твердых прослоек значительно увеличивает несущую способность сосудов и аппаратов. Этот факт открывает новые возможности применения ремонтно-сварочных работ на действующем оборудовании (в напряженном состоянии).

Методами краевой задачи теории тонких оболочек вращения впервые решена задача о напряженном состоянии разномодульных конструктивных элементов с мягкими и твердыми прослойками. Показано, что с уменьшением относительной толщины мягких и твердых прослоек происходит значительное снижение краевых сил и моментов, следовательно, повышаются характеристики работоспособности конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования.

4. Произведена оценка долговечности конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования без коррозионных повреждений и с учетом коррозионных повреждений.

Получены аналитические зависимости для определения долговечности оборудования с трещинами при длительном статическом и циклическом нагружениях с учетом повышенных температур и механохимической повреждаемости.

Произведена оценка долговечности конструктивных элементов с мягкими прослойками при длительном статическом и циклическом нагружениях с учетом механохимической коррозии и действия высоких температур.

Установлены основные закономерности формирования характеристик безопасности конструктивных элементов с твердыми прослойками, в том числе с учетом наличия в них трещин.

Получены расчетные зависимости по оценке допускаемых геометрических и механических характеристик диффузионно-мягких и твердых прослоек, обеспечивающих безопасность эксплуатации разнородных соединений жаропрочных хромистых сталей с высоколегированными нержавеющими сталями. Обоснованы технологические мероприятия, основанные на регулировании установленных параметров неоднородности.

5. Разработан и научно обоснован технологический процесс объемной термообработки крупногабаритных змеевиков из стали 15Х5М печей после аварийного пожара, в результате чего происходит полное восстановление характеристики безопасности их эксплуатации.

Разработана технология ремонта нефтехимического оборудования из сталей типа 15Х5М с применением вибрационной обработки, позволяющая обеспечивать технологическую прочность сварных конструктивных элементов.

Установлена целесообразность применения полуавтоматической сварки в среде защитных газов при ремонте конструктивных элементов из сталей типа 15Х5М.

Доказана возможность ремонта технологических трубопроводов без остановки работы технологических установок.

Показано, что при применении разработанной технологии ремонтно-сварочных работ происходит снижение до 50 % остаточных напряжений, что значительно повышает как технологическую, так и эксплуатационную прочность и характеристики безопасности объектов нефтехимических производств. Получены формулы для оценки степени снижения остаточных напряжений в зависимости от величины окружных напряжений при устранении коррозионных повреждений цилиндрических и сферических сосудов.

Разработана нормативная база по обеспечению безопасности эксплуатации нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей типа 15Х5М регламентацией прогнозируемого и остаточного ресурсов и ресурсосберегающих технологий.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах

1. Халимов А.А. Вопросы технологии сварки элементов трубопроводов из стали 15Х5М при ремонте // Проблемы нефтегазового комплекса России. Матер. Всеросс. научн.-техн. конф. - Уфа: УГНТУ, 1995. - С. 23-33.

2. Зайнуллин Р.С. и др. Методика определения трещиностойкости сварных соединений из закаливающихся сталей / P.С. Зайнуллин, А.А. Халимов, А.Г. Халимов. - Уфа: УГНТУ, 1996. - 27 с.

3. Халимов А.А., Коваленко В.В., Закареев P.P. Исследование процессов зарождения и развития холодных трещин закаливающихся хромомолибденовых сталей // Матер. 48-ой научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (Секция технологическая). - Уфа: УГНТУ, 1997. - С. 143-144.

4. Зайнуллин P.С., Халимов А.А. Особенности формирования остаточных напряжений при ремонте сваркой сосудов и аппаратов из стали 15Х5М под давлением // Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий. Матер. научн.-техн. конф. - Уфа: УГНТУ, 1997. - С. 79-83.

5. Халимов А.А., Зайнуллин Р.С., Халимов А.Г. Диагностика разрушений сварных соединений жаропрочной стали 15Х5М // Проблемы механики сплошных сред в системах добычи и транспорта нефти и газа. По материалам Конгресса нефтегазопромышленников России. - Уфа: ИПК Госсобрания РБ, 1998. - С. 92-104.

6. Методика оценки технического состояния и определения срока эксплуатации печей установок каталитического крекинга, отработавших проектный ресурс / А.А. Халимов, Ю.С. Медведев, Н.М. Королев и др. М.: ВНИИнефтемаш, 1998. - 13 с.

7. Зайнуллин P.С., Халимов А.А. Оценка остаточных напряжений при ремонте под давлением сосудов и аппаратов из стали 15Х5М // Шаг в XXI век. Тез. докл. III междунар. конгресса «Защита-98» (Секция № 2). - М.: Нефть и газ, 1998. - С. 69-70.

8. Зайнуллин P.С., Халимов А.А. Ремонт сваркой элементов оборудования из стали 15Х5М без опорожнения от продукта // Обеспечение работоспособности нефтяной аппаратуры. - Уфа: УГНТУ, 1999. - С. 43-56.

9. Зайнуллин P.С., Мулкаманов М.М., Халимов А.А. Особенности формирования сварочных напряжений при приварке накладных усилительных элементов на трубы и сосуды, находящиеся под давлением // Обеспечение работоспособности нефтепроводов и сосудов давления. - Уфа: УГНТУ, 1999. - С. 87-103.

10. Зайнуллин Р.С., Халимов А.А., Халимов А.Г. Особенности ремонта нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромомолибденовых сталей // Обеспечение работоспособности нефтепроводов и сосудов давления. - Уфа: УГНТУ, 1999. - С. 52-61.

11. Халимов А.А. Технология ремонта конструктивных элементов нефтехимического оборудования из стали 15Х5М: Автореф. … канд. техн. наук. - Уфа: УГНТУ, 1999. - 19 с.

12. Методика оценки технического состояния и определения срока эксплуатации трубчатых печей нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств / А.А. Халимов, Д.Ф. Габбасов, А.Н. Бочаров и др. М.: АООТ «ВНИИнефтемаш», 2000. - 14 с.

13. Каткова Н.В., Габбасов Д.Ф., Халимов А.А. Ресурсосберегающая технология сварки технологических трубопроводов из стали 15Х5М // Промышленная и технологическая безопасность: проблемы и перспективы: Сб. научн. тр. - Уфа: ГУП «Уфимский полиграфкомбинат», 2002. - С. 177-179.

14. Халимов А.Г., Зайнуллин Р.С., Халимов А.А. и др. Ресурсосберегающая технология изготовления и ремонта нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей // Нефтегазовое дело. - 2003. - № 1. - С. 279-289.

15. Халимов А.А., Халимов А.Г. Работоспособность нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей // Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сб. научн. статей. - Уфа: УГНТУ, 2003. - № 14. - С. 85-97.

16. Халимов А.А. Оценка напряженного состояния цилиндрических сосудов с разномодульными прослойками // Прикладная механика механохимического разрушения (ПММР): Научно-практическое издание. - Уфа: ПММР, 2003. - № 3. - С. 16-21.

17. Зайнуллин Р.С., Халимов А.А. Оценка скорости механохимической повреждаемости металла в высокотемпературных средах // Прикладная механика механохимического разрушения (ПММР): Научно-практическое издание. - Уфа: ПММР, 2003. - № 3. - С. 37-38.

18. Халимов А.А. Основы расчета ресурса высокотемпературной аппаратуры в условиях механохимической коррозии // Прикладная механика механохимического разрушения (ПММР): Научно-практическое издание. - Уфа: ПММР, 2003. - № 3. - С. 38-39.

19. Оценка технического состояния и ресурса нефтегазохимического оборудования и трубопроводов / Р.С. Зайнуллин, А.Г. Гумеров, А.А. Халимов и др. М.: Недра, 2004. - 286 с.

20. Халимов А.А., Вахитов А.Г., Зайнуллин Р.С. и др. Ресурсосберегающая технология сварки стали 15Х5М // Технологическое обеспечение безопасности нефтегазохимического оборудования. - Уфа: Транстэк, 2005. - С. 120-137.

21. Халимов А.А., Зайнуллин Р.С., Вахитов А.Г. и др. Технология заварки повреждений на сосудах, находящихся под давлением // Технологическое обеспечение безопасности нефтегазохимического оборудования. - Уфа: Транстэк, 2005. - С. 137-222.

22. Халимов А.А. Проблема обеспечения работоспособности нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей // Проблемы качества и безопасности в нефтегазохимическом комплексе. - Салават: Салаватнефтемаш, 2006. - С. 19-28.

23. СТП 10-06. Технология полуавтоматической сварки жаропрочных хромомолибденовых сталей / А.А. Халимов, Н.В. Жаринова, С.Ф. Шайхулов. Уфа: ОАО «Салаватнефтемаш», 2006. - 12 с.

24. Ризванов Р.Г., Халимов А.А., Файрушин А.М., Колесников Я.А. Повышение технологической прочности сварного оборудования из стали 15Х5М // Проблемы качества и безопасности в нефтегазохимическом комплексе. - Салават: Салаватнефтемаш, 2006. - С. 29-34.

25. Абдуллин Л.Р., Халимов А.А. Оценка предельного состояния элементов нефтепромыслового оборудования (сосуды, аппараты и трубопроводы) с металлургическими несплошностями и их очагами // Нефтепромысловое дело. - 2007. - № 10. - С. 42-44.

26. Зайнуллин P.С., Халимов А.А., Абдуллин Л.Р. Оценка ресурса оборудования в условиях механохимической коррозии // Нефтегазовое дело. - 2007. - Т. 5. - № 2. - С. 155-161.

27. Основы нормирования характеристик безопасности нефтегазового оборудования и трубопроводов с учетом механической неоднородности конструктивных элементов / Л.П. Худякова, Ю.Н. Антипов, А.А. Халимов и др. Уфа: ИПТЭР, 2007. - 50 с.

28. Халимов А.А. Научные основы технологии ремонта конструктивных элементов из хромомолибденовых сталей. Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2007. - 115 с.

29. Халимов А.А., Худяков Д.С. Методика определения безопасного срока эксплуатации нефтегазохимического оборудования по данным периодических испытаний. Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2007. - 8 с.

30. СТП 3-07. Повышение безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов регулированием параметров механической неоднородности их конструктивных элементов / Д.С. Худяков, А.А. Халимов. ОАО «Салаватнефтемаш», 2007. - 8 с.

31. СТП 8-07. Технология ремонта оборудования, находящегося под давлением / А.А. Халимов. Салават: ОАО «Салаватнефтемаш», 2007. - 22 с.

32. Халимов А.А. К вопросу о старении труб из низкоуглеродистых и низколегированных сталей // Диагностика и ресурс нефтегазохимического оборудования (сосуды, аппараты и трубопроводы). - Уфа: МУП «ЦБЭСТС», 2007. - С. 24-28.

33. Зайнуллин Р.С., Халимов А.А., Халимов А.Г. К вопросу оценки трещиностойкости нефтегазохимического оборудования из теплоустойчивых и жаропрочных сталей // Остаточный ресурс нефтегазового оборудования: Сб. научн. тр. - Уфа: УГНТУ, 2007. - С. 56-64.

34. Халимов А.А., Фаизов И.Ф., Жаринова Н.В. Проблемы продления ресурса нефтегазохимической аппаратуры из двухслойных сталей // Обеспечение промышленной безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах: Сб. научн. тр. Всероссийского конкурса инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Российской Федерации. - Уфа: УГНТУ, 2007. - С. 85-90.

35. Халимов А.А. Определение остаточных напряжений после ремонта напряженных конструктивных элементов оборудования и трубопроводов // Нефтепромысловое дело. - 2008. - № 1. - С. 46-48.

36. Халимов А.Г., Зайнуллин P.С., Халимов А.А. Особенности оценки ресурса безопасной эксплуатации оборудования для переработки нефти // Безопасность жизнедеятельности. - 2008. № 2. - С. 6-11.

37. Халимов А.А. Оценка напряженного состояния и несущая способность разнородных конструктивных элементов нефтехимического оборудования // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2008. № 3. - С. 97-104.

38. Халимов А.А., Абдуллин Л.Р. Расчет ресурса цилиндрических элементов с трещинами при повышенных температурах и механохимической коррозии // Нефтегазовое дело. - 2008. - Т. 6. - № 1. С. 153-159.

39. Халимов А.А. Определение безопасного срока эксплуатации оборудования и трубопроводов из жаропрочных хромистых сталей // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2008. № 3. - С. 105-109.

40. Халимов А.А. Оценка ресурса оборудования и трубопроводов в условиях одновременного действия высоких температур и коррозии // Нефтепромысловое дело. - 2008. № 10. - С. 53-55.

41. Халимов А.А. Повышение ресурса оборудования и трубопроводов из жаропрочных хромистых сталей // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2008. - № 6. - С. 105-109.

42. Халимов А.А., Худяков Д.С. Оценка длительной прочности сварных конструктивных элементов оборудования из жаропрочных хромистых сталей // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2008. № 4. - С. 67-70.

43. Халимов А.Г. и др. Работоспособность сварного нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей / А.Г. Халимов, И.Г. Ибрагимов, А.А. Халимов. СПб.: Недра, 2008. - 412 с.

44. СТП 09-07. Полуавтоматическая сварка в среде защитных газов сталей марок 12Х2М1 и 15Х5М (15Х5МУ) / А.А. Халимов, Н.В. Жаринова, А.М. Файрушин. Уфа: УГНТУ, 2008. - 20 с.

45. Халимов А.А., Халимов А.Г., Зайнуллин Р.С. Проблемы технического диагностирования и обеспечения работоспособности оборудования нефтегазовой отрасли // Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах. Матер. Междунар. научн.-практ. конф. - Уфа: УГНТУ, 2008. - С. 361-368.

46. Халимов А.А., Абдуллин Л.Р. Опыт диагностики оборудования из биметаллов // Остаточный ресурс нефтегазового оборудования. Матер. семинара в рамках Междунар. научн.-практ. конф. «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах». - Уфа: ИПТЭР, 2008. - С. 92-104.

47. Халимов А.А. и др. Оценка ресурса нефтегазохимического оборудования по критериям длительной прочности: Методические рекомендации / А.А. Халимов, Д.С. Худяков, Р.М. Тазетдинов. - Уфа: ГУП «ИПТЭР», 2008. - 38с.

48. Халимов А.А., Худяков Д.С. Особенности напряженного и предельного состояний соединений патрубков сильфонного компенсатора и трубопровода. Уфа: ГУП «ИПТЭР», 2009. - 40 с.

49. Халимов А.А., Жаринова Н.В. Технологические методы обеспечения трещиностойкости оборудования из жаропрочных хромистых сталей // Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах. Матер. III Междунар. научн.-практ. конф. - Уфа: УГНТУ, 2009. С. 108-114.

50. Халимов А.А., Худяков Д.С., Тазетдинов Р.М. К оценке ресурса нефтегазохимического оборудования по критериям длительной прочности // Актуальные вопросы нефтегазовой отрасли в области добычи и трубопроводного транспорта углеводородного сырья. Матер. научн.-техн. семинара. - Уфа, 2009. - С. 50-51.

Размещено на Allbest.ru