Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ надежности нагревательных трубчатых печей нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств 6
1.1 Применение жаропрочной стали 15Х5М при изготовлении технологического оборудования и пути обеспечения надежности сварного технологического оборудования 6
1.2 Виды повреждений и отказов трубчатых печей
1.3 Конструктивные и технологические особенности работы нагре вательной трубчатой печи блока подготовки установки АВТМ 25
Выводы к главе 1 и обоснование области исследований 34
Глава 2 Разработка технологии ресурсосберегающей термической обработки змеевика нагревательной трубчатой печи 36
2.1 Назначение термической обработки 36
2.2 Выбор вида и режима ТО 40
2.3 Местная термическая обработка змеевика трубчатой печи 56
2.4 Технология ресурсосберегающей ТО 65
2.5 Внутренние напряжения, деформации в процессе ТО 74
2.6 Технико-экономическая эффективность проведения ТО 75
Выводы к главе 2 80
Глава 3 Оценка качества проведения объемной термической обработки 81
3.1 Механические испытания сварных соединений 81
3.1.1 Разработка схем вырезки образцов 81
3.1.2 Испытания на одноосное растяжение 82
3.1.3 Свойства сварных соединений при испытаниях на угол загиба 86
3.1.4 Сопротивление сварных соединений хрупкому разрушению 87
3.1.5 Определение твердости 8 8
3.2 Металлографические исследования 91
3.3 Модифицированное решение о напряженном и предельном состоянии твердых (закаленных) прослоек в составе сварных стыков печных труб 93
Выводы к главе 3 104
Глава 4 Обеспечение работоспособности нагревательных трубчатых печей при эксплуатации 105
4.1 Основные вопросы диагностики технического состояния оборудования нефтеперерабатывающих предприятий 105
4.1.1 Изучение эксплуатационно-технической документации 109
4.1.2 Визуальный и измерительный контроль 110
4.1.3 Ультразвуковая толщинометрия 112
4.1.4 Замеры твердости 114
4.1.5 Дефектоскопия сварных швов 114
4.2 Использование метода экспресс диагностики при оценке технического состояния змеевика трубчатой печи (диагностика на ранней стадии возможных поверхностных повреждений змеевика) 116
4.3 Расчет элементов змеевика на прочность 119
4.4 Испытания на прочность и плотность 126
Заключение по работе. общие выводы 128
Список использованных источников 129
- Конструктивные и технологические особенности работы нагре вательной трубчатой печи блока подготовки установки АВТМ
- Местная термическая обработка змеевика трубчатой печи
- Сопротивление сварных соединений хрупкому разрушению
- Использование метода экспресс диагностики при оценке технического состояния змеевика трубчатой печи (диагностика на ранней стадии возможных поверхностных повреждений змеевика)
Введение к работе
В условиях все усложняющихся процессов нефтепереработки, связанных с растущими требованиями к качеству выпускаемой продукции и обеспечения безопасности процессов переработки, а также с учетом многообразия технологических процессов и их интенсификации, усложняются условия работы нефтегазохимического оборудования и расширяется номенклатура применяемых материалов. Значительное количество оборудования, особенно для осуществления высокотемпературных процессов переработки в сероводородных и окислительных серосодержащих средах, изготавливается из жаропрочных хромомолибденовых сталей. С позиции технологической и эксплуатационной прочности наиболее слабым звеном таких конструкций является образование зон повышенной твердости различного происхождения.
Наиболее характерным объектом широкого применения хромомолибденовых сталей типа 15Х5М служат змеевики трубчатых печей, которые наиболее теплонапряжены и относятся к ответственным конструкциям, работающим в очень жестких условиях. Они подвержены коррозионно-эрозионному износу, как по внутренней, так и по наружной поверхности труб.
В производственной практике нередко встречаются случаи отклонения от технологического режима эксплуатации нагревательных трубчатых печей, сопряженных со значительным перегревом труб, что неизбежно ведет к аварийным остановкам из-за изменения структурного состояния, соответственно механических свойств металла труб змеевиков, изготовленных из стали 15Х5М, и их разрушению. В условиях производства очень важно быстро и качественно провести ремонтно-восстановительные работы с соблюдением всех действующих норм, которые нередко предполагают замену секций змеевиков, а это выливается в большие материальные затраты. Таким образом, необходима разработка научно обоснованных ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих надежное и быстрое восстановление работоспо-
собности змеевиков трубчатых печей, металл труб которых претерпел неблагоприятные структурные изменения вследствие вышеуказанных причин.
Работа посвящена решению проблемы восстановления работоспособности змеевика трубчатой печи блока подготовки сырья установки АВТМ-9 ОАО «НУНПЗ» после ее аварийной остановки. Из-за пожара внутри печи и его последующей ликвидации вся средняя часть труб радиантной и нижних рядов конвекционной секции печного змеевика значительно охрупчилась, что делало невозможным ее дальнейшую безопасную эксплуатацию. Выполненные контрольные замеры твердости показали недопустимо завышенные их значения до 360-410 единиц по Бринеллю.
Единственно известный способ восстановления работоспособности змеевика нагревательной трубчатой печи большой протяженности предполагал его полную замену с выполнением сварочно-монтажных работ при весьма затруднительных условиях внутри печи. Это, помимо больших материальных затрат, требовало длительной остановки технологической установки. Кроме того, при сборке нового змеевика, согласно техническим условиям на изготовление, требуется выполнение сварки стыков однородными электродами типа Э-10Х5МФ марки ЦЛ-17, что вызывает необходимость проведения местной высокотемпературной термической обработки каждого стыка змеевика по режиму высокого отпуска. Общая протяженность труб из жаропрочной стали 15Х5М диаметром 0219x10 и 0273x10 мм, требующих демонтажа, составляла 1,7 км
Конструктивные и технологические особенности работы нагре вательной трубчатой печи блока подготовки установки АВТМ
На установках AT, АВТ, ВТ, где тепловой режим эксплуатации печей стабильный и температура нагрева сырья сравнительно невысока, с учетом свойств нефти применяют печные трубы из среднелегированных сталей марок 15Х5М и 15Х5ВФ. Трубы из сталей 15Х5М, 15Х5ВФ и 12Х8ВФ поставляются в отожженном состоянии (конец трубы имеет твердость не выше 170 НВ для развальцовки ее в ретурбенде при сборке змеевика).
На установках АВТ сооружены высокопроизводительные печи ВНИ-ПИнефть вертикальнофакельного типа теплопроизводительностью 21-42МВт [1]. Сырьевые змеевики в радиантной камере расположены горизонтально. Топливная система укомплектована комбинированными горизонтальными горелками для сжигания мазута и топливного газа. При горении топлива образуется стена вертикальных факелов, излучающих тепло сырьевым змеевикам, расположенным на кронштейнах у стен топки из огнеупорной кладки. Дымовые газы отводятся вверх в камеру конвекции.
В печах типа ГС-І ВНИИнефтемаша сырьевые двух- или четырехтруб чатые змеевики также расположены горизонтально, а газо-мазутные горелки смонтированы в поде радиантной камеры. Печи ГС обслуживают с одной стороны. Характеристики трубчатых печей типа ГС-І приведены ниже:
Блок подготовки установки АВТМ-9 ОАО НУНПЗ оснащен печью типа ГС-1 вертикально-факельного сжигания топлива с одной камерой сгорания с верхним отводом дымовых газов, работающая на газообразном топливе. В поду камеры радиации установлены в количестве 10 шт. факельные газовые горелки. Камера конвекции расположена над камерой радиации. Проектная теплопроизводительность печи составляет 27,8 млн.ккал/г. Проектная производительность печи по сырью 1,2 млн.т/г. Перерабатываемое сырье: дизельное топливо.
Продуктовый змеевик рис. 1.7. изготовлен из горячекатаных труб, материал труб - жаропрочная сталь марки 15Х5М по ГОСТ 20072-74 и состоит из двух потоков радиантной секции (южные и северные экраны) по 23 ряда труб диаметром 0 219x10 мм - нижние 11 рядов труб и выше с 12 по 23 ряды - диаметром 0273x10 мм. Конвекционная секция состоит из 15 рядов труб диаметром 0152x10 мм расположена над камерой радиации. Всего радиант-ные секции состоят из 46 труб (горизонтального расположения вдоль боковых стен); конвекционная секция из 96 рядов труб.
Печные трубы по концам соединены калачами и имеются кольцевые стыки на прямых участках труб. Соединение их выполнено ручной электродуговой сваркой электродами марки ЦЛ-17 типа Э-10Х5МФ на съемных подкладных кольцах. Монтажные стыки змеевика выполнены электродами марки ОЗЛ-6 типа Э-10Х25Н13Г2. Расчетная длина труб 16,56 м, ширина радиантной камеры внутри печи 3,9 м при ее длине 17 м и высоте 9,6 м. Общая высота корпуса печи вместе с конвекционной частью составляет более 15,5м.
Трубчатая печь введена в эксплуатацию в 1985 году (рис. 1.8). За время эксплуатации трубчатой печи аварийных ремонтов не было и до января 1999 года было проведено 9 плановых ремонта. В процессе эксплуатации печь периодически подвергалась ревизиям в соответствии с действующими нормативными документациями по ревизии и отбраковке.
В январе 1999 г. блок подготовки установки АВТМ-9 был остановлен аварийно вследствие того, что по линии дожига газов разложения продукт попал в камеру сгорания печи и произошло его загорание с высокой температурой внутри печи.
При обследовании состояния печи после аварийной остановки были выявлены значительные участки охрупчивания металла труб печного змеевика.
В частности, замеры твердости и выполненный внешний осмотр показали, что больше всего был подвержен изменению свойств металл труб средней части змеевика между 4-ой и 6-ой форсунками (на длине до 8-10 метров) по всем рядам обеих секций радиантной камеры и часть труб 3-х нижних рядов конвекционной секции змеевика печи (табл. 1.2). На этих участках поверхности труб имели отличительно темный оттенок (рис. 1.9).
Местная термическая обработка змеевика трубчатой печи
При изготовлении технологического оборудования из закаливающихся сталей типа 15Х5М для получения равновесной перлитной структуры в основном применяется местная высокотемпературная (выше 710-730С) термическая обработка каждого стыка изделий [62].
Для решения задачи по восстановлению свойств охрупченных змеевиков трубчатой печи нами была рассмотрена возможность применения местной термической обработки на трубах из стали 15Х5М, сваренных однородными электродами (типа Э-10Х5МФ). Для этого вырезана катушка длиной 700 мм из трубы №8 диаметром 0219x10 мм экрана радиационной камеры.
Согласно ОСТ 36-50-86 при местной термической обработке [60, 61] нагрев осуществляется с использованием следующих нагревательных устройств: гибких пальцевых электронагревателей сопротивления (ГЭН), электронагревателей комбинированного действия (КЭН-3), гибких индукторов из голого медного провода, работающих на частоте 50 Гц, однопламенных универсальных ацетилено-кислородных горелок и кольцевых многопламенных горелок.
Нами для осуществления нагрева при местном термообработке использовалась многопламенная газовая горелка (рис. 2.7.).
Операция местной термической обработки состояла из следующих технологических операций: устанавливаются термометры, нагревательное устройство; включаются термометры в измерительную цепь потенциометра; соединяется нагревательное устройство с источником питания; осуществляется нагрев, выдержка и охлаждение сварного соединения; демонтируют нагревательное устройство и термометры.
Перед началом термической обработки необходимо было обеспечить свободное перемещение трубопровода в продольном направлении относительно оси трубопровода.
Количество термометров, необходимых для контроля температуры термической обработки и способ их установки выбирались согласно [61] требованиям ОСТ 36-50-86 (рис. 2.8).
При проведении местной термической обработки небольшого участка трубопровода не представляет большой сложности, а когда речь идет о термической обработке большого по протяженности змеевика трубчатой печи, тогда с одной стороны, учитывая неравномерность распределения свойств по длине труб наиболее простым решением является проведение местной термической обработки (ТО), с другой это предполагает наличие дорогостоящего оборудования (рис. 2.9) и разработки комплекса мероприятий для осуществления ТО всего змеевика. Нагрев труб при этом может осуществляться жестким водоохлаждаемым индуктором, который скользит по нагреваемой трубе с заданной скоростью для обеспечения требуемого термического цикла теплового воздействия. Количество подходов для обработки очередного участка змеевика печи в нашем случае равно количеству труб радиантной секции уноженному на количество трубных решеток. Таким образом для того, чтобы провести местную термическую обработку только радиантной секции предполагается как минимум 138 подходов, т.е. многократное повторение всех вышеуказанных операций. Восстановление труб нижних рядов камеры конвекции любым из известных методов местной термической обработки вообще не представляется возможным и предполагает их полную замену.
Сопротивление сварных соединений хрупкому разрушению
Испытание на угол загиба служит для определения способности металла выдерживать заданную пластическую деформацию, характеризуемую углом изгиба, или для оценки предельной пластичности металла при изгибе.
Предельная пластичность характеризуется углом загиба до образования первой трещины. Испытания на загиб гладких образцов с определением максимальной стрелы прогиба применяют прежде всего для малопластичных при растяжении металлов [68], что характерно для закаленных образцов. Испытание на угол загиба производят на испытательных машинах или прессах.
При вырезке заготовок для образцов (рис.3.1) должны быть обеспечены припуски, предохраняющие металл образца от влияния нагрева и наклепа.
При изготовлении плоского образца на его гранях после механической обработки не должно быть поперечных рисок от режущего инструмента. Параметр шероховатости поверхности образца после механической обработки должен быть не более Ra 6.3 мкм.
Фотографии образцов после испытания на угол загиба показаны на рис3.4. Угол загиба не термообработанного металла из стали 15Х5М соответствовал нормативным требованиям (рис.3.4,а). Значения углов загиба после высокого отпуска в печи на уровне свойств основного металла (рис.3.4,6).
Испытания образцов с надрезом проводили на маятниковых копрах для определения удельной работы КС= K/So, где So - площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания.
Для оценки сопротивляемости хрупкому разрушению наиболее показательны испытания с V-образным надрезом радиусом равным 0,25 мм и углом раскрытия 45 (рис. 3.4, б). В данной работе для наиболее полной оценки механических свойств металла труб печного змеевика использовались также образцы с U-образным надрезом с радиусом 1 мм (рис. 3.4, а) [38].
В результате проведенных исследований было выявлено, что ударная вязкость образцов до проведения восстановительной термической обработки не соответствует нормативным требованиям для металла труб из стали 15Х5М.
После проведения восстановительной термической обработки по режиму высокого отпуска было проведено повторное испытание механических свойств восстановленного основного металла труб и сварных соединений. Свойства восстановленного металла по сопротивляемости хрупкому разрушению находятся на уровне нормативных требований для стали 15Х5МУ (таблица 3.1).
Рисунок 3.6 - Результаты замеров твердости до термообработки В лабораторных условиях замеры твердости производились на стационарном твердомере с нагрузкой 150 кг по методу вдавливания по Бринеллю и вдавливанием конуса по Роквеллу HRC.
За меру твердости по Бринеллю НВ принято среднее сжимающее напряжение, вычисляемое условно на единицу площади поверхности отпечатка диаметром d и глубиной t, который получается при вдавливании силой Р в килограмм-силах шарика диаметром D в миллиметрах. Диаметр отпечатка измеряли специальным измерительным микроскопом. Окончательные значения определялись как среднее арифметическое не менее чем двух значений, определяемых по специальным переводным таблицам в зависимости от диаметра отпечатка d [38].
Для более детального рассмотрения механических свойств проводились замеры твердости для характерных зон сварного соединения в поперечном сечении образца.
Рисунок 3.7 - Результаты замеров твердости после термообработки Как видно в состоянии до проведения восстановительной термической обработки как основной металл труб змеевика, так и характерные зоны сварных соединений имеют недопустимо завышенные значения твердости. Наиболее высокие уровни твердости имеют металл сварного шва, выполненный электродами марки ЦЛ-17, в особенности поверхностные слои шва (рис.3.6,а). Проведение полной термической обработки змеевика печи по режиму высокого отпуска после пожара привело к снижению значений твердости металла шва, ЗТВ и основного металла труб до нормативно допустимыхзначений (рис 3.7). Отмеченное хорошо коррелирует с выполненными металлографическими исследованиями.
Металлографические исследования проводили для определения структуры основного металла и сварных соединений труб змеевика печи.
Исследование микроструктуры дает возможность более глубоко изучить структуру основного металла и характерных зон сварного соединения. Целью проведения микроструктурного анализа в данном случае являлось выявление характера изменения структуры основного металла и сварного шва труб змеевика печи после восстановительной термической обработки, определение формы и размера структурных составляющих, возможных микроскопических трещин и т.п.
Исследование микроструктуры образцов проводили на оптическом микроскопе МИМ-8М. Исследуемая поверхность предварительно полировалась согласно требований ГОСТ. Подготовка поверхности включала в себя несколько последовательных операций: обработка на плоскошлифовальном станке, обработка на шлифовальной бумаге с уменьшающимися размерами зерна и заключительной операции - полирования на сукне раствором пасты ГОИ. Последнее является необходимым условием получения правильной картины микроструктуры [68].
Использование метода экспресс диагностики при оценке технического состояния змеевика трубчатой печи (диагностика на ранней стадии возможных поверхностных повреждений змеевика)
Выборочно производился у - контроль и ультразвуковая дефектоскопия сварных стыков труб радиантной камеры печи змеевика.
Ультразвуковой метод неразрушающего контроля основан на способности ультразвуковых колебаний отражаться от внутренних неоднородно-стей контролируемой среды.
Рентгеновское излучение обладает большой энергией , что обуславливает их высокую проникающую способность. Контроль металла и сварных соединений основан на изменении рентгеновского излучения в результате потери части энергии при прохождении ими материала в зависимости от его плотности и толщины.
Дефектоскопия сварных соединений змеевика проводилась выборочно в зонах перегрева основываясь на результатах визуального и магнитного контроля. В результате контроля сварных соединений недопустимых дефектов не выявлено.
Учитывая пониженную трещиностойкость хромомолибденовых жаропрочных сталей типа 15Х5М, при диагностике сварных соединений и основного металла труб змеевика целесообразно провести магнитную (МД) дефектоскопию. Применение магнитного метода контроля [78] при диагностировании печного змеевика позволяет выявить слабые места конструкции в виде остаточной намагниченности металла. Метод не требует зачистки и какой-либо подготовки поверхности контроля, удобен для применения в местах ги-бов, отводов, двойников и т.п. трудно доступных местах.
Основные физические эффекты, сопровождающие механизм разрушения металла: механические, тепловые, ультразвуковые, магнитные, электрические и электромагнитные. Отсюда следует, что, используя один или одновременно несколько параметров контроля, отображающих перечисленные эффекты, представляется возможность наиболее объективно оценивать напряженно-деформированное состояние (НДС) объекта контроля.
Метод магнитной памяти металла представляет принципиально новое направление в технической диагностике. Это наряду с акустической эмиссией (АЭ) пассивный метод, при котором используется информация излучения конструкций. При этом ММП, кроме раннего обнаружения развивающего дефекта, дополнительно дает информацию о фактическом напряженно-деформированном состоянии объекта контроля и выявляет причину образования зоны концентрации напряжений - источника развития повреждения.
Основные принципы и критерии ММП изложены в отдельных работах Дубова А.А. и других.
Для количественной оценки уровня концентрации напряжений определяется градиент (интенсивность изменения) нормальной составляющей напряженности магнитного поля Нр при переходе через линию КН (линию Нр=0).
В соответствии с предложенным методом контроля магнитной памяти места, характеризующиеся сменой знака поля Нр или с нулевым значением этого поля, являются наиболее опасными местами, где концентрации напряжений от действующих нагрузок (изгибающих, крутящих и т.п.) могут достигать критического значения. Следовательно, в этих местах контролируемых сварных стыков могут иметь место различные дефекты и повреждения технологического и эксплуатационного характера.
С помощью данного метода было проведено обследование змеевика трубчатой печи: камера радиации - в объеме 100% и в доступных местах камеры конвекции. Обнаруженные зоны концентрации напряжений в сварных стыках изображены на рис. 4.1.
Для идентификации повреждений в наиболее напряженных участках сварных соединений был проведен их контроль другими неразрушающими методами. В этих стыках были обнаружены скопления пор и подрезы в корне шва в допустимых пределах. б) после проведения объемной термической обработки Рис. 4.1. Результаты контроля отдельных стыков змеевика трубчатой печи: ЗКН - зоны концентрации напряжений
Как видно по эпюрам (рис. 4.1), зоны концентрации напряжений после проведения термической обработки отсутствуют. Это является еще одним ярким подтверждением положительного влияния проведенной термической обработки по выбранному технологическому режиму на сварные соединения.
Расчет элементов змеевиков на прочность выполнен с учетом исследования свойств металла труб, выполненных совместно с ВНИИнефтемаш [77].
Змеевики печи изготовлены из труб 0 152x8x16560 из стали марки 15Х5М камеры конвекции; из труб 0 219x10x16560 и из труб 0273x10x16560 из стали марки 15Х5М камеры радиации.
Расчет элементов змеевика на прочность должен выполняться с учетом результатов исследований свойств металла змеевиков. На основании поверочного расчета определяется расчетный остаточный ресурс.
При длительной высокотемпературной эксплуатации сварных соединений хромомолибденовых сталей возможно существенное изменение их структурно-механической неоднородности.
В разнородных аустенитных сварных соединениях вдоль зон сплавления при высоких температурах эксплуатации может развиваться на основном металле трубы мягкая (м) обезуглероженная прослойка и науглероженная прослойка высокой твердости (т) в металле шва (рис. 4.2). Возникает необходимость оценки этих изменений.
Ширина мягких и твердых участков сварных соединений устанавливается по результатам измерения твердости или макрошлифу с использованием формул [77]
