Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 7
1.1 Конструкция, материальное оформление и особенности эксплуатации нагревательных и реакционных трубчатых печей 7
1.2 Структура и свойства жаропрочных сталей аустенитного класса 17
1.3 Старение металла печных труб в процессе эксплуатации 25
1.3.1 Изменение физико-механических свойств металла труб печей 25
1.3.2 Науглероживание конструкционных сталей при переработке углеводородного сырья 30
1.4 Выводы 39
2 Исследование изменения структуры и свойств стали печных труб в процессе эксплуатации 41
2.1 Объект исследования 41
2.2 Проведение микроструктурного анализа 43
2.3 Измерение микротвердости 46
2.4 Измерение твердости 50
2.5 Испытания на растяжение (статические) 53
2.5.1 Условия эксперимента 53
2.5.2 Определение предела прочности (временного сопротивления) 55
2.5.3 Определение предела текучести 56
2.5.4 Определение относительного равномерного удлинения 57
2.5.5 Определение относительного сужения 58
2.5.6 Результаты испытаний 58
2.6 Испытания на ударный изгиб (динамические) 60
2.7 Выводы 64
3 Оценка напряженно-деформированного состояния науглероженного участка змеевика нагревательной печи методом конечных элементов 65
3.1 Исходные данные 65
2 Моделирование потери устойчивости формы
3 Результаты расчетов
3 Выводы
Методика проектного расчета змеевиков трубчатых новок висбрекинга Основные выводы Список литературы
- Структура и свойства жаропрочных сталей аустенитного класса
- Науглероживание конструкционных сталей при переработке углеводородного сырья
- Проведение микроструктурного анализа
- Моделирование потери устойчивости формы
Введение к работе
Актуальность работы. Трубчатые печи являются одной из основных групп энергетических агрегатов на установках нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий. Эксплуатационная надежность и долговечность трубчатых печей влияет на технико-экономические показатели работы всей установки. В свою очередь работоспособность печи зависит от состояния её конструкционных элементов. Одним из основных узлов, лимитирующих безремонтный пробег печных трубчатых печей, а следовательно, и установок в целом, является трубчатый змеевик.
Анализ дефектов змеевиков позволяет сделать вывод, что для металла труб наиболее характерно образование трещин и развитие остаточных пластических деформаций. Появление дефектов подобного рода вызвано эксплуатационным температурным режимом и конструктивными особенностями печей. Наиболее жесткими рабочими условиями характеризуются печи установок вторичных термодеструктивных процессов нефтепереработки (термический крекинг, висбрекинг, замедленное коксование). Применение в качестве сырья тяжелых остатков прямой перегонки в сочетании с высокими температурами обуславливает значительную интенсивность коксоотложения, ведущего к локальным перегревам труб змеевика и изменению физико-механических свойств трубной стали вследствие диффузии углерода. Из указанных выше технологических процессов наибольшее распространение на отечественных нефтеперерабатывающих предприятиях получил процесс висбрекинга.
Для снижения количества отказов змеевиков необходимо выявить основные факторы, инициирующие развитие указанных дефектов, и дать рекомендации по их предупреждению или снижению воздействия на стадии разработки рабочего проекта.
Поэтому исследования по оценке напряженно-деформированного состояния змеевиков трубчатых печей установок висбрекинга, изготовленных из стали 12Х18Н10Т, структура которой претерпевает изменения в процессе экс-
5 плуатации, с целью усовершенствования методов расчета и конструирования
являются актуальными.
Цель работы - изучение напряженно-деформированного состояния змеевиков трубчатых печей из стали 12Х18Н10Т, структура и свойства которой претерпели изменение в процессе эксплуатации, с целью разработки практических рекомендаций по совершенствованию методов проектирования и расчета, способствующих снижению количества отказов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Анализ условий работы труб змеевиков трубчатых печей и выделение дефектов, наиболее часто являющихся причиной отказа.
Изучение характера изменения структуры и механических свойств стали 12Х18Н10Т в процессе эксплуатации змеевиков трубчатых печей установки висбрекинга. Определение труб как квазимногослойных оболочек.
Оценка влияния изменения структуры материала змеевиков на напряженно-деформированное состояние с использованием метода конечных элементов.
Разработка практических рекомендаций по совершенствованию методов расчета и конструирования змеевиков трубчатых печей установок висбрекинга с целью предотвращения возникновения дефектов труб.
Научная новизна
Применена модель квазимногослойной оболочки для решения задачи определения несущей способности труб змеевика нагревательных печей при развитии потери устойчивости формы.
Произведена оценка влияния на величину критической нагрузки различных эксплуатационных факторов, не учитываемых действующими нормативами по расчету змеевиков, а именно толщины науглероженного слоя, условий закрепления, неравномерного нагрева. При этом установлено, что на развитие потери устойчивости формы в значительной степени влияет возникновение градиента температуры по сечению трубы вследствие отложения кокса либо неравномерного излучения со стороны факелов, тогда как влияние величины
расстояния между смежными опорами и толщины науглероженного слоя металла трубы менее выражено.
Практическая ценность
Разработаны рекомендации к рабочим программам по дисциплине "Численные методы моделирования" специальности 130603 "Оборудование нефте-газопереработки" направления 150400 "Технологические машины и оборудование" на кафедре МАХП ГОУ ВПО УГНТУ.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на 57-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2006 г.).
Публикации
Содержание работы опубликовано в 4 научных трудах, из которых 1 включен в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ.
Структура и свойства жаропрочных сталей аустенитного класса
Аустенитные нержавеющие стали применяются очень широко не только из-за высоких антикоррозионных свойств, но и благодаря высоким технологическим и механическим свойствам. Эти стали хорошо прокатываются в горячем и холодном состоянии, выдерживают глубокую протяжку и профилирование, допускают применение электросварки, без охрупчивания околошовных зон. В нефтеперерабатывающей промышленности их используют для изготовления аппаратов (реакторов, теплообменников) и трубопроводов, работающих в области высоких температур и в среде коррозионно-активных веществ. Трубы, изготовленные из данных сталей, применяются для изготовления змеевиков трубчатых печей при рабочей температуре стенки, не превышающей 650 С 191.
Аустенитные жаропрочные стали обладают рядом общих свойств — высокой жаропрочностью и окалиностойкостью, большой пластичностью, хорошей свариваемостью, большим коэффициентом линейного расширения. Тем не менее, по сравнению с перлитными и мартенситными сталями они менее технологичны: обработка давлением и резанием этих сплавов затруднена; сварной шов обладает повышенной хрупкостью; полученное вследствие перегрева крупнозернистое строение не может быть исправлено термической обработкой, так как в этих сталях отсутствуют фазовая перекристаллизация /10/.
Одним из условий коррозионной стойкости является хорошее качество поверхности труб, получаемое путем шлифовки и полировки /11/.
Хромоникелевые стали, по структуре могут быть разделены на три класса: - аустенитные стали - стали, имеющие структуру у; аустенит в этих сталях устойчив; - аустенитно-мартенситные стали (или стали так называемого переходного класса). В этих сталях при охлаждении на воздухе обычно образуется некоторое количество мартенсита. К этому же классу относятся и те стали, аустенит которых при охлаждении до комнатной температуры, хотя и не дает признаков у—»а-превращения, но все же неустойчив, так как при обработке холодом или под действием пластической деформации он превращается в мартенсит; - аустенитно-ферритные стали, имеющие структуру а+у. Аустенит в этих сталях может быть устойчивым и неустойчивым /12/.
Аустенитные стали, по методу изготовления могут быть разделены на две группы: - не упрочняемые термической обработкой, т. е. не склонные к дисперсионному твердению (условно называемых гомогенными, хотя на самом деле они содержат вторые фазы, но в количествах, не вызывающих сильного эффекта старения); - упрочняемые термической обработкой и применяемые после закалки + отпуск. Упрочнение создается благодаря выделению карбидных, карбонитрид-ных или интерметаллидных фаз /13/.
Сталь 12Х18Н10Т - высоколегированная нержавеющая сталь аустенитно-го класса, которая сочетает высокую стойкость к окислению при высоких температурах с хорошей жаростойкостью. Недостатком стали 12Х18Н10Т является нестабильность структуры при умеренно высоких температурах (60(Н8000С), когда в зависимости от длительности выдержки образуется а-фаза, обнаруживаемая под микроскопом в виде темных включений, что повышает хрупкость стали и снижает ее жаропрочность. При эксплуатации стали выше 800 С а-фаза не выпадает/1/.
Важной характеристикой материала труб печей пиролиза является жаростойкость - сопротивляемость металла термическим ударам, возникающим при быстром нагревании и охлаждении труб, а также сопротивляемость высокотемпературному воздействию, которое проявляется в виде высокотемпературной коррозии и т.д. Жаропрочность определяется химическим составом стали и способом изготовления; характеризуется текучестью и ползучестью материала, вызываемой пластической деформацией.
Жаропрочность стали зависит от большого числа факторов. Основными из них являются ползучесть, длительная прочность и пластичность. Ползучесть рассматривается как непрерывная и очень медленная пластическая деформация, начинающаяся при высоких температурах под действием постоянно приложенных напряжений. Скорость пластической деформации во многом определяется действием постоянно действующих напряжений, которые могут быть вызваны как внутренним давлением, так и воздействием высоких температур. Сталь печных труб может надежно работать в условиях ползучести при высоких температурах под напряжением, если скорость деформаций не превышает некоторых значений. Для каждого материала установлены допускаемые значения деформаций, вызываемых возникающими напряжениями за определенный срок службы трубы при рабочих температурах /14/.
Высоколегированные стали с аустенитной основой могут обладать особыми свойствами: жаропрочностью, кислотостойкостью, хладостойкостью и высокой прочностью, значительно превышающими аналогичные характеристики хромистых сталей, что связано с особенностями аустенитной основы, а также со свойствами низкоуглеродистого «никелевого» мартенсита.
Особенности аустенитной структуры сталей связаны с двумя определяющими обстоятельствами: кристаллическим строением (ГЦК-решеткой) и высокой степенью легирования (сумма легирующих элементов 30 %). Наличие ГЦК - решетки обеспечивает высокие пластичность и ударную вязкость материала. Аустенит немагнитен, плотность его больше, чем других структурных составляющих стали.
Науглероживание конструкционных сталей при переработке углеводородного сырья
Явление науглероживания заключается в насыщении поверхностных слоев металла углеродом, вызывающим изменение химического состава и механических свойств.
Условия эксплуатации в нефтехимической промышленности труб печных змеевиков часто приводят к науглероживанию их внутренней поверхности. Формирование на поверхности труб науглероженного слоя, обладающего ограниченной пластичностью и склонностью к растрескиванию, существенно ограничивает службы змеевиков трубчатых печей.
В работе /4/ выборочно исследовались дефектные трубы печей пиролиза, одного из нефтехимических производств. В таблице 1.2 приведены некоторые результаты анализа.
31 При этом, увеличение содержания углерода в металле привело к существенным изменениям его качества. Наблюдалась межкристаллитная коррозия, выпадение по границам зерен карбидов легирующих элементов, в данном случае хрома, изменение прочностных и пластических свойств металла.
Явления науглероживания, аналогичные происходящим в стенках труб нагревательных печей, наблюдаются в стенках реакторов установок замедленного коксования (УЗК), хотя температура коксования не обеспечивает высокую скорость диффузии углерода в сталь /40/.
При проведении послойного химического анализа образцов металла, вырезанного из различных мест оболочек реакторов УЗК Ново-Уфимского НПЗ, Красноводского НПЗ, Волгоградского НПЗ, ПО Распределение углерода в плакирующем слое металла УЗК/43/ Сильное влияние на развитие диффузионных процессов оказывает характер и уровень температурно-силовых воздействий. Обнаружено, что при тер-моциклировании по режиму 650-450 С скорость диффузии углерода при 450 С увеличивается примерно в 400 раз по сравнению с изотермическими уело виями при той же температуре /44/.
Для экспериментального определения параметров диффузии наиболее успешно применяется метод радиоактивных индикаторов. Этот метод был применен для изучения диффузии углерода при коксообразовании на поверхности металлов /45/.
Кривые распределения относительного содержания углерода по толщине образцов показаны на рисунке 1.14. По ним видно, что температура и степень напряженно-деформированного состояния заметным образом влияют на глубину проникновения углерода в металл. Это, видимо, связано с тем, что с увеличением температуры повышается кинетическая энергия движения молекул, а напряжения способствуют образованию различного рода дефектов как по всему объему, так и в зоне контакта с нефтяным коксом. Это дает основание считать, что преобладает зернограничная диффузия. Образование карбидов охрупчивает сталь, вызывает возникновение трещин и снижает стойкость к окислению. Из-за исчезновения свободного хрома и разрушения защитной оксидной пленки облегчается проникновение углерода в толщу металла. Скорость науглероживания определяется составом сплава и условиями процесса. Она примерно удваивается при увеличении температуры стенки трубы на каждые 56 С /46/.
Углерод диффундирует в железо по следующим реакциям /45/ СО + Н2 = Н20 + С; (1.1) 2СО = С02 + С; (1.2) СН4 = 2Н2 + С. (1.3)
Взаимодействие метана с Н20 или С02 приводит к разложению молекулы СН4 на горячих печных трубах (рисунок 1.15). На железе данный процесс протекает относительно медленно. Легирование вызывает значительное увеличение скорости науглероживания - на чистом никеле скорость реакции увеличивается на 2 порядка.
Схема протекания парциальных реакций науглероживания в газовой среде /47/ При наличии H2S в протекающих газовых смесях сера адсорбируется на железе в соответствии с реакцией H2S=H2+S (ад). 1.4)
Адсорбированные атомы серы блокируют диффузию углерода, подобно адсорбированному кислороду и проникновение углерода в металл возможно только в местах свободных от S (ад) и О (ад) (рисунок 1.3.2.4). На этом основано ингибирующее действие присадок серы.
Хром, являющийся одним из основных легирующих элементов металла трубчатых змеевиков, на поверхности сплава формирует Сг20з слой, который сдерживает проникновение углерода в металл. Во время проведения процесса паровыжига температура стенки змеевика поднимается выше 1050 С и оксид хрома Сг20з превращается в карбид. Образование карбидов в поверхностном слое приводит к снижению сопротивления окислению, так как при этом главным образом связывается хром (рисунок 1.16). В свою очередь при повышенных температурах карбиды хрома могут окисляться до Сг203 - Это явление называется «зеленое гниение», поскольку оксид Сг20з имеет зеленый цвет. В нашем случае в исследуемой стали 12Х18Н10Т (аустенитная коррозионно-стойкая сталь) интенсивное образование карбидов происходит при температуре 500...700 С.
Проведение микроструктурного анализа
Из полученных изображений мы видим, что на внутренней поверхности образца хорошо выделяется науглероженная область от 30 до 100 мкм.
В зоне основного металла обнаруживаются деформационные полосы, по которым идет наиболее интенсивное травление. В данных областях хорошо выделяется граница зерен, также вдоль данных областей наблюдается характерные цепочки выделений вторичных фаз. Эти полосы, по всей видимости, образовались в процессе изготовления трубы методом горячей прокатки. Также отдельные включения вторичных фаз рассредоточены равномерно в области основного металла.
При переходе с науглероженной зоны к основному металлу наблюдается уменьшение размера зерен. Науглероженныи слой характеризуется значительно большим размером зерен (от 30 до 40 мкм), нежели основной металл, при этом в нем наблюдаются стыки четырех и более зерен, что свидетельствует о нестабильности структуры.
Таким образом, наблюдается существенное различие структуры стали, вследствие чего следует ожидать появления различия свойств стали по толщине стенки трубы.
Измерение микротвердости стали 12Х18Н10Т было произведено в соответствии с ГОСТ 9450-76 /56/. Этот метод применяется при определении твердости структурных составляющих и соответствует в части измерения микротвердости металлов методом восстановленного отпечатка четырехгранной пирамидой с квадратным основанием /56, 57/.
Для измерения микротвердости стали 12Х18Н10Т были использованы образцы, примененные при качественном микроструктурном анализе.
Определение микротвердости по методу восстановленного отпечатка были проведены на оптическом микроскопе типа AXIOVERT 100А (ZEISS) с системой анализа изображения, автоматическим структурным анализатором KS-300, системой обработки результатов измерения микротвердости (рисунок 2.3). Испытания проводились при температуре окружающей среды (20 Jo)C.
Испытуемый образец был установлен на предметном столике прибора так, чтобы в процессе испытания он не смещался, не прогибался и не поворачивался. На испытуемую поверхность образца были нанесены отпечатки под действием статической нагрузки 100 г, приложенной к алмазному наконечнику в течение 10 с, скорость нагружения составляла 30 г/с. Расстояние от центра отпечатка до края образца составляло более двойного размера отпечатка. Расстояние между центрами отпечатков, нанесенных на поверхность, превышало размер отпечатка более чем в три раза. После удаления нагрузки были выпол-нены фотоснимки полученных отпечатков при увеличении микроскопа 2000 с использованием программного обеспечения KS-300 и произведено измерение их диагоналей в светлом поле с использованием программы KS-LITE. Погрешность измерения составляла не более ±0,5%.
Число микротвердости было определено делением приложенной к алмазному наконечнику нормальной нагрузки на условную площадь боковой по верхности полученного отпечатка. Для четырехгранной пирамиды с квадратным основанием число микротвердости было вычислено по формуле HV = F = 0,102.2F.sind/2= _F S d2 d2 где F - номинальная нагрузка приложенная к алмазному наконечнику, Н; S - условная площадь боковой поверхности полученного отпечатка, мм ; d - среднее арифметическое длин обеих диагоналей квадратного отпечатка, мм.
В протоколе испытания было указано: обозначение образца, размеры диагоналей соответствующего отпечатка и среднее арифметическое этих значений, значение номинальной нагрузки (выраженной в ньютонах), полученное значение микротвердости, среднее арифметическое значение микротвердости для соответствующей области фрагмента.
Для определения микротвердости стали 12Х18Н10Т были выполнены фотоснимки на оптическом микроскопе, примеры которых приведены на рисунке 2.8.
Существенный разброс значений микротвердости в пределах зоны основного металла свидетельствует о выпадении значительного количества вторичных фаз. В свою очередь, скачкообразное возрастание микротвердости в зоне интенсивного насыщения стали углеродом указывает на возникновение значительного градиента механических свойств по толщине стенки трубы, наиболее выраженного в переходной области между основным металлом и науглерожен-ным слоем, толщина которого.
Измерение твердости стали 12Х18Н10Т было произведено в соответствии нормативными документами /58-64/.
Сущность метода определения твердости по Роквеллу заключается во внедрении в поверхность образца стального сферического наконечника под действием последовательно прилагаемого предварительного и основного уси лия и в определении глубины внедрения наконечника после снятия основного усилия /64/.
Для измерения твердости был выбран прибор - твердомер «Точприбор», приведенный на рисунке 2.10. При измерении твердости применялся шариковый стальной наконечник диаметром 1,588 мм.
Моделирование потери устойчивости формы
Развитие техники ставит новые задачи в области исследования работоспособности машин и их элементов. Повышение их надежности и долговечности, являясь важнейшим фактором, определяющим рост конкурентоспособности изделий, связано с достоверным определением "опасных" мест конструкции. Наиболее эффективным широко используемым современным средством достижения поставленной цели является использование метода конечных элементов /74/.
Метод конечных элементов является мощным и надежным средством исследования поведения конструкций в условиях разнообразных воздействий. В настоящее время имеется большое количество комплексов метода конечных элементов, в том числе ANSYS. Этот продукт относится к категории программного обеспечения, применяемого при проектировании машиностроительных, строительных и других конструкций. Особенностью ANSYS является чрезвычайно широкий спектр задач, которые он в состоянии решать. Сюда входят задачи: расчеты на прочность (как линейные, так и нелинейные), теплообмена, гидродинамики, смешанные и даже акустики /75, 76/.
Математическое моделирование применяется при оценке изменении несущей способности конструкций, прочности и устойчивости сосудов и аппаратов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, эксплуатирующихся продолжительное время.
Как было упомянуто ранее, среди всего многообразия дефектов, имеющих место при эксплуатации трубчатых печей, критическую роль играют дефекты змеевика. Наиболее распространенным частным случаем деформированного состояния труб змеевика является продольный изгиб. В то же время в процессе эксплуатации может возникнуть "заклинивание" в паре змеевик - подвеска. Оно обусловлено образованием окалины на поверхностях пары, что ведет к повышению коэффициента трения и торможению движения змеевика по подвеске. При этом возникает нескомпенсированная осевая сжимающая сила, которая, по достижении определенной величины, может вызвать исчерпание несущей способности трубы змеевика, обусловленное потерей устойчивости формы, задолго до того, как величина напряжений в стенке трубы превысит величину предела прочности.
Таким образом, представляет интерес оценить влияние кваизмногос-лойной структуры науглероженной трубы на ее несущую способность, рассматривая гипотетический случай выхода из строя двух смежных подвесок змеевика, выразившегося в невозможности перемещения двух кольцевых сечений трубы. Для достижения поставленной цели была произведена серия расчетов методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS. Были изучены основные положения напряженно деформированного состояния /77-80/, способы построения модели /81/ и методы математического моделирования /82-85/.
Расчетная схема участка змеевика, созданная по проекту на печь, из змеевика которой были отобраны образцы для испытаний, описанных в главе 2, представляет собой неразрезную многопролетную балку, изображенную на рисунке 3.1. Для того чтобы охарактеризовать наиболее общую и универсальную схему поведения деформируемой трубы, в расчете рассматривался лишь один пролет трубы, ограниченный двумя условно "заклиненными" опорами.
Задача решалась в трехмерной постановке. Рассматриваемый участок моделировался как составной "биметаллический" цилиндр.
В силу симметричности нагрузок рассматривалась лишь половина участка змеевика. К внутренней поверхности трубы приложено равномерно распределенное внутреннее давление, составляющее, согласно технологическому регламенту, 2,0 МПа. Верхняя часть трубы нагрета до 500 С, что соответствует температуре продукта на выходе из змеевика. Нижняя часть трубы перегрета относительно верхней на переменную величину AT, что соответствует перегреву в результате отложения кокса и неравномерного облучения со стороны факелов горелок. Схема приложенных нагрузок приведена на рисунке 3.2.
В качестве конечного элемента был использован трехмерный восьми узловой структурный твердотельный объемный элемент SOLID185. Было применено регулярное разбиение объемов, число конечных элементов составило 2000. Общий вид конечно-элементного разбиения представлен на рисунке 3.3.
