Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Литературный обзор 7
1.1 Технологические особенности процесса пиролиза 7
1.2 Печи для высокотемпературных процессов деструктивных превращений углеводородного сырья
1.3 Трубчатый змеевик печей пиролиза 13
1.3.1 Условия эксплуатации 13
1.3.2 Материальное оформление 15
1.3.3 Основные дефекты и их причины 19
Глава 2 Материалы и методы исследований 33
2.1 Объект исследований . 33
2.2 Методы исследований 33
Глава 3 Результаты исследований 40
3.1 Результаты микроструктурного анализа и определения химсостава обнаруженных фаз
3.2 Результаты механических испытаний и фрактографии 46
3.3 Анализ ползучести стали в условиях эксплуатации в печах пиролиза 56
3.4 Анализ границ раздела квазислоев 58
Глава 4 Исследование напряженно-деформированного состояния труб змеевиков печей пиролиза
4.1 Расчет радиантных змеевиков реакционных печей 61
4.2 Анализ свойств квазислоев 62
4.3 Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния квазимногослойной трубы змеевика печи пиролиза в программе ANSYS
4.3.1 Описание расчетной процедуры
4.3.2 Постановка задачи 66
4.3.3 Представление результатов расчета 69
4.4 Анализ возможностей усовершенствования конструкции элементов печи пиролиза
4.4.1 Ситаллы 77
Общие результаты и выводы 81
Список использованных источников 83
Приложение 91
- Печи для высокотемпературных процессов деструктивных превращений углеводородного сырья
- Основные дефекты и их причины
- Анализ ползучести стали в условиях эксплуатации в печах пиролиза
- Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния квазимногослойной трубы змеевика печи пиролиза в программе ANSYS
Введение к работе
В настоящее время особое внимание уделяется процессам переработки углеводородного сырья при высоких температурах и давлениях. В частности, подобным процессом является пиролиз углеводородных газов для получения этилена. В связи с тем, что мощность данных установок постоянно возрастает, пристального внимания заслуживают процессы повышения надежности и долговечности оборудования. В первую очередь это относится к реакторным печам, в которых непосредственно происходит процесс конверсии углеводородов.
Процесс пиролиза углеводородов в трубчатых печах с горизонтальным расположением змеевика получил наибольшее развитие в 1960-х годах. Наибольшее распространение сегодня имеют шатровые печи с горизонтальным расположением змеевика, построенные в 1930 - 1970 гг. Данные агрегаты эксплуатируются практически на всех заводах России.
Одним из основных элементов конструкции печи является трубчатый змеевик. В нем происходит нагрев и разложение сырья. В наиболее жестких условиях находится змеевик радиантной камеры. Его собирают из горячекатаных бесшовных труб, соединенных отводами, которые изготавливаются методом литья или в штампосварном варианте.
В основном для изготовления змеевика используется жаропрочная, жаростойкая сталь аустенитного класса 20Х23Н18. Змеевик работает при температурах нагрева стенки 900 - 1080 С в среде продуктов сгорания топлива снаружи и в науглероживающей среде внутри. При этом температурный профиль нагрева далеко не всегда равномерен. В процессе эксплуатации на внутренней поверхности реакционных труб происходит отложение кокса, что требует проведения регулярного выжига, являющегося «стрессом» для металла.
Известно, что науглероживание и ползучесть являются основными факторами, снижающими срок службы реакционных труб установок
5 производства этилена. Данные явления существенно изменяют структуру
металла змеевика и его физико-механические свойства. Что в свою очередь
приводит к возникновению дефектов: трещин, деформаций формы.
Для достижения высоких технико-экономических показателей работы трубчатых печей первостепенное значение имеет повышение эксплуатационной надежности змеевиков.
Большой эффект дают комплексные исследования, включающие металловедческие и прочностные аспекты проблемы. При проектировании необходим учет объемно-структурных напряжений в результате образования новых фаз, часто приводящих к разрушению металла труб. Подобные расчеты проводятся методом конечных элементов. Необходима разработка специальных критериев отбраковки для конкретных расчетных случаев. Учет ползучести и истории нагружения позволяет более точно определить остаточный ресурс труб, обеспечить максимальную длительность безопасной эксплуатации.
Поэтому целью данной работы является изучение напряженно-деформированного состояния змеевиков печей пиролиза из стали 20Х23Н18, металл которых претерпел изменения в процессе эксплуатации, с целью разработки практических рекомендаций по совершенствованию методов расчета и конструирования, способствующих снижению количества отказов.
В связи с этим решались следующие задачи:
1) анализ условий работы труб змеевиков печей пиролиза и
определение дефектов, наиболее часто являющихся причиной отказа;
изучение характера изменения структуры и механических свойств стали 20Х23Н18 в процессе пиролиза. Определение труб как квазимногослойных оболочек;
изучение характера ползучести металла труб при данных условиях эксплуатации;
оценка влияния изменения структуры змеевиков на напряженно-деформированное состояние с использованием метода конечных элементов;
разработка практических рекомендаций по совершенствованию методов расчета и конструирования элементов печей пиролиза с целью предотвращения возникновения дефектов труб.
Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств» Уфимского государственного университета под руководством доктора технических наук, профессора И.Р. Кузеева и кандидата технических наук А.Г. Чирковой, которым автор выражает искреннюю благодарность.
Автор признателен Авдеевой Л.Г. за предоставленные для исследований образцы труб печей пиролиза, сотрудникам лаборатории 05 ИПСМ РАН за помощь в проведении металлографических исследований и Хаерланамову P.P. за помощь при оформлении рукописи.
Печи для высокотемпературных процессов деструктивных превращений углеводородного сырья
Трубчатый змеевик является наиболее ответственной частью печи, так как реакция пиролиза протекает непосредственно в нем. Его собирают из дорогостоящих горячекатаных или центробежнолитых бесшовных печных труб и печных двойников (ретурбендов) или калачей. Для печей установок пиролиза используют безретурбендные сварные трубчатые змеевики, которые более надежны и герметичны. Их целиком размещают в камерах радиации и конвекции, что позволяет лучше герметизировать топку и ликвидировать подсосы воздуха из окружающей среды.
Печи пиролиза работают циклически: стадия пиролиза сменяется стадией выжига кокса. При этом изменяются температурный режим и среда в змеевиках: при пиролизе она восстановительная, при выжиге кокса, как правило, окислительная. Материал труб змеевиков должен выдерживать высокие рабочие температуры, перепады температур между металлом и техноло гическим потоком (100-300С), термические удары, возникающие при смене циклов, науглероживание и коррозию внутренней поверхности труб.
На рисунке 1.3 показано реальное расположение радиантного змеевика, участки которого будут использованы в настоящей работе для исследований. Рассматривалась печь №6 цеха 1/1 ОАО «Уфаоргсинтез»: шатровая двухпоточная с горизонтальным змеевиком. Правый поток радиантной камеры состоит из 19 труб, левый - из 21. Длина труб потолочного экрана 6 м, через каждый метр змеевик опирается на подвески типа «якорь». Трубы бокового экрана по 4 м и поддерживаются через 2 м подвесками типа «елочка».
Рабочая температура нагрева стенки труб порядка 930С, давление ОДМПа. Паровыжиг осуществляют при наработке змеевика с начала пуска в эксплуатацию через 400 - 500 часов или при остановке на плановый ремонт. Первые четыре часа паровыжиг ведут при рабочей температуре, последующие 3 — 4 часа при температуре ниже рабочей - 815С. После этого температуру повышают выше рабочей до 1030С и продолжают процесс еще около 10 часов.
Для осуществления высокотемпературных процессов используют трубчатые змеевики из аустенитных жаропрочных сталей 12Х18Н10Т, 20Х23Н13 (ЭИ 319), 10Х23Н18,20Х23Н18 (ЭИ 417) и 45Х25Н20. Работоспособность сталей при высоких температурах определяется комплексом свойств (жаропрочность и жаростойкость). Жаростойкость - это стойкость против химического воздействия окружающей среды, в результате которого значительно изменяются механические свойства материала. Жаропрочность характеризует способность материала сопротивляться воздействию нагрузки при высоких температурах. Жаропрочность стали зависит от ряда факторов. Основными из них являются ползучесть (крипп), длительная прочность и пластичность. Большое влияние на жаропрочность оказывает структурное состояние стали (свойство зерен металла и границ), степень ее устойчивости при высокой температуре во времени. Характеристики жаропрочности стали, 20Х23Н18, наиболее часто применяемой для изготовления печных труб на установках пиролиза, допускают проведение процесов расщепления углеводородов при 750 - 815С и температуре стенки трубы до 950С. При более жестких условиях пиролиза при температуре стенок до 1050 С и времени процесса 0,2-0,3 с применяются трубы из сплавов марок 45Х25Н20, 20Х25Н20С и т.д., изготовленные методом центробежного литья [10]. Сталь марки 20Х23Н18 сочетает высокую стойкость к окислению при высоких температурах с хорошей жаростойкостью. Аустенитная структура этой стали обеспечивается в результате закалки. При комнатных температурах она обладает умеренной механической прочностью, высокой пластичностью и удовлетворительной свариваемостью, достигаемой ацетиленокислородным и электродуговым методами сварки. Вследствие низкой длительной прочности сталь 20Х23Н18 используют преимущественно в ненагруженном состоянии либо при напряжении 10-20 МПа; при этом допускаемые деформации составляют не более 0,2-0,3 % на весь срок службы. Недостатком стали 20Х23Н18 является нестабильность структуры при умеренно высоких температурах (600-800 С), когда в зависимости от длительности выдержки образуется с-фаза, обнаруживаемая под микроскопом в виде темных включений, это повышает хрупкость стали и снижает ее жаропрочность. Если сталь нагрета выше 800 С, ст-фаза не выпадает [17, 18]. Особенности аустенитной основы сталей связаны с двумя определяющими факторами: кристаллическим строением (ГЦК - решеткой) и высокой степенью легирования (сумма легирующих элементов более 30%). Наличие ГЦК - решетки обеспечивает высокие пластичность и ударную вязкость материала. Аустенит немагнитен, плотность его больше, чем других структурных составляющих стали (карбидов, интерметаллидов). Основу аустенитной жаропрочной стали печных труб составляет железо (более 45%). В общем влияние легирующих элементов на свойства стали описано в таблице 1.1. Аустенитная структура сплавов обеспечивается содержанием никеля в количестве более 18%, что создает условия для сохранения плотно упакованной решетки у-раствора, в котором замедляются процессы деформации, благодаря чему сталь становится жаропрочной. Ведение углерода в количестве до 0,45% способствует стабилизации и сохранению структуры аустенита в отношении нежелательного превращения у—»а, что улучшает механические свойства стали при комнатной и высоких температурах. Хром в составе аустенитной стали в количестве 17-27% обеспечивает повышение сопротивлению ползучести, длительную прочность и увеличивает сопротивление окислению.
Основные дефекты и их причины
При напряжении ниже критического напряжения сдвига tKp протекает неупругая обратимая ползучесть. Поскольку неупругая ползучесть обратима, она обычно не опасна для конструкций. При напряжениях выше tKp в области относительно низких температур идет логарифмическая, а при высоких ( 0,4- 0,6 TM) - так называемая высокотемпературная ползучесть. Наконец, при высоких температурах ( 0,5 — 0,8 Тпл) и низких напряжениях реализуется диффузионная ползучесть. Именно в таких условиях работают змеевики печей пиролиза ( см. п. 1.3.1).
Большинство физических моделей высокотемпературной ползучести исходят из того, что деформация идет путем скольжения и переползания дислокаций. Деформация при высоких температурах и низких напряжениях может быть не связана с перемещением дислокаций, а явиться результатом направленного диффузионного массопереноса.
При отсутствии внешних напряжений преимущественного переноса атомов в определенных направлениях не происходит. Но если металлический кристалл находится в поле напряжений, где есть растягивающие и сжимающие компоненты, то концентрация вакансий оказывается неодинаковой на растянутых и сжатых поверхностях, что вызывает направленный поток вакансий и противоположно направленный поток атомов, как- на рисунке 1.7, в результате дающий макроскопическое изменение формы кристалла.
Направления движения вакансий и атомов (пунктир) при диффузионной ползучести [43] Рассмотренная модель диффузионной ползучести носит имя ее авторов Набарро и Херинга. Помимо ползучести Набарро-Херинга, которая учитывает перенос вещества через объем кристаллов, большое значение в последние годы придается диффузионной ползучести Кобла, который предположил, что диффузионные потоки идут не по объему, а вдоль границ зерен.
Направленный массоперенос по объему и границам зерен происходит одновременно, а их вклад в деформацию будет различным в зависимости от температуры, напряжения и размера зерна. Рассматривая эти три параметра, как основные факторы, определяющие механизм ползучести, Эшби было предложено использовать карты механизмов деформации [44]. Карты механизмов деформации полезны для наглядного изображения смены доминирующих механизмов ползучести при изменении условий нагружения, а также размеров зерна в материале. На рисунке 1.8 показан пример такой карты, составленной для никеля с размером зерна 1 мм.
В результате ползучести конструкция может со временем разрушиться. Главной причиной этого считается образование и постепенное развитие пор и трещин по границам зерен, характерное для большинства металлических материалов. Чем выше температура и скорость ползучести, тем раньше начинается образование пустот и трещин. Такие трещины обычно появляются в результате межзеренных смещений в местах стыка трех зерен и растут вдоль тех из них, которые примерно перпендикулярны направлению растяжения. С повышением температуры и снижением действующего напряжения на межзеренных границах наблюдается интенсивное образование мелких пор круглого или эллиптического сечения. Зародышами этих пустот могут быть микронесплошности на границах зерен, имевшиеся еще до начала ползучести. Поры легко могут зарождаться и в процессе ползучести. В сталях образование пор в значительной мере связано с частицами избыточных фаз на границах.
При проектировании объектов нефтехимии и нефтепереработки вместо того, чтобы избегать разрушения вследствие ползучести вообще, проводится анализ, к каким последствиям приводят разрушения всевозможных типов. И на основании результатов формулируют требования к проекту [45]. Данный подход обусловлен двумя факторами: - неполнота наших знаний о свойствах материала труб и истинных рабочих температурах, что исключает возможность детального исследования напряжений; - убытки от остановки оборудования могут быть очень большими, так что предпочтение следует отдавать непрерывному процессу работы.
Поэтому основная задача проектирования состоит в том, чтобы обеспечить выключение из рабочего процесса разрушение трубы до тех пор, пока не будет возможна ее замена.
В работе [46] были собраны и изучены отказы труб змеевика печей пиролиза №№ 4, 5, 6 цеха 1/1 ОАО «Уфаоргсинтез» в период с 1995 по 2000гг. Проведенный анализ показал, что наиболее часто подлежат ремонту: первая труба после узла ввода ингибитора, а также последние трубы по ходу потока - самые теплонапряженные. Полученные данные были использованы для определения характерных мест отбора проб металла на изучаемом объекте.
Анализ ползучести стали в условиях эксплуатации в печах пиролиза
Постоянство размерности Do границы пористого слоя для разных сроков эксплуатации говорит о том, что процесс порообразования в основе своей имеет диффузионный механизм перераспределения дислокаций [12]. Что подтверждает верность определенного выше механизма ползучести. Выводы: 1. Проведенный металлографический анализ показал, что в процессе эксплуатации в условиях пиролиза углеводородов змеевик, изготовленный из стали 20Х23Н18, становится квазимногослойным. На внешней поверхности труб образуется пористый слой, на внутренней — науглероженный. В слое основного металла образуется ряд вторичных фаз. Показана взаимосвязь изменения механических свойств стали с изменениями структуры. 2. Анализ зависимости между пределом текучести и параметром скрытой упорядоченности структуры позволил выявить интервал сроков эксплуатации, в котором происходит смена механизмов разрушения труб с вязкого на квазихрупкий. Смена механизмов доказана фрактографически. 3. Показано, что скорость ползучести изучаемых труб, рассчитанная по стандартной методике является заниженной, в результате чего назначаются завышенные сроки безотказной работы змеевика. 4. Границы раздела квазислоев являются однородными фрактальными объектами. Постоянство величины Do границ пористых квазислоев для разного срока эксплуатации труб подтверждает то, что змеевик деформируется по механизму контролируемого переползанием (диффузией) течения. Расчет радиантных змеевиков реакционных печей Выбор стали определяется рядом факторов, которые можно разбить на две группы: - зависящие от внешних рабочих условий (температура, давление, свойства среды); - связанные со свойствами данного материала. Факторы первой группы влияют на механические свойства материала, изменение структуры. Ко второй группе факторов относятся физико-механические и технологические свойства металла. Наиболее важными характеристиками механических свойств при выборе материала являются предел прочности или временное сопротивление, предел текучести, длительная прочность, склонность к тепловой хрупкости, релаксации, чувствительность к старению, стабильность структуры, жаропрочность, жаростойкость, коэффициент линейного расширения.
При выборе материала змеевиков радиантных камер печей пиролиза проектные организации пользуются разработанными ими руководящими документами, содержащими сведения о применимости материаловдля конкретных эксплуатационных условий, например РД 26-02-80-88 «Змеевики сварные для трубчатых печей. Требования к пректированию, изготовлению и поставке», разработанный «ВНИИнефтемаш».
Порядок расчета на прочность змеевика установлен в РТМ 26-02-87-84 «Методика расчета на прочность элементов печей, работающих под давлением», разработанном «Союзнефтехиммаш». Расчетная толщина стенки принимается, исходя из внутреннего давления и коррозионной активности среды. Высокая температура эксплуатации учитывается при выборе допускаемого напряжения [а]. Для сталей аустенитного класса при температуре выше 590С [а] принимается равным пределу длительной прочности при рабочей температуре. Срок службы устанавливается 100000 часов.
На всех этапах проектирования не рассматриваются температурные напряжения, так как считается, что они нивелируются в результате ползучести. Лишь только после окончания установленного срока эксплуатации, для определения возможности и сроков дальнейшей работы предусмотрена методика, опирающаяся на металлографические исследования и принимающая во внимание изменение структуры металла. Например, РТМ 38.14.006-86 «Методика определения сроков эксплуатации змеевиков печей установок каталитического риформинга, отработавших проектный ресурс». Во всех рассмотренных методиках отсутствует возможность оценить и заложить воздействие напряжений, возникающих в трубах в процессе работы при изменении структуры. Оценить величину таких напряжений можно, если рассматривать змеевик как квазимногослойную трубу, модель которой дана в третьей главе. 4.2 Анализ свойств квазислоев Изменение структуры приповерхностных слоев стали 20Х23Н18 не могло не отразиться на их свойствах. Из литературы известно, что с увеличением количества пор в структуре стали величина модуля Юнга Е уменьшается [1], так как модуль упругости пор равен нулю. Увеличение количества карбидов влечет за собой изменение коэффициента линейного расширения.
Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния квазимногослойной трубы змеевика печи пиролиза в программе ANSYS
Кроме получения непрерывной стеклокерамической ленты в последние годы были разработаны оригинальные способы получения новых ситал-ловых изделий различного назначения: легковесные заготовки астрозеркал телескопов, отличающиеся прозрачностью и очень малым температурным коэффициентом линейного расширения, а следовательно, и весьма незначительным изменением размеров при сменах температур дня и ночи, что обеспечивает отсутствие оптических искажений при проведении астрономических исследований; термостойкие сотообразные структурные элементы для теплообменников; тонкостенные ребристые и трубчатые детали тепловых регенераторов; поверхностно упрочненные термохимической закалкой стеклянные и стеклокерамические слоистые панели, включая изделия, получаемые методом непрерывного горячего формования слоистого стекла, наружные поверхности которого после кристаллизации приобретают напряжения сжатия; высокопрочные жаростойкие стеклокерамические волокна, полученные кристаллизацией стеклянных волокон; шарики из стеклокристаллическо-го материала, применяемые при дробеструйной очистке поверхности металлов; прозрачные изделия из кристаллизующегося стекла, содержащие участки с различной степенью кристаллизации, с параллельно расположенными нитевидными кристаллами или узорами; частично закристаллизованные изделия с повышенной ударопрочностью.
Высокопрочные термостойкие стеклокристаллические изделия стали получать посредством кристаллизации стекла в электромагнитном поле, обеспечивающем разность температур между внутренними и наружными слоями и более интенсивный нагрев внутренних слоев. Очень прочный и термостойкий композиционный материал получен введением параллельно ориентированных металлизированных стеклянных или закристаллизованных нитей в матрицу из кристаллизующегося стекла. Разработаны методы нанесения на тонкую металлическую проволоку жаростойких защитных стекло-кристаллических покрытий.
Повышенная механическая прочность ситаллов связана в основном с их микрокристалличностью, т. е. с малыми размерами кристаллов, изменяющимися от 0,1 до нескольких микрометров, хотя на самом деле она зависит и от других факторов. На прочность ситаллов влияют состав стекла, объемная доля кристаллов, свойства стекловидной и кристаллической фаз, в частности их коэффициент расширения, плотность и упругие константы, напряжения, возникающие случайно или создаваемые путем термической или химической обработки, температура и влажность окружающей среды.
Исследованиями упругих свойств ситаллов в зависимости от температуры показано, что ситаллы, как и все силикатные материалы принадлежат к твердым телам, упругие свойства которых определяются законом пропорциональности вплоть до точки разрушения.
Коэффициент термического расширения ситаллов может изменяться в очень широких пределах — от малых отрицательных до больших положительных значений. Из большого разнообразия разработанных ситаллов наибольшее экономическое значение имеют литиевоалюмосиликатные ситаллы вследствие их исключительно низкого теплового расширения и связанной с ним очень высокой термостойкости. Теплопроводность ситаллов обычно в два раза выше теплопроводности стекол и ниже, чем у керамики.
Систематические испытания ситаллов в условиях -длительного воздействия различных агрессивных сред и температур показали высокую химическую устойчивость ряда технических ситаллов к минеральным кислотам и щелочам различных концентраций при комнатной и повышенной температурах и их пригодность для использования в качестве конструкционных материалов в химическом машиностроении.
Синтезированы жаростойкие ситалловые покрытия, защищающие легированные стали и сплавы от газовой коррозии при 1600 С. 1. Рассмотрено влияние науглероженного и пористого слоев на напряженно деформированное состояние змеевика. Показано, что влияние науглероженного слоя на НДС змеевика имеет сложный характер. И зависит как от толщины науглероженного слоя, так и от объемной доли карбидов в нем. Но, в общем, вызывает дополнительные растягивающие напряжения.
Хотя в стандартной методике расчета температурные напряжения в змеевиках печей пиролиза не рассматриваются, но при наличии науглероженного слоя температурными напряжениями пренебрегать нельзя.
На основании расчетов даны рекомендации по отбраковке науглеро-женных труб, исходя из количественного содержания карбидов в науглеро-женном слое определенной толщины.
Пористый слой находится в «сжатом состоянии» по отношению к основному металлу. Но у поверхности сферической поры напряжения удваиваются. Поэтому пористый слой может быть очагом развития микротрещин.
2. Анализ конструкции змеевика печи пиролиза, условий его работы позволил выявить недостатки конструкции, которые приводят к потере устойчивости формы за счет стеснения осевых перемещений, что подтверждается расчетом. Разработана принципиальная конструкция подвески с применением ситалловых элементов для снижения коэффициента трения в паре труба-подвеска.
Похожие диссертации на Совершенствование методов расчета и конструирования элементов печей пиролиза
