Введение к работе
Нефтеперерабатывающая промышленность играет важігую роль в экономике Республики Беларусь. В настоящее время более 60 % нефтеперерабатывающего оборудования (НПО), подконтрольного органам Госпромнадзора МЧС Республики Беларусь, эксплуатируется свыше 20 лет и выработало нормативный срок службы. Замена сложного и дорогостоящего оборудования новым не представляется возможным по причине нехватки финансовых средств. Поэтому для такого оборудования определяется остаточный ресурс его безопасной эксплуатации. Одним из основных направлений решения задачи безопасной работы нефтеперерабатывающего оборудования является мониторинг структуры и свойств материала при эксплуатации.
Наиболее распространенной причиной отказов оборудования является старение материала. Можно предположить, что без принятия необходимых мер количество отказов оборудования будет увеличиваться. Опыт эксплуатации установок нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) показывает, что увеличение срока службы НПО без научного обоснования может приводить к аварийным разрушениям. Старение материалов при эксплуатации проявляется в виде изменения микроструктуры и, как следствие, механических свойств, что приводит к возникновению потенциально опасных зон в материале и исчерпанию ресурса оборудования. Для критериальной оценки ресурса необходимо располагать качественными и количественными показателями структуры и механических свойств материала. Деградационные изменения материала конструкций НПО должны быть выявлены на ранней стадии их проявления путем контроля этого материала.
Несмотря на развитие методов и средств обеспечения промышленной безопасности объектов НПЗ, количество отказов по причине недостаточной конструкционной прочности материала сохраняется на высоком уровне. Это позволяет говорить о том, что вопросы обеспечения безопасности оборудования НПЗ нельзя считать решенными в полной мере. При большом объеме исследований структуры и свойств сталей, применяемых для изготовления оборудования НПЗ, практически отсутствуют сведения по контролю за изменением механических свойств материала при эксплуатации. Некоторые вопросы, касающиеся определения механических свойств материала без разрушения диагностируемого оборудования и оценки его остаточного ресурса, остаются малоизученными.
Таким образом, вопросы оценки и контроля изменения структуры и свойств материала с определением момента достижения им предельного состояния во время эксплуатации оборудования являются актуальными.
Связь работы с крупными научными программами (проектами) и темами. Работа выполнялась в соответствии с государственными научно-техническими программами:
ГПОФИ «Диагностика» задание № 24 (2003 - 2005 гг.) «Разработка теоретических и технологических основ оценки механических свойств материалов малоразрушающим способом»;
ГКПНИ «Техническая диагностика» задание № 13 (2006 - 2008 гг.) «Разработка и внедрение методики и пакета прикладных компьютерных программ оценки остаточного ресурса оборудования и металлоконструкций, основанных на косвенном определении комплекса механических свойств металла неразрушающим способом».
Цель и задачи исследования
Цель исследования - обеспечение безопасной эксплуатации НПО, выработавшего нормативный срок службы, на основе контроля деградации структуры, изменения механических свойств и прогнозирования предельного состояния материала.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
-
разработан неразрушающий способ определения ударной вязкости KCU материала НПО по результатам анализа геометрических параметров пирамидального отпечатка, полученного при определении твердости по Виккерсу;
-
уточнен и скорректирован для объектов исследований неразрушающий способ определения предела прочности а„, относительного удлинения 55 и относительного сужения \|/ материала;
-
найден критерий определения степени деградации материала и разработан способ оценки изменения механических свойств материала оборудования НПЗ по комплексному показателю;
-
выполнены исследования по возможности эффективной оценки фактического состояния материала НПО по степени деградации структуры. Установлена зависимость между размером коагулированных карбидов металлов и состоянием теплоустойчивых хромомолиоденовых сталей с разработкой шкалы баллов коагуляции карбидов в структуре стали и оценкой возможности их применения при эксплуатации НПО;
-
установлена зависимость изменения комплексного показателя механических свойств материала от времени эксплуатации оборудования. Разработаны способы определения скорости изменения комплекса механических свойств материала при эксплуатации, количественной оценки времени до достижения материалом НПО предельного состояния и срока его безопасной эксплуатации;
-
апробирована применимость разработанных зависимостей и способов и внедрены результаты исследований в практику диагностирования НПО.
Объектом исследования являлись конструкции НПО, изготовленные из основных марок конструкционных углеродистых, низколегированных кремне-марганцевых, теплоустойчивых и коррозионностойких сталей. Выбор объекта исследований обусловлен анализом материального исполнения НПО.
Предметом исследования являлись структура, механические свойства материала и их изменения. Выбор предмета исследований обусловлен преобладающим разрушением оборудования НПЗ вследствие деградации структуры и изменения механических свойств материала.
Положения, выносимые на защиту
-
Зависимости между геометрическими параметрами пирамидального отпечатка (диагональ и ширина), полученного при определении твердости по Виккерсу, и значением ударной вязкости сталей 20, 09Г2С, 15Х5М и 12Х18Н10Т, отличающиеся учетом поведения краевой области пирамидального отпечатка, анализом изогнутости сторон отпечатка и учетом пластического деформирования материала.
-
Поправочные коэффициенты для корреляционных уравнений определения предела прочности с„, относительного удлинения 55 и относительного сужения у сталей 20, 09Г2С, 15Х5М и 12Х18Н10Т.
-
Взаимосвязь между предельным состоянием конструкций из теплоустойчивых сталей 15ХМ, 15Х5М, 13Х9М, 10Х12В2МФ, 10Х13М1 и размером коагулированных карбидов (на примере печных змеевиков), а также шкала баллов коагуляции карбидов. При размере коагулированных карбидов в структуре стали 1...4 мкм эксплуатация конструкции безопасна; 5...8 мкм - дальнейшая эксплуатация безопасна при условии удовлетворительных результатов механических испытаний и сокращении времени до проведения следующего диагностирования материала; более 9 мкм - конструкция подлежит замене. Это позволяет качественно оценивать состояние теплоустойчивых хромомолибденовых сталей и обеспечить безопасность дальнейшей эксплуатации конструкций.
-
Граничные значения удельных работ разрушения основных марок конструкционных углеродистых, низколегированных кремнемарганцевых, теплоустойчивых и коррозионностойких сталей при статическом и динамическом на-гружениях, соответствующие работоспособному и неработоспособному состояниям материала НПО. Использование указанных значений механических свойств материала формирует области соотношения между механическими характеристиками (ов, 55 и KCU) и состоянием материала, характеризующим безопасность эксплуатации. Результатом является проведение интегрированной оценки изменения комплекса механических свойств материала диагностируемой конструкции. Выходящее за установленные граничные значения сочетание механических свойств материала свидетельствует о достижении материалом неработоспособного состояния.
-
Зависимости изменения комплексного показателя механических свойств основных марок конструкционных углеродистых, низколегированных кремне-
марганцевых, теплоустойчивых и коррозионностойких сталей от времени эксплуатации оборудования, которые позволяют определять скорость деградации механических свойств и время достижения материалом предельного состояния. Полученные зависимости положены в основу метода прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации материала НПО.
Личный вклад соискателя
Совместно с научным руководителем развиты представления о взаимосвязи параметров пирамидального отпечатка (диагональ и ширина), полученного при измерении твердости по методу Виккерса, с основными механическими свойствами материала (св, 85> у) применительно к сталям НПО, разработан способ определения ударной вязкости KCU сталей без разрушения конструкций, а также разработана концепция определения предельного состояния материала по скорости деградации механических свойств. Остальные результаты получены соискателем самостоятельно.
Апробация результатов диссертации
Основные результаты работы были доложены на следующих конференциях:
IV международной научно-технической конференции «Материалы, технологии и оборудование для упрочнения и восстановления деталей машин» (Новополоцк, УО «ПГУ», 22 - 24 апреля 2003 г.);
XLIII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, УО «ВГТУ», 27 сентября- 1 октября 2004 г.);
XV Петербургских чтениях по проблемам прочности, поев. 100-летию со дня рождения академика С.Н. Журкова (Санкт-Петербург, Дом ученых им. М. Горького РАН, 12 - 14 апреля 2005 г.);
V международной научно-технической конференции «Материалы, технологии и оборудование для упрочнения и восстановления деталей машин» (Новополоцк, УО «ПГУ», 19-20 апреля 2005 г.);
XLIV Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Вологда, ВГТУ, 3-7 сентября 2005 г.);
XVII Петербургских чтениях по проблемам прочности, поев. 90-летию со дня рождения профессора А.Н. Орлова (Санкт-Петербург, Дом ученых им. М. Горького РАН, 10-12 апреля 2007 г.);
VI международной научно-технической конференции «Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин» (Новополоцк, УО «ПГУ», 24 - 26 апреля 2007 г.).
По результатам республиканского конкурса научных работ молодых специалистов получено два диплома первой категории Министерства образования Республики Беларусь за работы: «Графическая интерпретация комплексного показателя механических свойств сталей» (2003 - 2004 гг.) и «Особенности определения уровня механических свойств металла нефтехимического оборудования и конструкций» (2004 - 2005 гг.). Получено свидетельство Президента Республики Беларусь за победу в Республиканском конкурсе научных работ (2005 г.).
В 2007 году получен диплом лауреата премии Белорусского республиканского союза молодежи в области науки и техники за новаторский подход к работе, вклад в развитие народного хозяйства, белорусской науки и техники.
Опубликованность результатов диссертации. Основные результаты исследований содержатся в 15 опубликованных работах, из них: 4 статьи в научных журналах, 10 тезисов докладов конференций. Подана 1 заявка на получение патента Республики Беларусь.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа содержит 246 страниц, в том числе 92 страницы текста, 155 рисунков, 33 таблицы, 11 страниц библиографического списка (130 наименований), 8 приложений на 65 страницах.
