Введение к работе
1. АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ: Развитие нефтехимии и нефтепереработки связано с переходом на новые, более совершенные технологические процессы с возрастающими темлературно-силовыми параметрами эксплуатации и уровнями единичной мощности оборудования. К таковым относятся и высокотемпературные каталитическая конверсия и риформинг углеводородных газов с целью получения водорода или обогащенного водородом технологического газа, протекающие в печах установок производства аммиака (УПА) и водорода (УПВ) при температуре до 950С и давлении до 4 МПа при расчетном сроке эксплуатации 60-100 тыс.час.
Стабильность работы таких установок зависит от надежности и долговечности наиболее теплонапряженного и дорогостоящего элемента оборудования - реакционных труб змеевиков печей. Жесткие эксплуатационные требования определяют выбор применяемого материала и технологию изготовления реакционных труб. В настоящее время наиболее широкое применение имеет высоколегированная жаропрочная и жаростойкая сталь 45Х25Н20С, предназначенная для длительной службы в агрессивных средах при высоких температурах. Высокое содержание никеля обеспечивает жаропрочность, хром дает жаростойкость, углерод повышает характеристики длительной прочности. Сталь 45Х25Н20С является труднодеформируемым материалом, кроме того, крупнозернистая структура (аустенитная матрица с карбидами, выделяющимися по межосям дендритов, окаймленная эернограничными карбидными цепочками, рис. 1а) обеспечивает более высокие показатели длительной прочности, поэтому реакционные трубы печей УПВ и УПА изготавливают экономичным, достаточно простым и доступным способом центробежного литья. Трубы применяются в исходном литом состоянии. Их хорошая свариваемость и удовлетворительные прочность и технологическая пластичность позволяют осуществлять крупноблочные изготовление и монтаж, а высокий исходный уровень служебных характеристик пщ умеренной стоимости определяет широкое применение в нефтехимии.
Однако, несмотря на все положительные аспекты внедрения этой стали, опыт промышленной эксплуатации выявил ряд проблем, основной из которых явилось внезапное (своевременно недиагностируемое) преждевременное (задолго до истечения расчетных сроков эксплуатации) макрохрупкое (рис. 16) разрушение центро-бежнолитых труб (ЦЛТ).
Несмотря на накопленный в отрасли опыт расследования аварийных случаев,
до настоящего времени не сформирована ясная и полная картина причин этого явления. Кроме того, недостаточно изучено влияние условий эксплуатации на физи-ко—механические и фазо-структурные характеристики стали 45Х25Н20С, особенно при работе материала в режиме ползучести. Это затрудняет разработку системы организационно-технических мероприятий, повышающих надежность и долговечность эксплуатации ЦЛТ из стали 45Х25Н20С.
В связи с вышесказанным, одной из актуальных задач технической политики в отрасли является исследование происходящих при эксплуатации ЦЛТ процессов, определение критериев оценки степени их протекания, разработка и оценка эффективности способов повышения эксплуатационной надежности .
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ ЯВЛЯЕТСЯ обеспечение надежности и долговечности ЦЛТ из стали 45Х25Н20С на протяжении расчетного срока эксплуатации на основании изучения эксплуатационных изменений служебных свойств, определения допустимых значений механических и структурных характеристик, а также разработки рекомендаций по повышению работоспособности печного трубного комплекта.
результаты исследования причин аварийного разрушения ЦЛТ;
результаты экспериментальных исследований структурных и механических характеристик стали 45Х25Н20С в состоянии поставки и после длительной эксплуатации;
результаты исследований влияния длительного высокотемпературного старения на физико-механические и фазо-структурные характеристики стали 45Х25Н20С;
результаты экспериментального исследования длительной прочности и пластичности при рабочих температурах на базах, сопоставимых со сроком эксплуатации;
разработанный способ повышения исходных служебных свойств и восстановления характеристик эксплуатировавшегося материала ЦЛТ из стали 45Х25Н20С - термообработка при 1250С в течение 4 час;
разработанная система комплексной оценки состояния материала ЦЛТ и система мониторинга печного трубного комплекта.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в том, что в ней впервые:
установлено, что уровень служебных свойств материала ЦЛТ определяется распределением и морфологией межкристаллитных прослоек карбидных выделений; образование сплошных зернограничных цепочек и огрубление частиц карбидной фазы снижает пластичность и длительную прочность;
установлено, что основной причиной эксплуатационного разрушения является образование микродефектов и пленочных выделений карбидной фазы по меж-кристаллитным границам вследствие исходного металлургического несовершенства материала или возникающих при нерегламентных отклонениях эксплуатационного режима;
показано, что длительная пластичность и пластичность при кратковременных испытаниях являются основными характеристиками, обеспечивающими необходимый уровень служебных свойств ЦЛТ. Предельно допустимая величина деформации ползучести определена в 1%;
установлено, что повышение исходного и восстановление понизившегося при эксплуатации комплекса служебных характеристик ЦЛТ возможно путем термической обработки по предложенному режиму - отжиг при 1250С в течение 4 час; определяющим фактором действенности термообработки является отсутствие межкристаллитных микродефектов и раздробление зернограничных карбидных цепочек.
разработаны и экспериментально обоснованы критерии и нормы предельных значений характеристик длительной прочности и пластичности, структурных и механических свойств ЦЛТ из стали 45Х25Н20С;
разработана и внедрена на Уфимском НПЗ комплексная система оценки работоспособности, дальнейшего срока эксплуатации и определения допускаемых напряжений для печного трубного комплекта в послеаварийном состоянии, основанная на сопоставлении результатов микроструктурного анализа, испытаний на жаропрочность и кратковременную пластичность;
разработана и внедрена на Московском НПЗ система мониторинга текущего состояния реакционных печных труб, включающая периодические контроль ползучести установленных ЦЛТ и оценку фазо-структурных и физико-механических свойств образцов-свидетелей.
Общий объем выполненных договорных работ составил 625 тыс.руб. в ценах 2000г. (доля автора - 20%).
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные положения работы и результаты исследований докладывались на: Ежегодных научных конференциях Волгоградского государственного технического университета 1995-2000г.г.; Научно-технической конференции "Интеркристаплитная хрупкость сталей и сплавов", Ижевск, 1989г.; Межреспубликанской научно-технической конференции "Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин". Волгоград, 1989г., 1995г.; II и III Всесоюзном симпозиуме по перспективным металлическим материалам, Москва, 1991г., 1996г.; Всероссийской научно-технической конференции "Физико-механические свойства материалов и их экспрессная оценка неразрушающими методами и портативными техническими средствами". Волгоград, 1995г.; Научной конференции "XXII Гагаринские чтения", Москва, 1996г.
ПУБЛИКАЦИИ: По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ: Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и содержит 162 страницы текста, 77 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 103 наименований.
