Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ В НЕФТЕПЕРЕРАБОТКЕ 12
ХРОМОМОЛИБДЕНОВЫХ СТАЛЕЙ
Технологические печи - составная часть нефтеперерабатывающих 12 установок, их назначение, устройство и эксплуатация
Теплоустойчивые стали как материал для изготовления труб 15 печных змеевиков
Влияние основных легирующих элементов на эксплуатационные 15 свойства теплоустойчивых сталей
Влияние термической обработки на структуру и свойства металла 17 печных змеевиков в состоянии поставки
Влияние структурных параметров металла на кратковременные 22 механические свойства, длительную прочность и пластичность
Изменение свойств металла печных змеевиков в процессе 28 длительной эксплуатации
Прогнозирование эксплуатационной надежности печных змее- 36 виков из хромомолибденовых сталей
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 48
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ 50
ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследуемый материал 50
Стандартные методики 53
Химический анализ 53
Механические испытания 57
Металлографические исследования 60
Рентгеноструктурный анализ 66
Электронномикроскопические исследования 69
2.3. Разработанные методики 71
Исследование стали 15Х5М (15Х5М-У) в состоянии поставки 71
Исследование структурно-механических состояний стали 15Х5М 72 после эксплуатации
2.3.2.1. Исследование влияния структурных характеристик на кратковре- 72
менные механические свойства стали 15Х5М после эксплуатации
2.3.2.2. Исследование влияния структурных параметров на длительную 73
прочность стали 15Х5М, применяемой при температуре 570С
2.3.3. Исследование эволюции структурно-механических состояний метал- 73
ла труб печных змеевиков
Изменение структуры и кратковременных механических свойств 73 металла печных змеевиков после эксплуатации
Исследование влияния длительных изотермических экспозиций на 76 жаропрочность стали 15Х5М, применяемой при температуре 570С
Исследование влияния предварительных деформаций ползучести на 78 структуру и свойства стали 15Х5М
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 79
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ СОСТОЯНИЙ И ФИ- 81 ЗИКО - МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ 15Х5М, ЭКСПЛУАТИРУЕМОЙ В ПЕЧНЫХ ЗМЕЕВИКАХ СВЫШЕ 250 ТЫСЯЧ ЧАСОВ
3.1. Исследование металла труб печей, работающих при температурах 81
350-500С
Классификация структурных состояний металла после эксплуа- 81 тации
Исследование взаимосвязи характеристик структуры с характе- 86 ристиками прочности и пластичности стали 15Х5М, работающей при температурах 350 - 500С
Исследование взаимосвязи структурно-механических характери- 101 стик стали 15Х5М-У, работающей при 350 - 500С
3.2. Исследование металла труб печей, работающих при температуре 111
570С
Структурные состояния металла, применяемого при 570 С 111
Исследование структуры, кратковременной прочности и пла- ИЗ стичности стали 15Х5М, применяемой при 570С
Исследование влияния структурных характеристик на кратковре- 120 менные механические свойства 15Х5М-У, работающей при 570С
Исследование влияния структурных параметров на длительную 124 прочность металла печных змеевиков
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 129
ГЛАВА 4. ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СО- 131
СТОЯНИЙ МЕТАЛЛА В ПРОЦЕССЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПЕЧНЫХ ЗМЕЕВИКОВ
Изменение структуры и механических свойств стали 15Х5М, рабо- 131 тающей при температурах до 500С
Влияние профилактических паровыжигов кокса на свойства ста- 137 ли 15Х5М(15Х5М-У)
Изменение структуры и кратковременных механических свойств 141 металла печных змеевиков в процессе эксплуатации при 570С
Влияние изотермической экспозиции и предварительной деформа- 147 ции ползучести на жаропрочность стали 15Х5М, работающей при 570С
Исследование эксплуатационной надежности металла труб печных 160 змеевиков
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 163
ГЛАВА 5. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЖАРО- 165
ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛА ПЕЧНЫХ ЗМЕЕВИКОВ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ УСТАНОВОК
Оценка жаропрочности металла печных змеевиков, работающих 165 при температурах до 500С
Многоуровневый подход к оценке жаропрочности стали 15Х5М, 172 работающей при 570С
Предварительная оценка длительной прочности по результатам 172 неразрушающего контроля микроструктуры и твердости
Методика оценки длительной прочности по физико-механическим 176 свойствам
5.2.3 Методика прогнозирования длительной прочности методом базо- 181
вых диаграмм
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 188
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 190
ЛИТЕРАТУРА 192
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 199
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 222
Введение к работе
Важнейшими технологическими процессами нефтепереработки являются предварительная гидроочистка бензинов от сернистых, азотистых, металлооргани-ческих соединений и каталитический риформинг. Перед поступлением в реакторы сырье нагревается в печных змеевиках, состоящих из бесшовных труб. При температурах стенки 350-580С и давлениях до 5 МПа применяются трубы широкого диапазона типоразмеров из рационально легированной стали 15Х5М (15Х5М-У).
Работы ученых: Наумана Ф.К., Розе А., Шрадер А., Арчакова Ю.И., Седова В.М., Дьякова В.Г., Залесской Е.Б., Вольфсона СИ., Медведева Ю.С, Бочарова А.Н., Королева Н.М., Ковпака В.И., Кривенюка В.В., Рабкиной М.Д., Мирочника В.Л., Ламзина А.Г., Рубенчика Ю.И., Бережнова Ю.М., Гордеева Г.Л., Ватника Л.Е., Мухина В.Н., Тепловой Н.И., Земзина В.Н., Кириличева Н.В., Халимова А.Г., Габ-басоваД.Ф. посвящены исследованиям теплоустойчивости стали 15Х5М(15Х5М-У), коррозионной стойкости в рабочих средах, технологичности (свариваемости и деформируемости), возможности восстановления ее служебных свойств после пожара и проблемам прогнозирования длительной прочности.
В связи с тем, что наработка труб из стали 15Х5М во многих случаях уже превысила 300-350 тысяч часов при проектном сроке 100 тысяч часов, существует проблема оценки физического ресурса металла, которая базируется на определении реальных прочностных свойств при расчетных температурах и сравнении их с требованиями нормативно-технической документации. Существующие в настоящее время нормативно-технические документы по проведению прочностных расчетов основаны на результатах исследований металла печных змеевиков в состоянии поставки и со сроками эксплуатации, не превышающими 200 тысяч часов. Вместе с этим в литературных источниках отсутствует оценка прочностных характеристик стали 15Х5М при наработках свыше 250 тысяч часов.
Для обеспечения эксплуатационной надежности змеевиков, отработавших 300 и более тысяч часов, необходимо сокращение межинспекционных интервалов. В связи с этим обостряются проблемы: 1) вырезок металла, 2) длительных испытаний.
Вырезка металла для исследования сопряжена с трудностями последующего ремонта (сварки, термообработки, контроля швов, гидроиспытания), а максимальная продолжительность испытаний на длительную прочность, необходимая для продления срока эксплуатации на 50 тысяч часов, составляет 3,5 — 5 тысяч часов при общем времени испытаний образцов партии - 15-20 тысяч часов. Для оперативного принятия решений о замене оборудования в ремонтный период необходима экспрессная оценка прочностных свойств. Поэтому актуальной является разработка неразрушающих методов контроля и ускоренного прогнозирования жаропрочности с учетом качественно различных характеристик состояния металла.
Разработка комплексного метода прогнозирования жаропрочности и остаточного ресурса эксплуатации печных змеевиков нефтеперерабатывающих установок обеспечивает надежную эксплуатацию оборудования при сроках свыше 300 - 350 тысяч часов при увеличении объема постоянного мониторинга и его информативности. Этот метод предполагает многовариантность и различные уровни диагностирования, исключает затраты, связанные с необоснованными контрольными вырезками металла, и обеспечивает возможность оперативного принятия решения о замене элементов змеевиков.
В связи с этим целью настоящей работы является научно обоснованное продление срока эксплуатации печных змеевиков из стали 15Х5М на базе исследования эволюции структурно-механических состояний, оценки ресурса жаропрочности и развития методов прогнозирования эксплуатационной надежности.
Актуальность работы подтверждается выполнением ее в рамках мероприятий Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору в области промышленной безопасности опасных производственных объектов; в соответствии с решениями Совета главных механиков предприятий нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности о совершенствовании существующих нормативно-технических документов и разработке критериев, повышающих безопасность эксплуатации оборудования при переводе технологических установок на увеличенный межремонтный пробег.
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 153 источника.
В первой главе рассмотрено назначение и устройство технологических печей нефтеперерабатывающих установок. Для обоснования выбора материала труб печных змеевиков показано влияние основных легирующих элементов и способа термической обработки на эксплуатационные свойства теплоустойчивых хромомо-либденовых сталей, среди которых наиболее востребована сталь 15Х5М, применяемая в отожженном состоянии и термоупрочненном (15Х5М-У), т.е. после нормализации с последующим высоким отпуском. Приведен обзор существующих методов прогнозирования жаропрочности, показывающий, что для оценки остаточного ресурса длительно работающего оборудования актуальными являются те, которые базируются на исследовании взаимосвязи структуры и жаропрочности. Применительно к металлу печных змеевиков установок предварительной гидроочистки и каталитического риформинга бензинов эта взаимосвязь недостаточно изучена и неполно освещена в литературе. Отмечено, что в технических условиях на изготовление бесшовньк труб из стали 15Х5М для нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности не предусмотрен контроль микроструктуры после термической обработки, не разработаны и структурные критерии оценки жаропрочности металла печных змеевиков в процессе эксплуатации. В то же время накопленный ОАО «ВНИКТИнефтехимоборудование» банк данных по результатам исследования печных змеевиков из стали 15Х5М открывает перспективу развития прогнозирования жаропрочности по структурным параметрам. В соответствии с поставленной целью в первой главе определены основные задачи исследований.
Во второй главе приведены стандартные и действующие в ОАО «ВНИКТИнефтехимоборудование» методики проведения химического, фазового рентгено-структурного, карбидного, металлографического анализов, электронной микроскопии, измерения твердости и микротвердости, определения кратковременных механических свойств по результатам испытаний на растяжение, определения длительной прочности и характеристик ползучести при реализации программы исследова-
ний металла печных змеевиков из стали 15Х5М (15Х5М-У) в состоянии поставки и после эксплуатации. Рассмотрены разработанные экспериментальные методики, позволяющие оценить стабильность состояния металла печных змеевиков для обоснования возможности промышленного применения предлагаемых экспресс-методов прогнозирования по структурным параметрам.
В третьей главе приведены результаты исследования температурной зависимости характеристик прочности и пластичности стали 15Х5М и 15Х5М-У в состоянии поставки и после длительной эксплуатации в широком диапазоне рабочих температур. Предложена классификация структурных состояний стали 15Х5М и 15Х5М-У после длительной эксплуатации. Определены структурные особенностей металла печных змеевиков, обусловленные отличием термодеформационных режимов эксплуатации (отсутствие деформации ползучести при периодических кратковременных превышениях расчетной температуры стенки трубы и релаксационная ползучесть при стабильном температурном режиме). Рассмотрена взаимосвязь характеристик кратковременной и длительной прочности и пластичности с параметрами структуры стали 15Х5М после эксплуатации при различных температурах. Приведено ранжирование структур в соответствии с максимальным, средним и минимальным уровнем каждой из характеристик прочности и пластичности. Разработаны критерии экспресс-методов прогнозирования жаропрочности по структурным параметрам.
В четвертой главе по результатам периодических и послеаварийных исследований рассмотрена эволюция структуры, физико-механических свойств, длительной прочности и пластичности металла печных змеевиков в процессе эксплуатации в течение 70-375 тыс. ч при различных температурах. Приведены результаты моделирования влияния на структуру и свойства: 1) кратковременных термических воздействий при профилактических паровыжигах кокса; 2) длительных изотермических экспозиций при температуре ползучести; 3) предварительных деформаций ползучести, реализованных на различных стадиях ползучести. Дан анализ причин эксплуатационных повреждений печных змеевиков, определены структуры и фазовый состав, соответствующие недопустимым для дальнейшей эксплуатации харак-
теристикам прочности и пластичности. Доказана необходимость и возможность экспресс-оценки жаропрочности по структурным параметрам.
В пятой главе показано, что физический ресурс металла печных змеевиков не исчерпан при достижении 300-350 тысяч и более часов наработки. Рассмотрены разработанные методики экспресс-оценки жаропрочности по результатам: 1) нераз-рушающего контроля микроструктуры и твердости с применением эталонных шкал для классификации микроструктур и таблиц, позволяющих оценить прочностные характеристики по типу или категории микроструктур; 2) фазового (рентгенострук-турного и химического) анализа; 3) ограниченных испытаний с применением метода базовых диаграмм. Представлен комплексный метод прогнозирования жаропрочности металла и остаточного ресурса эксплуатации печных змеевиков, его варианты и уровни, определяемые температурой эксплуатации, продолжительностью межремонтного периода, целями диагностирования. Рассмотрены примеры оценки состояния металла печных змеевиков при диагностировании оборудования.
В заключении приведены выводы, отражающие основные результаты работы.
Научная новизна работы заключается в раскрытии особенностей структурно-механических состояний стали 15Х5М, характера и кинетики их эволюционных изменений, определяемых спецификой различных термодеформационных режимов эксплуатации печных змеевиков.
1. Установлено, что в стали 15Х5М, эксплуатируемой при 350-495С до 300-350 тысяч часов фазовый состав и жаропрочность металла изменяются незначительно из-за малой скорости диффузионных процессов, а возможные изменения морфологии и распределения карбидных частиц, размеров и формы зерен феррита обусловлены, в основном, кратковременными превышениями проектных температур стенок труб.
2. Показано, что деградация структуры и свойств стали 15Х5М при перегревах выше эксплуатационных температур идет по двум направлениям: а) снижение прочности в результате коагуляции карбидной фазы; б) снижение характеристик пластичности при появлении в микроструктуре бейнитной составляющей или грубых карбидных выделений по границам зерен; для таких состояний характерно зна-
чительное отклонение относительного содержания Мо, и особенно Сг, в карбидах от оптимальных значений, которые при 470С составляют: от 11 до 21% Сг, от 5 до 26%Мо.
Показано, что в процессе длительной эксплуатации стали 15Х5М в условиях стабильного температурного режима при 570С снижение фазового наклепа, переход Сг и Мо из твердого раствора в карбидную фазу, выделение мелкодисперсных стабильных карбидов по границам и телу зерен при малой скорости коагуляции не сопровождаются изменением размеров зерен и увеличением склонности к зерно-граничной пороповреждаемости, в результате чего не снижается минимальный уровень пределов длительной прочности и длительная пластичность при наработках змеевиков до 300-350 тысяч часов.
Раскрыт механизм замедления разупрочнения при релаксационной ползучести на границах зерен и в приграничных объемах (снятие пиковых напряжений, залечивание микропор докритического размера) под длительным воздействием на металл труб напряжений от внутреннего (рабочего) давления при 570С, которые всегда ниже порога равномерной ползучести.
Результаты исследований позволили продлить срок эксплуатации печных змеевиков с 300-350 до 350-400 тысяч часов при росте информативности и эффективности диагностирования. Разработана «Методика оценки состояния металла печных змеевиков установок предварительной гидроочистки бензинов и каталитического риформинга», устанавливающая объем и последовательность проведения работ по оценке жаропрочности металла и остаточного ресурса змеевиков печей; создан атлас «Структурно-механические состояния стали 15Х5М, применяемой в печных змеевиках установок предварительной гидроочистки и каталитического риформинга нефтеперерабатывающих предприятий», который используется при экспертизе промышленной безопасности оборудования (Приложение 2).
Среднегодовой экономический эффект от продления сроков эксплуатации печных змеевиков в 2003-2008 г. на предприятиях отрасли (ООО «ЛУКОИЛ-Волгограднефтепереработка», ОАО «Московский НПЗ», ЗАО «Рязанская НПК»,
ООО «ЛУКойл-Пермнефтеоргсинтез», ОАО «Саратовский НПЗ») составил 2 млн. руб. (на одну печь), в т. ч. 15 % - доля автора.
Работа выполнена в ОАО «ВНИКТИнефтехимоборудование» и в Волгоградском государственном техническом университете.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на НІ Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур» (Москва, 2006 г.), ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета (Волгоград, 2003 - 2008 г.г.).
Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в семи печатных работах, в т. ч. четыре работы - в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Выражаю особую благодарность научному руководителю — Заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., профессору ВолгГТУ Ю.П. Трыкову; зав. лаб.21 ОАО «ВНИКТИнефтехимоборудование», к.т.н. Л.Е. Ватнику; доценту ВолгГТУ, к.т.н. Л.М. Гуревичу за консультации и большую помощь, оказанную в процессе выполнения работы.
Выражаю признательность генеральному директору ОАО «ВНИКТИнефтехимоборудование», к.ф-м.н. B.C. Едигарову; членам Ученого совета ОАО «ВНИКТИнефтехимоборудование»: к.т.н. А.Е. Фолиянцу; к.т.н. Н.В. Мартынову; к.т.н. В.Н. Мухину; Р.А. Мельниковой за внимание, поддержку и консультации при выполнении работ ы.
Автор благодарит также всех сотрудников ОАО «ВНИКТИнефтехимоборудование», принимавших непосредственное участие в проведении исследований.
