Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ основных причин отказов установок очистки газа от кислых компонентов
1.1 Особенности рабочих сред установок очистки газа от кислых компонентов и влияние внешних и внутренних факторов коррозии на их агрессивность 7
1.2 Особенности коррозионного состояния оборудования установок очистки газа от кислых компонентов 16
1.3 Анализ ремонтных технологий, применяемых для оборудования установок очистки газа от кислых компонентов 23
1.4Анализ методов наплавки для восстановления поверхности при ремонте 25
1.5 Анализ сварочных материалов 33
Выводы по главе 1 42
Глава 2. Исследование коррозионной стойкости наплавленного металла при формировании в нем различных структурно-фазовых состояний 44
2.1 Оценка возможности повышения стойкости основного металла оборудования к водородному охрупчиванию за счет использования материалов аустенитного класса 44
2.1.1. Материалы и методика исследований 45
2.1.2. Результаты исследований 46
2.2 Исследование стойкости наплавленного металла аустенитного класса к общей и язвенной коррозии 51
2.2.1. Материалы и методика исследований 51
2.2.2. Результаты исследований 52
2.3 Влияние параметров термического цикла наплавки на формирование структуры в углеродистой стали 55
2.3.1. Материалы и методика исследований 56
2.3.2. Результаты исследований 58
2.4 Исследование влияния структурного состава углеродистой стали на развитие коррозионных процессов 62
2.4.1. Материалы и методика исследований 62
2.4.2. Результаты исследований 63
Выводы по главе 2 67
Глава 3. Разработка технологии восстановления поверхности оборудования и его элементов, обеспечивающей в наплавленном слое структуру металла, стойкую к водородному охрупчиванию, общей и язвенной коррозии 69
3.1. Методика определение параметров термического цикла при дуговых процессах наплавки 71
3.1.1.Определение параметров термического цикла при механизированной электродуговой наплавке в среде инертных газов 76
3.1.2 Определение параметров термического цикла при плазменно- дуговой наплавке 80
3.2 Экспериментальная проверка основных расчетных характеристик наплавленного слоя 82
3.3 Разработка технологии восстановления поверхности 87
3.3.1. Сварочные (наплавочные) материалы 88
3.3.2. Подготовка внутренней поверхности кубовой части абсорбера установки очистки газа от кислых компонентов 88
3.3.3. Процесс наплавки 89
3.3.4. Термическая обработка восстановленной поверхности 89
3.4. Технологический процесс восстановления внутренней поверхности кубовой части абсорбера установки очистки газа от кислых компонентов 90
Выводы по главе 3 93
Глава 4. Исследование структуры и свойств металла соединений, выполненных по разработанной технологии наплавки 94
4.1. Материалы и методика исследований 94
4.2. Результаты испытаний 96
4.3. Оценка склонности соединений, наплавленных по разработанной технологии, к образованию холодных трещин 101
Выводы по главе 4 106
Выводы по работе 107
Литература 109
Приложение 119
- Особенности рабочих сред установок очистки газа от кислых компонентов и влияние внешних и внутренних факторов коррозии на их агрессивность
- Оценка возможности повышения стойкости основного металла оборудования к водородному охрупчиванию за счет использования материалов аустенитного класса
- Методика определение параметров термического цикла при дуговых процессах наплавки
Введение к работе
В последнее время значительно возросла актуальность проблемы ремонта нефте- и газозаводского оборудования. Это связано с тем, что значительная часть металла конструкций нефтеперерабатывающих предприятий выработала свой ресурс эксплуатации. Особенно остро стоит вопрос ремонта оборудования, работающего со средами с повышенной агрессивностью.
Одна из проблем при эксплуатации нефте- и газоперерабатывающего оборудования связана с разрушением аппаратов, среды которых являются неравновесными растворами, содержащими одновременно пассиваторы (основания) и активаторы (кислоты). Такая ситуация наиболее характерна для установок очистки газа от кислых компонентов, которые эксплуатируются на нефте- и газоперерабатывающих заводах.
Однако, это в настоящее время не учитывается в существующих ремонтных технологиях, которые основаны либо на использовании процессов наплавки высоколегированными материалами аустенитного класса для восстановления поверхности оборудования, либо на использовании гильз из сталей аустенитного класса для защиты рабочих поверхностей.
Обследование оборудования установок очистки газа от кислых компонентов показывает, что в восстановлении или замене нуждаются как элементы корпусов аппаратов, так и элементы обвязки.
Восстановление оборудования, подвергающегося воздействию корозионно-активных сред, может осуществляться с применением следующих подходов:
использование материалов аустенитного класса.
использование наплавочных материалов, претерпевающих полиморфные превращения. В этом случае появляется дополнительная возможность обеспечения высокой коррозионной стойкости за счет регулирования структуры наплавленного металла.
ф~ В настоящее время вопросы оценки и формирования заданного, с
позиции обеспечения требуемой коррозионной стойкости, структурного состава наплавленного металла учитываются в недостаточной степени.
Поэтому изучение возможности восстановления рабочей поверхности, прокорродировавшей под воздействием рабочих сред, в состав которых входят пассиваторы и активаторы, является весьма актуальной задачей.
Особенности рабочих сред установок очистки газа от кислых компонентов и влияние внешних и внутренних факторов коррозии на их агрессивность
Установки очистки газов от кислых компонентов предназначены для отделения газа от содержащихся в нем сероводорода и оксида углерода (IV). В технологической цепи газоперерабатывающих заводов (ГПЗ) они обычно следуют за установками отделения природного газа от пластовой воды и газоконденсата. На нефтеперерабатывающих (НПЗ) заводах с помощью этих установок очищают газы, образующиеся при первичной и деструктивной переработке сырья.
В качестве примера рассмотрена ситуация, сложившаяся на Астраханском газоперерабатывающем заводе (АГПЗ).
На рис. 1.2 приведена принципиальная технологическая схема установки очистки газа от кислых компонентов АГПЗ.
Сырой газ (I) несколькими потоками направляется в сепаратор 1. Здесь он освобождается от углеводородного конденсата и поступает в нижнюю часть абсорбера 2. В верхнюю часть этого аппарата подается абсорбент (раствор алканоламинов). Сверху абсорбера выходит очищенный газ и направляется на дальнейшую переработку, а снизу выходит насыщенный кислыми компонентами природного газа (С02 и Н28) абсорбент. Последний проходит две ступени сепарации в сепараторах высокого (3), а затем низкого (4) давления, где он освобождается от углеводородов, затем нагревается в теплообменниках 5 и 6 и поступает на регенерацию в десорбер. Кислые компоненты природного газа (С02 и Н28) уходят сверху этого аппарата, а регенерированный абсорбент - снизу. Далее абсорбент охлаждается в теплообменниках 5 и 6 , освобождается от механических примесей в фильтрах 10, 11и12и направляется в емкость хранения амина 13, откуда снова подается в абсорбер 2.
Для извлечения кислых компонентов из природного газа используется регенеративная технология извлечения сероводорода и оксида углерода селективным растворителем. На АГПЗ в соответствии с проектом фирмы «Текнип» первоначально использовался 33%-ный раствор диэтаноламина (ДЭА) зарубежной поставки. Начиная с ноября 1994 г. все линии установки одна за другой были переведены на комбинированный абсорбент - 35%-ный раствор смеси алканоламинов (30% диэтаноламина+70% метилдиэтаноламина) отечественного производства.
В таблицах 1.1 и 1.2 приведен состав природного газа, поступающего на установку и общая характеристика технологических потоков (АГПЗ). /39,57/
Как показывает анализ данных в таблицах, основными компонентами рабочих сред, способными вызывать коррозионные поражения металла оборудования, являются влажный сероводород и углекислый газ, а также растворы алканоламинов с различным содержанием в них этих компонентов. Также следует отметить и присутствие в рабочих средах хлоридов и механических примесей.
Характеристика технологических потоков установки очистки газов от кислых примесей
Алканоламины: моноэтаноламин (МЭА), диэтаноламин (ДЭА), метилдиэтаноламин (МДЭА) являются органическими основаниями, первичные (МЭА) - наиболее сильными, третичные (МДЭА) - наиболее слабыми. Их растворы обладают повышенным значением рН и, следовательно, должны при невысоких температурах ингибировать коррозионный процесс, а при высоких, как и другие основания, вызывать щелочное коррозионное растрескивание (ЩКР) /9,40,47,100,103,106/. При этом вероятность коррозионного растрескивания возрастает с повышением температуры, трещины развиваются межкристаллитно, вероятность коррозионного растрескивания максимальна в области активно-пассивного перехода потенциалов /40/.
Коррозионная активность алканоламинов определяется агрессивностью содержащихся в нем кислых газов. Растворы сероводорода и оксида углерода (IV) являются кислотами, а следовательно активаторами. Пассивирующей способности алканоламинов не хватает, чтобы преодолеть их активирующее действие. В связи с этим углеродистые стали в растворах алканоламинов, содержащих сероводород и оксид углерода (IV), подвергаются язвенной коррозии.
Оценка возможности повышения стойкости основного металла оборудования к водородному охрупчиванию за счет использования материалов аустенитного класса
В связи с тем, что одним из наиболее распространенных процессов воздействия среды, в присутствии влажного сероводорода, на металл конструкций является его наводороживание, изучение работоспособности материалов аустенитного класса в средах основного оборудования установок очистки газа от кислых компонентов начали с оценки стойкости ВО.
Материалы и методика исследований.
Для исследований использовалась сталь 20, имеющая химический состав и механические свойства, представленные в таблице 2.1
Из указанной стали была изготовлена серия образцов тип IV ГОСТ 1497-87, на которые методом плазменной наплавки (РТА-процесс) были нанесены материалы, представленные в таблице 2.2. Режимы: Усв=0,1 см/сек, и = 32В; I = 70А. Применительно к данным условиям, образцы в процессе наплавки охлаждались струей аргона.
Для оценки адекватности результатов выбранной лабораторной методики наводороживания результатам эксплуатации металла в промышленных условиях, использовались образцы из наводороженного металла стали, типа стали 20, вырезанного из выходного отвода абсорбера.
Наводороживание образцов осуществляли при комнатной температуре в электролитической ячейке (Рис.2.1) в 0,1н растворе серной кислоты с добавлением 1,5 г/л тиомочевины (стимулятор наводороживания) при плотности катодного тока 50 мА/см по известной методике После наводороживания образцы испытывали на замедленное растяжение при комнатной температуре на универсальной машине РРг-100/1. Скорость активного захвата составила 0,3 мм/мин, нагрузка - 20кН.
Сопротивление образцов водородному охрупчиванию оценивали по потере пластичности в процессе испытаний на замедленное растяжение по ГОСТ 1497-87 до и после наводороживания образцов.
Микромеханизм разрушения образцов изучали с помощью электроннофрактографического исследования методом угольных реплик /18/. Для этого с помощью вакуумного поста ЭВП - 2 на поверхность излома проводили напыление углем. Реплику с поверхности металла отделяли электролитически в 10%-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Реплики обрабатывали на просвечивающем электронном микроскопе ТеБ1а В8-500 с ускоряющим напряжением 90кВ.
Долю составляющих в изломе определяли непосредственно в колонне электронного микроскопа планиметрическим методом /18/. Приведенную долю межзеренной составляющей определяли как отношение доли межзеренной составляющей к суммарной доле хрупких составляющих.
Методика определение параметров термического цикла при дуговых процессах наплавки
Согласно литературным данным /73,75/, оптимальная высота наплавленного слоя при электродуговой наплавке в среде защитных газов, при которой формируется ровный шов, составляет около 4 мм. Ширина слоя при этом составляет около 10 мм.
В соответствии с методикой расчета, для обеспечения заданной высоты наплавленного слоя, равной 4 мм, определяем по формуле (1) минимальную производительность наплавки в единицу времени:
При заварке дефектов вручную скорость наплавки находится в интервале 0,09 - 0,17 см/сек (3,24 - 6,12 м/ч). Для расчета принимаем равной 0,15 см/сек (5,4 м/ч).
Коэффициент формы шва, учить1вающий отношение ширины шва к его высоте, для электродугового процесса равен 2,5 /46/. Получаем минимальную производительность, равную 0,367 г/с.
При диаметре сварочной проволоки 2 мм скорость подачи Упр0в для данного значения производительности составляет 1,5 см/сек.
При определении удельной тепловой мощности, необходимо учитывать К.П.Д. тепловой мощности источников нагрева при наплавке ти/27/. Для механизированной электродуговой наплавки в среде инертных газов равен 0,7 - 0,8. Принимаем 0,75. И К.П.Д. на расплавление присадочного материала % /83/. Для указанного процесса наплавки принимается равным 0,22. К.П.Д. на расплавление основного металла т]ом принимаем равным 0,56 /10/.
Помимо К.П.Д., необходимо учитывать максимальную температуру нагрева капли присадочного материала Тшх. Калориметрические исследования, проведенные в работах /2,79/, показали, что для электродутового процесса характерная температура капли электродного металла, в момент отрыва ее от торца электрода, составляет 1600-2000 С. Для расчета принимаем равным 2000 С.
Теплофизические коэффициенты принимаются не зависящими от температуры и округляются до средних значений /95/. Значения для углеродистой стали представлены в таблице 3.3. Температура плавления углеродистой стали равна 1540 С.
После расчета получаем значение произведения 1 и=3292 Вт. С учетом рабочего напряжения для электродугового процесса наплавки, равного 36В, получаем минимальное значение силы тока 91 А, способствующее расплавлению необходимого количества присадочного материала для обеспечения требуемой геометрии наплавленного слоя.
Ввиду того, что режимы наплавки могут варьироваться в определенных пределах из-за изменения скорости наплавки, количества теплоты, вложенной в восстанавливаемую поверхность, рациональней оперировать таким параметром, как погонная энергия процесса наплавки qэф/Vн, представляющей собой соотношение эффективной тепловой мощности электрической дуги и скорости наплавки и характеризует количество теплоты, вносимое дугой в единицу длины наплавленного слоя.
Усредненные значения теплофизических коэффициентов для углеродистых сталей
После чего строим график зависимости скоростей охлаждения в интервале температур диффузионного превращения аустенита от погонной энергии процесса наплавки (Рис 3.2). Как видно из рисунка, диапазон значений погонной энергии, обеспечивающий требуемую максимальную скорость охлаждения (55 йС/сек), 12000 Вт сек/см - 16000 Вт сек/см, для разных исходных температур восстанавливаемой поверхности.
При использовании предварительного подогрева, значение погонной энергии понижается, и как следствие, снижается вводимое количество теплоты за счет изменения режимов наплавки.
Следует отметить, что расчет предварительного подогрева до температуры 100 С проводился для сравнительной оценки, и при процессе наплавки не рекомендуется, ввиду нахождения сварщика (оператора) внутри аппарата при ремонтно-восстановительных работах. Следовательно, для восстанавливаемой поверхности далее будет рассматриваться только температурный интервал 20 С - 50 С. Указанному интервалу соответствует диапазон погонных энергий 14200 Вт сек/см - 16000 Вт сек/см. И для напряжения U = 36 В, диапазон рабочих токов составит 340А - 380А, при скорости наплавки V« = 0,36 см/сек (12,96 м/ч). В случае ручной заварки дефектов (примем при Ун = ОД 5 см/сек (5,4 м/ч) при и = 36В, диапазон токов составит 140А - 170А. Следует отметить необходимость охлаждения наплавленного шва сжатым воздухом после каждого прохода до начальной температуры поверхности.
Рекомендуемые режимы процесса электродуговой наплавки
Таким образом, можно рекомендовать следующие режимы процесса электродуговой наплавки в среде смеси газов (80% аргон и 20% С02) для восстановления поверхности оборудования и образованием в наплавленном слое структуры, содержащей бейнитную составляющую не менее 80%, стойкой к коррозионному воздействию среды (таблица 3.4).
