Введение к работе
Актуальность темы
В условиях все усложняющихся процессов нефтепереработки, связанных с растущими требованиями к качеству выпускаемой продукции и обеспечению. безопасности процессов переработки, а также с учетом многообразия технологических процессов и их интенсификации, ужесточаются условия работы нефтегазохимического оборудования и расширяется номенклатура применяемых материалов. Значительное количество оборудования, особенно для осуществления высокотемпературных процессов переработки в сероводородных и окислительных серосодержащих средах, изготавливается из жаропрочных хромомолибденовых сталей. Наиболее характерным объектом широкого применения хромомолибденовой стали марки 15Х5М служат змеевики трубчатых печей, которые наиболее теплонапряжены и относятся к ответственным конструкциям, работающим в очень жестких условиях. С позиции технологической и эксплуатационной прочности наиболее слабым звеном таких конструкций является образование зон повышенной твердости различного происхождения. Помимо этого они подвержены коррозионно-эрозионному износу как по внутренней, так и по наружной поверхности труб.
В производственной практике нередко встречаются случаи отклонения от технологического режима эксплуатации нагревательных трубчатых печей, сопряженные со значительным перегревом труб, что неизбежно ведет к аварийным остановкам из-за изменения структурного состояния, соответственно механических свойств металла труб змеевиков, изготовленных из стали марки 15Х5М, и их разрушению.
В условиях производства очень важно быстро и качественно провести ремонтно-восстановительные работы с соблюдением всех действующих норм, которые нередко предполагают замену секций змеевиков, а это выливается в большие материальные затраты. Таким образом, необходима разработка научно обоснованных ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих надежное и быстрое восстановление работоспособности змеевиков трубчатых печей, металл труб которых претерпел неблагоприятные структурные изменения вследствие вышеуказанных причин.
Термическая обработка является известным и наиболее используемым методом снижения остаточных напряжений. Термическая обработка как основной метод снижения остаточных напряжений в соединениях базовых деталей аппаратов является энергоемким и непроизводительным технологическим процессом. Проблема обеспечения работоспособности сварных соединений из хромомолибденовых сталей широко представлена в работах Халимова А.Г., Зайнуллина Р.С., Бакиева А.В., Халимова А.А. и других ученых, а их результаты нашли широкое применение на практике.
В работах Рубцова А.Г., Хаерланамовой Е.А. и других ученых выявлены особенности разрушения труб змеевиков реакционных печей, разработаны методы оценки технического состояния, расчета и конструирования элементов печей.
Однако на данный момент нет работ по применению вибрационной обработки в процессе сварки для увеличения технологической прочности сварного соединения при ремонте змеевиков трубчатых печей. Учитывая крупногабаритность, сложность пространственного положения и возможные неудовлетворительные структурно-механические свойства металла змеевиков трубчатых печей, находящихся при длительной высокотемпературной эксплуатации, ремонт с применением сварки закаливающихся сталей является сложной технической задачей.
Цель работы: снижение энерго- и трудоемкости ремонта и повышение сопротивляемости образованию трещин сварных соединений змеевиков трубчатых печей из стали 15Х5М путём замены предварительного и сопутствующего подогрева вибрационной обработкой, выполняемой в процессе сварки.
Задачи исследований:
-
установление характера распределения остаточных напряжений и деформаций, возникающих в процессе ремонта змеевиков трубчатых печей из стали 15Х5М с целью оценки их влияния на прочность получаемого сварного соединения;
-
исследование влияния вибрационной обработки трубных деталей из стали 15Х5М в процессе их сварки на прочность и трещиностойкость сварных соединений;
-
разработка практических рекомендаций по совершенствованию технологии ремонта змеевиков трубчатых печей из стали 15Х5М с применением сварки.
Методы исследований
При исследованиях закономерностей деформирования металла использовались методы теории упругости и пластичности, а также численный метод решения задач сплошных сред – метод конечных элементов. При экспериментальных исследованиях использовали метод рентгеноструктурного анализа, а также стандартные методы определения механических свойств и твердости металла. Обработку результатов экспериментов проводили с использованием методов математической статистики.
Основные защищаемые положения
-
Совокупность установленных в результате теоретических и экспериментальных исследований закономерностей влияния вибрационной обработки при выполнении сварки труб из стали 15Х5М на механические свойства получаемых сварных соединений.
-
Экспериментально обоснованные решения по повышению сопротивляемости образованию трещин сварных соединений труб, получаемых при ремонте змеевиков трубчатых печей из стали 15Х5М, путём вибрационной обработки в процессе сварки.
-
Усовершенствованная технология ремонта змеевиков трубчатых печей из стали 15Х5М.
Научная новизна
1 Установлено, что вибрационная обработка в процессе сварки печных труб из стали 15Х5М позволяет повысить предел прочности металла шва при растяжении в условиях высоких температур. Предел прочности металла шва, полученного при сварке труб из стали 15Х5М с применением сопутствующей виброобработки с частотой 50 Гц и амплитудой колебаний от 0,4 до 0,6 мм, при температуре испытания 500 С повысился на 16% по сравнению со сваркой с использованием предварительного подогрева и на 21% по сравнению со сваркой без подогрева.
2 Экспериментально выявлено, что сопутствующая вибрационная обработка металла труб из стали 15Х5М в зоне сварки за счет увеличения дисперсности металла шва и околошовных участков и снижения уровня внутренних напряжений позволяет повысить сопротивляемость образованию трещин сварных соединений печных труб при циклических нагревах до температуры 600С.
3 Численным моделированием установлены зависимости частоты собственных колебаний труб змеевика от их длины, диаметра и толщины коксоотложения, которые позволяют определить частоту вибрационной обработки, обеспечивающей необходимую стойкость сварных соединений к трещинообразованию при минимальных энергозатратах.
Практическая ценность
1 Предложенная технология ремонта змеевиков трубчатых печей с применением вибрационной обработки принята к внедрению в ОАО «Нефтехимремстрой» (г. Уфа).
2 Результаты, полученные в работе, используются при проведении практических и лабораторных работ по дисциплине «Теория сварочных процессов» в рамках подготовки инженеров по специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства» в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.
Апробация результатов работы
Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 58-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2007), 61-ой студенческой научной конференции «Нефть и газ –2007» (Москва, 2007), научно-технической конференции «Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо – и энергосбережении» (Одесса, 2007), Международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка и нефтехимия – 2007» (Уфа, 2007), Учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт – 2007» (Уфа, 2007), Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2009), Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы нефтедобычи» (Уфа, 2010), Всероссийской научно-технической конференции «Инновационное нефтегазовое оборудование: проблемы и решения» (Уфа, 2010).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе две статьи в рецензируемых изданиях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, приложения и содержит 151 страницу машинописного текста, в том числе 94 рисунков, 16 таблиц, список использованной литературы из 140 наименований.
