Введение к работе
Актуальность работы
Нефтегазовая отрасль, в особенности нефтепереработка и нефтехимия, имеет широкую потребность в оборудовании из жаропрочных хромистых сталей, дополнительно легированных стойкими карбидообразующими элементами, имеющих относительно высокую коррозионную стойкость. Значительное количество такого оборудования работает под одновременным воздействием высоких давлений и температур, а также рабочих сред, коррозионная активность которых обусловлена, прежде всего, наличием водорода, хлоридных, сероводородных и серосодержащих сред.
Однако неблагоприятная реакция на термодеформационный цикл сварки, выражающаяся в образовании хрупких участков металла с закалочной неравновесной структурой, влияет на технологическую прочность и эксплуатационную надежность сварного оборудования, снижая трещиностойкость, ограничивая деформационную способность и повышая склонность к непредсказуемым аварийным хрупким разрушениям. При последующей разгерметизации и выбросе пожаровзрывоопасных рабочих сред велика вероятность возникновения облака газопаровоздушных смесей (ГПВС), которые при поджигании от искры или от открытого огня пламени форсунок в рабочем пространстве трубчатой нагревательной печи могут мгновенно сгорать с образованием высокотемпературного огненного шара или взрываться по детонационному механизму. При взрывном разрушении корпуса оборудования могут образовываться осколки, дополнительно поражающие рабочий персонал и оборудование, что значительно повышает риск травматизма и аварийности на предприятиях.
Анализ работоспособности нефтегазохимического оборудования показывает, что одной из причин преждевременного разрушения сварных соединений из среднелегированных жаропрочных хромистых сталей является структурно-механическая разнородность сварных конструктивных элементов. Склонность к воздушной закалке и фазовые превращения мартенситного характера, не устраняемые даже при сварке с подогревом до 350…400 C, существенно усложняют технологический процесс изготовления и ремонта таких сварных изделий. При термической резке и сварке этих сталей возникают хрупкие участки, металл которых обладает твердостью, превышающей верхний предел допустимых нормативных значений. Применительно к обеспечению работоспособности сварного оборудования такие напряженные участки называют твердыми прослойками. Образование закалочных неравновесных структур в металле шва и околошовных зонах при использовании сварочной проволоки, однородной по химическому составу с основным металлом, или в околошовных зонах термического влияния (ЗТВ) при сварке аустенитными сварочными материалами влияет на технологическую прочность и эксплуатационную надежность сварных конструкций. При этом снижается трещиностойкость, ограничивается деформационная способность и повышается склонность к хрупким разрушениям.
Мягкие прослойки термического разупрочнения возникают при сварке термоупрочненного проката и труб, например, из сталей 15Х5МУ и 12Х9МУ, а также при высокотемпературной длительной эксплуатации разнородных сварных стыков в виде обезуглероженных участков в зоне сплавления. При этом вследствие диффузионных перемещений атомов углерода рядом с мягким основным металлом в более легированном металле шва возникает науглероженная твердая прослойка.
Разнородность характерна при сварке низколегированных нефтеаппаратурных сталей типа 12ХМ. В более сложнолегированных хромомолибденовых сталях, таких как 12Х2М1, 12Х2МФСР, 14Х2ГМР, 20Х3МВФ, происходит заметный сдвиг структурных превращений в сторону большей вероятности образования мартенситных прослоек. Соответственно весьма вероятна степень возрастания значений твердости металла шва и зоны термического влияния при применяемых трудоемких технологиях сварки с предварительным и сопутствующим подогревом.
Разнородность конструктивных элементов, заключающаяся в различии свойств характерных зон сварного соединения, является, с одной стороны, следствием неоднородности термодеформационных полей при сварке в структурно-неравновесных сталях, с другой, применения технологий сварки с отличающимися по свойствам сварочными материалами для обеспечения технологической прочности. Все это приводит к возникновению сложного напряженного состояния в конструктивных элементах оборудования, работающего под внутренним давлением. Поэтому анализ поведения соединений при нагружении необходимо вести с учетом влияния их разнородности. Учет этого влияния и возможность регулирования разнородности позволяют более адекватно подходить к оптимизации оборудования нефтегазового комплекса и технологии его изготовления и ремонта, а также более объективно оценивать работоспособность и безопасность.
Усугубляющим решение вопроса повышения надежности нефтегазохимического оборудования из рассматриваемых сталей является то, что возникшие холодные трещины имеют микроскопическое раскрытие (слипшиеся трещины), поэтому не всегда могут быть обнаружены методами неразрушающего контроля.
Актуальность и важность рассматриваемой проблемы обусловили основную направленность настоящей работы.
Цель работы – обеспечение безопасности эксплуатации нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей регламентацией остаточного ресурса и ресурсосберегающих технологий его ремонта.
Для решения основной цели были поставлены следующие задачи:
- анализ проблемы разнородности конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования;
- изучение особенностей взаимодействия разнородных металлов с различными прочностными свойствами в окрестности линии их сплавления;
- совершенствование методов расчета напряженного и предельного состояний многокомпонентных разнородных конструктивных элементов с различной степенью механической неоднородности и создание на этой базе методов расчета их несущей способности;
- разработка методов определения остаточного ресурса нефтегазохимического оборудования с многокомпонентными разнородными конструктивными элементами;
- создание новых технологий ремонта нефтегазохимического оборудования из среднелегированных жаропрочных хромистых сталей.
Методы решения поставленных задач
Исследования выполнены на базе современных и апробированных теоретических и экспериментальных методов и подходов теории упругости и пластичности, механики разрушения, механохимии металлов, металловедения и сварочных процессов и др.
Научная новизна
1. Впервые решена задача о напряженном состоянии в окрестности линии сплавления двух металлов с различными прочностными свойствами. Показано, что на линии сплавления касательные напряжения существенно зависят от коэффициента механической неоднородности и изменяются по степенной зависимости от нулевого значения вдоль оси элемента до максимального значения на свободных поверхностях плоских и осесимметричных моделей конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования. Установлены закономерности распределения основных компонентов напряжений в окрестности мягкой и твердой частей двухкомпонентной разнородной модели. Произведена оценка коэффициентов жесткости напряженного состояния, от величины которой зависит степень упрочнения мягкой и разупрочнения твердой частей двухкомпонентной разнородной модели. Для оценки степени механического упрочнения мягкого и разупрочнения твердого металла в окрестности линии их сплавления получены соответствующие аналитические зависимости.
2. Базируясь на результатах решения предыдущей задачи для двухкомпонентной модели, а также основных подходах теории пластичности, получено уточненное решение задачи о напряженном и предельном состояниях мягких и твердых прослоек с учетом взаимодействия металлов разнородной многокомпонентной модели. Это позволило установить основные закономерности проявления эффектов механического разупрочнения твердых и упрочнения мягких участков и изменения несущей способности многокомпонентной разнородной модели с учетом ее геометрических параметров и пространственного расположения в конструктивных элементах, работающих при различных условиях деформации.
Впервые с использованием подходов краевой задачи теории тонких оболочек вращения установлено, что при упругих деформациях разномодульных по модулю упругости кольцевых конструктивных элементов возникающие краевые силы и моменты значительно снижаются с уменьшением относительной толщины разномодульных прослоек.
3. Получены аналитические зависимости для расчетного определения допускаемых геометрических и механических параметров разнородных многокомпонентных конструктивных элементов, обеспечивающих максимальные прочностные и пластические характеристики, соответствующие основному металлу.
4. На основании проведенного комплекса исследований напряженного и предельного состояний разработаны методы расчетного определения прогнозируемого и остаточного ресурсов конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей с учетом их разнородности и коррозионной поврежденности по критериям статической и циклической трещиностойкости, механохимической повреждаемости и длительной прочности при высоких температурах.
На защиту выносится комплекс разработок и результатов, имеющих научную новизну и практическую ценность, в частности:
методы оценки особенностей напряженного состояния в окрестности линии сплавления двухкомпонентных разнородных конструктивных элементов;
методы и математические модели оценки несущей способности разнородных конструктивных элементов оборудования из жаропрочных хромистых сталей;
методы прогнозирования безопасного срока эксплуатации конструктивных элементов различных конфигураций и комбинаций механической неоднородности с учетом коррозии, дефектности, ползучести, циклических нагрузок;
технологии ремонта напряженных конструктивных элементов нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей;
усовершенствованная технология ремонта нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей полуавтоматической сваркой в среде защитных газов;
технология восстановления работоспособности крупногабаритного нефтегазохимического оборудования объемной термообработкой;
возможность повышения безопасности эксплуатации нефтегазохимического оборудования применением виброобработки при выполнении ремонтно-сварочных работ;
комплекс нормативно-технических материалов по обеспечению и расчету ресурса безопасной эксплуатации нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей.
Практическая ценность результатов работы
Результаты оценки критических параметров разнородных конструктивных элементов являются базовыми для нормирования механической неоднородности, создания новых технологий и расчетной оценки ресурса безопасной эксплуатации оборудования.
Разработанные методы оценки прогнозируемого и остаточного ресурсов позволяют научно обоснованно назначать последующие сроки безопасной эксплуатации нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей.
Предложенные технологии ремонтно-сварочных работ и восстановления позволяют обеспечивать достаточно высокие характеристики работоспособности и безопасности нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей при достаточно низких капиталовложениях.
Достоверность результатов работы
Большинство результатов исследований подтверждено экспериментально лабораторными и натурными испытаниями с использованием современных приборов и машин, прошедших госповерку.
В частных случаях из полученных теоретических результатов оценки напряженно-деформированного состояния и несущей способности вытекают ранее известные аналитические формулы и выводы.
Некоторые результаты исследований качественно и количественно совпадают с экспериментальными данными других авторов.
Личный вклад автора
Постановка задач данных исследований, формулировка и разработка всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы, руководство всеми этапами исследований, участие в их проведении, публикации и внедрение полученных результатов.
Лично автором проведены исследования напряженного и предельного состояний разнородных многокомпонентных конструктивных элементов, в том числе разномодульных. Разработаны методы оценки несущей способности и остаточного ресурса. Под его руководством и при непосредственном участии проведены экспериментальные исследования технологии ремонтно-сварочных работ на натурных сосудах. Разработана усовершенствованная технология полуавтоматической сварки сталей типа 15Х5М. Предложена, обоснована и внедрена технология восстановления заводских печей из стали 15Х5М путем полной объемной термообработки. Разработан ряд стандартов предприятий по технологическому обеспечению работоспособности и оценке ресурса безопасной эксплуатации нефтегазохимического оборудования из жаропрочных хромистых сталей. Все это подтверждается соответствующими публикациями. Промышленные испытания проведены в ОАО «Салаватнефтемаш» и ОАО «Ново-уфимский НПЗ» при непосредственном участии автора.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались на научных семинарах и конференциях УГНТУ, ГУП «ИПТЭР», АН РБ, всероссийских и международных конгрессах, конкурсах и конференциях в 1995 - 2009 гг.
Работа заслушана и рекомендована к защите на расширенном заседании Научно-технического совета ЗАО НТЦ «ТЭН» (протокол № 3 от 11.06.2009 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 50 печатных работ, в том числе 11 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК Министерства образования и науки России.
Всего автор имеет 77 печатных работ, в том числе 5 монографий, учебное пособие «Техническая диагностика и оценка ресурса аппаратов» (2001 г.,
408 с.) с грифом Государственного комитета РБ «Для студентов высших учебных заведений инженерно-механических, машиностроительных и строительных специальностей», комплекс учебно-методических пособий по курсу «Диагностика технического состояния и оценка ресурса оборудования».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 260 наименований, и приложения. Работа изложена на 368 страницах машинописного текста, содержит 159 рисунков, 19 таблиц.
