Прогнозирование структуры и свойств сталей и сварных соединений при управлении ресурсом оборудования установок вторичной переработки нефти

• Автор: Кабанов, Борис Сергеевич
• Шифр специальности: 05.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 237 с. : ил

Содержание
Введение

Глава 1. Состояние проблемы и обоснование цели исследования

1.1. Анализ особенностей конструкции, сроков, параметров и условий эксплуатации.

1.2. Анализ требований к применяемым сталям и сварным соединениям.

1.3. Анализ повреждаемости основных элементов оборудования в условиях эксплуатации.
1.4. Анализ факторов определяющих показатели безопасности, надежности и ресурса материалов.
1.5. Анализ требований нормативно-технической документации по техническому диагностированию и продлению ресурса.
Глава 2. Прогнозирование изменений структуры и фазового состава сталей при сверхбольших сроках эксплуатации в водородосодержащих средах
2.1. Исследование фазового состава сталей после длительной эксплуатации в водородосодержащих средах.
2.2. Кинетика изменения фазового состава в зависимости от давления водорода, температуры металла и длительности эксплуатации.
2.3. Контроль структурного состояния с помощью метода фазового анализа.
2.4. Использование данных фазового анализа при оценке ресурса металла.
2.5. Методика по проведению физико-химического фазового анализа при диагностике технического состояния металла после эксплуатации.
Глава 3. Прогнозирование и нормы механических свойств сталей и сварных соединений при сверхбольших сроках эксплуатации в водородосодержащих средах
3.1. Результаты исследования влияния водорода на характеристики прочности и пластичности перлитных сталей.
3.2. Параметрическое прогнозирование изменения механических свойств сталей в водородосодержащих средах.
3.3. Оценка влияния водородосодержащих сред на.изменение механических характеристик сварных соединений.
Глава 4. Прогнозирование и нормы долговременной прочности сталей и сварных соединений при сверхбольших сроках эксплуатации в водородосодержащих средах
Глава 5. Оценки хрупкой прочности и методы диагностирования трещиноподобных дефектов в условиях эксплуатации
5.1. Влияние водорода на уровень микронапряжений и характеристики тонкой структуры стали.
5.2. Температурная зависимость ударной вязкости стали после длительной эксплуатации в водородосодержащих средах.
5.3. К оценке сдвига переходной температуры хрупкости при воздействии водородосодержащих сред.
5.4. Влияние водородосодержащих сред на размер допустимого дефекта. Акустико-эмиссионный контроль оборудования.
Заключение и выводы Список литературы
Приложение 1. Методика по проведению физико-химического фазового анализа при диагностике технического состояния металла после эксплуатации.

Введение
Большой парк установок вторичной переработки нефти имеет наработки, превышающие установленные при проектировании и изготовлении оборудования (100000 часов). Накопленный к настоящему времени опыт длительной эксплуатации этого оборудования указывает на потенциальную возможность его эффективной эксплуатации на сверхбольших длительностях (200000 - 300000 часов). Очевидно, что ресурс оборудования устанавливается с учётом условий обеспечения промышленной безопасности и эффективности его применения на допустимом уровне, а также уровня износа, когда на ремонт требуются недопустимо большие затраты или ремонт не обеспечивает необходимой степени восстановления работоспособности. В комплексе проблем продления ресурса оборудования установок вторичной переработки нефти центральное место занимает проблема дальнего прогнозирования структуры и служебных свойств основного металла и сварных соединений элементов с учётом ремонтных технологий, условий, сроков, объёмов и методов технического диагностирования, условий, параметров и сроков эксплуатации в водородосодержащих средах.
Согласно Методическим указаниям по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, поднадзорных ГОСГОРТЕХНАДЗОРу России, “определение остаточного ресурса объекта должно осуществляться на основе совокупности имеющейся информации прогнозированием его технического состояния по определяющим параметрам до достижения предельного состояния” [1]. Выбор метода прогнозирования ресурса должен обосновываться точностью и достоверностью полученных при диагностировании данных, требованиями достоверности прогнозируемого ресурса объекта, риском дальнейшей эксплуатации, наличием и надежностью системы контроля за его техническим состоянием [2-И4].
Конструкции нефтеперерабатывающей промышленности работают в широком диапазоне рабочих условий. Это наличие давления, коррозионноактивных и взрывоопасных сред, повышенных температур, циклических нагрузок, температурных перепадов в климатических условиях, термоциклиро-вания, связанного с пуском и остановками оборудования. Учет внешних (эксплуатационных) и внутренних (металлургических и технологических) факторов в оценке надежности конструкции является сложной задачей. Многообразие материалов, подходов к постановке лабораторных и стендовых испытаний не всегда дают однозначные, а порой и противоречивые данные.
Наиболее объективные данные, позволяющие судить в дальнейшем о ресурсе долговечности объекта, можно получить, пополняя статистику о состоянии конструкции, находящейся непосредственно в эксплуатации. В данном случае материал является объектом, несущим в себе весь комплекс факторов, определяющих его эксплуатационную надежность, учитывая также и вклад ремонтно-восстановительных операций.
Точный прогноз безопасного и остаточного ресурса возможен только на основе комплексного решения индивидуальной задачи, включающей металлографический анализ, исследование кратковременных механических характеристик металла, отработавшего длительный срок, оценку напряженно-
деформированного состояния конструкции, испытание металла оцениваемой конструкции на длительную либо малоцикловую прочность в зависимости от режима работы оборудования, определение условий появления дефектов сварных соединений конструкции, а также характеристик их структуры, механических и специальных свойств.
На основании вышесказанного целью работы являлось установление и уточнение структуры и служебных свойств основного металла и сварных соединений ответственных элементов оборудования вторичной переработки нефти для сверхбольших сроков службы на базе обобщения и анализа опыта длительной эксплуатации этого оборудования «КИНЕФ-Сургутнефтегаз», результатов лабораторных, стендовых и промышленных исследований.
Настоящая работа посвящена обобщению данных диагностирования, опыта обследований и экспертиз оборудования накопленного на «КИНЕФ-Сургутнефтегаз», рассмотрению отбраковочных критериев, изучению поведения металла длительно работающего в условиях повышенных температур, давлений и коррозионно-агрессивных сред с целью внесения уточнения в существующие понятия о его предельном состоянии и разработки методик своевременного вывода оборудования с плохим металлом из эксплуатации, разработке метода выявления структурных изменений металла в процессе эксплуатации методом физико-химического фазового анализа, а также изучению сопротивления разрушению сварных соединений печных змеевиков, изготовленных из теплоустойчивых сталей, оценке влияния микроструктуры и тонкой структуры на статическую трещиностойкость различных областей сварного соединения, установлению температурной зависимости ударной вязкости сталей после длительной эксплуатации в водородсодержащих средах, оценке максимального сдвига величины критической температуры под влиянием водородсодержащей среды, установлению взаимосвязи между механическими свойствами, структурой, длительной прочностью и параметрами трещиностойкости, разработке методов оценки работоспособности металла деталей оборудования путем определения специальных характеристик трещиностойкости.
Целью работы являлась также разработка алгоритма обеспечения надежности металла и сварных соединений при управлении ресурсом, разработка комплекса мероприятий перспективных для создания единой системы диагностического и технического обслуживания потенциально опасных объектов.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Обобщение влияния длительной (до 3,0-105 ч) эксплуатации оборудования и прогнозирование изменений структуры, фазового состава сталей типа 09Г2С, 16ГС, 12ХМ, 15ХМ, 15Х2МФА-А, 10Х2М1, 15Х5М при сверхбольших сроках эксплуатации в средах оборудования установок вторичной переработки нефти.
2. Прогнозирование и нормы механических свойств перлитных сталей и сварных соединений при сверхбольших сроках эксплуатации.
3. Параметрическое прогнозирование изменения механических свойств сталей в водородсодержащих средах.

Таблица 1.17.
Потери, вызванные непредвиденными разрушениями и отказами при _____________эксплуатации оборудования в США
№ п/п Виды потерь 1978 г. млрд.$ % от общей суммы 1982 г. млрд.$ % от общей суммы
1 Потери, связанные с недостаточным внедрением современных методов расчета, стандартов и норм 26/29,5 35/29,
2 Потери, которые могли бы быть предотвращены при разработке и внедрении современных научных методов 21/24 28/23,
3 Потери, устранение которых возможно только после получения принципиально новых материалов 41/46,5 56/
4 Общие потери 88
1.4.2. Технологические и служебные свойства материалов, взаимосвязь состава, структуры и свойств материала
Очевидно, что технология может влиять на изменение состава и структуры материала, а, следовательно, и на свойства материала. Схематически это влияние можно выразить следующим образом:
технология
Влияние технологии на состав материала.
На состав материала оказывает технология получения и состав исходных шихтовых материалов. Например, при выплавке углеродистой стали может быть использована шихта, содержащая медь, которая не будет удалена из стали в процессе плавки. Иногда при выплавке используется лом, что создаёт возможность попадания в сталь некоторых элементов, входящих в состав лома. Например, повышенное содержание ванадия в стали 20X13.
Анализ технологии получения необходим при исследовании влияния состава на свойства материала, т.е. и в задачах разработки материалов с заданным уровнем свойств.
Следует иметь в виду, что изменение состава может происходить и в процессе изготовления детали, т.е. на химический состав может влиять и технология изготовления элемента конструкции. Например, в процессе термической обработки заготовок из стали при высокотемпературном нагреве может происходить обезуглероживание (уменьшение содержания углерода) поверхностного слоя вследствие взаимодействия с кислородом, содержащимся в атмосфере. В тех случаях, когда это явление нежелательно, например, для тонкостенных деталей, применяют другие варианты технологии изготовления.