Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Материаловедение

Диссертационная работа:

Тришкина Ирина Анатольевна. Разработка методов прогнозирования остаточного ресурса печных змеевиков из стали 15Х5М на основе исследования структурно-механических состояний и их эволюции в процессе эксплуатации : диссертация ... кандидата технических наук : 05.02.01 / Тришкина Ирина Анатольевна; [Место защиты: Волгогр. гос. техн. ун-т].- Волгоград, 2008.- 231 с.: ил. РГБ ОД, 61 08-5/1320

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ В НЕФТЕПЕРЕРАБОТКЕ 12
ХРОМОМОЛИБДЕНОВЫХ СТАЛЕЙ

  1. Технологические печи - составная часть нефтеперерабатывающих 12 установок, их назначение, устройство и эксплуатация

  2. Теплоустойчивые стали как материал для изготовления труб 15 печных змеевиков

  1. Влияние основных легирующих элементов на эксплуатационные 15 свойства теплоустойчивых сталей

  2. Влияние термической обработки на структуру и свойства металла 17 печных змеевиков в состоянии поставки

  3. Влияние структурных параметров металла на кратковременные 22 механические свойства, длительную прочность и пластичность

  1. Изменение свойств металла печных змеевиков в процессе 28 длительной эксплуатации

  2. Прогнозирование эксплуатационной надежности печных змее- 36 виков из хромомолибденовых сталей

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 48

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ 50
ИССЛЕДОВАНИЯ

  1. Исследуемый материал 50

  2. Стандартные методики 53

  1. Химический анализ 53

  2. Механические испытания 57

  3. Металлографические исследования 60

  4. Рентгеноструктурный анализ 66

  5. Электронномикроскопические исследования 69

2.3. Разработанные методики 71

  1. Исследование стали 15Х5М (15Х5М-У) в состоянии поставки 71

  2. 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

  1. Изменение структуры и кратковременных механических свойств 73 металла печных змеевиков после эксплуатации

  2. Исследование влияния длительных изотермических экспозиций на 76 жаропрочность стали 15Х5М, применяемой при температуре 570С

  3. 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

  1. Классификация структурных состояний металла после эксплуа- 81 тации

  2. Исследование взаимосвязи характеристик структуры с характе- 86 ристиками прочности и пластичности стали 15Х5М, работающей при температурах 350 - 500С

  3. 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

  1. Структурные состояния металла, применяемого при 570 С 111

  2. Исследование структуры, кратковременной прочности и пла- ИЗ стичности стали 15Х5М, применяемой при 570С

  3. Исследование влияния структурных характеристик на кратковре- 120 менные механические свойства 15Х5М-У, работающей при 570С

  4. 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

  1. Изменение структуры и механических свойств стали 15Х5М, рабо- 131 тающей при температурах до 500С

  2. Влияние профилактических паровыжигов кокса на свойства ста- 137 ли 15Х5М(15Х5М-У)

  3. Изменение структуры и кратковременных механических свойств 141 металла печных змеевиков в процессе эксплуатации при 570С

  4. Влияние изотермической экспозиции и предварительной деформа- 147 ции ползучести на жаропрочность стали 15Х5М, работающей при 570С

  5. 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

  1. Оценка жаропрочности металла печных змеевиков, работающих 165 при температурах до 500С

  2. Многоуровневый подход к оценке жаропрочности стали 15Х5М, 172 работающей при 570С

  1. Предварительная оценка длительной прочности по результатам 172 неразрушающего контроля микроструктуры и твердости

  2. 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:

Актуальность работы. Важнейшими технологическими процессами нефтепереработки являются предварительная гидроочистка бензинов от сернистых, азотистых, металлоорганических 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 ГЛ., Ватника Л.Е., Мухина В.Н., Тепловой Н.И., Земзина В.Н., Кириличева Н.В., Халимова А.Г., Габбасова Д.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. Для оперативного принятия решений о замене оборудования необходима экспрессная оценка

Автор выражает искреннюю благодарность к.т.н. Ватнику Леониду Ефимовичу, к.т.н.,
доценту Гуревичу Леониду Моисеевичу за участие в формировании направления, методологи
ческой подготовке исследований и помощь, оказанную при анализе их научной новизны.
3

прочностных свойств. Поэтому актуальной является разработка неразрушающих методов контроля и ускоренного прогнозирования жаропрочности с учетом качественно различных характеристик состояния металла.

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.

Цель и задачи работы. Цель работы - 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.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

  1. Исследование и анализ структурно-механических состояний металла змеевиков в процессе длительной эксплуатации.

  2. Установление закономерностей формирования структуры и механических свойств стали при кратковременных превышениях расчетной температуры стенки по результатам послеаварииных исследований и моделирования профилактических паровыжигов кокса.

  3. Разработка критериев экспресс-методов прогнозирования жаропрочности змеевиков на основе исследования их кратковременной, длительной прочности и пластичности в зависимости от структурных характеристик металла.

  4. Промышленное внедрение экспресс-методов прогнозирования жаропрочности, разработанных на основе исследования структуры и механических свойств металла при воздействии температуры и деформации ползучести.

5. Разработка алгоритма комплексной оценки жаропрочности и оста
точного ресурса эксплуатации печных змеевиков установок предварительной
гидроочистки бензинов и каталитического риформинга.

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.

  1. 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 значительное 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.

  2. 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 зернограничной пороповреждаемости, в результате чего не снижается минимальный уровень пределов длительной прочности и длительная пластичность при наработках змеевиков до 300-350 тысяч часов.

  3. 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.

Практическая значимость работы.

В результате проведенных исследований разработан алгоритм комплексной оценки жаропрочности металла и остаточного ресурса печных змеевиков, исключающей затраты на необоснованные контрольные вырезки металла и обеспечивающей возможность оперативного принятия решения о продлении срока эксплуатации или замене элементов змеевиков; предложен классификатор структуры для оптимизации прогнозирования жаропрочности, определены критерии оценки кратковременной и длительной прочности по микроструктуре и фазовому составу стали 15Х5М; представлена «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 бензинов и каталитического риформинга

нефтеперерабатывающих предприятий», который используется при экспертизе про-

мышленной безопасности оборудования; продлен срок эксплуатации печных змеевиков с 300-350 до 350-400 тысяч часов на предприятиях: ООО «ЛУКОИЛ-Вол-гограднефтепереработка», ОАО «Московский НПЗ», ЗАО «Рязанская НІЖ», ООО «ЛУКойл-Пермнефтеоргсинтез» и др. Среднегодовой экономический эффект от продления срока эксплуатации змеевиков за счет снижения капитальных затрат на приобретение и замену змеевиков составил 2 млн. руб. (на 1 печь).

Достоверность результатов обеспечена использованием металлографического метода исследования с применением оптической микроскопии (микроскопы Neophot-21, Olympus ВХ-61), электронной микроскопии (Tesla BS -540), неразрушающего контроля микроструктуры; фазового рентгеноструктурно-го и карбидного анализов; механических испытаний на растяжение при комнатной и рабочих температурах; испытаний на длительную прочность; измерения твердости и микротвердости, применением средств компьютерной обработки экспериментальных данных.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: Ш Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур» (Москва, 2006 г.), ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета (Волгоград, 2003 - 2008 г.г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертационной работы опубликованы в семи печатных работах, в т. ч. четыре работы - в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 155 наименований, и приложений на 33 страницах. Основная часть работы содержит 198 страниц машинописного текста, 28 таблиц, 101 рисунок.

Подобные работы
Долгова Елена Юрьевна
Разработка методов оценки изменения свойств овчинно-меховых изделий при эксплуатации и восстановлении
Шустов Юрий Степанович
Разработка методов прогнозирования строения и свойств текстильных материалов с использованием теории подобия и анализа размерностей
Бочкарева Екатерина Викторовна
Разработка методов прогнозирования физико-механических свойств тканей ведомственного назначения после действия светопогоды
Бройко Антон Петрович
Разработка метода прогнозирования теплопроводности трикотажных полотен на основе численного моделирования теплопередачи
Курденкова Алла Вячеславовна
Разработка методов прогнозирования физико-механических свойств хлопчатобумажных тканей после действия различных факторов износа
Морилова Лена Валерьевна
Разработка методов оценки и прогнозирования изменений линейных размеров льняных тканей в деталях одежды косого кроя
Пугачева Ирина Борисовна
Разработка метода оценки и прогнозирование анизотропии деформационных свойств льняных тканей при температурных воздействиях
Иванова Ольга Владимировна
Разработка методов оценки и прогнозирования драпируемости тканей
Денисова Ольга Игоревна
Разработка методов оценки, исследование и прогнозирование пластичности льняных тканей
Кузнецов Андрей Александрович
Разработка экспресс-методов оценки и прогнозирования физико-механических свойств текстильных нитей

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net