Повышение надежности и долговечности печных змеевиков установок нефтеперерабатывающего оборудования на основе анализа структуры и физико-механических свойств стали 15х5М

Процесс каталитического риформирования бензиновых фракций играет значительную роль в производстве высокооктановых автомобильных бензинов и в получении ароматических углеводородов — ценного нефтехимического сырья.

Проектный срок службы печных змеевиков установок каталитического риформинга из стали 15Х5М — 100 тысяч часов, определялся на основании экстраполированных на 100 тысяч часов значений пределов длительной прочности и коэффициентов запаса прочности п = 1.5 по допускаемому напряжению. Но, как показал опыт эксплуатации, эта величина не является для них предельной и в настоящее время на многих установках достигнута их надежная работа до 200 тысяч часов. Наблюдаемое расхождение между проектным и фактическим ресурсом службы змеевиков печей свидетельствует о том, что применяемые в настоящее время критерии оценки их работоспособности не достаточно объективно отражают характер изменения физико-механических свойств металла в условиях длительной эксплуатации при температурах 550−600°С и давлениях 3−5 МПа.

Несмотря на то, что хромомолибденовая сталь типа 15Х5М является предметом постоянного изучения, в связи со значительными масштабами применения ее в нефтеперерабатывающей отрасли, практически отсутствуют данные позволяющие оценить ее физический ресурс жаропрочности.

Поскольку процесс длительного воздействия жестких рабочих условий и агрессивных сред приводит к структурным изменениям материала, которые в свою очередь могут сопровождаться снижением его жаропрочности и длительной пластичности, то вопрос оценки работоспособности металла печных змеевиков по фактическому состоянию приобретает первостепенное значение. При этом обеспечение надежной работоспособности печных змеевиков в течение длительного срока, включая и после проектный, становится актуальной технико-экономической задачей, так как преждевременная замена змеевиков печей, исходя из их стоимости -5−8 млн. руб (в ценах 2000г), повлечет значительные и необоснованные финансовые расходы.

В связи с этим, целью данной работы является: увеличение сроков службы печных змеевиков установок каталитического риформинга с 200−250 до 350−400 тысяч часов, на основе комплексного исследования изменений структуры и физико-механических свойств теплоустойчивой стали 15Х5М под воздействием эксплуатационных условий, обоснованного прогнозирования ее жаропрочности и разработка практических рекомендаций для определения остаточного ресурса работоспособности нефтеперерабатывающего оборудования.

Отдавая должное важности и сложности этого вопроса, в данной работе прежде всего значительное внимание уделено обоснованию выбора метода индивидуального дальнего прогнозирования длительной прочности и ползучести стали 15Х5М.

Решение задачи повышения сроков эксплуатации требует проведения широкого комплекса экспериментальных исследований, что определило следующую структуру данной работы:

В первой главе рассмотрены особенности эксплуатационных условий работы печных змеевиков из стали 15Х5М установок каталитического риформинга, а также проанализированы теоретические аспекты поведения исследуемого материала в состоянии до и после длительной эксплуатации. Сделан обзор феноменологических моделей прогнозирования длительной прочности и ползучести. Показаны особенности прогнозирования остаточного ресурса оборудования, работающего в условиях ползучести. Рассмотрена реологическая модель индивидуального дальнего прогнозирования ресурса работоспособности металлических материалов. На основании проведенного анализа теории и практики определены задачи и направления исследований.

Во второй главе рассмотрена возможность моделирования в лабораторных условиях влияния эксплуатационных параметров на свойства стали 15Х5М ' в состоянии до эксплуатации на основе специально разработанных методов исследования. Акцентируется внимание на выполнение нормативных документов при проведении работ. Отмечается важность технологических испытаний для оценки адекватного отражения влияния реальных условий эксплуатации печных змеевиков установок каталитического риформинга на физико-механические свойства стали 15Х5М.

В третьей главе проведена экспериментальная проверка возможности дальнего прогнозирования ресурса жаропрочности хромомолибденовой стали в состоянии поставки, то есть на стадии проектирования. Показано, что при оценке фактического ресурса жаропрочности металла элементов печных змеевиков установок каталитического риформинга необходимо учитывать влияние исходной текстурной анизотропии.

В четвертой главе, на основании результатов статистической обработки, накопленного во ВНИКТИнефтехимоборудование информационного массива данных, дана оценка стабильности физико-механических свойств стали 15Х5М в процессе длительной эксплуатации. Определены интервалы значений исследуемых данных. На примере действующих установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл-Волгограднефтепереработка» проанализирована устойчивость исследуемого металла к воздействию широкого круга эксплуатационных факторов.

В пятой главе дан анализ экспериментального материала по исследованию жаропрочности стали 15Х5М после различных сроков эксплуатации, на основании которого был создан банк данных. Апробация метода индивидуального дальнего прогнозирования, применительно к конструкции печных змеевиков из стали 15Х5М установок каталитического риформинга, дала возможность определить допускаемые напряжения по значениям пределов ползучести, соответствующим напряжениям окончания второй стадии ползучести.

Результаты работы позволили не только оценить физический ресурс жаропрочности металла труб из стали 15Х5М на период до 400 тысяч часов эксплуатации, но и разработать научно-технические документы по надзору и оценке фактического ресурса работоспособности металла элементов трубчатых змеевиков установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл-Волгограднефтепереработка».

На основании проведенных исследований были получены новые данные о поведении металла труб из стали 15Х5М в процессе длительной эксплуатации в условиях печей каталитического риформинга, позволившие значительно повысить долговечность печных змеевиков, так, например:

1.Установлено, что термомеханическая стабильность стали 15Х5М зависит от термодеформационных условий старения и обусловлена диффузионными процессами, протекающими в металле и вызывающими его разупрочнение. Степень разупрочнения определяется скоростью протекания структурно-фазовых превращений, развивающихся в направлении роста карбидной фазы, коагуляции и сфероидизации карбидов, а также характером их распределения.

2.Экспериментально подтверждена правомерность применения «энергетической» модели для прогнозирования работоспособности печных змеевиков из стали 15Х5М как на стадии проектирования, так и для оценки их остаточного ресурса.

3.Доказано, что при рабочих напряжениях длительность третьей стадии ползучести стали 15Х5М составляет 40−50% от общего времени до разрушения.

4.Предложены критерии оценки предельного состояния стали 15Х5М, учитывающие допускаемые напряжения, соответствующие пределу ползучести при завершении второй стадии ползучестидопускаемую величину остаточной деформациитребуемый химический состав и механические свойства стали после длительной эксплуатацииотсутствие «опасных» неоднородностей.

Использование результатов исследований позволит более полно реализовать возможности стали 15Х5М применительно к условиям печей каталитического риформинга.

Экономический годовой эффект от увеличения сроков службы печных змеевиков из стали 15Х5М на 12−18 лет (100 -150 тысяч часов) после 200−250 тысяч часов эксплуатации только по одной установке (Л35−8/300Б), с учетом капитальных затрат, составляет 500 тысяч рублей (в ценах 2000 года).

Работа выполнена в ОАО «ВНИКТИнефтехимоборудование», в Волгоградском государственном техническом университете и в ООО «ЛУКойл-Волгограднефтепереработка».

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: «Повышение долговечности деталей машин прогрессивными методами обработки» (Волгоград, 1987), «Передовой опыт производства стали, ее внепечной обработки, разливки в слитки, отливки и получение кузнечных заготовок» (Волгоград, 1988), на 1-ом Всесоюзном симпозиуме «Новые жаропрочные и жаростойкие металлические материалы» (М., 1989.), на 2-ом Всесоюзном симпозиуме по перспективным металлическим материалам. «Синергетика. Новые технологии получения и свойства металлических материалов» (М., 12−17 мая 1991), на симпозиуме «Синергетика. Структура и свойства материалов. Самоорганизующиеся технологии.» (М., 1996), на Всероссийской научно-технической конференции (Нижний Новгород, 2000) и 37-ой научно-технической конференции в Волгоградском государственном — техническом университете 2000 г.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.

1.Ha основе обобщения результатов исследований длительной прочности и ползучести, а также статистического анализа известных данных получен банк данных основных характеристик жаропрочности длительно эксплуатируемых змеевиков печей из стали 15Х5М установок каталитического риформинга, что представляется важным для прогнозирования их остаточного ресурса.

2.Установлено, что длительная эксплуатация в течение 100, 150, 200 и 250 тысяч часов вызывает изменение жаропрочности труб из стали 15Х5М, определяемой при температурах до 600 °C и давлениях 3−5МПа минимальным уровнем значений пределов длительной прочности для отожженного материала. При этом термоупрочненный металл характеризуется более высокой степенью разупрочнения по сравнению с отожженным металлом.

3.На основе статистической обработки информационного массива физико-механических свойств стали 15Х5М после различных сроков наработки, установлены корреляционные зависимости, позволяющие расширить область применения экспресс оценки длительной прочности по кратковременным механическим характеристикам, определяемым при рабочей температуре.

4.Исследования жаропрочности металла труб печных змеевиков из стали 15Х5М установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл-Волгограднефтепереработка» показали, что наблюдаемое расхождение между проектным (100 тыс. часов) и фактическим (250−300 тыс. часов) ресурсом работоспособности оборудования обусловлено применяемыми в настоящее время критериями оценки жаропрочности при испытании на длительную прочность и ползучесть, которые в большинстве случаев дают заниженные значения.

5. Известные проектно-конструкторские решения не позволяют достоверно оценивать фактическое состояние и инженерные расчеты остаточного ресурса змеевиков печей установок каталитического риформинга. Впервые предложена и апробирована расчетно-экспериментальная методика определения ресурса работоспособности металла труб змеевиков печей реакторного блока установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл-Волгограднефтепереработка», на научных представлениях энергетической модели индивидуального дальнего прогнозирования ресурса металлических материалов.

6.Разработаны и экспериментально обоснованы критерии и нормы предельных значений характеристик длительной прочности и ползучести металла труб из стали 15Х5М, эксплуатирующегося в условиях печей каталитического риформирования, учитывающие: а) время и напряжения окончания второй стадии прогнозируемых кривых ползучести, для напряжений близких к эксплуатационнымб) величину накопленной деформации к началу Ш-ей стадии ползучести;

7.По результатам дальнего прогнозирования ресурса жаропрочности Сг — Мо стали установлены допускаемые напряжения для металла элементов печных змеевиков, определяемые по величине пределов ползучести, соответствующих напряжениям на момент окончания второй стадии ползучести.

8.Для предприятия разработана «Временная инструкция по контролю за состоянием металла элементов змеевиков печей реакторного блока установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл — Волгограднефтепереработка», использование которой позволяет увеличить срок службы змеевиков печей из стали 15Х5М до 350−400 тысяч часов и сократить инспекционные расходы связанные с «разрушающими» испытаниями на длительную прочность и ползучесть.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Для повышения сроков службы печных змеевиков из стали 15Х5М, широко применяемой в нефтеперерабатывающей отрасли, необходима реализация заданного комплекса физико-механических свойств металла, а также разработка критериев оценки их надежности при длительной эксплуатации на основе совершенствования существующих методов прогнозирования длительной прочности и ползучести.

2. Изучение влияния температурно-временных условий на свойства стали 15Х5М путем лабораторного моделирования в виде изотермического старения и старения под напряжением показало, что термомеханическая стабильность исследуемого материала зависит от «энергетических (термодеформационных)» условий старения и обусловлена диффузионными процессами, протекающими в металле, рызывающими его закономерное разупрочнение, степень которого определяется скоростью протекания структурно-фазовых изменений, развивающихся в направлении увеличения карбидной фазы, коагуляции и сфероидизации карбидов, а также характером их распределения.

3. Результаты математической обработки по обобщенной условной параметрической диаграмме длительной прочности позволили определить, что смена механизмов разрушения при ползучести от межзеренного по трещинам к межзеренному по порам реализуется в стали 15Х5М как в состоянии поставки, так и после длительной эксплуатации в интервале значений времени до разрушения 1000−1600 часов.

4. На примере стали 15Х5М экспериментально подтверждена правомерность применения «энергетической» модели для прогнозирования ресурса работоспособности печных змеевиков, эксплуатирующихся в условиях каталитического риформирования, с достаточной для инженерных расчетов точностью не только на стадии проектирования, но и для оценки остаточного ресурса в процессе длительной службы.

1. При прогнозировании ресурса работоспособности печных змеевиков необходимо учитывать влияние текстурной анизотропии металла труб из стали 15Х5М в процессе длительной эксплуатации.

2. Наработан банк данных по физико-механическим свойствам и фазовому составу стали 15Х5М после эксплуатации в течение 100, 150, 200 и 250 тысяч часов, позволяющий определять закономерности старения металла в процессе длительной службы.

3. На основании результатов обследований печных змеевиков установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл-Волгограднефтепереработка» после эксплуатации 100, 150, 200 и 250 тысяч часов установлено, что трубы из хромомолибденовой стали сохраняют стабильность структуры и служебных свойств. При этом степень закономерного разупрочнения металла определяется состоянием матрицы твердого раствора, количеством и дисперсностью карбидов, а также их фазовым составом. После длительной эксплуатации в водородосодержащей среде сталь 15Х5М не имеет признаков водородной коррозии.

8.На основании результатов проведенных исследований разработаны и экспериментально обоснованы критерии оценки предельного состояния металла учитывающие: а) уровень значений допускаемых напряжений, соответствующих пределу ползучести, реализуемому по окончании второй стадии ползучестиб) допустимую величину остаточной деформациив) соответствие химргческого состава и механических свойств стали 15Х5М после длительной эксплуатации требованиям стандартовг) ограничение твердости значениями120−235НВд)недопустимость «опасных» видов неоднородностей в виде пор, микротрещин, рыхлот, инородных включений и др. г С.

9. Разработаны «Рекомендации по надзору и оценке фактического ресурса работоспособности металла элементов трубчатых змеевиков установок каталитического риформинга Л35−11/300/400−95Н и Л35−8/300Б ООО «ЛУКойлВолгограднефтепереработка» и «Временная инструкция по контролю за состоянием металла элементов змеевиков печей реакторного блока установок каталитического риформинга ООО «ЛУКойл Волгограднефтепереработка», использование которых позволяет увеличить срок службы змеевиков печей из стали 15Х5М с 200−250 до 350−400 тысяч часов. Годовой экономический эффект составляет порядка 500 тысяч рублей в ценах 2000 года (доля автора — 20%).