Закономерности накопления повреждений в сварных соединениях оболочек реакторов установок замедленного коксования

Длительный срок эксплуатации нефтезаводского оборудования, износ которого достигает 100%, ставит перед специалистами, эксплуатирующими это оборудование, сложную проблему, связанную с определением остаточного ресурса и оценкой накопленных повреждений.

Аппараты для переработки нефти, особенно используемые во вторичных процессах, находятся под воздействием силовых и температурных факторов, обуславливающих усталостные повреждения, повреждения от ползучести. При этом в металле оболочек аппаратов происходят сложные явления, связанные воздействием среды. }.

Моделирование основных механизмов накопления повреждений может дать сведения общего характера, так как практически невозможно воспроизвести в лабораторных условиях деформирование реальных аппаратов. Во многих случаях механизмы накопления повреждений детально не изучены, особенно в сварных соединениях, поскольку металл оболочек аппаратов труднодоступен для металлографического анализа, для определения параметров трещиностойкости. связи с изложенным актуальным является вопрос комплексного изучения механизмов накопления повреждений в металле оболочек аппаратов, включающий лабораторные и промышленные исследования с применением современных методов анализа.

Основные направления исследований выполнены в соответствии с Государственной научно-технической программой Академии наук Республики Башкортостан ((АН РБ) «Проблемы машиностроения, конструкционных материалов и технологии» по направлению 6.2. «Надежность и безопасность технических систем в нефтегазохимическом комплексе» на 1996;2000 годы, утвержденной Постановлением Кабинета министров РБ № 204 от 26.06.96, а также по Федеральной целевой программе «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997;2000 годы (ФЦП «Интеграция») по государственному контракту № 28 «Создание совместного учебно-научного центра «Механика многофазных систем в технологиях добычи, транспорта, переработки нефти и газа».

Цель работы Определение характера накопления повреждений в сварных соединениях оболочек реакторов установок замедленного коксования (УЗК) с учетом нестационарности температурного поля. Основные задачи исследования.

1. Моделирование на лабораторной установке процесса деформирования оболочки реактора за счет хаотичного распределения потока сырья.

2. Расчет поля напряжения в оболочке реактора с учетом нестационарности температурного поля и оценка характера нагружения сварного шва в узле приварки опорной обечайки методом конечных элементов (МКЭ).

3. Изучение процесса накопления повреждений в сталях 16ГС и 09Г2С, имеющих сварные соединения, при циклическом нагружении образцов на чистых изгиб.

4. Изучение распределения механических свойств и параметра трещиностойкости в сварных соединениях металла реактора УЗК ПО «Омскнефтеоргсинтез».

5. Изучение процесса деградации структуры металла 16ГС и 09Г2С методами металлои фрактографии.

В ходе решения поставленных задач были впервые получены: -траектории движения оболочки аппарата при полномасштабном моделировании процесса заполнения реактора УЗК получены, снабженного различными узлами ввода сырья, которые согласуются с промышленными испытаниями. у — показано, что коэффициент трещиностойкости в зоне сварных швов промышленного реактора УЗК, изготовленного из стали 16ГС (основной металл), изменяется по параболической зависимости с максимумом в зоне термического влияния. — экспериментально показано наличие полиэкстремальных зависимостей Kjc от числа циклов нагружения на чистый изгиб для сталей 16ГС и 09Г2С, на которых выделено две области резкого снижения трещиностойкости в области 500 и 2000;2500 циклов.

Диссертационная работа состоит из 4-х глав. В первой главе приведен обзор литературы, обосновывающий объект исследований, в качестве которого выбран реактор установки замедленного коксования (УЗК). Этот выбор основан на уникальном сочетании силовых и температурных факторов деформирования аппарата: пульсирующий отнулевой характер изменения давления на фоне нестационарного температурного поля со случайным характером распределения температур в оболочке.

В работах Кретинина М. В., Кузеева И. Р., Мухина В. Н. детально изучены механизмы деформирования реакторов УЗК, возникающие при эксплуатации дефекты и отмечено, что многие дефекты обусловлены случайным характером распределения высокотемпературных затопленных струй в процессе заполнения реактора. Денисову В. Д. удалось провести полномасштабное моделирование процесса заполнения реактора на лабораторной установке и рассмотреть вопрос распределения траекторий струй в объеме реактора при различных устройствах узла ввода.

Филимонов Е.А. впервые изучил характер накопления повреждений в оболочке действующего реактора и определил зоны, неблагоприятные с точки зрения образования дефектов. Следует отметить также исследования Газиева P.P., посвященные изучению закономерностей деформирования и разрушения биметаллических образцов из стали 16ГС и 09Г2С натурной толщины при чистом изгибе на специально сконструированной для этих целей испытательной машине.

Однако остались не изученными проблемы возникновения дефектов в сварных соединениях, хотя отмечается, что именно в сварных соединениях возникают трещины, которые, например, не позволили эксплуатировать реактора УЗК АО «Омскнефтеоргсинтез» более 10 лет. Именно это обстоятельство было решающим при обосновании цели исследований.

Во второй главе описаны методики исследований. Для достижения цели были использованы следующие методы:

— аналитические методы для оценки поля напряжений в оболочке реактора (метод конечных элементов);

— лабораторные исследования на модельном реакторе УЗК;

— изучение накопления повреждений в стальных образцах на испытательной машине;

— определение физико-механических свойств металла реактора УЗК АО «Омскнефтеоргсинтез»;

— фрактои металлографические исследования.

Методы конечных элементов применяли для расчета напряжений в самых высоконагруженных узлах, к которым прежде всего относится узел приварки опорной обечайки.

Эксперименты по изучению характера деформирования реактора проведены на установке, которая была сконструирована и изготовлена В. Д. Денисовым. В качестве модельной жидкости использовали н-парафины. Лабораторный аппарат представляет собой точную копию промышленного в масштабе 1:20. Дополнительно, с целью фиксации движения оси аппарата, последний снабжен двумя индикаторами часового типа, показания с которых фиксировались визуально через определенные промежутки времени.

Следующая категория исследований была связана с подготовкой образцов с различным уровнем накопленных усталостных повреждений. Испытания проводили на усталостной машине, разработанной.

Р.Р.Газиевым, реализующей чистый изгиб. Схема испытания плоских образцов позволяет нагружать их в промежуточном между жестким (контролирующая деформация) и мягким (контролируемое напряжение) режимами, что в наибольшей степени отвечает условиям деформирования оболочек реакторов УЗК.

Испытанию подверглись гладкие образцы из биметалла, с основным металлом 16ГС, 09Г2С и образцы со сварными швами из этих же сталей. Предварительно экспериментально были получены кривые Велера для малоцикловой области, характеризующие два момента: момент возникновения трещины и полное разрушение образца. На каждом уровне деформаций испытывали по три образца.

После нанесения различного уровня повреждений из испытанных образцов изготавливали стандартные образцы для определения ат, ав, 5, а также К1с. Испытания проводили на испытательной машине «ГМБТКОЫ-1185» со скоростью движения траверса 1 мм/мин. Следующий этап исследований связан с изучением распределения механических характеристик и К1С в зонах сварных (кольцевых и меридианальных) швов реального реактора УЗК АО «Омскнефтеоргсинтез», который проработал в течение 10 лет. Анализу подверглись также образцы реакторного металла с явными признаками потери устойчивости формы. Все испытания проводились по стандартным методикам.

Все испытанные образцы металла подверглись металлои фрактографическому анализу.

В третьей главе представлены результаты изучения напряженно-деформированного состояния в реакторе УЗК. Эксперименты на модельном реакторе подтвердили сделанные ранее наблюдения за поведением действующих аппаратов. Имеет место хаотичное циклическое движение аппарата, причем траектория в деталях не повторяется. Статистические данные по изменению температурных полей в оболочках реальных реакторов показывают, что отклонения аппарата от вертикальной оси могут иметь место не только на стадии заполнения сырьем, но и на этапах коксования и охлаждения, и выгрузки кокса. Это означает, что на основной цикл изменения давления накладывается цикличность, связанная с нестационарностью температурного поля. Эксперименты позволили выявить, что число циклов движения за период заполнения может изменяться в довольно широких пределах: от 7−8 до 25.

Анализ различных прикладных пакетов программ по расчету конструкций методом конечных элементов (МКЭ) показал, что для достижения поставленной в работе цели в наибольшей степени подходит программа COSMOS М.

Расчеты показывают, что в стандартном режиме коксования отклонения от вертикальной оси реактора достигают 12 см, при этом в опорной обечайке возникают напряжения 238 МПа. Характерно то, что вне зоны максимальных деформаций, напряжения в сварном шве опорной обечайки на порядок ниже (23 МПа).

При предельных значениях отклонения оси от вертикали, например на 30 см, в сварном шве опорной обечайки возникают напряжения 630 МПа, что превышает предел прочности стали 16ГС. Такие напряжения, даже при действии в квазистатическом режиме, могут быть причиной зарождения микроочага разрушения.

В четвертой главе приведены результаты изучения накопления повреждения в сталях 16ГС и 09Г2С при циклическом нагружении, а также распределения механических свойств и Kic в сварных швах металла реактора коксования.

Имеет место падение трещиностойкости стали не только в сварном шве, но и в основном металле, при этом наблюдается максимум в околошовной зоне. Распределение механических характеристик в зоне меридианальных и кольцевых сварных швов различается.

Коэффициент трещиностойкости, который для недеформированной стали 16ГС имеет значение 64 МПа-м½, для материала реактора УЗК находится в пределах 12,5−23,5 МПа-мш, т. е. существенно ниже.

Анализ показывает, что в материале реактора УЗК протекают, как минимум, два самостоятельных процесса, увеличение пластичности сварных швов, с одной стороны, снижение коэффициента трещиностойкости — с другой. В области 500 циклов нагружения наблюдается падение значений Kic для всех испытанных образцов, как из стали 16ГС, так и из 09Г2С. Тем самым подтверждается обнаруженный Галлямовым A.M. эффект падения К1с для стали СтЗ. В то же время на кривых зависимости Kic = f (N) четко обозначился второй минимум. Предлагавшиеся ранее два механизма охрупчивания получили экспериментальное подтверждение.

Фрактографические исследования изломов образцов из металла реактора УЗК и лабораторных образцов показали наличие хрупко-вязкого излома с преобладанием хрупкой составляющей. Наряду с участками скола имеют место как характерные участки скола, так и усталостные полосы скольжения и мелкая поровая структура. Особенно хорошо поровая структура просматривается на фрактограммах стали 09Г2С.

Металлографические исследования также показывают наличие процесса активного образования пор. В зоне развития магистральной трещины можно наблюдать слияние пор и образование микротрещин.

Таким образом фрактои металлографические исследования также подтверждают наличие двух механизмов разрушения при различных уровнях накопления повреждений: хрупкое разрушение при малых числах циклов нагружения и хрупко-вязкое разрушение при больших числах циклов с образованием и развитием микропор.

Полученные результаты позволили выявить особенности накопления повреждений в сварных соединениях реакторов УЗК, которые использованы для уточнения методики оценки ресурса аппаратов.

Материалы диссертации используются при преподавании предметов «Расчет и конструирование машин и аппаратов», «Физическая природа разрушения» для студентов специализации 17.05.01 «Машины и аппараты химических производств».

Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств» Уфимского государственного нефтяного технического университета под руководством доктора технических наук Хафизова Ф. Ш., которому автор выражает искреннюю благодарность.

Автор выражает глубокую признательность кандидатам технических наук Денисову В. Д., Чирковой А. Г., Баязитову М. И. за критическое обсуждение результатов исследований, Захарову Н. М., Газиеву P.P. -заоказанную помощь в проведении исследований. Студенткам Колединой О. и Клявлиной А. за помощь при проведении экспериментов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Изучен характер накопления повреждений в сварных соединениях оболочек реакторов УЗК. Получено распределение механических свойств ств, ат, 5, |/ в зонах меридианальных и кольцевых швов, причем распределение <гт и а&bdquoдля кольцевых швов имрет максимум в зоне термического влияния. Коэффициент трещиностойкости также имеет максимум в ЗТВ, причем наблюдается резкое! снижение трещиностойкости как для сварного шва, так и для основного металла по сравнению с недеформированным металлом 16ГС.

2. Для сталй 16ГС и 09Г2С получены зависимости К^ от количества циклов нагружения при чистом изгибе образцов натурной толщины гладких и со сварными швами, которые имеют два минимума в области 500 и 2000;2500 циклов. Первый минимум объясняется известным механизмом формирования так называемых «ножевых» границ зерен, второй, как показывают фрактои металлографические исследования, связан с процессом преобразования.

3. На лабораторном реакторе, в котором смоделирована по пяти критериям подобия гидродинамическая картина заполнения аппарата применительно к условиям процесса замедленного коксования, получена траектория движения оси реактора от неравномерного распределения температур в оболочке. Испытано четыре типа устройств ввода парожидкостного потока, лучшим из которых, с точки зрения деформирования реактора, является аксиальный. Траектории движения оси модельного реактора идентичны таковым для промышленного аппарата, что позволяет использовать полученные данные для расчета реальной системы.

4. Методом конечных элементов рассчитано напряженно-деформированное состояние в узле приварки опорной обечайки к корпусу реактора с использованием обобщенных диаграмм распределения.

97 температур в оболочке реактора УЗК по стадиям процесса. Показано, что при максимальных отклонениях оси аппарата, измеренных в промышленных условиях, напряжения в локальных областях сварного шва опорной обечайки превышают предел прочности материала. При стандартных условиях трещины могут образовываться через 40 циклов коксования, что коррелирует с промышленными результатами.

5. Полученные в диссертационной работе результаты используются при преподавании дисциплин «Физическая природа разрушения», «Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли» для студентов специализации 17.05.01 «Машины и аппараты химических производств».