Оценка долговечности аппаратов, подверженных действию циклических нагрузок, по изменению акустических и магнитных свойств стали

В настоящее время уделяется особое внимание обеспечению надежности, при эксплуатации нефтезаводского оборудования.

Причиной этого является острая проблема износа основных фондов нефтеперерабатывающих предприятий. Например, на сегодняшний день в стране эксплуатируется более половины парка нефтехимического оборудования со сроком службы свыше нормативного. Техническое состояние нефтехимического оборудования, находящегося столь длительное время в эксплуатации, ухудшается вследствие протекания процессов коррозии, старения и особенно усталости металла.

Оценка долговечности оборудования, работающего в области малоцикловой усталости, достаточно сложна, поскольку разрушение происходит внезапно, без каких-либо видимых пластических деформаций. Это связано с тем, что при циклическом нагружении происходит накопление повреждений, которые по данным микроскопических исследований обусловлены структурным состоянием и уровнем микронапряжений, эволюция которых приводит к медленному скрытому подрастанию усталостных микротрещин, объединению их в магистральную трещину и разрушению.

Оценка уровня накопленных усталостных повреждений при циклических деформациях, как правило, проводится по результатам повторных усталостных испытаний образцов, вырезанных из реальных конструкций, или испытания модельных образцов, изготовленных по технологии аналогичной исследуемой конструкции. Однако разрушающие методы диагностики приводят к нарушению целостности конструкции, а определение уровня накопленных усталостных повреждений на модельных образцах не всегда объективны и могут приводить к искажению результатов. Поэтому определение уровня накопленных усталостных повреждений, без нарушения целостности исследуемого объекта является актуальной задачей. При этом необходимо к оценке уровня повреждений привлекать ряд независимых методов, которые могут дополнять друг друга.

Применяемые в настоящее время методы и приборы диагностики позволяют достаточно надежно регистрировать только крупные дефекты, когда процесс разрушения уже необратим. Решение проблемы оценки уровня накопления повреждений может быть осуществлено при использовании измерения скорости ультразвука, коэрцитивной силы и их взаимосвязи со структурными изменениями.

Исходя из вышесказанного, в данной работе, была поставлена цель: исследование влияния уровня накопленных повреждений при малоцикловой усталости на механические, магнитные и акустические свойства сварных соединений сталей 09Г2С и ВСтЗсп5 для научно обоснованной разработки методики оценки долговечности аппаратов нефтехимического комплекса неразрушающими методами контроля.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Оценка влияния уровня накопленных повреждений в сварных соединениях изготовленных из сталей 09Г2С и ВСтЗсп5 на скорость ультразвуковых продольных волн.

2. Оценка влияния уровня накопленных повреждений в области сварного шва сталей 09Г2С и ВСтЗсп5 на величину коэрцитивной силы.

3. Проведение исследований микроструктуры и механических свойств в сварных соединениях сталей 09Г2С и ВСтЗспб в зависимости от степени накопленных повреждений.

4. Разработка методики оценки долговечности аппаратов, подверженных циклическим нагрузкам, неразрушающими методами контроля по акустическим и магнитным свойствам стали в зависимости от уровня накопления усталостных повреждений.

По структуре работа состоит из пяти глав.

В первой главе приведен обзор работ по обеспечению надежности технологического оборудования НПЗ. Рассмотрены методы оценки остаточного ресурса, анализ случаев разрушения оболочковых конструкций. Также в этой главе освещены работы по оценке состояния материала неразрушающими структурно-чувствительными методами контроля.

В заключение главы сделаны выводы о целесообразности и актуальности темы диссертации, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе на основе проведенного анализа базы данных по техническому обслуживанию НПЗ г. Уфы, дано обоснование выбора материала исследований. Описаны порядок подготовки и изготовления образцов, методика испытаний на малоцикловую усталость и механических испытаний на растяжение. Показана последовательность металлографических исследований. Также в данной главе описаны методики измерения скорости ультразвука и величины коэрцитивной силы.

В третьей главе рассмотрены изменения твердости, предела прочности и условного предела текучести в области сварного шва от уровня накопленных повреждений.

В четвертой главе отражены результаты измерений скорости распространения ультразвуковых продольных волн по каждой ячейке в рабочей зоне образца при различных числах циклов нагружения. Отсюда видно, что скорость распространения продольных ультразвуковых волн в сварном соединении стали 09Г2С и ВСтЗсп5 ниже, чем в основном металлепосле циклического нагружения снижается как в основном металле, так и в сварном шве, причем, характер снижения скорости для всех уровней накопления повреждений одинаков. Также показано, что изменение скорости распространения ультразвуковых продольных волн по мере накопления уровня усталостных повреждений в зоне сварного шва происходит быстрее, чем в зоне термического влияния и основном металле.

Представленны результаты измерения величины коэрцитивной силы стали 09Г2С и ВСтЗсп5 со сварным швом и их изменений после циклического нагружения.

С целью изучения влияния циклического упругопластического деформирования на структуру исследуемой стали, приведены результаты металлографических исследований. Но так как существенных изменений микроструктуры для исходного состояния и после деформации во всех зонах сварного соединения не обнаружено, для определения причин изменения свойств стали, были произведены исследования дислокационной структуры сварного соединения стали ВСтЗспб. Которые показали, что причиной изменения механических характеристик, скорости ультразвука и коэрцитивной силы является изменение дислокационной структуры. Показано, что в исходном состоянии и на начальной стадии деформации в стали наблюдается повышенная плотность дислокации см). Увеличение числа циклов приводит к формированию ячеистой, затем фрагментированной структуры, что приводит к снижению плотности дислокаций. В свою очередь, снижение плотности дислокаций уменьшает, как среднюю величину сил, задерживающих необратимое смещение границ между доменами (коэрцитивная сила), так и механические характеристики (твердость, условный предел текучести, предел прочности). Дальнейшее повышение деформации и достижение степени накопленных повреждений N/Np=0,8 приводит к зарождению и росту микропор, развитию микротрещин.

В пятой главе приводится модель оценки долговечности аппаратов, подверженных малоцикловой усталости, по скорости ультразвука и коэрцитивной силе. 8.

Автор искренне признателен своему научному руководителю д.т.н., профессору Кузееву И. Р., к. ф-м.н. Ахмадееву Н. А., к.т.н Филимонову Е. А. и к.т.н. Габдуллину Н. К. за оказанную помощь при постановке задачи и анализе результатов исследования.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

В настоящей главе приведен обзор работ по обеспечению надежности технологического оборудования НПЗ. Рассмотрены методы оценки остаточного ресурса, анализ случаев разрушения оболочковых конструкций. Также в этой главе освещены работы по оценке состояния материала неразрушающими структурно-чувствительными методами контроля. Сформулированы цель и основные задачи диссертационной работы.

Выводы.

1. При измерении коэффициента затухания продольных волн необходимо учитывать факторы, связанные с дифракционным ослаблением ультразвука, плос-копараллельность поверхностей ОК и неполным его отражением от границы ОК.

2. Из известных способов учета множителя Р, определяемого амплитудой электрического зондирующего импульса, коэффициентом двойного преобразования преобразователя и качеством акустического контакта, наиболее точен— иммерсионный способ.

3. Рассмотренные способы измерения пригодны лишь для ОК с плоскопараллельными поверхностями.

1.5 Измерение физико-механических свойств магнитными методами неразрушающего контроля (коэрцитиметрия в неразрушающем контроле).

К структурно-чувствительным магнитным свойствам относятся: начальная и максимальная магнитные проницаемостиостаточная магнитная индукциякоэрцитивная силаполе, соответствующее максимальной магнитной проницаемостимагнитные шумы Баркгаузена, магнитная память материалов и другие. Однако наибольшее применение в неразрушающем контроле структуры и механических свойств деталей и изделий из ферромагнитных материалов получила коэрцитивная сила Нс. Коэрцитивная сила — это напряженность магнитного поля Нс, при которой индукция обращается в нуль.

Согласно теории процессов намагничивания и перемагничивания, коэрцитивная сила магнитомягких материалов определяется средней величиной сил, задерживающих необратимое смещение границ между доменами. Факторами, задерживающими такое смещение, могут быть неферромагнитные включения различной формы и дисперсности, напряжения, обусловленные дислокациями и другими причинами, градиенты напряжений, границы фаз, зерен и субзерен и прочие неоднородности, и дефекты кристаллического строения /48/.

Так в работах /49,50,51/ показано, что доменные границы (ДГ) задерживаются мелкими беспорядочно распределенными в кристалле неферромагнитными включениями сферической формы и напряжениями, обусловленными дислокациями.

В работе /52/ описано, что коэрцитивная сила пропорциональна диаметру и объемной концентрации (в степени ½) неферромагнитных включений, когда они намного меньше толщины ДГ, объемной концентрации включений (в степени ½), когда они крупные, магнитной анизотропии, обусловленной формой зерен и напряжениями, связанными с плотностью дислокаций, обратно пропорциональна площади ДГ и среднему размеру блока мозаики (в степенях ½).

На сегодняшний день, из обзора литературных источников, наиболее распространенной областью применения коэрцитиметрии является контроль механических свойств проката.

Неразрушающий метод контроля четырех механических характеристик (временного сопротивления при разрыве ав, предела текучести ат, относительного удлинения 5 и сужения j/), определяющих прочность и пластичность стали, по одной магнитной Не возможен прежде всего благодаря взаимосвязи между прочностью и пластичностью. Дефекты структуры, задерживая смещение дислокаций при пластической деформации, повышают прочностные характеристики и снижают пластичность. Они же способствуют повышению коэрцитивной силы вследствие воздействия ряда факторов.

Прокат из углеродистых и низколегированных сталей — толстый и тонкий лист, крупнои мелкосортовой прокат, трубы общего назначения и др. — применяется в горячекатаном или нормализованном состояниях. В процессе производства таких сталей не происходит существенных изменений структуры. Все вариации физических свойств протекают на основе изменений параметров ферритной или феррито-перлитной структуры. Эти свойства определяются следующими основными факторами /53—55/: размером ферритного зерна, количеством перлита, наличием и содержанием игольчатых структур (бейнита и вид-манштеттовой структуры), упрочнением твердого раствора, дисперсионным твердением и другими. Влияние перечисленных и других факторов на прочностные, пластические, вязкие и магнитные свойства феррито-перлитных сталей рассмотрено в /56—59/.

Согласно работам /60−65/, наибольшее влияние на прочностные, пластические и магнитные свойства рассматриваемого класса сталей имеют размер ферритного зерна и игольчатые структуры (форма зерна). Так измельчение ферритного зерна приводит к росту, как прочностных характеристик сталей, так и коэрцитивной силы.

Увеличению коэрцитивной силы при повышении прочностных свойств gb, ст и понижению 5 способствует увеличение углерода в стали. Так для горячекатаных труб общего назначения из сталей марок 10, 20, 35 и 45 /66/: повышение номера марки стали, что соответствует увеличению содержания углерода в трубах, ведет к росту коэрцитивной силы и прочностных характеристик при уменьшении пластичности. Особенно четко эта тенденция видна для сталей 35 и 45.

Согласно результатам статистической обработки для вышеперечисленных сталей /5/, наблюдается надежная линейная корреляция между прочностными характеристиками и корцитивной силой. Для относительного удлинения такая связь нелинейная, причем в области низких Не она выражена слабо. Также в этой работе предлагается, для повышения надежности метода контроля механических свойств по коэрцитивной силе использовать дополнительные параметры неразрушающего контроля: релаксационная магнитная индукция, скорость ультразвука, затухания ультразвука, соотношение амплитуд эхосигна-лов при прозвучивании металла на разных частотах, контрольных параметров (плавочный химический состав, геометрические размеры, контролируемые параметры технологического процесса), методических приемов.

В работах /67,68/ показано, что коэрцитивная сила зависит не только от структуры, определяющей уровень механических свойств металла, но и непосредственно от толщины металла.

В связи с тем, что коэрцитивная сила чувствительна к содержанию углерода в стали. Это обстоятельство позволяет широко использовать ее в качестве параметра для рассортировки сталей по маркам при случайном их перепутывании. При этом следует учитывать размеры полюсов коэрцитиметра и контролируемого изделия / 69,70/.

Область применения коэрцитиметрии распространяется также на контроль качества закалки и последующего отпуска, качества отжига и контроль глубины твердости упрочненых слоев на поверхности деталей. Так при увеличение твердости, обусловленное основными видами термических обработок (закалке), сопровождается увеличением средних значений коэрцитивной силы /71,72/. Для контроля качества среднеи высокоемпературного отпуска для изделий из сталей с содержанием углерода свыше 3% разработан специальный метод и соответствующие приборы /73−76/ По коэрцитивной силе можно контролировать качество отжига, смягчающего наклеп, оценивать толщину наклепанных на стальных изделиях слоев.

В работах /77,78,79/, описывается возможность контроля состояния металла при растяжении по результатам измерений коэрцитивной силы. Основой для оценки действующих на стальные конструкции одноосных напряжений путем измерений коэрцитивной силы служит магнитострикционная связь между приложенным напряжением и смещением доменных границ.

В случае растягивающих напряжений, в начале нагружения в упруго-пластической области коэрцитивная сила остается неизменной или незначительно снижается, с ростом пластических деформаций начинается рост коэрцитивной силы. В случае сжимающих напряжений коэрцитивная сила одназначно возрастает. Выводы.

1. Высокая чувствительность Не к изменению структуры и химического состава. Широкое применение для оценки механических свойств стальных и чугунных изделий.

2. Простота измерения в производственных условиях позволяет коэрцитивную силу использовать для решения широкого круга задач неразрушающего контроля.

3. Коэрцитивная сила дает широкие возможности для оценки состояния металла от действующих на стальные конструкции одноосных напряжений.

1.6. Цель и постановка задач.

Как видно из обзора литературы, несущие элементы аппаратов в энергетической, химической и нефтехимической промышленности, при эксплуатации подвергаются действию как постоянных, так и переменных механических и тепловых нагрузок, воздействию рабочей среды, а также их комплексному воздействию, что сильно сказывается на надежности эксплуатируемого оборудования. В последнее время особое внимание с точки зрения надежности и оценки долговечности технологического оборудования, уделяется циклическим нагрузкам обусловленным технологией, периодическими остановами и пусками, срабатыванием систем аварийной защиты, периодическими испытаниями и т. д.

Кроме того, из-за перебоя в поставках сырья, остановки и пуски установок происходят намного чаще, чем по графику планово-предупредительных ремонтов. В связи с этим изучение влияния циклических нагрузок на несущие элементы аппаратов представляет большой интерес.

При анализе методик оценки остаточного ресурса, выявлено, что ни одна из методик не учитывает структурные изменения материала элементов аппаратов, происходящие в результате эксплуатации. Поэтому, для повышения надежности и безопасности эксплуатируемого оборудования, которые, как правило, имеют сварные швы, актуальным является оценка уровня повреждения материала неразрушающими методами (с целью прогнозирования разрушения). В качестве двух независимых неразрушающих методов, которые могут дополнять друг друга, в настоящей работе были выбраны ультразвуковой контроль измерения скорости звука и магнитный метод измерения коэрцитивной силы. Эти оба метода просты в применении и не требуют тщательной подготовки поверхности контроля.

В связи с этим целью диссертационной работы является исследование уровня накопленных повреждений при малоцикловой усталости на механические, магнитные и акустические свойства сварных соединений сталей 09Г2С и.

2. Материал и методика исследований.

Для решения поставленных задач необходимо выполнить ряд этапов: вырезку и изготовление образцов для исследований, получение образцов с различной степенью повреждения при циклической деформации на изгиб. На подготовленных образцах провести металлографическое исследование микроструктуры. На структурно аттестованных образцах измерить упругие, магнитные и механические свойства. Ниже следует описание вышеперечисленных этапов используемых в настоящей работе.

2.1 Материал и его основные характеристики.

В настоящей работе для исследований были выбраны, стали марки ВСтЗсп и 09Г2С. Данный выбор обусловлен тем, что наиболее используемыми сталями на нефтеперабатывающих предприятиях являются, стали марок 09Г2С, ВСтЗсп /80,81/. Проведен анализ частоты применения марок стали для аппаратов на предприятии ОАО" Уфанефтехим" (цех № 21, установка 39/8), который показал, что наиболее часто используемыми являются СтЗсп и 09Г2С. Гистограмма частоты использования марок сталей представлена на рисунке 2.1.

Химический состав исследуемых сталей определялся в соответствии с ГОСТ 12 344–78, ГОСТ 12 346–78, ГОСТ 12 350–78. Полученные значения процентного содержания химических элементов, а также требования на данные стали, приведены в таблице 2.1.