Научные основы обеспечения безопасности эксплуатации оборудования из жаропрочных хромистых сталей (14.09.2009)

Автор: Халимов Айрат Андалисович

На правах рукописи

ХАЛИМОВ АЙРАТ АНДАЛИСОВИЧ

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ

ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ ХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Уфа 2009

Работа выполнена в Закрытом акционерном обществе Научно-технический центр «Технология, экспертиза и надежность» (ЗАО НТЦ «ТЭН»)

Научный консультант ( доктор технических наук, профессор

Ибрагимов Ильдус Гамирович

Официальные оппоненты: ( доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и

техники РФ

Стеклов Олег Иванович

( доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ

Кузеев Искандер Рустэмович

( доктор технических наук, профессор,

член-корреспондент АН РБ

Нугаев Раис Янфурович

Ведущее предприятие ( Центр исследований экстремальных ситуаций (ЦИЭКС), г. Москва

Защита диссертации состоится __ 2009 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР») по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан ___ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Нефтегазовая отрасль, в особенности нефтепереработка и нефтехимия, имеет широкую потребность в оборудовании из жаропрочных хромистых сталей, дополнительно легированных стойкими карбидообразующими элементами, имеющих относительно высокую коррозионную стойкость. Значительное количество такого оборудования работает под одновременным воздействием высоких давлений и температур, а также рабочих сред, коррозионная активность которых обусловлена, прежде всего, наличием водорода, хлоридных, сероводородных и серосодержащих сред.

Однако неблагоприятная реакция на термодеформационный цикл сварки, выражающаяся в образовании хрупких участков металла с закалочной неравновесной структурой, влияет на технологическую прочность и эксплуатационную надежность сварного оборудования, снижая трещиностойкость, ограничивая деформационную способность и повышая склонность к непредсказуемым аварийным хрупким разрушениям. При последующей разгерметизации и выбросе пожаровзрывоопасных рабочих сред велика вероятность возникновения облака газопаровоздушных смесей (ГПВС), которые при поджигании от искры или от открытого огня пламени форсунок в рабочем пространстве трубчатой нагревательной печи могут мгновенно сгорать с образованием высокотемпературного огненного шара или взрываться по детонационному механизму. При взрывном разрушении корпуса оборудования могут образовываться осколки, дополнительно поражающие рабочий персонал и оборудование, что значительно повышает риск травматизма и аварийности на предприятиях.

Анализ работоспособности нефтегазохимического оборудования показывает, что одной из причин преждевременного разрушения сварных соединений из среднелегированных жаропрочных хромистых сталей является структурно-механическая разнородность сварных конструктивных элементов. Склонность к воздушной закалке и фазовые превращения мартенситного характера, не устраняемые даже при сварке с подогревом до 350…400 (C, существенно усложняют технологический процесс изготовления и ремонта таких сварных изделий. При термической резке и сварке этих сталей возникают хрупкие участки, металл которых обладает твердостью, превышающей верхний предел допустимых нормативных значений. Применительно к обеспечению работоспособности сварного оборудования такие напряженные участки называют твердыми прослойками. Образование закалочных неравновесных структур в металле шва и околошовных зонах при использовании сварочной проволоки, однородной по химическому составу с основным металлом, или в околошовных зонах термического влияния (ЗТВ) при сварке аустенитными сварочными материалами влияет на технологическую прочность и эксплуатационную надежность сварных конструкций. При этом снижается трещиностойкость, ограничивается деформационная способность и повышается склонность к хрупким разрушениям.

Мягкие прослойки термического разупрочнения возникают при сварке термоупрочненного проката и труб, например, из сталей 15Х5МУ и 12Х9МУ, а также при высокотемпературной длительной эксплуатации разнородных сварных стыков в виде обезуглероженных участков в зоне сплавления. При этом вследствие диффузионных перемещений атомов углерода рядом с мягким основным металлом в более легированном металле шва возникает науглероженная твердая прослойка.

Разнородность характерна при сварке низколегированных нефтеаппаратурных сталей типа 12ХМ. В более сложнолегированных хромомолибденовых сталях, таких как 12Х2М1, 12Х2МФСР, 14Х2ГМР, 20Х3МВФ, происходит заметный сдвиг структурных превращений в сторону большей вероятности образования мартенситных прослоек. Соответственно весьма вероятна степень возрастания значений твердости металла шва и зоны термического влияния при применяемых трудоемких технологиях сварки с предварительным и сопутствующим подогревом.

Разнородность конструктивных элементов, заключающаяся в различии свойств характерных зон сварного соединения, является, с одной стороны, следствием неоднородности термодеформационных полей при сварке в структурно-неравновесных сталях, с другой, применения технологий сварки с отличающимися по свойствам сварочными материалами для обеспечения технологической прочности. Все это приводит к возникновению сложного напряженного состояния в конструктивных элементах оборудования, работающего под внутренним давлением. Поэтому анализ поведения соединений при нагружении необходимо вести с учетом влияния их разнородности. Учет этого влияния и возможность регулирования разнородности позволяют более адекватно подходить к оптимизации оборудования нефтегазового комплекса и технологии его изготовления и ремонта, а также более объективно оценивать работоспособность и безопасность.

Усугубляющим решение вопроса повышения надежности нефтегазохимического оборудования из рассматриваемых сталей является то, что возникшие холодные трещины имеют микроскопическое раскрытие (слипшиеся трещины), поэтому не всегда могут быть обнаружены методами неразрушающего контроля.

Актуальность и важность рассматриваемой проблемы обусловили основную направленность настоящей работы.


загрузка...