Комплексный подход к обследованию змеевиков печей нефтеперерабатывающих производств при увеличении межремонтных периодов

Комплексный подход к обследованию змеевиков печей нефтеперерабатывающих производств при увеличении межремонтных периодов

Раздел: Техника

Добротворский М.А. ,ЗАО «НПО «Ленкор»

Увеличение межремонтного пробега значительно повышает требования к объему и качеству технического диагностирования наиболее ответственного оборудования нефтеперерабатывающих производств. Особенно это касается змеевиков технологических печей, которые эксплуатируются в условиях повышенных температур и давлений, в средах, отличающихся высокой коррозионной и эрозионной активностью. Такое техническое диагностирование должно обеспечивать эффективное выявление проблемного оборудования и определение остаточного ресурса, учитывающее увеличенный срок между ревизиями печных змеевиков.

Комплексный подход к обследованию оборудования нефтеперерабатывающих предприятий при увеличении межремонтных пробегов предполагает увеличение объема технического диагностирования при проведении ревизии печных змеевиков по сравнению со стандартами, принятыми в отрасли на сегодняшний день. Обычный объем ревизии включает ВИК и толщинометрию основных элементов змеевика, что не дает почти никакой информации о фактическом состоянии металла змеевика и, следовательно, существенно ограничивает возможность прогнозирования срока его безопасной эксплуатации. Для реальной оценки ресурса печных змеевиков необходимо дополнить стандартную процедуру диагностирования другими информативными методами НК и РК.

Важной составляющей технического диагностирования ответственного оборудования на предприятиях нефтепереработки является химический (рентгенофлуоресцентный) анализ металла [1]. Современное оборудование позволяет проводить такой анализ прямо на объекте и отличается высокой точностью и производительностью. Химический анализ особенно актуален, когда существует вероятность того, что при предыдущих ремонтах могли использоваться материалы, не соответствующие проекту и обладающие механическими свойствами и химической стойкостью, недостаточными для условий эксплуатации. Рентгенофлуоресцентный анализ позволяет определить количественное содержание легирующих примесей в стали и, таким образом, в большинстве случаев установить её марку или, по меньшей мере, её класс.

Важным применением химического экспресс-анализа при техническом диагностировании печных змеевиков является выявление аустенитных сварных швов. Эта технология была разработана несколько десятилетий назад и нашла широкое применение на отечественных нефтеперерабатывающих предприятиях благодаря тому, что не требует термообработки сварного соединения, за счет чего достигается экономия времени и средств. К сожалению, опыт длительной эксплуатации таких соединений оказался неблагоприятным. Аустенитные сварные швы имеют низкий ресурс эксплуатации (особенно при наличии даже незначительных дефектов, являющихся концентраторами напряжений), что приводит к частым случаям отказов оборудования. Сейчас практически на всех заводах есть программа замена этих швов на перлитные, которые требуют термообработки, но обладают гораздо большей степенью надежности.

Пример выявленных дефектов в аустенитном сварном шве приведен на Рисунке 1. В металле сварного шва образца выявлены многочисленные неметаллические включения и крупные поры, от которых образовались микротрещины. Микротрещины обнаружены также в металле сварного шва вблизи зоны сплавления и со стороны основного металла.

Рисунок 1.jpg

Большое значение для определения фактического состояния металла, а, следовательно, для определения остаточного ресурса его эксплуатации, имеют лабораторные методы, включающие металлографические исследования и механические испытания. Практикуемая при техническом диагностировании полевая металлография проводится только на наружной поверхности змеевика и даёт существенно меньше информации в силу ограничений используемых микроскопов. Лабораторные исследования позволяют расширить возможности оптической металлографии, а также дополнить ее более современными и информативными физико-химическими методами. Проведение металлографических исследований позволяет оценить степень изменения металлической структуры на уровне индивидуальных зерен в сравнении с эталоном по всей толщине стенки единицы оборудования. Большое значение при определении структурных свойств и эксплуатационного ресурса материала является выявление размера зерна, размеров и формы неметаллических включений, областей с различной степенью обезуглероживания, зон межкристаллитного растрескивания, изменений в карбидной составляющей матрицы, наличия коррозионных отложений и др.

Рисунок 2.jpg

Одним из современных методов, широко применяемым ЗАО «НПО «Ленкор» в рамках металловедческих исследований является растровая электронная микроскопия (РЭМ). Помимо получения четких изображений гораздо более высокого разрешения (вплоть до индивидуальных зерен микроструктуры стали и отдельных неметаллических включений), РЭМ может сопровождаться рентгеновским микроанализом в отдельный точках исследуемых образцов, а также картированием распределения химических элементов, что позволяет более точно определить состав коррозионных отложений и механизм коррозионного повреждения, а также оценить на какой стадии жизненного цикла находится конструкционная сталь с точки зрения трансформации ее компонентов под воздействием рабочей среды при существующих параметрах эксплуатации.

Рисунок 3.jpg

На Рисунке 3 приведен пример исследования с помощью РЭМ внутренней поверхности змеевика печи установи АТ-6 после 360000 часов эксплуатации. Электронная микроскопия позволила установить двухслойный характер коррозионных отложений, измерить их толщину и установить химический состав в разных точках. Верхний слой толщиной около 150 мкм состоит из оксидов железа. Нижний слой толщиной около 60 мкм состоит из оксидов и сульфидов железа и хрома. На Рисунке 4 показан результат элементного картирования металла реакционной трубы установки получения водорода, на которой произошла разгерметизация. В металл разрушившейся трубы произошло ослабление межзеренной когезии (т.е. охрупчивание) по причине выпадения карбидов хрома и силицидов ниобия по границам зерен. Рисунок 5 иллюстрирует распределение химических элементов на поверхности трубы конвекционной камеры установки суммарных ксилолов. Труба разрушилась из-за активной сульфидной коррозии, что было установлено с помощью рентгеновского микроанализа.

Ключевую роль при назначении эксплуатационного ресурса оборудования играет определение механических свойств материала. За продолжительное время эксплуатации стали не только подвергаются коррозионному износу, но также имеют тенденцию менять свою внутреннюю структуру, что оказывает серьезное влияние на их прочностные свойства. С течением времени деградация механических свойств может привести к тому, что материал перестает удовлетворять требованиям, обуславливающим безопасную эксплуатацию оборудования. При техническом диагностировании печных змеевиков единственным методом определения механических свойств металла, как правило, являются измерения твердости. Однако данный метод имеет ряд существенных ограничений с точки зрения своей применимости и информативности. В СТО-СА 03-004-2009 [2] требования по измерению твёрдости и допустимые пределы твёрдости приведены только для самозакаливающихся (то есть хромомолибденовых) сталей. Критериев для отбраковки других сталей, используемых для изготовления печных змеевиков, нет. Кроме того в этом документе указан только верхний предел твердости, хотя при эксплуатации змеевиков также важен и ее нижний предел. Следует также иметь в виду, что твёрдость - лишь косвенная характеристика механических свойств.

Рисунок 4.jpg

Самым прямым методом определения фактических прочностных свойств стали, обуславливающих возможность ее дальнейшей эксплуатации при регламентированных технологических параметрах, являются механические испытания. Стандартными методами являются испытания на растяжение, сжатие, изгиб, ударную вязкость [3,4,5]. Прогностическая способность этих методов при увеличенных межремонтных периодах зависит от возможности сравнить полученные результаты с данными, полученными на более ранних сроках эксплуатации, и, таким образом, оценить скорость деградации прочностных свойств материала и его эксплуатационный ресурс.

Еще одним методом механических испытаний, широко практикуемым ЗАО «НПО «Ленкор» для определения эксплуатационного ресурса змеевиков технологических печей, являются испытания на длительную прочность [6]. В процессе длительной эксплуатации в агрессивной среде микроструктура металла печных змеевиков деградирует в разной степени в зависимости от рабочей температуры и длительности эксплуатации. Сущность метода заключается в доведении образца до разрушения под действием постоянной растягивающей нагрузки при постоянной температуре. Результатом испытаний является получение графиков зависимости между напряжением и временем до разрушения при заданной постоянной температуре. По этим графикам экстраполяцией или интерполяцией устанавливают средние значения пределов длительной прочности материала, которая является одним из важнейших механических свойств конструкционных сталей, работающих при повышенных температурах.

Рисунок 5.jpg

Для низколегированных сталей типа 15Х5М при расчетах на прочность змеевиков нагревательных печей при температуре эксплуатации более 425°C исходят из этой характеристики [7]. Нами проводились исследования длительной прочности образцов металла печных змеевиков различных установок нескольких предприятий, изготовленных из этой стали [8]. Кривые длительной прочности для каждого образца можно аппроксимировать стандартной логарифмической зависимостью

где σ – приложенное напряжение, МПа; t – время до разрушения, ч; a, b – подгоночные коэффициенты, определяемые методом наименьших квадратов. Зависимости напряжения разрушения от логарифма времени, полученные для всех образцов, близки к линейным (Рис. 5). При этом для большинства образцов графики этих зависимостей, как и следовало ожидать, лежат ниже графиков, соответствующих испытанием сталей 15Х5М и 15Х5МУ в состоянии поставки [9]. Для некоторых образцов, например образца №3, были получены неожиданно высокие характеристики длительной прочности. Это может объясняться отсутствием точных данных о материале труб в исходном состоянии и о способе их термообработки. Возможно, некоторые змеевики, на которые отсутствуют сертификаты, были изготовлены из стали 15Х5МУ, имеющей тот же химический состав, что и сталь 15Х5М, но обладающей более высокой длительной прочностью.

Оценка допускаемых напряжений металла змеевика печи выполняется расчетно-экспериментальным методом на базе комплексного анализа данных испытаний вырезки на кратковременную прочность при нормальной и расчетной температурах и на длительную прочность совместно с нормативными данными РТМ 26-02-67-84 [8]. Методика расчета основана на экстраполяции данных испытаний вырезки металла с использованием параметров температурных и временных зависимостей характеристик прочности, приводимых в нормативных документах. Такой подход позволяет обеспечить единую методическую основу расчетов и возможность перерасчета допускаемых напряжений в широком диапазоне температур, связанных с эксплуатацией труб печных змеевиков.

Пример оценки допускаемых напряжений для змеевика печи камеры радиации установки гидроочистки после эксплуатации в течение 100000 часов показан на Рисунке 6. Приведены нормативные и рассчитанные по данным испытаний значения допускаемых напряжений. Начиная с температуры 550°C, рассчитанные по данным испытаний, допускаемые напряжения несколько ниже заложенных в РТМ 26-02-67-84, что обуславливается деградацией структуры металла в процессе длительной эксплуатации при повышенной температуре.

Рисунок 6.jpg

Применение комплексного подхода к обследованию змеевиков печей нефтеперерабатывающих производств, в том числе при изменении межремонтных периодов, является оправданным с практической точки зрения. Данные, полученные совокупно различными видами неразрушающего и разрушающего контроля, включающими новейшие физико-химические методы испытания материалов, позволяют обоснованно продлевать ресурс эксплуатации оборудования на сроки, значительно превышающие установленные проектом. Полученные экспериментальными методами результаты должны проходить обработку и анализ, на основании которого может быть рассчитана зависимость механических характеристик стали от параметров и сроков дальнейшей эксплуатации для каждой конкретной единицы оборудования.


Список литературы:

[1] ГОСТ 28033-89. Сталь. Метод рентгенофлюоресцентного анализа.

[2] СТО-СА 03-004-2009. Трубчатые печи, резервуары, сосуды и аппараты нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. Требования к техническому надзору, ревизии и отбраковке.

[3] ГОСТ 1497. Металлы. Методы испытаний на растяжение.

[4] ГОСТ 9651. Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах.

[5] ГОСТ 9454. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах.

[6] ГОСТ 10145-81. Металлы. Метод испытания на длительную прочность.

[7] РТМ 26-02-67-84. Методика расчета на прочность элементов печей, работающих под давлением.

[8] А.М. Добротворский, В.Л. Соколов, М.И. Антонов, Е.П. Шевякова, М.А. Караваева, М.А. Симанов, А.С. Борзенко, Изменение механических свойств металла печных змеевиков в процессе длительной эксплуатации

[9] Дьяков В.Г. Легированные стали для нефтехимического оборудования / В. Г. Дьяков, Ю. С. Медведев, З. А. Абрамова, А. Н. Бочаров, В. Н. Пупелис. – М., Машиностроение, 1997. - С.80-97

 

Список иллюстраций – это для подписи под рисунками:

Рис. 1. Дефект в структуре аустенитного сварного соединения

Рис. 2. Двухслойные поверхностные коррозионные отложения и микроструктура металла печного змеевика установки гидроочистки

Рис. 3. Карта распределения химических элементов по структуре металла разрушившейся реакционной трубы установки производства водорода. Оранжевый - кремний, никель и ниобий, зеленый – железо, серый – обогащенная хромом фаза

Рис. 4. Карта распределения химических элементов у поверхности разрушившейся трубы конвекционной камеры установки суммарных ксилолов. Голубой – сера, желтозеленый – железо

Рис. 5. Логарифмические зависимости напряжений от времени разрушения образцов из стали 15Х5М (15Х5МУ) при температуре испытания образцов 550°C

Рис. 6. Зависимости допускаемых напряжений от температуры эксплуатации для змеевика из стали 15Х5М по РТМ 26-02-67-84 (синий) и рассчитанные по результатам испытаний образцов металла змеевика (красный)


Календарь событий
Ежегодное совещание главных механиков нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий России и СНГ
Дата проведения: 6 - 10 декабря 2021
https://sovet-npz.ru/news/2021/07/03/soveshanie_mehanikov
Искусство Речи paranova.ru
Химагрегаты № 55, сентябрь 2021 Версия PDF