На правах рукописи

КИНЕВ СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗМЕЕВИКА ПЕЧИ ДЛЯ ПИРОЛИЗА УГЛЕВОДОРОДОВ КАК СВАРНОЙ КОНСТРУКЦИИ Специальность 05.12.03 Машины, агрегаты и процессы (Машиностроение в нефтеперерабатывающей промышленности) А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2003

Работа выполнена на кафедре Машины и аппараты химических производств Уфимского государственного нефтяного технического университета (УГНТУ).

Научный руководитель кандидат технических наук Чиркова Алена Геннадиевна.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Бакиев Ахмет Вахитович;

доктор технических наук Абдуллин Рафиль Сайфулович.

Ведущая организация ОАО Салаватнефтеоргсинтез

Защита состоится л29 октября 2003 года в 10-30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан УУ сентября 2003 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Ибрагимов И.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Нагрев или разложение сырья в процессах нефтепереработки и нефтехимии происходит в трубчатых печах различной конструкции. Поэтому практически каждая технологическая установка имеет в своем составе печи, которые можно разделить на нагревательные и крекинговые. Одной из разновидностей крекинговых печей является пиролизная печь, которая эксплуатируется в наиболее жестких температурных условиях. Наибольшее распространение пиролиз получил для подготовки сырья при получении полиэтилена, полипропилена и некоторых других полимеров. В зависимости от используемого сырья процесс пиролиза может протекать при температурах 600 - 950 0С. Верхний предел температур создает сложные условия для функционирования трубчатого змеевика в связи с тем, что реальные условия эксплуатации отдельных труб могут различаться в связи с их расположением относительно горелок. При этом имеет место неравномерное отложение кокса на внутренней поверхности, как по периметру, так и по длине трубы.

Изучение в течение длительного времени характера деформирования труб змеевиков пиролизных печей показывает, что на начальном этапе функционирования имеют место общая и локальная потери устойчивости формы оболочки. Дефектные места во время ремонтных работ удаляются и вместо них вставляются катушки из новой трубы. Постепенно удельный вес дефектов типа трещин возрастает и, как правило, эти дефекты возникают в сварных швах. Отмечено, что, поскольку основным видом ремонта дефектных участков является вырезка части труб и замена их на новую с помощью сварки, количество сварных соединений растет по параболической зависимости.

Механизм появления трещин до конца не ясен. В качестве гипотез рассматриваются следующие причины: концентрация напряжений в зоне соединения труб с различной толщиной стенки вследствие высокотемпературного утонения и геометрической неоднородности соединения; деформации при паровыжиге кокса, отложившегося на внутренней поверхности труб; внутренние напряжения вследствие различия структуры соединяемых сваркой труб. Определение механизмов деформирования труб змеевика и совершенствование методов их расчета на прочность с учетом реальных нагрузок являются актуальными.

Решению этих задач посвящена настоящая работа, которая выполнялась в соответствии с программой УНаучные исследования высшей школы в области производственных технологийФ Министерства образования РФ (2000 г.);

Государственной научно-технической программой Академии наук Республики Башкортостан УПроблемы машиностроения, конструкционных материалов и технологийФ (1999-2002 гг.); Федеральной целевой программой УГосударственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 2000-2002 годы (ФЦП УИнтеграцияФ по государственному контракту № 28 УСоздание совместного учебно-научного центра УМеханика многофазных систем в технологиях добычи, транспорта, переработки нефти и газаФ).

Цель работы. Совершенствование методов расчета и ремонта змеевика печи пиролиза углеводородов как сварной конструкции.

Задачи исследования 1 Изучение характера распределения механических свойств в зонах сварных соединений с различным уровнем накопленных повреждений.

2 Изучение влияния геометрической неоднородности соединения труб и изменения технологических параметров на напряженно-деформированное состояние в сопряжениях.

3 Разработка мероприятий по снижению напряжений в узле приварки труб с различной наработкой.

Научная новизна 1 Методом конечных элементов разработана модель сварного соединения, которая позволила получить распределение напряжений в рабочих условиях и для условий парового выжига кокса с учетом геометрической неоднородности соединения и реального распределения температур. Показано, что в зоне сварного шва реализуются эквивалентные напряжения, превышающие условный предел текучести и предел прочности при температуре процесса при сопряжении разнотолщинных труб со смещением их осей.

2 Получено распределение механических характеристик стали 20Х23Нв сварном соединении, которое носит экстремальный характер во времени, что связано с изменением фазового состава стали в процессе эксплуатации. При этом показано, что предел прочности на 20%, а коэффициент относительного удлинения и ударная вязкость на порядок ниже аналогичных показателей для основного металла труб.

Практическая значимость работы 1 Обоснованы предельные геометрические отклонения в сварных соединениях при ремонтных работах, связанные с утонением стенки трубы в процессе эксплуатации для рабочих условий и условий парового выжига кокса.

2 Расчетным путем обоснована температура предварительного разогрева труб змеевика в процессе паровыжига кокса.

3 Конструкция устройства по обеспечению соосности труб с различной толщиной стенки при их сварке переданы для использования в ОАО УУфаоргсинтезФ.

Апробация работы. Основное содержание работы

докладывалось и обсуждалось на 52-й и 53-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ в 2001 и 2002 годах; на Третьей Всероссийской научно-практической конференции Проблемы прогнозирования, предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, Уфа, 2002 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в публикациях.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, выводов и приложений. Проиллюстрирована 25 рисунками и 12 таблицами.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследований.

В первой главе приведены сведения о процессе пиролиза углеводородов, применение которого связано с подготовкой сырья для получения пластических масс типа полиэтилена. Показано, что процесс протекает в жестких температурных условиях, когда температура сырья должна достигать в зависимости от состава от 600 до 950 0С.

Пиролиз осуществляется в специальных печных агрегатах змеевикового типа с вертикальным или горизонтальным расположением змеевика. Показано, что отказы имеют место во всех элементах печного агрегата. Наиболее опасным отказом является повреждение труб с образованием трещин в связи с возможной разгерметизацией змеевика.

При пиролизе углеводородов происходят процессы рекомбинации углеводородов и их поликонденсации, которые приводят к образованию кокса, отлагающегося на внутренней поверхности труб. В связи с этим предусмотрен процесс выжига кокса, который приводит, как показывают исследования Чирковой А.Г., к существенным повреждениям. Однако теоретическим и экспериментальным исследованиям подвергалась гладкая часть труб, а сварные соединения, в которых также образуются трещины, целенаправленно не исследовались.

Змеевики пиролизных печей обычно изготавливаются из высоколегированных сталей аустенитного класса типа 20Х23Н18, свойства которых исследованы достаточно хорошо. Имеются также сведения о свойствах сварных соединений из этих сталей. Вместе с тем поведению таких сталей в условиях процесса пиролиза, имеющего ряд специфических особенностей, уделено недостаточное внимание.

На основании обзора литературных данных сформулированы цель и задачи исследований.

Вторая глава посвящена анализу объектов и методов исследования.

Главным объектом для исследований послужил вертикальный змеевик одной из печей пиролиза углеводородов, в котором при ревизии были обнаружены трещины в сварных швах трех труб с различной наработкой до отказа (рисунок 1). В сварных швах были вырезаны образцы металла из различных зон соединения. Анализ работы змеевика показал, что чаще всего выходят из строя первые и последние трубы, что объясняется особенностями технологического режима процесса.

1 - 1182 ч, 20 - 5605 ч, 21 - 7929 ч Рисунок 1 - Схема змеевика с указанием мест вырезки дефектных участков труб с различной наработкой Для иллюстрации на рисунке 2 показана фотография фрагмента трубы №21 с указанием места вырезки пробы.

Показано, что в области сварных швов трещины образуются в кольцевом сечении, как в околошовной зоне, так и в самом сварном шве, что связывается с различными механическими характеристиками сварных соединений вследствие разного времени наработки в условиях пиролиза углеводородов.

Ограниченное количество стандартных образцов, которые можно изготовить из фрагмента трубы, позволили провести следующие анализы:

растяжение с определением предела прочности, условного предела текучести и относительного удлинения. Кроме этого, образцы испытывали на ударный изгиб. Специальные образцы приготавливали для замера твердости и металлографических исследований. Испытания проводили по следующим стандартным методикам: ГОСТ 1497-73, ГОСТ 9454-78. Определение микротвердости проводили согласно ГОСТ 9450-76. Для определения микроструктуры сварных швов использовали способ электрохимического травления.

Рисунок 2 - Фотография фрагмента трубы №21 с трещиной в сварном шве Оптимальные параметры были определены методом подбора: напряжение 10-12 В, плотность тока 15 А/дм2, температура 60 0С, среднее время полировки составило 1 мин. Для образцов с разным сроком эксплуатации время электрополировки подбирали опытным путем. Для съемки микроструктуры использовали систему анализа изображения на базе инвертированного оптического микроскопа Ахиоверт-100А.

Для анализа напряженно-деформированного состояния в сварном соединении использовали метод конечных элементов (МКЭ), который реализовывался в программном комплексе (ПК) ANSIS. Использованная ранее моментная теория расчета сопряжений оболочек позволяет оценить напряжения в случае симметричного расположения оболочек. Вместе с тем при обследовании сварных соединений была выявлена несоосность сопрягаемых труб, их существенная разнотолщинность. Поэтому постановка задачи осуществлялась с использованием МКЭ. На рисунке 3 показана расчетная схема узла сварного соединения труб с различной геометрической неоднородностью.

В третьей главе представлены исследования механических свойств сварных соединений труб змеевиков в процессе эксплуатации. В таблице показаны результаты испытания образцов на растяжение, а в таблице 2 - на ударный изгиб.

Таблица 1 - Результаты испытаний на растяжение № труб, срок № 0,2, МПа в, МПа р, % эксплуатации, ч образца 0 1 353 676 32, (основной 2 359 678 33,металл)* 3 357 677 31,ср. 356 677 32,№ 20, 5605 1 332 606 28,(основной 2 356 603 25,металл)* 3 343 604 26,ср. 344 604 26,№ 20, 5605 1 339 504 3,(сварной шов) 2 370 478 1,3 339 470 2,ср. 349 484 2,№ 21, 7929 1 355 594 29,(основной 2 319 590 26,металл)* 3 292 589 24,ср. 322 591 26,№ 21, 7929 1 301 502 4,(сварной шов) 2 292 363 0,3 336 433 1,ср. 310 433 2,№ 1, 11082 1 315 654 19,(основной 2 398 646 19,металл)* 3 361 654 18,ср. 358 651 19,№ 1, 11082 1 354 567 1,(сварной шов) 2 335 551 1,3 305 587 2,ср. 331 568 1,Примечание. * Результаты получены Авдеевой Л.Г.

Таблица 2 - Результаты испытаний на ударный изгиб № К, Дж KCU, KCUср, № труб, срок эксплуатации, ч образца МДж/м2 МДж/см23 4 0 1 28,0 1, (основной 2 29,1 1,16 1,металл)* 3 31,8 1,Продолжение таблицы 12 № 20, 5605 1 12,2 0,(основной 2 11,9 0,60 0,металл)* 3 11,7 0,№ 20, 5605 1 3,4 0,(сварной шов) 2 0,5 0,03 0,3 1,2 0,№ 21, 7929 1 10,8 0,54 0,(основной 2 10,6 0,металл)* 3 10,5 0,№ 21, 7929 1 1,2 0,(сварной шов) 2 1,0 0,05 0,3 1,0 0,№ 1, 11082 1 11,8 0,59 0,(основной 2 10,3 0,металл)* 3 11,8 0,№ 1, 1-3 - - (сварной шов) Примечание. * Результаты получены Авдеевой Л.Г.

- образцы разрушились при изготовлении Анализ результатов испытаний показывает, что наблюдается одновременное снижение как пластических, так и прочностных свойств с последующим их повышением при более длительной эксплуатации. Такая тенденция отмечалась в ранних исследованиях гладкой части труб. Для сварных соединений наблюдается существенная неоднородность свойств по периметру шва, которая формируется в процессе эксплуатации. При этом возрастает хрупкость металла.

Данные таблиц 1 и 2 показывают, что происходит существенное охрупчивание стали. Такое изменение свойств аустенитных хромоникелевых сталей характерно для длительной работы в интервале температур 650-850 0 С.

Температурная зависимость механических характеристик носит, как правило, полиэкстремальный характер, что и наблюдается в исследуемой стали. В справочной литературе имеются данные, показывающие экстремальный характер зависимости ударной вязкости от температуры при старении с минимумом в области 700 0С для стали 20Х23Н18. Для условий змеевика печи пиролиза наблюдается более резкое снижение ударной вязкости. Так, например, при наработке 11082 часа образцы для испытания разрушились уже при изготовлении, поскольку они по всему объему содержали сетку мелких трещин.

Такие параметры, как коэффициент относительного удлинения и ударная вязкость, для сварного шва на порядок ниже, чем для основного металла. Такая неоднородность свойств в зоне сопряжения труб увеличивает вероятность хрупкого разрушения при высоких температурах, особенно при наличии геометрической неоднородности.