Иерархическая система оценки безопасной эксплуатации оборудования для переработки нефти
На правах рукописи
ЧИРКОВА АЛЕНА ГЕННАДИЕВНА
ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОЙ
ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ
Специальность: 05.26.03 – Пожарная и промышленная
безопасность (нефтегазовая отрасль)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Уфа – 2005 2
Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств»
Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Научный консультант доктор технических наук, профессор Халимов Андались Гарифович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Зайнуллин Рашит Сибагатович;
доктор технических наук Гареев Алексей Габдуллович;
доктор технических наук, профессор Абдуллин Рафиль Сайфуллович.
Ведущее предприятие: Институт машиноведения им. А.А.Благонравова РАН
Защита состоится «21» апреля 2005 года в «1000» на заседании диссерта ционного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном тех ническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул. Космонавтов, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государ ственного нефтяного технического университета.
Автореферат разослан « 2005 года »
Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н. М.М. Закирничная Актуальность проблемы Обеспечение безопасности функционирования нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий является сложной многофункциональной за дачей. Эти предприятия иерархичны по своей структуре и функционируют по схеме: завод – производство – цех – установка – блок, с некоторыми вариация ми и общезаводскими структурами. Вся эта схема соединена сетью трубопро водов, которые также можно внести в эту иерархическую схему.
Характерной особенностью процессов переработки нефти являются большие энергетические затраты на разделение нефти на фракции, их облаго раживание и доведение до качества товарного продукта. Энергетические затра ты распределены по иерархической системе неравномерно и используются не всегда эффективно. Часть энергии, в результате неверных проектных и конст рукторских решений, затрачивается на неоправданное деформирование обору дования, что вызывает повышенный локальный износ и накопление поврежде ний, приводящих в ряде случаев к катастрофическим последствиям.
С другой стороны, углеводородное сырье является потенциально пожа ро- и взрывоопасным и обладает токсичными свойствами. В нештатных ситуа циях могут возникать критические условия для реализации внутренней энергии системы, заключенной в продуктах. При совмещении предельного состояния оборудования и критических условий для среды возникают аварии с большими разрушениями и человеческими жертвами. Такой сценарий реализуется вслед ствие огромных скоростей высвобождения энергии, что практически делает не возможным какое-либо вмешательство человека и регулирование происходя щих процессов.
Следующим обстоятельством, которое необходимо учитывать при обес печении безопасности функционирования технологических систем, является то, что при поступлении в систему энергии извне, она стремится всеми доступны ми средствами к диссипации энергии. При этом фиксируются различные иерар хические структуры адаптации системы к внешним воздействиям. На уровне завода, производства, цеха структуры адаптации неочевидны и требуют специ ального изучения. Возникновение и функционирование на этих иерархических уровнях структур адаптации связано с пространственным распределением раз личных веществ, согласованным обменом продуктами, недопущением перера ботки продуктов с качеством, несоответствующим технологическому регла менту процесса.
Наиболее отчетливо структуры адаптации формируются и действуют на уровне установки и технологического блока, которые представляют собой на бор согласованно действующего, с точки зрения конечной цели, оборудования, соединенного трубопроводами. Пространственное деформирование всей техно логической системы очевидно в тех случаях, когда имеют место какие-либо не стационарные процессы, например гидродинамические. В таких системах де формирование в макромасштабе одного из аппаратов приводит к перемещению связанных с ним трубопроводов. Такое перемещение может быть квазистатиче ским и приводить к запасению энергии упругой деформации на локальных уча стках системы. Могут также реализоваться циклические перемещения, приво дящие к накоплению усталостных повреждений.
Федеральный закон №116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» устанавливает стратегические направления соз дания системы обеспечения промышленной безопасности. Однако для дейст венной реализации Федерального закона необходимо создание комплексных методов обеспечения безопасности конкретных объектов с учетом специфики производства, действительного износа оборудования, направления реализации вводимой в объекты энергии и иерархичности всей системы в целом.
Цель работы заключается в обеспечении безопасности функционирова ния предприятий для переработки нефти как иерархических объектов с учетом интегрального параметра опасности, возникающих структур адаптации к внеш ним нагрузкам, надежности и технического состояния оборудования.
Цель достигается решением следующих задач:
1 Разработать методику расчета интегрального параметра опасности воз никновения аварийного разрушения. Оценить распределение интегрального па раметра на территории объекта в нормальных условиях и в зонах разрушения различной степени при катастрофическом разрушении опасных производствен ных объектов для прогнозирования наиболее вероятных направлений развития аварий.
2 Определить иерархию структур адаптации к внешним воздействиям на примере нефтеперерабатывающего завода.
3 Оценить напряженно-деформированное состояние и изменения механи ческих свойств в материале конструкции в реальном времени.
4 Оценить основные механизмы адаптации конструкции к внешнему воз действию на примере трубчатых печей.
5 Установить для конструкционного материала закономерности перехода от адаптивности его структуры к деградации методами мультифрактальной па раметризации структуры и оценить предельные состояния.
Научная новизна 1 Введено понятие интегрального параметра опасности оборудования и разработана методика его определения. С использованием данного параметра получены сопоставимые числовые показатели, характеризующие степень опас ности конкретного оборудования с точки зрения возможного возникновения аварии и тяжести последствий в результате ее развития. Применение модифи цированной геоинформационной системы позволило построить на конкретной территории предприятия, производства, технологической установки изолинии равной опасности и выявить участки наибольшей опасности.
2 Показано, что при эксплуатации сложных технических систем возника ют структуры адаптации к внешним воздействиям, которые носят иерархиче ский характер и служат для реализации излишков энергии, поступающей в сис тему и квалифицированно не используемой для основной технологической це ли. Структуры адаптации, достигающие критических состояний, становятся ис точниками разрушений.
3 На примере печного агрегата процесса пиролиза углеводородов показа но формирование и развитие структур адаптации на уровне агрегата, элементов агрегата, конструкционного материала труб змеевика. Адаптация к внешним воздействиям на уровне змеевика приводит к возникновению концентраторов напряжений в сварных соединениях, потере устойчивости формы труб, форми рованию квазимногослойной оболочки за счет диффузии и перераспределения углерода и, в итоге, к возникновению трещин различной ориентации.
4 На уровне конструкционного материала механизмы адаптации к внеш ним воздействиям связаны с фазовыми переходами и реализацией ползучести по механизму Кобла. Мультифрактальный анализ металлографических снимков структуры и рентгенофазовый анализ стали 20Х23Н18 позволил выявить ос новной механизм деградации, связанный с эволюцией интерметаллидов (в ос новном сигма фазы), построить диаграмму деградации свойств, позволяющую прогнозировать предельное состояние материала.
5 Для стали 20Х23Н18, работающей в условиях печи пиролиза, обнару жен временной интервал перехода от вязкого разрушения к квазихрупкому и показана информативность параметра скрытой упорядоченности для анализа изломов.
6 Дефекты типа трещин в сварных соединениях образуются вследствие их механической и геометрической неоднородности. Механическая неоднород ность обусловлена конкурирующим процессом эволюции интерметаллидов и карбидов в процессе эксплуатации. Геометрическая неоднородность, возни кающая при ремонтных работах, на стадии выжига кокса в змеевике становится определяющей при формировании напряженно-деформированного состояния и приводит к раскрытию трещины через 8-10 циклов выжига.
Практическая ценность Геоинформационная система «ГИС ИнГео» с модулем расширения, по зволяющим наносить на территорию опасного производственного объекта изо линии равной опасности, и базой данных по опасным объектам внедрены на нефтеперерабатывающих заводах ОАО «Башнефтехим» (ОАО «БНХ»).
Практические рекомендации по совершенствованию методов ремонта змеевиков печей пиролиза углеводородов, проведения процесса паровыжига кокса, применению силицирования внутренней поверхности труб для защиты от коксообразования приняты для использования на ОАО «Уфаоргсинтез».
Апробация работы Основное содержание работы
докладывалось и обсуждалось на секции «Проблемы нефти и газа» III Конгресса нефтегазопромышленников России (г.
Уфа, 2001 г.);
3-й Всероссийской научно-практической конференции «Пробле мы прогнозирования, предупреждения и ликвидации последствий чрезвычай ных ситуаций» (г. Уфа, 2002 г.);
5-ой Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (г. Пенза, 2002г.);
1-ой Всерос сийской научной INTERNET-конференции (г. Уфа, 2003г.);
Республиканской научно-практической конференции молодых ученых (г. Уфа, 2003 г.);
научно технической конференции молодых специалистов ОАО «Приволжскнефтепро вод» (г. Самара, 2001 г.);
ежегодных итоговых конференциях отделения техни ческих наук АН РБ (г. Уфа, 2001, 2002, 2003 г.г.);
ежегодных научно технических конференциях УГНТУ (г. Уфа, 1997-2003 г.г.);
Международной научно-технической конференции «Прикладная синергетика-II» (г. Уфа, г.).
Публикации По материалам диссертации опубликовано 52 работы.
Объем и структура работы Диссертационная работа состоит из шести глав, изложена на 308 страницах машинописного текста и проиллюстрирована 195 рисунками и 51 таблицей.
Основное содержание работы В первой главе предприятие для переработки углеводородного сырья показано как иерархическая система и проанализировано с точки зрения по требления энергии и принятия решений, способствующих достижению цели.
Анализ работы этой системы позволяет сделать вывод о том, что часть инфор мационных и энергетических потоков, которые в ней циркулируют, употреб ляются в силу тех или иных причин не только на достижение основной цели, но и на увеличение риска возникновения техногенных катастроф. Изменяющиеся внешние условия, несовершенство технологий, различный уровень компетент ности персонала приводят к тому, что в системе формируются различные уров ни адаптации, которые необходимо выявлять и изучать закономерности их формирования и развития.
В работе реализуется иерархическая схема оценки опасности сложной технологической системы, которая показана в таблице 1.
Менеджмент завода может непосредственно влиять на безопасность сис темы двумя основными путями: выбором сырья с различной коррозионной ак тивностью и изменением рабочих параметров, в т.ч. производительности, кото рая может быть доведена до ноля в связи с рыночной конъюнктурой. Так назы ваемый остаточный ресурс аппаратов оценивается по факту утонения стенки оболочек вследствие коррозионного воздействия. Механохимические аспекты деформирования оболочек, сварных соединений в достаточно полном объеме изложены в работах Э.М. Гутмана, Р.С. Зайнуллина, И.Г. Абдуллина, А.Г. Га реева, Р.С. Абдуллина и могут быть использованы при определении опасных производственных объектов.
Нестационарность эксплуатационных нагрузок и возникающие в связи с этим усталостные явления в оборудовании подробно рассмотрены в многочис ленных трудах К.В. Фролова, Н.А. Махутова, А.П. Гусенкова, Г.В. Москвитина, Е.М. Морозова и др. Методы оценки нестационарности и уровня накопленных усталостных повреждений, разработанные сотрудниками Института машинове дения РАН для оборудования атомной промышленности, с учетом специфиче ских особенностей эксплуатации оборудования для переработки нефти, пред ложенных Кузеевым И.Р., используются автором для определения опасных объектов и оценки степени деградации конструкционных материалов.
Таблица 1 - Иерархическая схема оценки опасности сложной технологической системы Иерархический уровень Параметр оценки Количественная оценка объекта Завод 1 Качество нефти 1 Скорость коррозии Производительность 2 Изменение во времени по нефти отношения проектной производительности к фактической Технологическая уста- Суммарный энергетиче- Максимальное значение новка ский потенциал Техническое устройство Интегральный параметр Максимальное значение опасности (объект) Узлы устройства Напряженно- Предельное состояние деформированное состояние Конструкционный ма- Мультифрактальные Характерные значения териал параметры для видов разрушения Технологические установки ранжируются по суммарному энергетическо му потенциалу продуктов, находящихся в системе. Установки, которые имеют наибольшее значение суммарного энергетического потенциала, требуют к себе повышенного внимания со стороны обслуживающего персонала.
Объектом исследования нами выбрана технологическая установка – ос новной элемент в структуре завода. Поскольку в уфимской группе заводов на ходится в эксплуатации более 10 установок первичной переработки нефти (ус тановка атмосферно-вакуумная трубчатка (АВТ)), это позволяет проводить сравнительный анализ однотипного оборудования. Поэтому при разработке подхода к определению «опасного производственного объекта» за базовую техническую систему взяты именно установки АВТ. В первой главе показаны технологические схемы нескольких установок топливного варианта АВТ.
Принципиально они однотипны, но имеют различия в производительности и компоновке основного оборудования.
В системе обеспечения безопасности принято опасность объекта оцени вать его энергетическим потенциалом. Однако при реализации катастрофиче ской аварии на ход событий оказывает влияние не только высвобождение энер гии, но и такие факторы, как пожароопасность и токсичность. В то же время техническое состояние объекта также влияет на его потенциальную опасность.
Высокая вероятность отказа или полная реализация ресурса увеличивают по тенциальную опасность технического устройства. Предлагается определять опасность технического устройства «интегральным параметром опасности», который объединяет параметры взрывоопасности, пожароопасности, токсично сти и эксплуатационной надежности.
На рисунке 1 показан сценарий развития аварийной ситуации при раз герметизации оборудования и реализация указанных параметров, а на рисунке 2 представлен алгоритм определения интегрального параметра.
Интегральный параметр предлагается рассчитывать по формуле I = Мi ·qi, где Мi – вес I – го фактора, qi – факторы.
Целесообразно остановиться на четырех основных факторах I = M1·q1 + M2·q2 + M3·q3 + M4·q4, где M1 – коэффициент весомости фактора пожароопасности с учетом компе тентности эксперта;
M2 – коэффициент весомости фактора взрывоопасности с учетом компе тентности эксперта;
M3 – коэффициент весомости фактора токсичности с учетом компетентно сти эксперта;
M4 – коэффициент весомости фактора эксплуатационной надежности с уче том компетентности эксперта;
q1 – параметр пожарной опасности;
q2 – параметр взрывоопасности;
q3 – параметр токсичности;
q4 – параметр эксплуатационной надежности.
Фактор эксплуатационной Фактор Образование надежности взрывоопасности взрывопожаро Отключение электро- Источник токсикоопасного Взрыв энергии, пара, воды, зажигания облака воздуха КИП, аварий Выброс ный останов сосед парогазо них блоков зажигания Источник вой фазы Фактор по- Химическое жароопас- заражение, ности загрязнение Срабатыва Выход парамет- Огненный Испарение ние ПК Разгерметизация ров (давления, шар оборудования Фактор хи температуры) за мической критические Пожар опасности значения пролива Источник Выброс жид Коррозия и механический Поглощение кой фазы износ оборудования, жидкости фланцевых соединений, грунтом прокладок Формирование очага пролива Сжигание на факеле Рисунок 1 - Сценарий развития аварийной ситуации при разгерметизации оборудования Отдельные показатели опасности, их весовые значения оценивались экс пертным путем. Подбор экспертов осуществляли методом «снежного кома», а опрос и обработку результатов методом априорного ранжирования.
Анализ факторов опасностей производства Фактор пожаро- Фактор взрыво- Фактор химиче- Фактор эксплуатаци онной надежности, опасности, опасности, ской опасности, q q1 q2 q Экспертная оценка опасностей Интегральный параметр опасности для Расчет весовых коэффициентов факторов опасно сти: конкретного оборудования I является М1 – вес фактора пожароопасности;
безразмерной величиной и определяется М2 – вес фактора взрывоопасности;
по формуле:
М3 – вес фактора химической опасности;
I = M1q1 + M2q2 + M3q3 + M4q М4 – вес фактора эксплуатационной надежности.
Создание геоинформационной системы опасного производст- Построение цифрового поля венного объекта опасности по интегральному параметру и определение объ ектов, попадающих в зоны полных, сильных и слабых Расчет радиусов зон разрушений разрушений и определение объектов, попав ших в зоны сильных и полных разрушений Рисунок 2 - Алгоритм определения интегрального параметра Реализация применения интегрального параметра предлагается в двух на правлениях. Первый путь реализации связан с применением геоинформацион ных систем (ГИС). За основу взято ГИС «ИнГео» и к нему разработан модуль расширения «Анализ зон разрушения опасных производственных объектов», запатентованный в установленном порядке. Модуль решает следующие задачи:
воспринимает объекты цифровой карты;
анализирует смысловую информацию, характеризующую каждый объект карты, например, интегральный параметр опасности;
анализирует площадь цифровой карты;
дает перечень объектов;
со единяет изолиниями объекты карты, характеризующиеся равными параметрами опасности;
обрисовывает цифровое поле опасности. На рисунке 3 показан вари ант реализации модуля, когда на карту установки наносится сетка, в узлах ко торой обозначается интегральный параметр опасности.
Е-15 Фрагмент поля с равными интегральными парамет рами опасностис равными Фрагмент поля интегральными параметрами опасности К- Рисунок 3 - Изолинии с равными значениями интегрального параметра (колонна К-6 и емкость Е-15 технологической установки) На рисунке 4 в качестве примера показаны значения факторов опасности и интегрального параметра для печного оборудования технологических устано вок. Реализованный подход к оценке потенциальной опасности позволяет полу чить числовое значение, которое ранжирует самое разнообразное оборудова ние.
печь, апп.3/ печь, апп.3/ печь, апп.3/ печь, апп.3/ печь, апп.3/ 0 0,5 1 1,5 2 2, Фактор пожароопасности Фактор взрывоопасности Фактор химической опасности Фактор эксплуатационной надежности Интегральный параметр Рисунок 4– Значения факторов опасности и интегрального параметра для печного оборудования Второй путь реализации связан с анализом гипотетических зон разруше ния при реализации аварий. Стандартная методика определения зон разруше ния при взрыве технологического оборудования в совокупности с интеграль ным параметром опасности позволяет оценить возможные сценарии развития ситуации. Последовательно моделируется взрыв всех видов оборудования и производится ранжирование по следующим показателям: интегральный пара метр, суммарный интегральный параметр в зоне полных разрушений (зона R1), суммарный интегральный параметр в зоне сильных разрушений (зона R2), сум марный интегральный параметр в этих двух зонах в совокупности. В результате ранжирования определяется ряд наиболее опасных объектов по убыванию оце ниваемого параметра и выявляется наиболее вероятный кандидат для распро странения катастрофического разрушения. Этим вопросам посвящается глава 2. Для примера в таблице 2 показаны результаты ранжирования оборудования по показателю суммарного интегрального параметра в зоне полных разруше ний.
Анализ различных технологических установок показывает, что нагрева тельные печи относятся к группе наиболее опасных видов оборудования. Тем более, что это единственный вид оборудования, где реализуется открытое пла мя. Из всей совокупности нагревательных и реакционных печей в наиболее же стких условиях работают пиролизные печи.
Таблица 2 - Результаты ранжирования оборудования по показателю суммарно го интегрального параметра в зоне полных разрушений R АВТ-3 АВТ-2 АВТ- Интеграль Интегральный Интегральный Наименова- ный пара Наименование параметр в параметр в Наименование ние оборудо- метр в зоне зоне полных оборудования зоне полных оборудования вания полных разрушений разрушений разрушений R1 R R 1 2 3 4 5 К –1 П- 14,949 10,872 - 7, Продолжение таблицы 2 3 4 5 К–2 К–1 П-1, 14,949 3,634 7, Д 3-6 К–2 К- 5,615 3,634 6, Д-7,2 К–5 К- 4,492 2,381 4, П-1,2 К- 4,414 2,136 4, К–6/ К-4 К–3/1, 2 П- 3,386 1,583 4, Д-8 П-2 К-3/1, 3,369 1,534 3, Д-1 К– 4 К- 3,369 1,171 2, К–5 Е- 1,653 E– 1 1,004 2, Поэтому в дальнейшем будем рассматривать блок пиролиза установки для получения этилена. В работе показана технологическая схема блока пиро лиза углеводородов и общий вид печи пиролиза.
По разработанной методике поиска опасных объектов исследована уста новка получения этилена. Некоторые результаты показаны в таблице 3, из ко торой видно, какие виды оборудования для рассматриваемой установки требу ют наибольшего внимания при эксплуатации.
Таблица 3 – Ранжирование оборудования по суммарному коэффициенту для зоны полного разрушения Инте Интегра граль- Интегра- Инте льный Энергопо номер льный гральный ный па параметр Аппарат тенциал, R1, м R2, м апп. раметр параметр параметр по R1, кДж аппара- по R1 по R R та 1 2 3 4 5 6 7 8 Емкость 1а 4,46E+08 59,6 87,8 0,474 6,897 0,873 7, Емкость 1б 4,46E+08 59,5 87,7 0,379 6,897 0,873 7, Продолжение таблицы 1 2 3 4 5 6 7 8 Колонна 309 1,05E+09 83,5 123,0 1,501 6,674 3,231 9, Колонна 302 1,00E+09 82,0 120,9 1,132 6,674 3,447 10, Колонна 240/2 4,23E+08 58,2 85,7 0,429 6,674 0,000 6, Сборник 201 1,83E+08 37,9 55,8 0,273 6,674 0,000 6, Колонна 240 4,23E+08 58,2 85,7 0,429 6,418 0,257 6, Отстойник 238 1,43E+08 32,7 48,3 0,313 6,246 0,429 6, Отстойник 238а 1,43E+08 32,7 48,2 0,313 5,817 0,857 6, Колонна 246 1,58E+08 34,7 51,1 0,315 5,670 1,004 6, Колонна 4а 1,16E+08 28,8 42,5 0,272 5,471 0,947 6, Сепаратор 316 1,90E+08 38,7 57,1 0,257 4,736 1,510 6, Осушители 13/3 1,04E+08 26,8 39,5 0,440 3,917 1,994 5, Колонна 14 1,64E+08 35,4 52,1 0,337 3,637 2,934 6, Осушители 13/2 1,04E+08 26,8 39,5 0,440 3,617 1,199 4, Сепаратор 249 5,94E+07 18,7 27,5 0,227 3,541 1,930 5, Осушители 13/1 1,04E+08 26,8 39,5 0,440 3,317 0,600 3, Промывная 207 4,89E+07 16,5 24,3 0,200 3,018 1,445 4, колонна Таким образом, разработана и реализована для реальной технологической системы методика определения опасного объекта. Для каждого из таких объек тов необходимо определить возможные механизмы адаптации к внешним на грузкам. Проблемы адаптационных механизмов рассмотрены в работах В.С.
Ивановой и ее учеников. Подход, развитый в этих работах, послужил основой для наших разработок. Этим вопросам посвящена третья глава.
На начальном этапе для наиболее опасных объектов необходимо рассчи тать показатели надежности элементов. Поскольку показатели надежности не обходимо установить для элементов каждого агрегата, то расчет проводили по методике для оперирования малой выборкой.
Как было обосновано выше, отработка методики выявления механизмов адаптации на уровне агрегата проводилась на примере печи пиролиза углеводо родов. Анализ показал, что наиболее опасные дефекты возникают в змеевике печи. На рисунке 5 показаны некоторые характерные дефекты: общая и локаль ная потеря устойчивости формы, трещины в кольцевом и меридианальном се чениях.
Были рассчитаны и построены зависимости вероятностей безотказной ра боты змеевиков, в результате чего обнаружилось, что все печи можно разделить на две группы: те, у которых при 50-ти процентной вероятности безотказной работы наработка составляет около 1500 суток, и те, у которых наработка около 2000 суток, как это показано на рисунке 6. Такой результат объясняется раз личными условиями работы отдельных труб. На рисунках 7-10 представлена наработка на отказ труб и двойников (калачей) сравниваемых змеевиков. Эти результаты показывают существенную неравномерность распределения отка зов.
Рассматриваются две основные причины выхода из строя труб змеевиков.
Первая причина связана с накоплением повреждений в области сварных соеди нений, которые характеризуются геометрической неоднородностью. Вторая причина связана с явлением коксоотложения на внутренней поверхности труб змеевиков. Последнее обстоятельство оказывает двоякое воздействие на змее вик.
а) фрагмент труб в зоне сварного шва с трещиной б) необратимая пластическая в) труба с отдулиной деформация формы трубы г) пластически деформированная труба с трещиной в сварном шве д) пластически деформированная труба с продольной трещиной Рисунок 5 – Дефектные трубы 1, 1, y = -2E-11x3 + 1E-07x2 - 0,0004x + 1, Вероятность безотказной работы Вероятность безотказной работы R = 0, 0, 0, 3 y = -8E-12x + 7E-08x - 0,0004x + 1, 0, R = 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Наработка, сутки 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Наработка, сутки а) змеевик печи П-3 б) змеевик печи П- Рисунок 6 - Вероятность безотказной работы змеевиков печей (условное обозначение П-3 и П-4) с двумя характерными распределениями.
Наработка на отказ, сутки Наработка на отказ, сутки Левый поток Левый поток Правый поток Правый поток 1 2 3 5 6 8 10 12 14 15 16 1 2 14 15 16 17 18 Ном ер калача Ном ер трубы Рисунок 8 - Наработка на отказ калачей Рисунок 7 - Наработка на отказ печи П- труб печи П- Наработка на отказ, сутки Наработка на отказ, сутки 2000 Левый поток Левый поток Правый поток Правый поток 1000 0 1 2 13 14 15 16 17 18 19 20 21 1 2 3 5 12 14 15 16 17 18 19 Ном ер трубы Номер калача Рисунок 9 - Наработка на отказ Рисунок 10 - Наработка на отказ труб печи П-4 калачей печи П- Коксоотложение создает неравномерное температурное поле в оболочке труб и способствует внедрению углерода в металл, что, в свою очередь, изме няет механические характеристики конструкционного материала. С другой сто роны, периодически необходимо выжигать кокс, так как кокс ухудшает тепло передачу в зону пиролиза и изменяет условия протекания реакций. Процесс выжига кокса при определенных условиях происходит с образованием фронта горения. Прохождение фронта горения через участки с геометрической неодно родностью может быть причиной возникновения трещин.
Замеры толщин стенок труб позволили рассчитать остаточный ресурс змеевиков исследуемых печей. Значения ресурса существенно отличаются в ре зультате неравномерного износа труб, так, например, скорость утонения труб в пределах одного змеевика варьируется от 4,7 до 10 раз.
При поиске механизмов адаптации на уровне элемента конструкции змеевика на начальной стадии оценивали напряженно-деформированное со стояние цельной конструкции. Использовали программу «Старт», в которой за давались реальная геометрия змеевика, рабочие условия и температуры по от дельным трубам. Температуры замеряли в условиях эксплуатации по каждой отдельной трубе в тех зонах, которые были доступны при использовании пиро метра. Поскольку в программе «Старт» имеются ограничения по температуре труб, некоторые значения температур приходилось принимать в соответствии с регламентом на эксплуатацию. Даже при таких заниженных данных по темпе ратуре, напряжения в отдельных трубах превышали предел текучести. Поэтому в дальнейшем для расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) применяли безмоментную и моментную теории расчета оболочек и программ ный комплекс (ПК) «ANSYS», который основан на методе конечных элемен тов. Задачи по расчету напряженно-деформированного состояния конструкции в целом и ее отдельных узлов решали в упругой и упруго-пластической поста новке, а также с учетом ползучести.
Уточненные расчеты с учетом реальной несимметричности расчетных схем производили с помощью ПК «ANSYS». На первом этапе моделировали змеевик как цельную конструкцию и получили реальное распределение экви валентных напряжений по трубам змеевика печи в начальный момент времени.
Расчеты показали, что последние 7 труб работают в условиях пластических де формаций. Полученные данные хорошо согласуются с результатами экспери ментальных наблюдений. Как показывает практика, последние трубы гораздо чаще выходят из строя.
При последующей наработке картина напряженно-деформированного со стояния изменяется. Зоны пластических деформаций располагаются непосред ственно вблизи калачей, что позволяет реализовать механизм адаптации к внешним нагрузкам, связанный с общей потерей устойчивости труб в результа те возникновения пластических шарниров в зоне приварки калачей.
Оценка реальных рабочих условий функционирования змеевика и напря женно-деформированного состояния в материале труб позволила уточнить па раметры процесса ползучести с применением деформационной карты. Важным результатом является то, что реальная скорость ползучести, определенная по деформационной карте, оказалась на три порядка выше той, которая принята при проектировочных расчетах. Для полученной области деформирования ха рактерен механизм ползучести, связанный с диффузией вакансий по границам зерен (механизм Кобла). Таким образом, показано, что процесс ползучести яв ляется существенным механизмом адаптации к внешним нагрузкам.
Введение в расчетную схему змеевика специфических свойств сварных соединений показало существенное перераспределение напряженно деформированного состояния, что указывает на возможность реализации меха низмов адаптации через эти узлы. Расчеты показали, что приближение ремонт ных сварных соединений к зоне приварки калачей может совместить участки с максимумом пластических деформаций, реализующихся в сварных швах, с максимальными деформациями ползучести. Изучение напряженно деформированного состояния змеевика позволило установить, что механизмы адаптации к внешним нагрузкам связаны с геометрическими и физическими неоднородностями конструкции.
Четвертая глава посвящена исследованию механизмов адаптации в уз лах конструкции с геометрическими неоднородностями на различных стадиях технологического процесса. Геометрические неоднородности возникают при потере устойчивости формы труб и при ремонтных заменах дефектных участ ков труб. Изучение сварных соединений показало, что геометрические дефекты возникают вследствие разнотолщинности свариваемых труб и в результате смещения их осей при сопряжении.
Классификация дефектов, связанных с изменением формы печных труб в процессе эксплуатации, позволила разработать несколько расчетных схем для оценки напряженно-деформированного состояния в осесимметричной поста новке и получить решения методами моментной теории расчета для длинных и коротких оболочек. Расчеты показывают, что деформирование оболочек в де фектных областях происходит в упругопластической области.
Дальнейшие исследования проводили на конечно-элементных моделях в среде ПК «ANSYS». На рисунке 11 показано распределение эквивалентных на пряжений в сварном соединении разнотолщинных труб. В зоне термического влияния (ЗТВ) со стороны «новой трубы» с большей толщиной стенки напря жения выше, чем в ЗТВ со стороны более тонкой трубы. При этом приращение эквивалентных напряжений линейно зависит от разности толщин и достигает при разности 4 мм величины условного предела текучести материала 20Х23Н при температуре процесса пиролиза (рисунок 12).
Сваривание разнотолщинных труб приводит к смещению осей, поскольку при ремонтной сварке трубы прихватываются по верхней образующей. Моде лировали несимметричное соединение с различной величиной смещения осей.
Расчеты показывали сложный характер распределения напряжений в зоне со пряжения. Это видно, например, из данных рисунка 13, где приведено распре деление эквивалентных напряжений в сечениях зон термического влияния со стороны «новой» трубы при смещении осей на 1 мм. Возрастание величины смещения приводит к увеличению концентрации напряжений, а поскольку уро вень этих напряжений велик, то необходимо предотвращать смещение. Это можно сделать, применив специальное устройство, которое разработано под руководством автора и передано для использования в производственных усло виях.
, МПа м (10 ) - 0.36 4 0.7 2 8 1.0 9 2 1.4 56 1.8 2 2.18 4 2.54 8 2.9 12 3.2 7 6 3.6 4 4.0 0 4 4.36 8 4.7 Рисунок 11 – Распределение эквивалентных напряжений при сваривании «старой» и «новой» трубы МПа, 0 1 2 3 мм Рисунок 12 – Приращение эквивалентных напряжений в точке максимум в зависимости от разности толщин Особые условия возникают в геометрически неоднородных сварных со единениях при паровоздушном выжиге кокса. Как указывалось выше, возмож ное прохождение фронта горения через дефектное соединение может иниции ровать возникновение температурных напряжений.
, Па (10 ) 59 9 0,0 59 52,7 0 59 15,39 58 7 8,0 9 58 4 0,7 8 58 0 3,4 7 57 6 6,16 57 2 8,8 56 9 1, 56 54,2 4 м (10 ) - 56 16,9 0.7 0 1.0 56 1.4 0 8 1.7 6 2.112 2.4 6 4 2.8 16 3.52 0.352 3.16 Рисунок 13 - Распределение эквивалентных напряжений по сечению трубы в зоне термического влияния со стороны «новой» трубы при смещении осей на 1 мм Моделирование с помощью метода конечных элементов прохождения фронта горения позволило рассмотреть различные возможные варианты этого явления и рассчитать напряжения. Моделировали прохождение фронта горения кокса как со стороны более тонкой трубы, так и со стороны более толстой. На рисунке 14 показан наиболее опасный пример распределения напряжений в де фектном сварном соединении при прохождении фронта со стороны более тон кой трубы. Даже при смещении осей на 1 мм максимальные напряжения суще ственно превышают предел прочности материала. Расчеты показывают, с одной стороны, что мгновенного разрушения не происходит только за счет кратко временности пиковых напряжений (несколько секунд), с другой – модельное соединение разрушается после 10 циклов нагружения. Это подтверждается практикой эксплуатации пиролизных печей. Для улучшения ситуации предла гается увеличивать температуру предварительного разогрева труб.
, МПа 154, 138, 123, 107, 92, 77, 61, 46, 30, 15, l, м 0 0,804 1,206 1,608 2, 0, «новая» труба 0,201 0,603 1,005 1,407 1, «старая» труба 30 0 C 650 C 9 50 C 300 C 560 C 300 C 850 C 30 0 C 300 C 30 0 C Рисунок 14 – Распределение эквивалентных напряжений при проведении паровыжига со стороны «старой» трубы На рисунке 15 показано, что двукратное увеличение температуры предва рительного нагрева приводит к аналогичному снижению эквивалентных на пряжений.
МПа, 300 400 500 t, C Рисунок 15 - Зависимость эквивалентных напряжений от предварительного нагрева трубы При локализации отложения кокса на небольшой площади возникают специфические дефекты, которые показаны на рисунке 16. Локальные дефекты сферического типа отличаются резким уменьшением толщины стенки.
а (=2256 ч) б (=4872 ч) Рисунок 16 - Локальные дефекты геометрии трубчатого змеевика печи пиролиза Установлена следующая последовательность эволюции дефекта: образо вание язвы на внутренней поверхности трубы утонение стенки со стороны внутренней поверхности потеря устойчивости формы. Травление в попереч ном сечении образца с дефектом обнаружило квазимногослойную сферическую оболочку, в которой не наблюдается изначальная аустенитная структура. Рент генофазный анализ показал обильное содержание карбида никеля в -железе.
Измеренные остаточные напряжения рентгеновским методом дали следующие значения: на границе дефекта сжимающие напряжения составляют 28 кг/мм2, в самом дефекте растягивающие напряжения - 9,5 кг/мм2. НДС в зоне локального дефекта моделировали с помощью метода конечных элементов с учетом реаль ной геометрии и физико-механических свойств. На рисунке 17 показано рас пределение деформаций в зоне дефекта и схема расположения пластических шарниров. Такое расположение пластических шарниров объясняет механизм возникновения дефектов.
П П Рисунок 17 - Распределение деформаций и расположение пластических шарниров (П) в зоне локального дефекта В пятой главе рассматриваются механизмы адаптации к внешним усло виям, связанные с физической неоднородностью материала труб змеевика печи.
Физическая неоднородность возникает в трубах змеевика в результате диффузионного перераспределения углерода по толщине стенки. По наружной поверхности труб происходит выгорание углерода и образование поровой структуры, а по внутренней поверхности наблюдается интенсивная диффузия углерода из зоны контакта с коксом. Эти два процесса во времени формируют квазимногослойную оболочку, которая по своим свойствам существенно может отличаться от первоначальной.
Расчеты показывают (таблицы 4 и 5), что модуль упругости пористого слоя после эксплуатации металла более 105 часов может уменьшиться в 1,3 раза.
В то же время происходит уменьшение коэффициента линейного расширения науглероженного слоя. Такое изменение физических характеристик может соз дать напряжения в стенке трубы отличающиеся от рабочих параметров.
Таблица 4 – Определение модуля упругости пористого слоя (Еп) 2256 ч 4872 ч 5605 ч 7929 ч 11082 ч Vп (объемная доля 0,0035 0,0142 0,0717 0,0834 0, пористого слоя) Еп, МПа 1,4 1,37 1,21 1,17 1, Таблица 5 – Изменение коэффициента линейного расширения науглероженного слоя (н) в зависимости от объемной доли карбидов в нем доля 0,42 (образец 11082 ч) Vк (объемная 0,1 0,2 0,3 0, карбидов) н, 17,054 16,25 15,356 14,570 14, 10-6*1/0С Методом конечных элементов смоделирована квазимногослойная обо лочка с различными физическими параметрами слоев. Некоторые результаты показаны в таблице 6. Анализ этих данных позволяет сделать вывод, что с уве личением толщины карбидного слоя (при постоянной доле карбидов) напряже ния в нем падают, а напряжения в основном металле повышаются. Например, в трубе, эксплуатировавшейся 11082 ч, на границе раздела слоев коэффициент концентрации напряжений составляет 2,68 и науглероженный слой «растягива ется» основным металлом.
Можно сделать вывод, что с увеличением объемной доли карбидов в на углероженном слое (при постоянной его толщине) напряжения растут по всей толщине стенки трубы.
Обобщенно можно сказать, что влияние науглероженного слоя на напря женно-деформированное состояние змеевика имеет сложный характер и зави сит как от толщины науглероженного слоя, так и от объемной доли карбидов в нем. Существенную роль при этом играет разница коэффициентов линейного расширения стали и карбидов.
Таблица 6 – Изменения напряжений в науглероженном змеевике от тол щины науглероженного слоя при постоянной объемной доле карбидов в нем (н=14,33 10-6*1/0С) Эквивалентные напряжения Толщина науглероженного (по энергетической теории прочности), МПа слоя, мм Науглероженный Основной металл слой 0,5 787 1,0 730 1,5 672 2,0 614 С увеличением объема пор в пористом слое с течением времени этот слой оказывается в сжатом состоянии по отношению к основному металлу. При этом на границе слоев коэффициент концентрации напряжений через 1,1х 105 часов достигает величины 1,35.
Отложение кокса на внутренней поверхности труб по нескольким причи нам оказывается неравномерным, что приводит к дополнительному неравно мерному распределению напряжений в оболочке. Вычислительный экспери мент подтвердил этот эффект и позволил получить его цифровое выражение.
На рисунке 18 и таблице 7 показаны: максимальные эквивалентные напряжения при различных случаях отложения кокса, зависимость эквивалентных напряже ний от толщины кокса. В зонах локального отложения кокса деформации про исходят в упругопластической области.
Структура феррита, обладая магнитными свойствами, позволяет прово дить раннее диагностирование дефектных зон, для реализации которого в рабо те предлагается прибор с условным названием «Локализатор» (глава 6).
Таблица 7 – Максимальные эквивалентные напряжения при различных случаях отложения кокса Характер отложения кокса Максимальные эквивалентные при толщине S = 5 мм напряжения, max, МПа 1/16 часть трубы 1/4 часть трубы по кольцу трубы вдоль нижней части трубы напряжения, МПа Эквивалентные 300 100 1 2 3 4 5 Толщина кокса, мм Рисунок 18 – Зависимость эквивалентных напряжений от толщины кокса Высокая температура, неравномерное распределение напряжений и де формаций, реализация ползучести и перераспределение углерода делают неиз бежным фазовые переходы и изменение механических характеристик конст рукционного материала. Отобранная представительная проба металла, прорабо тавшего различное время в условиях змеевика печи пиролиза, позволила полу чить временные зависимости механических характеристик (рисунок 19, 20).
0,2, МПа 344, ч.
0 2000 4000 6000 8000 10000 а) в, МПа 591, ч.
0 2000 4000 6000 8000 10000 б) Рисунок 19 - Зависимости изменения прочностных характеристик стали 20Х23Н18 от продолжительности эксплуатации:
а) условного предела текучести 0,2, б) предела прочности в р, % 24, ч.
0 2000 4000 6000 8000 10000 а), % 60 62, ч.
0 2000 4000 6000 8000 10000 б) Рисунок 20 - Зависимости изменения пластических характеристик стали 20Х23Н18 от продолжительности эксплуатации:
а) относительного удлинения р, б) относительного сужения Из зависимостей, представленных на рисунках 19 и 20, следует, что в ин тервале работы 0-2256 ч. прочностные и пластические свойства стали снижают ся, при дальнейшей эксплуатации одновременно происходит упрочнение и ох рупчивание.
Кроме этого, зависимости изменения прочностных и пластических свойств имеют разный характер, что говорит о сложном влиянии эволюции структуры стали на изменение механических свойств.
Аналогичные исследования проведены для металла сварных соединений.
Наблюдается существенное снижение прочности сварных швов по сравнению с основным металлом для идентичных сроков эксплуатации. Заметное различие в пластических свойствах наступает только на уровне 11000 часов эксплуатации.
Такое положение характерно для группы аустенитных сталей, в которую вхо дит сталь 20Х23Н18.
На порядок меньше значения ударной вязкости металла шва по сравне нию с основным металлом, которая не превышает значения 0,1 МДж/см2. Для образца металла, проработавшего 11000 ч, ударную вязкость не удалось опре делить, поскольку образец рассыпался при изготовлении.
Сварной шов формируют в два прохода. Нижний шов преимущественно имел аустенитную структуру с вкраплениями -фазы. Верхний шов изначально содержал более 35% карбида хрома (Cr23C6) и около 10% феррита.
Структура нижнего шва через 5605 часов изменилась в сторону умень шения аустенита, увеличения содержания -фазы. Появились точечные вклю чения карбидов хрома. Металл верхнего шва также изменился: наблюдается распад феррита с образованием дополнительного количества аустенита.
При 7929 часах работы металл шва претерпел существенное изменение.
Наблюдается образование -фазы в верхнем шве в виде протяженных нитей, в нижнем - в виде скоплений. При этом имеет место растворение карбидов.
Дальнейшее изменение структуры происходит в направлении растворения - фазы и выделения карбидов хрома. Карбиды выделяются в виде крупных по лос в верхнем шве и в виде мелкой сетки эвтектики в нижнем.
В околошовной зоне также -фаза идентифицируется в образцах с нара боткой 7929 часов. Отличительной особенностью в этом случае является то, что карбиды не растворяются и располагаются внутри зерен аустенита во все уве личивающемся количестве. При наработке 11082 часа мелкая сетка карбидов в околошовной зоне содержит трещины различной конфигурации.
В отличие от изменения структуры основного металла, где основную роль в изменении свойств играет эволюция интерметаллидов, в сварном шве преобладающую роль играет структура карбидов. Характер изменения структу ры шва и околошовной зоны объясняет экстремальный характер изменения предела прочности и условного предела текучести, а также резкое снижение ударной вязкости. Необходимо отметить также, что образование карбидов про исходит на фоне диффузии углерода с внутренней поверхности трубы из зоны контакта с коксом.
Деградационные процессы в конструкционном материале тесно связаны с механизмами адаптации к внешним нагрузкам. В условиях ремонта, когда при ходится заменять дефектные участки на катушки из новой трубы, образуются сварные соединения из трубы в состоянии поставки и трубы, проработавшей определенный срок в условиях печи пиролиза. Представляет интерес определе ние механических параметров различных зон такого соединения как в нормаль ных условиях, так и при высокой температуре, характерной для процесса пиро лиза. Создание такого сварного соединения предопределяет неравные началь ные условия на следующий временной отрезок эксплуатации.
Были изготовлены сварные соединения, которые представляли собой со пряжение новых труб и труб, бывших различное время в эксплуатации, из ко торых вырезались образцы для определения механических характеристик.
Результаты исследований показывают существенную гетерогенность свойств материала в области сварных соединений. Это, в свою очередь, увеличивает ве роятность разрушения металла на фоне геометрической неоднородности.
Изменение механических свойств конструкционного материала во време ни указывает на интенсивную реализацию механизмов адаптации на уровне структуры. Металлографический и рентгенофазный анализ позволили устано вить, что свойства основного металла определяются эволюцией интерметалли дов, в основном сигма-фазой, а свойства сварных соединений – эволюцией кар бидов. На рисунке 21 показаны металлографические снимки изменяющейся зе ренной структуры стали, на которых отслеживается характер распределения сигма-фазы.
Однако по этим данным невозможно детально проследить развитие и реализацию механизмов адаптации к внешним нагрузкам на структурном уров не. В последнее время для этих целей успешно используется мультифракталь ный подход, развитый в работах В.С. Ивановой, Г.В. Встовского, В.Ф. Терентьева, А.Г. Колмакова, А.А. Оксогоева.
Многолетний опыт численного мультифрактального анализа изображе ний структур самой различной природы показывает его эффективность при анализе скрытых процессов в металлах и сплавах, т.е. таких процессов, которые нельзя наблюдать непосредственно, но при этом они существенно влияют на характеристики изучаемых систем. Результатом мультифрактального анализа являются определение взаимосвязанных функций f и Dq и расчет на их основе основных параметров Реньи.
В реальных физических системах самоподобие структур при больших масштабах, характерное для фракталов (монофракталов), не реализуется. В та ких случаях используют понятие о мультифракталах. Мультифрактальный под ход представляет собой фрактальную меру как взаимосвязанную фрактальными подмножествами, изменяющимися по степенному закону с различными показа телями. Изучаемое множество является структурно- однородным и содержит подмножества с неодинаковой фрактальной размерностью (чем и обусловлено название «мультифрактал»). В материаловедении уже давно оперируют фрак тальными объектами – ансамблем дислокационных структур, скоплений мик ротрещин, частиц второй фазы, пористыми и аморфными средами и т.д.
20 µm 20 µm а) =0 ч б) =2256 ч 20 µm 20 µm в) =4872 ч г) =5605 ч 20 µm 20 µm д) =7929 ч е) =11082 ч Рисунок 21 – Микроструктура стали 20Х23Н18, х Для мультифрактального анализа структур использовали программу MFRDrom, любезно предоставленную д.ф.-м.н. Встовским Г.В.
Опыт применения мультифрактального формализма для анализа структур в материалах (микроструктура, структура изломов и др.) показал информатив ность следующих мультифрактальных показателей структуры: D0, D1, D2, Dq, fq, q, получаемых при мультифрактальной параметризации:
1 D0 – размерность Хаусдорфа-Безиковича, характеризующая однород ный фрактал. Его значение определяют по максимальному значению f(), что соответствует Dq при q=0;
2 D1 - информационная размерность, характеризующая скорость роста количества информации при l0, ее определяют по тангенсу угла наклона ка сательной к кривой f(), что соответствует Dq при q=1;
3 D2 – корреляционная размерность, характеризующая вероятность найти в одной и той же ячейке покрытия две точки множества, она определяется зна чением Dq при q=2;
4 D+ и D- - экстремальные значения Dq, отвечающие степени разреженности мультифрактального множества;
5 степень однородности f fq, q1. Чем больше f fq, тем более одно родна структура для канонических спектров, для псевдоспектров зависимость противоположная.
На рисунках 22, 23 показаны результаты исследования, которые оформ лены в виде зависимостей мультифрактальных параметров от времени эксплуа тации. Совместный анализ зависимостей D1= f(), Dq* = f(), dфmin/dфmax=f(), dзmin/ dзmax =f() и q*= f() позволил выделить следующие характерные стадии адаптации структуры к росту длительности эксплуатации.
Стадия I – распад твердого раствора с выделением карбидов и интерме таллидов в теле зерен. На этой стадии, являющейся стадией зарождения фаз, отношение dфmin/dфmax не зависит от длительности эксплуатации вплоть до 5000 часов, при этом показатель скрытой упорядоченности структуры (q*) растет с ростом вплоть до 5 000 часов.
Характерные стадии адаптации структуры стали 20Х23Н18 на различных этапах эксплуатационного воздействия, выявленные путем испытаний на удар ную вязкость, согласуются с характером изменения q* = f() (рисунок 24).
Стадия II – выделение карбидов и интерметаллидов на границах зерен и их рост. Это приводит к увеличению dфmin/ dфmax, dзmin/ dзmax, D1 и Dq* с ростом, но степень скрытой упорядоченности q* при этом снижается (рисунок 23).
D 2 3 1 1, II I III 1, 1 13 х10, ч 5 а) Dq* 1,8 4 2 1,4 III II I 1 13 х10, ч б) Рисунок 22 - Изменение D1(а) и Dq* (б) с ростом длительности эксплуатации стали q q* D * 0, 0,3 1 II I 0, III IV 0, 0 13 х10, ч 5 Рисунок 23 - Зависимость показателя упорядоченности фрактальной структуры (q*) от длительности эксплуатации стали KCU, МДж/ м 1,2 1, I 2 II III IV 0, 0, 0, 0, х10, Ч 5 14, Рисунок 24 - Характерные стадии адаптации структуры стали 20Х23Н Стадия III – рост фаз на границах зерен, приводящий к росту dфmin/ dфmax= f() и dзmin/ dзmax =f() и, как следствие, к снижению q= f().
Стадия IV – потеря функции границы зерна как буферной зоны, пред ставления о которой введено И.Р. Кузеевым с сотрудниками.
Таким образом, стадии I – III отвечают стадиям обратимой повреждаемо сти, а IV – стадии необратимой повреждаемости (стадии деградации структу ры).
Этот вывод подтверждается данными по изменению ударной вязкости с ростом.
Но более убедительные результаты были получены при анализе механиз мов адаптации структуры стали на различных стадиях, полученные с использо ванием фрактальных механизмов адаптации структуры к внешним воздействи ям, предложенные Ивановой В.С. Диаграмма адаптации построена с учетом связи критических значений D*q* для различных сред, в которых происходит перестройка фрактальной структуры, линейной связи между q* и Dq* и крити ческих значений q*min = 0,17 и q*mах = 0,84, ограничивающих эту связь. Для ка нонического спектра значений обобщенных энтропий (размерностей) Реньи она представлена на рисунке 25 с нанесенными точками (1-6), отвечающими раз личным срокам службы стали.
Рисунок 25 - Тестирование D* q* механизмов адаптации 2, деградация структуры стали 20Х23Н ПК после службы различной 1, П УП длительности на стадии об 1,6 ратимой повреждаемости с использованием фракталь Р КУ ной карты (Иванова В.С.) 1, отвечающих: КУ – квазиуп 1,2 ругой деформации, УП – уп руго-пластической, П – пла 1,0 стиской, ПК – перколя 0, 0,17 0,5 1, ции, Р - рекристаллизации.
Можно видеть, что все точки, отвечающие q* и dq* при различных дли тельностях эксплуатации, попали в зону обратимой повреждаемости. При этом реализовывались следующие механизмы адаптации: квазиупругая деформация (точки 1, 2, 4, 5, 6) и упругопластическая (точка 3), причем точка 3 отвечает стадии II - выпадению фаз по границам зерен. Переход от стадии II к стадии III, т.е. к росту фаз на границах зерен, вызывает снижение пластичности межзерен ного поверхностного слоя. Это приводит к реализации квазиупругого механиз ма адаптации структуры к внешнему воздействию, как и в исходном состоянии (точка 1).
Таким образом, для изучаемой стали 20Х23Н18, которая работала в усло виях печи пиролиза длительное время, получены мультифрактальные характе ристики, которые позволили выявить основные стадии изменения структуры и построить диаграммы деформирования.
В шестой главе показаны конкретные пути повышения безопасности оборудования. Обобщение результатов расчета напряженно-деформированного состояния змеевика печи пиролиза позволило получить коэффициенты концен трации напряжений в различных узлах труб с различными дефектами, которые позволяют более точно рассчитывать остаточный ресурс объекта.
Разработана конструкция оригинального приспособления, которая дает возможность избежать при ремонтных сварочных работах возникновение гео метрического дефекта типа «смещение осей» сопрягаемых труб.
Рассмотрена возможность пассивирования внутренней поверхности труб кремнием, для снижения адгезии кокса к поверхности металла и вероятности диффузии углерода из зоны контакта.
В заключении показан обобщенный алгоритм иерархической системы поиска опасных производственных объектов и механизмов адаптации к внеш ним нагрузкам (рисунок 26).
Обеспечение безопасности иерархических технических систем Анализ иерархической структуры системы I уровень Не соответствует 1. Оценка соответствия коррозионной активности сырья проектному заданию Оценка механохимической поврежденности Постоянно соответствует Поиск структур адаптации по механохи мической поврежденности Определение установок с максимальной механо-химической поврежденностью Производительность 2. Оценка производительности меняется по сырью системы в целом Производительность Оценка степени изменения производитель ности. Построение зависимости Q=f() постоянная Расчет степени нестационарности ра боты системы Q, P, T=f() Поиск структур адаптации.
Расчет напряжений Выявление структур Определение установок адаптации с максимальной степенью на уровне системы нестационарности 3. Расчет энергетического потенциала Установление механизмов технологических установок адаптации Ранжирование установок Мероприятия по по максимальному Э.П.
предотвращению перехода да механизма адаптации в 4. Определение технологических механизм разрушения установок с повышенной опасностью эксплуатации II уровень. Расчет интегрального параметра опасности оборудования нет Классификация составляющих системы по суммарному интегральному параметру опасности Контроль процессов накопления повреждений III уровень. Определение опасного про Обоснование объема изводственного объекта в подсистемах системы мониторинга Обоснование периодичности IV уровень. Определение структур освидетельствования адаптации на уровне оборудования V уровень. Определение структур Определение объема диагностирования адаптации на уровне элементов VI уровень. Определение структур Выбор методов адаптации на уровне диагностирования конструкционного материала Рисунок 26 – Обобщенный алгоритм иерархической системы поиска опасных производственных объектов и механизмов адаптации к внешним нагрузкам Общие выводы 1 Предприятия для переработки нефти рассмотрены как иерархические системы, которые воспринимают вводимую в систему энергию и разделяют ее на производительную, направленную на достижение цели, и непроизводитель ную, которая стремится реализоваться через структуры адаптации к внешним условиям, имеющимся на каждом из иерархических уровней организации.
Часть энергии расходуется на создание новой поверхности, которая в виде тре щин является источником аварийных ситуаций.
2 Разработан алгоритм определения опасного производственного объекта, который позволяет получить числовое значение опасности и произвести ран жирование оборудования технологической установки по степени опасности.
Введено понятие «интегральный параметр опасности», которое учитывает по жароопасность, взрывоопасность, токсичность среды и параметр надежности оборудования для оценки потенциальной опасности каждого объекта техноло гической установки. С использованием интегрального параметра опасности оборудования, привязанного к реальной технологической системе с помощью геоинформационной системы, рассчитаны наиболее опасные с точки зрения возникновения аварий аппараты.
3 Показаны механизмы формирования структур адаптации на уровне аг регата, в качестве которого рассмотрены пиролизные печи. Измерение реаль ных силовых и температурных воздействий на змеевик печи позволило рассчи тать распределение напряжений в трубах и обнаружить наиболее нагруженные элементы, что коррелирует с данными по вероятности безотказной работы эле ментов змеевика.
4 Доказано существование трех механизмов диссипации энергии в трубах змеевика печи пиролиза углеводородов, связанных с геометрической и физиче ской неоднородностью сварных соединений, с общей и локальной потерей ус тойчивости формы. С помощью МКЭ рассчитаны уровни напряжений в узлах концентраторах в реальных условиях технологического процесса и в условиях паровыжига кокса. Рассчитано напряженно-деформированное состояние труб змеевика с учетом локальных отложений кокса. Показан механизм образования точечных дефектов потери устойчивости формы, связанный с изменением фа зового состава стали и образованием пластических шарниров. Разработаны ре альные рекомендации, позволяющие снизить уровень напряжений в конструк ции.
5 Обнаружен полиэкстремальный характер изменения механических свойств стали 20Х23Н18 при функционировании в условиях трубчатого змее вика печи пиролиза углеводородов в реальном времени, который связан с адап тацией к внешним воздействиям. Экспериментально подтверждено наличие трех механизмов адаптации, связанных с фазовыми переходами и эволюцией распределения сигма-фазы, с ползучестью по механизму Кобла и образованием квазимногослойной оболочки. Произведена количественная оценка реализации механизмов адаптации и показаны характерные временные интервалы превали рующего их действия.
6 Показано, что дефекты типа трещин в сварных соединениях образуются вследствие их механической и геометрической неоднородности на фоне конку рирующих процессов эволюции распределения сигма-фазы и карбидов различ ного состава. Обоснованы максимально возможные отбраковочные размеры по остаточной толщине труб и показана недопустимость смещения осей сопрягае мых при ремонте труб. Показано, что расположение ремонтных сварных швов вблизи калачей может приводить к образованию пластических шарниров. Раз работано и передано для использования на ОАО «Уфаоргсинтез» устройство, применение которого при ремонте исключает смещение осей свариваемых труб.
7 Обнаружено явление локального намагничивания немагнитной стали 20Х23Н18 в процессе эксплуатации в условиях печи пиролиза. Показано, что намагниченные участки являются местами возникновения трещин. Этот эффект использован для раннего диагностирования возникающих трещин. Создан ди агностический прибор для обнаружения намагниченных зон и передан для ис пытания на ОАО «Уфаоргсинтез».
8 Изучено распределение механических характеристик в зонах сварных соединений труб с различной наработкой. Количественные значения относи тельного удлинения и ударной вязкости в материале сварного шва на порядок меньше, чем для основного металла, что указывает на возможность хрупкого разрушения в сварном шве. Созданы модельные сварные соединения новых труб и труб с различной наработкой в условиях печи пиролиза и определены механические характеристики различных зон сварных соединений, в том числе при характерной температуре процесса пиролиза.
9 Впервые для изучения механизмов изменения свойств стали в процессе работы в условиях печи процесса пиролиза углеводородов применен мультиф рактальный анализ микроструктуры конструкционного материала. Получены зависимости изменения мультифрактальных характеристик во времени и тесто вые диаграммы, которые позволяют оценить время начала необратимой дегра дации структуры.
Основные публикации по теме диссертации:
1. Статьи в журналахв соответствии с перечнем ВАК РФ 1.1. Закирничная М.М., Чиркова А.Г., Кузеев И.Р. Изменение структуры и свойств металла труб змеевиков печей пиролиза в процессе эксплуатации//Изв.
ВУЗов « Нефть и газ».-1998.-№2.-С. 87-92.
1.2. Чиркова А.Г., Ковалев Е.М., Вахапова Г.М. Оценка потенциальной опасности технологических установок для переработки углеводородного сырья при прогнозировании возможных аварий//Нефтегазовое дело.-2003.-№ 1.- С.
317-325.
1.3. Чиркова А.Г., Симарчук А.С., Кинев С.А. Определение напряженно деформированного состояния сварных соединений//Механика композиционных материалов и конструкций.- 2003.-Т.9.- №2.- С.250-255.
1.4. Чиркова А.Г. Повреждение металла труб змеевиков печей пироли за//Изв.ВУЗов «Нефть и газ».-2003.- №5.- С. 112-117.
1.5. Чиркова А.Г., Авдеева Л.Г., Симарчук А.С., Кинев С.А. Деформиро вание сварных соединений труб печей пиролиза//Башкирский химический жур нал.- 2003.-Т. 10.- № 1.- С. 20-21.
1.6. Чиркова А.Г., Хаерланамова Е.А., Кузеев И.Р. Образование квазим ногослойных оболочек при эксплуатации труб змеевика печи пиролиза углево дородов//Механика композиционных материалов и конструкций.- 2004.- Т.10. №2.- С. 153-156.
1.7. Чиркова А.Г., Вахапова Г.М., Симарчук А.С., Кинев С.А. Совершен ствование расчетной методики при оценке остаточного ресурса печных агрега тов//Безопасность жизнедеятельности.-2004.-№8.-С.15-17.
1.8. Симарчук А.С., Чиркова А.Г., Мухаметшин Р.Р. О возникновении ло кальных дефектов в трубчатом змеевике печей пиролиза//Механика компози ционных материалов и конструкций.-2004.-Т.10.-№3.- С. 341-346.
1.9. Чиркова А.Г. Механизмы адаптации к внешним нагрузкам стали 20Х23Н18 в трубах печей пиролиза//Заводская лаборатория.-2004.-Т.70.-№11. С. 37-42.
1.10. Идрисов В.Р., Вахапова Г.М., Чиркова А.Г. Модуль расширения ГИС «ИнГео»: Анализ зон разрушения опасных производственных объектов. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2002611204//Официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам «Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологи интегральных микросхем».- 2002.-№4.- С. 2. Монографии 2.1. Чиркова А.Г., Куликов Д.В., Баязитов М.И., Кузеев И.Р. Высокотем пературные процессы и аппараты переработки углеводородного сырья. - Уфа:
Гилем, 1999.- 343 с.
2.2. Чиркова А.Г., Баязитов М.И. Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 1999.- 172 с.
2.3. Чиркова А.Г., Авдеева Л.Г., Симарчук А.С. Фрактальный анализ эволюции адаптации структуры стали 20Х23Н18 к условиям эксплуатации в печах пиролиза углеводородов.-СПб.: Недра, 2004.-88 с.
2.4. Чиркова А.Г. Опасный производственный объект технологической системы: методы определения опасности и оценки технического состояния. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004.- 133 с.
3.Статьи в сборниках трудов 3.1. Кузеев И.Р., Закирничная М.М., Чиркова А.Г., Ткаченко О.И. Влия ние углерода на формирование неоднородности структуры металла/В кн.: Тех ника на пороге XXI века: Сб. научных трудов.- Уфа: Гилем, 1999.- С.141-152.
3.2. Чиркова А.Г., Баязитов М.И. Расчет напряжений в трубах змеевиков нагревательных печей нефтепереработки/Там же.- С.86.
3.3. Чиркова А.Г., Денисов В.Д., Хафизов Ф.Ш., Кузеев М.И. Моделиро вание процесса деформирования реактора установки замедленного коксова ния/Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сб.научн. статей.- Уфа:
Изд-во УГНТУ, 2000.- № 6.- С. 107-109.
3.4. Чиркова А.Г., Куликов Д.В. Модель изменения мерности субстан ции/Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сб. научн. статей.- Уфа:
Изд-во УГНТУ, 2000.- № 3.- С. 92-105.
3.5. Чиркова А.Г., Кузеев И.Р., Закирничная М.М., Авдеева Л.Г. Много функциональная роль углерода в формировании свойств ста лей/Технологические проблемы развития машиностроения в Башкортостане:
Сб. научн. трудов.- Уфа: Гилем, 2001.- С. 15-32.
3.6. Чиркова А.Г., Авдеева Л.Г., Кинев С.А. Механизм накопления по вреждения в трубах змеевиков печей для проведения пиролиза углеводоро дов/Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сб. научн. статей.- Уфа:
Изд-во УГНТУ, 2001.- № 11.
3.7. Чиркова А.Г., Кузеев И.Р., Кузеев М.И. О необходимости учета ста дии накопления повреждений при диагностировании оборудования для перера ботки углеводородных сред/Проблемы промышленной безопасности в системе магистрального трубопроводного транспорта: Материалы IX Всероссийского семинара-совещания.- Уфа: ГУП Уфимский полиграфкомбинат, 2001.- С.221 237.
3.8. Кузеев И.Р., Закирничная М.М., Чиркова А.Г., Кинев С.А., Авдеева Л.Г., Симарчук А.С. Деформирование оболочковых конструкций с геометриче скими и физическими неоднородностями в силовом и температурном по лях/Машиностроение, конструкционные материалы и технологии. Сб. научн.
трудов: Сб. научн. трудов.- Уфа: Гилем, 2002.- С.36-50.
3.9.Чиркова А.Г., Бессарабова Е.В. Закономерности процесса накопления повреждений в высоколегированной стали 12Х18Н10Т в условиях нагреватель ных печей/Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сб. науч. статей. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2002.- № 12.- С.74-78.
3.10. Хаерланамова Е.А., Чиркова А.Г., Кузеев И.Р. Науглероживание ме талла в условиях пиролиза жидких углеводородов/Там же.- С.79-84.
3.11. Чиркова А.Г. Структуры адаптации при деформировании конструк ций/Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сб. науч. статей.- Уфа:
Изд-во УГНТУ, 2002.- № 12.- С.118-124.
3.12. Чиркова А.Г., Рубцов А.В. Механические свойства сварных соеди нений с различным уровнем накопленных повреждений/Мировое сообщество:
проблемы и пути решения: Сб. науч. статей.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2003.- № 13.- С.12-22.
3.13.Чиркова А.Г., Симаков В.Н. Надежность печей для пиролиза углеводородов/Там же.- С.23-30.
3.14. Чиркова А.Г., Хисаева З.Ф. Особенности силицирования металла печных змеевиков/Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сб.
науч. статей.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2003.- № 14.- С. 64-69.
3.15. Чиркова А.Г. О возникновении локальных дефектов в трубчатом змеевике печей пиролиза/Там же.- С. 143-145.
3.16. Чиркова А.Г., Авдеева Л.Г., Симарчук А.С., Кинев С.А, Рубцов А.В., Кузеев И.Р. Изучение механизмов возникновения трещин в зоне сварных со единений печных труб/Инновационные проблемы развития машиностроения в Башкортостане: Сб. научн. трудов.- Уфа: Гилем, 2003.- С. 94-109.
3.17. Чиркова А.Г., Симарчук А.С. Проблемы расчета змеевиков печей пиролиза с учетом реальных условий их работы/Новоселовские чтения: Сб. на учн. трудов. Вып. 2- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004.- С.254-265.
3.18. Ковалев Е.М., Чиркова А.Г., Вахапова Г.М. Потенциальная опас ность ОПО. Методика оценки/Вопросы безопасности объектов нефтегазового комплекса: Сб. науч. трудов:
- М.: ЦИЭКС, 2004.- С.50-57.
3.19. Чиркова А.Г., Авдеева Л.Г., Оксогоев А.А. Анализ адаптивности структуры стали 20Х23Н18 к необратимой повреждаемости в условиях экс плуатации в качестве материала труб змеевиков печей пиролиза углеводоро дов/Прикладная синергетика- 2: Сб. научн. трудов.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004.
–Т.2. – С.15-21.
4.В материалах конференций 4.1. Чиркова А.Г., Хуснияров М.Х. Разработка методов расчета напряже ний, возникающих при паровоздушном выжиге в трубчатом змееви ке/Материалы ХХХХVII-й научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 1996.- С. 155-156.
4.2. Затолокин С.В., Лысюк В.В., Хуснияров М.Х., Чиркова А.Г. Про граммное обеспечение термодиагностики печей пиролиза/Материалы II Все российской научн.-техн. конф. «Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность».- Уфа: Изд-во УНГТУ, 1996.- С. 69-71.
4.3. Хуснияров М.Х., Чиркова А.Г. Определение напряженного состояния пирозмеевика при коксоотложении/Там же.- С. 122.
4.4. Чиркова А.Г., Затолокин С.В. Оценка технического состояния ста ционарных приборов контроля температуры печей по результатам измерений ИК-термометром/Там же.- С. 45-46.
4.5. Чиркова А.Г. Расчет напряжений, возникающих в трубчатом змеевике при паровоздушном выжиге/Материалы ХХХХVII-й научн.-техн. конф. студен тов, аспирантов и молодых ученых.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 1996.- С. 154-155.
4.6. Закирничная М.М., Чиркова А.Г., Худяков М.А. Результаты исследования змеевиков печей пиролиза/51-я Межвузовская студенческая научная конференция - Москва: ГАНГ, 1997.- С.6.
4.7. Мингазов К.Р., Хуснияров М.Х., Чиркова А.Г., Закирничная М.М., Диффузионное насыщение углеродом поверхности труб печей пиролиза/Там же.- С.31.
4.8. Чиркова А.Г., Авдеева Л.Г. О влиянии коксоотложения и паровоз душного способа очистки на структуру стали труб пирозмеевиков/III Конгресс нефтепромышленников России. Секция Н «Проблемы нефти и газа»: Сб. научн.
трудов.- Уфа: Изд-во Реактив, 2001.- С. 291-293.
4.9. Чиркова А.Г., Волкова Е.А. Механизм разрушения печных труб/Там же.- С. 313-314.
4.10. Чиркова А.Г., Кузеев И.Р., Кузеев М.И. О необходимости учета ста дии накопления повреждений при диагностировании оборудования для перера ботки углеводородных сред/Проблемы промышленной безопасности в системе магистрального трубопроводного транспорта: Материалы IX Всероссийского семинара-совещания.- Уфа: ГУП Уфимский полиграфкомбинат, 2001.- С.221 237.
4.11. Чиркова А.Г., Авдеева Л.Г. Причины появления магнитных свойств у парамагнитной стали 20Х23Н18/Материалы специализированной конферен ции и семинара «Промышленная экология», Уфа, 30-31 января 2002.- С.- 66.
4.12. Чиркова А.Г., Кинев С.А., Авдеева Л.Г. О возможности проведения диагностики труб змеевиков печей пиролиза. Третья Всероссийская научн. прак. конф. «Проблемы прогнозирования, предупреждения и ликвидаций по следствий чрезвычайных ситуаций», Уфа, 24-25 января 2002- С.- 173.
4.13. Чиркова А.Г., Вахапова Г.М. Интегральный критерий опасности промышленного объекта/Материалы конференции «Промышленная экология», семинар «Международные стандарты качества ISO серии 9001 и 14000» - Уфа, 2002.- С. 64.
4.14. Чиркова А.Г., Авдеева Л.Г. Причины появления магнитных свойств у парамагнитной стали 20Х23Н18/Там же.- С. 66.
4.15. Чиркова А.Г., Симарчук А.С. Масштабные факторы при определе нии напряженного состояния протяженных оболочковых конструкций/Там же. С. 69.
4.16. Чиркова А.Г., Симарчук А.С. Влияние различных факторов на на пряженно-деформированное состояние оболочек/Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и механики многофазных систем: Материалы I Всероссийской научной INTERNET – конференции.- Уфа:
Изд-во Реактив, 2002.- С. 60-61.
4.17. Хаерланамова Е.А., Чиркова А.Г. Определение фрактальной размер ности границы раздела квазислоев в трубах печей пиролиза/Там же.- С.61-62.
4.18. Чиркова А.Г., Магсумова Л.С., Бессарабова Е.В. Механические ха рактеристики высоколегированной стали 10Х23Н18 змеевика печей пироли за/Материалы 54-й научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых уче ных: Сб. тез. док.: Ч.1.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2003. – С. 231-232.
4.19. Чиркова А.Г., Исхаков Э.Р., Вахапова Г.М. Распределение обра щающихся опасных веществ на объектах ОАО «Уфанефтехим»/Там же.-С. 252 253.