ИЗМЕНЕНИЕ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН В МАТЕРИАЛЕ ЗМЕЕВИКА РЕАКЦИОННОЙ ПЕЧИ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Д. Н. Шерматов, Е. А. Наумкин, И. Р. Кузеев, А. В. Рубцов

Аннотация


Пиролиз, или крекинг с водяным паром, является основным процессом, используемым для производства олефинов. Термическое разложение органических соединений происходит в змеевиках, изготовленных из высоколегированных сплавов. Условия работы печей считаются наиболее агрессивными с точки зрения воздействия на металл труб, с одной стороны - химически активный продукт, а с другой - жесткое термическое воздействие. Высокая активность углерода на внутренней поверхности трубы, где протекают химические реакции, приводит к образованию и отложению кокса на внутренней поверхности реакционных труб. Отложение кокса увеличивает расход топлива, снижает производительность печи, а также приводит к интенсивной диффузии углерода в глубь металла. Наружная поверхность трубы также подвергается воздействию высоких температур и печных газов, в результате чего протекает процесс обезуглероживания. Диффузионные процессы, в свою очередь, приводят к изменению структуры стали и образованию карбидов и интерметаллидов, которых не было в составе материала в состоянии поставки. По существу возникает «новая» сталь, и в результате фазовых превращений материала изменяются эксплуатационные характеристики змеевика реакционной печи. Чтобы обезопасить змеевик от разрушения проводится экспертиза промышленной безопасности, по результатам которой оценивается остаточный ресурс. При оценке остаточного ресурса основной информацией является измеренная толщина стенки, которая проводится согласно СТО СА-03-004-2009. Однако такой подход не охватывает контроль толщины на всей площади поверхности змеевика. Зачастую наиболее подверженные деградации материала участки не контролируются, поэтому определение данных зон современными неразрушающими методами контроля является необходимым. Ранее было показано, что в поверхностных слоях змеевиков после эксплуатации формируются ферромагнитные свойства и магнитные методы измерения чувствительны к потенциально опасным зонам, поэтому предложено контроль толщины стенки осуществлять в тех местах, где проявляются магнитные свойства. Измерение толщины стенки требует калибровки скорости ультразвука, которая, как правило, выбирается из справочных источников. Однако при этом не учитывается тот факт, что скорость ультразвуковых волн в процессе эксплуатации изменяется. Поэтому остается актуальным определение истинной толщины стенки, так как это позволит получать более точные результаты при оценке остаточного ресурса. В связи с этим объектом исследования были выбраны фрагменты труб реакционной печи пиролиза из стали 20Х25Н20С2, отработавшие 0, 750, 1300, 8000 и 10000 ч. В статье показаны результаты исследования закономерностей изменения скорости ультразвуковых продольных волн, которые были измерены по толщине стенки змеевика до и после снятия поверхностного слоя, проявляющего ферромагнитные свойства материала реакционной трубы. Анализ результатов измерения показал, что с увеличением длительности эксплуатации скорость ультразвука в материале стенки снижается. Было обнаружено, что при достижении 10000 ч данное снижение составило 16 % по сравнению с состоянием поставки. Также зарегистрировано снижение скорости ультразвука до 8 % при полном удалении науглероженного и обезуглероженного слоев с поверхности металла труб. В целях установления причин, влияющих на снижение скорости ультразвука в стенке змеевика, были проведены металлографические исследования, которые показали, что в объемной части происходят структурные изменения. В приповерхностной зоне было обнаружено образование большого количества пустот, а в объемной части выявлены поры, которые играют основную роль в снижении продольных ультразвуковых волн. Результаты проведенных исследований могут применяться при оценке технического состояния и разработке критерия отбраковки змеевиков реакционных печей.

Ключевые слова


скорость ультразвука;змеевик;микроструктура;аустенитная сталь;науглероживание;реакционная печь;ultrasound speed;coil;microstructure;austenitic steel;carburization;reaction furnace;

Полный текст:

PDF

Литература


Barbabela G.D., Almeida L.H., Silveir T.L., Le May I. Role of Nb in Modifying the Microstructure of HeatResistant Cast HP Steel // Materials Characterization. 1991. Vol. 26. P. 193 - 197.

Ентус Н.Р., Шарихин В.В. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: Химия, 1987. 304 с.

Naumkin E.A., Shermatov J.N., Gaysina A.I. Distribution of Magnetic Field Parameters in the Surface Layer of the Material of Reaction Furnace Coils after Operation Period // Materials Science Forum. 2019. Vol. 945. P. 653 - 659.

СТО-СА-03-004-2009. Трубчатые печи, резервуары, сосуды и аппараты нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. Требования к техническому надзору, ревизии и отбраковке. Волгоград: ВНИКТИнефтехимоборудование, 1993. 75 с.

Щипачев А.М., Наумкин Е.А., Кузеев И.Р. Изменение закона распределения скорости ультразвуковых волн при циклическом нагружении стали 09Г2С в малоцикловой области // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2012. Т. 16. № 5 (50). С. 89-92.

Трутнев Р.Н., Кузеев И.Р., Наумкин Е.А. Особенности усталостного разрушения двухслойных сталей // Башкирский химический журнал. 2007. Т. 14. № 4. С. 142 - 145.

Наумкин Е.А. Оценка долговечности аппаратов, подверженных малоцикловой усталости, по скорости ультразвука (на примере стали 09Г2С): дис. … канд. техн. наук. Уфа, 2000. 125 с.

Наумкин Е.А., Прохоров А.Е. Оценка уровня усталостных повреждений в зоне сварного шва стали 09Г2С с использованием акустических методов контроля // Мировое сообщество: проблемы и пути решения: сб. ст. Уфа: УГНТУ, 2003. С. 135 - 142.

Xi Chen, Zhenggan Zhou, Guanhua Wu. Influence of Heat Treatment on the Microstructure, Ultrasonic Attenuation and Ultrasonic Velocity of GH4169 Alloy // Advances in Engineering Research. 7th International Conference on Mechatronics, Control and Materials (ICMCM 2016). Changsha, China, 2016. P. 140 - 143.

de Almeida L.H., Ribeiro A.F., Le May I. Microstructural Characterization of Modified 25Cr-35Ni Centrifugally Cast Steel Furnace Tubes // Materials Characterization. 2002. No. 49 (3). P. 219-229. DOI: 10.1016/j.ndteint.2010.05.012.

Sposito G., Ward C., Cawley P., Nagy P.B., Scruby C. A Review of Non-destructive Techniques for the Detection of Creep Damage in Power Plant Steels // NDT & E International. 2010. No. 43. P. 555 - 567. DOI: 10.1016/j. ndteint.2010.05.012.

Шерматов Д.Н., Кузеев И.Р., Наумкин Е.А. Изменение напряженности магнитного поля и ударной вязкости стали при длительной эксплуатации змеевиков реакционных печей // Нефтегазовое дело. 2019. Т. 1. № 1. С. 99-106. DOI: 10.17122/ngdelo-2019-1-99-106.

ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. М.: ИПК издательство стандартов, 1983. 21 c.

Silva I.C., Silva R.S., Rebello J.M.A., Bruno A.C., Silveira T.F., Characterization of Carburization of HP Steels by Non-Destructive Magnetic Testing // NDT&E International. 2006. No. 39. P. 569 - 577. DOI: 10.1016/j. ndteint.2006.03.004.

Silva I.C., Rebello J.M.A., Bruno A.C., Jacques P.J., Nysten B., Dille J., Structural and Magnetic Characterization of a Carburized Cast Austenitic Steel // Scripta Mater. 2008. No. 59 (9). P. 1010 - 1013. DOI: 10.1016/j.scriptamat. 2008.07.015.




DOI: http://dx.doi.org/10.17122/ngdelo-2019-5-81-88

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


(c) 2019 Д. Н. Шерматов, Е. А. Наумкин, И. Р. Кузеев, А. В. Рубцов

Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

УФА, УГНТУ, 2017