CC BY
12
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
О ЗАКОНОМЕРНОСТЯХ РАЗВИТИЯ ДЕФЕКТОВ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СОСУДОВ,
РАБОТАЮЩИХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ 1 2 Маликов В.А. , Кузьмин А.С.
Email: Мalikov17164@scientifictext.ru
'Маликов Вячеслав Александрович - кандидат технических наук, генеральный директор; 2Кузьмин Алексей Сергеевич - начальник лаборатории, Лаборатория неразрушающего контроля, ООО «Нефтехим-Балт», г. Санкт-Петербург
Аннотация: в статье представлены результаты исследования причин возникновения дефектов трубного пучка теплообменника установки изомеризации. Ключевые слова: дефекты, трубный пучок, теплообменник, лабораторные исследования.
ON THE REGULARITIES OF DEVELOPMENT OF MANUFACTURING DEFECTS DURING THE OPERATION OF VESSELS WORKING UNDER PRESSURE Мalikov VA.1, Kuzmin A.S.2
'Malikov Vyacheslav Aleksandrovich - Candidate of Technical Sciences, General Director; 2Kuzmin Alexey Sergeevich - Head of the Laboratory, NON-DESTRUCTIVE TESTING LABORATORY, LLC "NEFTEKHM-BALT", SAINT PETERSBURG
Abstract: the article presents the results of the investigation of the causes of defects in the tube bundle of the heat exchanger of the isomerization unit. Keywords: defects, pipe bundle, heat exchanger, laboratory research.
Важным направлением обеспечения промышленной безопасности опасных производственных объектов (ОПО) можно считать определение причин возникновения и развития дефектов оборудования [1, 2]. В особенности это относится к развитию дефектов изготовления. Информация о причинах, характере и скорости развития таких дефектов позволяет внести корректировки в программы диагностирования аналогичного оборудования [3, 4].
В составе комбинированной установки изомеризации с предварительной гидроочисткой сырья эксплуатируется теплообменник с U-образным пучком. Материал трубного пучка - сталь марки 08Х18Н10Т. Параметры эксплуатации теплообменника:
• давление (межтрубное пространство) - 4,5 МПа;
• давление (трубное пространство) - 3,6 МПа;
• температура (межтрубное пространство) - 145°С;
• температура (трубное пространство) - 180°С;
• среда (межтрубное пространство) - легкие углеводороды, водород 19% об., сероводород;
• среда (трубное пространство) - углеводороды С4-С6, следы сероводорода.
При эксплуатации аппарата была зафиксирована тенденция увеличения частоты выхода из строя трубок трубного пучка теплообменника (рис. 1).
Рис. 1. Общий вид трубной решетки с трубками, заглушёнными по причине пропусков
Для определения причин разрушения пучка были вырезаны фрагменты трубок из прямолинейной и изогнутой части пучка для проведения лабораторных исследований.
Результаты лабораторных исследований.
Было установлено, что фрагменты трубок прямолинейного участка не имеют повреждений, а сквозные повреждения зафиксированы на гибах труб, расположенные в первом горизонтальном диаметральном ряду и-образного пучка (рис. 2). Конструкцией теплообменника определено, что трубы, укрепленные в этом диаметральном ряде, характеризуются наименьшим радиусом пластического изгиба на 180°. Отмеченная особенность дает основание утверждать, что повреждение труб связано с условиями напряженно-деформированного состояния металла в зонах изгиба.
Рис. 2. Характерный вид разрушений трубок, непосредственно в составе трубного пучка
По результатам металлографических исследований на поверхности трубок были выявлены язвы коррозионной природы. Язвы имеют вид лунок диаметром 150±50 мкм и глубиной до 100 мкм. Было установлено, что вблизи мест пластического гиба коррозионные язвы различаются отношениями диаметра к глубине ф. Например, на внешних поверхностях трубок отношение d/z оценивается как 3, а на внутренних поверхностях как 1. Данный факт свидетельствует о наличии связи геометрических параметров язв с особенностями напряженно-деформированного состояния металла.
Также по результатам металлографических исследований, на участке, удаленном от излома на расстояние 3 мм, были зафиксированы одиночные трещины протяженностью более 10 мм (рис. 3).
Рис. 3. Трещина на шлифе образца, распространившаяся со стороны внутренних объемов трубки, вблизи места пластического гиба
В морфологии трещины выявлены отличия. Например, по направлению раскрытия трещины наибольший растрав замечен на участке длиной 600 мкм, который перпендикулярен внутренней поверхности корпуса трубы. Далее трещина ветвится. Часть траектории указывала на продолжение развития по первоначальному направлению, а другая - с отклонением на угол ~45°. Причем в пределах отклонившегося участка замечены признаки новых ветвлений дефекта. Особенности траектории траектории трещины свидетельствуют о постепенной (стадийной) кинетике развития повреждения металла, в течение которой происходила смена напряженно-деформированного состояния. Можно предположить, что первая стадия повреждения реализовалась под действием растягивающих напряжений в условиях сжатия. Места ветвлений трещины указывают на активацию релаксационных процессов с участием микропластической деформации.
Суждение о стадийном развитии повреждения подтверждается данными металлографического исследования при рассмотрении шлифов, подготовленных в непосредственной близости мест разрушения (изломов) трубок. Так, вблизи изломов в структуре выявлены межзеренные микротрещины длиной до 30 мкм, берущие начало на дне коррозионных язв, зоны локализованного сдвига шириной до 50 мкм и поры разных геометрических форм (рис. 4). Перечисленные дефекты типичны при разрушении сочетанием актов отрыва и сдвига (срезом), что согласуется с результатами фрактографических исследований.
Рис. 4. Участки шлифов образцов, стрелками показаны: микротрещина на дне язвы, полоса
локализованного сдвига и поры
По результатам фрактографических исследований было установлено, что поверхности разрушения характеризуются изломами неоднородного типа. Так на одних участках изломов, которые соответствуют местам наибольшего растяжения и сжатия, ориентации нормалей в первом случае параллельны оси труб, а во втором - перпендикулярны. Данная особенность характерна для повреждений, возникающих механизмом отрыва под действием максимальных нормальных (растягивающих) напряжений.
Между участками отрыва поверхности изломов содержат участки с наклоном относительно оси трубок на угол ~45°, что типично при повреждениях срезом под действием касательных напряжений. Наличие участков среза свидетельствует о развитии повреждения с участием микропластической деформации. Соответственно, по морфологическим признакам поверхности разрушения были классифицированы как изломы квазискола. Также в зонах изгиба на поверхности трубок был выявлен волнообразный рельеф с длиной волны 11±1 мм. Данный факт указывает на макропластическую неустойчивость металла на этапе изгиба труб, который, вероятно, происходил без предварительного подогрева.
По характеру силового воздействия поверхности разрушения предоставленных образцов были классифицированы как изломы коррозионного растрескивания, которые характеризуются многоочаговыми повреждениями в условиях длительного статического нагружения при воздействии коррозионной среды. Отличительной чертой повреждения указанного типа является его развитие, как в условиях сжатия, так и растяжения [5].
Особенности, выявленные при фрактографическом исследовании, позволяют утверждать, что повреждение трубок обусловлено механизмом коррозии под напряжением. Из сказанного следует, что после пластического изгиба, особенно на малый радиус закругления, в структуре пластически изогнутых трубок сохранилось остаточное (не релаксированное) напряжение, достаточное для активации межзеренного растрескивания. Выводы.
По результатам проведенных лабораторных исследований можно заключить следующее:
1. При изготовлении пучка теплообменника трубки подвергались пластической гибу. Из пластически изогнутых труб в тех, которые изгибались на малый радиус, в местах сжатия деформация металла реализовалось сочетанием актов отрыва и сдвига (среза). После изгиба в металле сохранились остаточные напряжения, достаточные для активации механизма коррозионного растрескивания. Наличие значительных остаточных напряжений связано с нарушением технологии изготовления трубного пучка.
2. Неоднородность пластической деформации послужила причиной развития повреждения металла механизмом коррозионного растрескивания. В процессе эксплуатации трубного пучка повреждение развивалось в течение некоторого времени.
Список литературы /References
1. Махутов Н.А. Диагностика материалов и состояния конструкций в задачах мониторинга рисков. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2011. № 12. Том 77. С. 3-4.
2. Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. Ч. 2. Обоснование ресурса и безопасности. Новосибирск: Наука, 2005. 610 с.
3. Маликов В.А., Павлов С.Б., Густомясов А.В. Формирование и развитие дефектов труб котла-утилизатора при длительной эксплуатации. // Проблемы современной науки и образования, 2014. № 9(27). С. 17-22.
4. Барышов С.Н. Оценка поврежденности, несущей способности и продления ресурса технологического оборудования. Модели. Критерии. Методы. М.: Недра, 2007. 287 с.
5. Барахтин Б.К., Малышев В.Н. Примеры образования трещин коррозионного растрескивания стали Х18Н10Т от остаточных напряжений в местах погибов и питтингов // Вопросы материаловедения, 2015. № 2. С. 161-166.
