1Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет
2Орский гуманитарно-технологический институт (филиал)
ГОУ «Оренбургский государственный университет»
УДК 620.19:621.791
Исследование коррозионного поведения сварных соединений технологических установок с целью оценки их остаточного ресурса
И.Р. Кузеев1
Е.В. Пояркова2, Л.С. Диньмухаметова2
г. Уфа, г. Орск
В процессе эксплуатации нефтеперерабатывающие установки находятся в сложнонапряженном состоянии под воздействием силовых и температурных факторов, а также коррозионно-активных рабочих и внешних сред.
Анализ причин отказов технологических установок (ТУ) свидетельствует о превалирующем влиянии коррозионного фактора. Ежегодно по причине коррозии на нефтеперерабатывающих предприятиях происходит до 70% отказов оборудования, вследствие чего ими теряется около 20% основных фондов.
Во избежание аварийных отказов необходимо своевременно производить диагностику эксплуатируемого оборудования, идентифицируя состояние элементов конструкции, при котором на уровне структуры их материала происходят необратимые изменения, определяющие не только степень накопления повреждений в материале, но и дальнейший механизм разрушения конструкции.
Концентраторами напряжений в ТУ чаще всего служат сварные соединения (СС), имеющие высокую электрохимическую гетерогенность, особенно в случае применения СС разнородных материалов.
Как показывает статистика, 40% отказов ТУ происходит вследствие снижения коррозионно-механической прочности СС под действием активных рабочих сред, происходящего в результате деградации структуры материала, соответствующей уровню его напряженности.
Следовательно, производя оценку остаточного ресурса СС ТУ, необходимо применять методы, позволяющие выявлять необратимые изменения в структуре СС вследствие коррозионных процессов, сопряженных с колебаниями давления рабочей среды.
В настоящее время наиболее актуальной является оценка остаточного ресурса косвенным методом, основанным на взаимосвязи структурных характеристик материала с магнитными свойствами, в свою очередь определяемыми при помощи магнитных методов неразрушающего контроля.
Для разработки методики количественной оценки остаточного ресурса подверженных коррозии СС при помощи магнитного контроля необходимо:
1. исследовать механизмы накопления повреждений и характер изменения структуры и свойств металла сварного соединения под действием углеводородных сред;
2. установить взаимосвязь структурных изменений в поврежденном металле с изменением его магнитных свойств;
3. идентифицировать предельное значение уровня поврежденности сварного соединения, соответствующее критическим изменениям в его структуре, при которых эксплуатация соединения сопряжена с высоким риском;
4. определить пороговое изменение магнитных свойств соединения, соответствующее предельному уровню поврежденности;
5. вывести расчетные зависимости между фактическими значениями магнитных свойств и остаточным ресурсом сварных элементов.
Механизмы коррозионного-механического повреждения СС ТУ, а также интенсивность коррозионного разрушения их определяются свойствами основного металла и сварного шва, напряженным состоянием и коррозионной активностью нефтесодержащей среды, которая в основном определяется содержанием меркаптанов - тиоспиртов, сероводорода, элементарной серой и сероводорода.
Для исследования механизмов повреждения СС анализировались изменения структур и механических свойств (твердости и ударной вязкости) образцов однородных и разнородных сварных соединений из сталей 09Г2ФБ и 17Г1СУ, подвергнутых коррозии в дизельном топливе (Дл), ЕН-590 (смесь керосиновой фракции с дизельной), керосине (Рт) в течение различных промежутков времени. сварной нефтеперерабатывающий магнитный
Металлографический анализ изменения структур металла вследствие коррозионного воздействия для описанных образцов показал, что, независимо от состава нефтесодержащей среды, в шве и зоне термического влияния (ЗТВ) изменений структуры не обнаруживается, а в зоне основного металла коррозия распространяется по всей его поверхности и постепенно проникает вглубь металла, поражая грани зерен.
Степень коррозионного разрушения СС в таком случае сопряжена со скоростью коррозии основного металла.
На рисунке 1 приведены данные о скорости коррозии перечисленных соединений в различных средах.
Рисунок 1 - Скорость коррозии СС в различных средах.
На основе анализа приведенных данных можно сделать вывод, что, независимо от состава агрессивной среды, наиболее активно разрушаются однородные СС из стали 17Г1СУ, а соединение ее с 09Г2ФБ способствует снижению скорости коррозии, в связи с чем применение разнородных сварных соединений, работающих в углеводородных средах, оказывается весьма целесообразным с точки зрения снижения интенсивности разрушения материала более низкого класса прочности.
Кроме того, выявлено снижение скорости коррозии с увеличением времени пребывания образцов в среде, что связано с образованием на поверхности образца тонкой пленки нерастворимого сульфида железа, являющегося продуктом реакции последнего с сероводородом.
Исследования изменений механических свойств однородных и разнородных сварных соединений из сталей 09Г2ФБ и 17Г1СУ показали, что коррозия практически не оказывает влияния на твердость сварных соединений, а величина ударной вязкости под действием агрессивных сред снижается вследствие охрупчивания границ зерен из-за активного окисления.
Зависимости значений ударной вязкости СС от состава коррозионной среды и от времени пребывания в ней образцов приведены на рисунке 2.
Рисунок 2 - Изменение ударной вязкости в зависимости от состава и длительности воздействия коррозионной среды.
Приведенные графические зависимости позволяют сделать вывод, что на величину ударной вязкости оказывает существенное влияние как состав коррозионной среды, так и продолжительность ее воздействия.
Наиболее агрессивной по отношению ко всем СС средой является керосин, снижающий ударную вязкость СС в среднем в 7 раз за 180 дней пребывания в нем.
По результатам фрактографического анализа сварных образцов, подверженных коррозии, установлено, что воздействие нефтесодержащей среды оказывает влияние на процесс разрушения СС.
Вследствие коррозии на изломах сварного шва наблюдается охрупчивание, которое проявляется в сглаживании рельефа поверхности разрушения, отсутствии явно выраженных борозд на изломе и уменьшении вязких ячеек на поверхности разрушения.
Таким образом, в случае повреждения агрессивной средой металла по всей толщине, при его разрушении будет превалировать хрупкий механизм. Следовательно, при определении срока службы СС ТУ и количественной оценки их остаточного ресурса, необходимо учитывать снижение ударной вязкости вследствие коррозионного разрушения.
Взаимосвязь структурных изменений поврежденного металла с изменением его магнитных свойств установлена на основе анализа зависимости величины коэрцитивной силы для каждого вида соединения от характера и продолжительности воздействия коррозионной среды.
Величины коэрцитивной силы определялись в зонах шва и основного металла однородных и разнородных СС из 17Г1СУ и 09Г2ФБ, исследования ЗТВ не производились вследствие установленного в результате металлографического анализа отсутствия в них структурных изменений, вызванных коррозией.
В ходе исследования названных образцов СС в агрессивных средах получены зависимости величины коэрцитивной силы от характера и продолжительности воздействия коррозионных сред, графически представленные на рисунке 3.
В ходе исследований установлено, что величина коэрцитивной силы при воздействии на СС агрессивных сред снижается вследствие того, что легирующие элементы образуют с компонентами среды химические соединения, обладающие малым ее значением, и незначительно зависит от длительности коррозии, а также от состава нефтесодержащей среды. На основании полученных данных строят калибровочные зависимости
Идентификация предельного значения степени повреждаемости СС, соответствующего изменениям в его структуре, при которых эксплуатация соединения сопряжена с высоким риском, производилась на основе анализа степени деградации структуры.
а)
б)
Рисунок 3 - Влияние времени пребывания СС в агрессивной среде на величину коэрцитивной силы:
а) длительность коррозии 90 дней;
б) длительность коррозии 180 дней.
Идентификация предельного значения степени повреждаемости СС, соответствующего изменениям в его структуре, при которых эксплуатация соединения сопряжена с высоким риском, производилась на основе анализа степени деградации структуры.
Для количественной оценки предельного состояния СС использовались результаты мультифрактальной параметризации (МФП) [1], для чего производился анализ изменения адаптивности структуры поверхностей изломов корродированных образцов с различной степенью разрушения.
Рассчитанные с учетом критических параметров мультифрактального множества для всех образцов максимальная мера и запас адаптивности структур к внешнему воздействию сравнивали с величинами на соответствующих фрактальных картах адаптивности [2], принимая, что при расположении значений мультифрактальных параметров на фрактальной карте в области пластической деформации СС находится в устойчивом состоянии, а за ее пределами происходит смена механизма адаптации и соответствующее ей хрупкое разрушение.
На основе полученных результатов для образцов, параметры которых лежат за пределами области пластической деформации, определяется критическое значение коэрцитивной силы.
Сопоставляя данные об изменении величины коэрцитивной силы в зависимости от длительности и среды коррозии с ее критическим значением, предоставляется возможным определить промежуток времени, в течение которого структура достигнет уровня, соответствующего смене механизма адаптации, на основании чего вывести расчетные зависимости для количественной оценки остаточного ресурса.
Литература
1. Иванова В.С., Закирничная М.М., Кузеев И.Р. - Синергетика и фракталы. Универсальность механического поведения материалов. - Уфа, 1998
2. Кондрашова О.Г. Определение ресурса безопасной эксплуатации нефтегазового оборудования путем оценки адаптивных свойств металла по изменению его магнитных характеристик. - Автореферат диссертации на соискание уч. степени к.т.н., - Уфа, 2006,24с.
Аннотация
УДК 620.19:621.791
Исследование коррозионного поведения сварных соединений технологических установок с целью оценки их остаточного ресурса. И. Р. Кузеев, Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет, г. Уфа,
Е.В. Пояркова, Л.С. Диньмухаметова, Орский гуманитарно-технологический институт (филиал) ГОУ «Оренбургский государственный университет», г. Орск, Opd@ogti.ru, mtm@ogti.orsk.ru
Предложена методика количественной оценки остаточного ресурса сварных соединений нефтегазового оборудования на основе анализа изменений их магнитных характеристик вследствие агрессивного воздействия нефтесодержащих сред.
Приведены установленные зависимости величины коэрцитивной силы однородных и разнородных сварных соединений из сталей 09Г2ФБ и 17Г1СУ от характера и продолжительности воздействия коррозионной среды, на основании которых представляется возможным выведение расчетных функций для реализации описанной методики.