5.4.97. Особенности оценки ресурса безопасной эксплуатации оборудования для переработки нефти

Большая часть нефтегазохимического оборудо­вания (НХО) представляет собой сварные конструк­ции оболочкового типа: сосуды, аппараты и трубо­проводы. В них осуществляются процессы массообмена (перегонка, ректификация, экстракция, ад­сорбция, десорбция, синтез), тепловые процессы (нагревание, охлаждение, выпаривание, конденса­ция) и процессы химической переработки нефти, нефтяных продуктов, газов, конденсата. Типич­ным представителем оборудования нефтегазохими­ческого производства являются цилиндрические сосуды, состоящие из нескольких вальцованных обечаек с днищами сферической или эллиптиче­ской формы, люками и штуцерами. Из них верти­кальные аппараты составляют по массе 60...70 % от всей аппаратуры.

В соответствии с требованиями Федерального закона № 116-ФЗ "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" нефтегазо- химическое оборудование относится к категории опасных производственных объектов. Установлены пять признаков, определяющих опасность произ­водственного объекта. Из них НХО часто присущи несколько из них, в частности факторы опасности рабочей среды по пожаро- и взрывоопасности, токсичности и т. д. Кроме того, сосуды, аппараты и трубопроводы работают под давлением и в усло­виях воздействия повышенных температур. Отме­тим также, что существующими нормативно-тех­ническими документами регламентировано проведение экспертизы промышленной безопасности длительно проработавшего оборудования.

Работы технического диагностирования длитель­но проработавшего оборудования осуществляют в несколько этапов.

• Контроль и оценка технического состояния оборудования проведением экспертного обследова­ния, т. е. проверку соответствия параметров каче­ства оборудования требованиям нормативно-тех­нической документации по промышленной безо­пасности.

• Поиск мест и анализ механизмов повреждений, определение причин возможных отказов вследст­вие их развития.

• Прогнозирование технического состояния, т. е. определение технического состояния обследуемого объекта на предстоящий интервал времени (ресур­са) эксплуатации.

Проведение первого, наиболее важного, этапа ра­бот предполагает получение достоверной инфор­мации о фактическом состоянии конструктивных элементов оборудования: степени износа и дефект­ности, соответствия свойств материала и геомет­рических размеров элементов установленным нор­мам и др.

Специфическими особенностями оборудования для переработки нефти и газа являются следующие:

• параметры эксплуатации: рабочая температу­ра, давление и рабочая среда, охватывающие очень широкие интервалы и весьма различные по воз­действию на материал;

• в силу конструктивных особенностей обсле­дуемых объектов имеются большие поверхности контакта металла с рабочей средой, которая может проявлять коррозионную и эрозионную активности;

• мелкосерийный тип сварочного производст­ва наряду с крупногабаритностью изделий.

Степень агрессивности рабочих сред обусловле­на, с одной стороны, обводненностью и содержани­ем кислых компонентов, сернистых, сероводород­ных и хлористых соединений, с другой — наличием коррозионно-активных компонентов в реагентах в процессах подготовки и переработки рабочих сред.

Перечисленные в п. 1 и 2 доминирующие факто­ры обусловливают высокую степень напряженно­сти конструктивных элементов, нестационарность нагружения и коррозионную активность рабочих сред.

Нефтегазохимическому оборудованию присущи разнообразие по конструктивному оформлению (цилиндрические, конические, сферические и т. д.) и по применяемым методам формоизменяющих операций при изготовлении и ремонте, а также применение весьма широкого спектра конструк­ционных материалов с различной свариваемостью и большая протяженность сварных швов. Вследствие сложных условий работы металла НХО оценка его технического состояния должна осуществляться по комплексу диагностических па­раметров неразрушающими и разрушающими ме­тодами контроля. Цель неразрушающих методов контроля при технической диагностике (ТД) сводит­ся к обнаружению дефектов, а при прогнозирова­нии ресурса дальнейшей эксплуатации необходи­мо опираться на данные о реальной дефектности конструктивных элементов обследуемого оборудо­вания. При использовании всех методов неразру- шающего контроля при дефектоскопии не опреде­ляют реальные виды дефектов, и практически раз­меры достоверно не измеряют. Ни один из методов не дает информации о степени опасности обнару­женного дефекта, за исключением метода акусти­ческой эмиссии (АЭК).

Программа диагностирования должна быть со­ставлена с учетом перечисленных реальных фак­торов эксплуатации. Перечень диагностических работ традиционен. При этом перед экспертами всегда возникает вопрос: какой объем диагности­рования достаточен, т. е. каков необходимый дос­таточный уровень диагностирования?

По результатам выполненных работ по первому этапу ТД определяется один из видов технического состояния: работоспособное (когда объект способен выполнять заданные функции, соответствующие требованиям нормативно-технической и конструк­торской документации), исправное, неисправное или неработоспособное в данный момент времени.

Важнейшим направлением решения проблемы обеспечения промышленной безопасности нефте­химических производств является дальнейшее со­вершенствование методологии оценки ресурса обо­рудования.

Здесь возможны два подхода к решению этого вопроса. Первый подход — это определение ресур­са с вероятностью сохранения работоспособного состояния оборудования на заданный интервал времени до следующей ТД, в пределах которой обес­печивается безопасность эксплуатации (ресурс безо­пасной эксплуатации). При втором подходе в ре­зультате расчетов устанавливается индивидуальный остаточный ресурс оборудования, когда с определен­ной вероятностью прогнозируется продолжитель­ность эксплуатации, в течение которой сохранится работоспособное состояние, т. е. исключается пе­реход в предельное состояние при установленных режимах и условиях эксплуатации. Научившись оп­ределять критерии предельного состояния наибо­лее нагруженных конструктивных элементов НХО (обечаек, днищ, переходов, отводов, люков, пат­рубков, штуцеров и т. п.), можно было бы наибо­лее достоверно определять остаточный ресурс дли­тельно проработавших опасных производственных

объектов по результатам ТД. При этом весьма важно, насколько адекватно полученные результаты диаг­ностирования отражают реальное техническое со­стояние НХО.

Начиная с 1990-х гг. нами проведено техниче­ское диагностирование более 2700 единиц обору­дования НПЗ и НХЗ Республики Башкортостан.

В решении проблемы повышения и длительно­го обеспечения ресурса безопасной эксплуатации НХО можно выделить, учитывая реальные условия эксплуатации, две главные задачи: обеспечение сопротивляемости хрупкому разрушению и меха- нокоррозионной прочности. Успешное решение этих задач зависит от свойств применяемых мате­риалов, уровня технологии изготовления оборудо­вания, напряженно-деформированного состояния и эксплуатационных условий.

Большая часть (до 80...85 %) оборудования из­готовляется из углеродистых сталей (марок СтЗ, 10, 20, 20К, 20ЮЧ) и низколегированных марган­цовистых и марганцово-кремнистых сталей (марок 16ГС, 17ГС, 09Г2С, 10Г2С1Д, 09Г2СЮЧ и др.). Они относятся к сталям, хорошо свариваемым практи­чески всеми видами сварки плавлением, у них высо­кая стойкость к образованию холодных и горячих трещин — лишь на участках перегрева может воз­никнуть крупнозернистая видманиггетгова структу­ра с незначительным упрочнением при нарушении технологических режимов сварки. Условия эксплуа­тации такого оборудования, как правило, соответ­ствуют условиям статического нагружения: темпе­ратурные условия эксплуатации не вызывают су­щественных структурно-механических изменений, и, в основном, при длительной эксплуатации на­блюдается сплошная равномерная коррозия металла стенок конструктивных элементов оборудования.

Р есурс безопасной эксплуатации при этом впол­не обоснованно назначается в пределах 8... 10 лет. Однако у длительно проработавших пропановых емкостей из сталей марок 20К и 09Г2С объемами 100... 150 м³ при рабочем давлении 0,2 МПа выяв­лены вздутия и пузыри за счет проникновения ато­марного водорода в расслоения металла посередине листового проката (рис. 1),

в результате чего возникают проблемы с продлением ресурса безопас­ной эксплуатации для емкостного оборудования из стали обыкновенного качества марки СтЗкп. Для этих видов оборудования особенно важно вы­полнение нормативных требований по остановке, пуску и гидроиспытанию в зимнее время, а также недопущение эксплуатации под рабочим давлени­ем при температуре стенки сосуда, соответствую­щей отрицательной температуре окружающей сре­ды. При выявлении расслоения металла (например при ультразвуковой толщинометрии) для продления ресурса эксплуатации оборудования весьма важно определение области его распространения и распо­ложения расслоения ликвационных полос. Нельзя допускать выхода несплошностей металла этих ви­дов на свободную поверхность или в околошовные зоны сварных швов.

Наиболее устойчивы к длительному воздействию высокой температуры, рабочих нагрузок и корро- зионно-активной рабочей среды теплоустойчивые (марки 12ХМ), жаропрочные (марки 15Х5М), корро­зионно-стойкие ферритные (марки 08X13) и аусте- нитные (марки 08X18НЮТ) стали. Однако в этих сталях необратимые процессы, происходящие под действием термодеформационных циклов сварки, определенным образом влияют на надежность обо­рудования в целом.

Под действием сварки происходят:

• изменение свойств металла вследствие про­цессов плавления, структурных и фазовых измене­ний с охрупчиванием или разупрочнением в свар­ном шве и зоне термического влияния;

• ухудшение напряженного состояния вследст­вие возникновения в зоне сварного соединения раз­личных видов неоднородностей со значительным градиентом этих неоднородностей: химической, структурной, фазовой; полей собственных упругих (остаточные напряжения) и пластических деформа­ций; геометрической, связанной как с опасностью возникновения технологических концентраторов, так и наличием конструкционных концентраторов.

Как следствие указанных видов неоднородности, возникает повышенная чувствительность сварных соединений к воздействию эксплуатационных сред. Например, в сероводородсодержащих средах весь­ма опасны фазово-структурные изменения металла при сварке низколегированных сталей, сопровож­дающиеся образованием структур закалочного типа, склонных к водородному охрупчиванию и растрескиванию.

Применение конструкционных углеродистых и низколегированных сталей повышенной и высокой прочности с плакирующим слоем из высоколеги­рованной стали актуализирует проблему структур­но-механической неоднородности. Под действием термодеформационных циклов сварки происходят

неблагоприятные структурно-механические изме­нения с охрупчиванием или разупрочнением.

В табл. 1 приведены характеристики технологи­ческого оборудования, результаты анализа которых приведены ниже.

При визуально-измерительном контроле испа­рителя низкого давления К-4 (срок эксплуатации 55 лет), изготовленного из биметалла СтЗ + 08X13, и ректификационной колонны К-3 (срок эксплуата­ции 23 года), изготовленной из биметалла 16ГС + + 08X13, выявлены сквозные трещины на обечайке корпуса аппарата длинами до 1200 мм и до 700 мм соответственно. Эти трещины образовались при вы­полнении ремонтных сварочных работ при вварке латки к корпусу аппарата без последующей терми­ческой обработки для снятия сварочного напряже­ния на месте вырезки бездействующего штуцера. Механические свойства основного металла по проч­ности, пластичности и ударной вязкости в обоих случаях соответствовали требованиям норматив­ных документов. Однако временные сопротивле­ния разрыву двухслойных сталей были ниже нор­мативных требований и составляли 0,75 и 0,90 от предела прочности основного металла

Аналогичные ухудшения прочностных свойств были выявлены у изготовленного из биметалла 15М + 08X13 (табл. 2) корпуса колонны К-2 (срок эксплуатации 55 лет) фляшинга высокого давления установки термического крекинга, работающей при более жестких условиях эксплуатации. Механические свойства биметалла 15М + 08X13 корпуса колонны по прочности, относительному удлинению, удар­ной вязкости и углу загиба не соответствуют тре­бованиям НТД (эти значения выделены полужир­ным шрифтом). Образцы разрушались хрупко без пластической деформации, относительное удлине­ние §₅ и сужение составило 0...2 %. Существенно изменяется показатель качества металла по коэффи­циенту К_т = ст_т/а_в, который приближается к пре­дельно допустимому значению для металла труб нефтегазопроводов, равному 0,9.

Отмеченные изменения механических свойств могут быть объяснены неблагоприятными струк­турно-механическими превращениями, происшед­шими при длительной эксплуатации в плакирую­щем слое из коррозионно-стойкой стали 08X13 и в зоне сплавления разнородных металлов биметал­лического проката (рис. 2). Для них характерна ярко выраженная структурно-механическая неоднород­ность, и механизм таких повреждений имеет свои отличительные признаки в зависимости от типа ста­ли. На поверхности плакирующего слоя из корро- зионно-стойкой стали 08X13 наблюдается дефор­мированная структура со следами диффузии сер­нистого нефтепродукта. Структура, в основном, дуплексная, феррито-ферритокарбидная, с четко вы­раженными границами зерен неравновесной фор­мы ближе к линии сплавления разнородных ста­лей. Наблюдается выделение карбидов в основном по границам'зерен. Зона соединения слоев биме­талла характеризуется наличием науглероженной зоны карбидов шириной 0,12...0,15 мм с переходом на участки металла с неравновесной мартенситной структурой и микротвердостью до 260...360 единиц. Одновременно происходит обезуглероживание ос­новного металла из теплоустойчивой стали 15М на глубину до 0,34...0,70 мм. Микротвердость на фер- ритных (светлых) крупнозернистых участках обез­углероживания понижается до 95... 120 единиц. Структура основного металла корпуса колонны из стали 15М существенных изменений не претерпела. Отмеченные структурно-механические изменения способствуют существенному ослаблению межслой- ной связи и соответственно ухудшению прочност­ных и вязко-пластических свойств биметалла.

Трубчатые нагревательные печи являются наи­более тегоюнапряженными объектами установок переработки нефти. Была обследована печь ката­литической конверсии углеводородных газов с це­лью получения водорода или обогащенного водо­родом газа для производства аммиака и водорода (Г_раб = 700...840 "С, давление 1,7 МПа). Вертикаль­ные реакционные центробежнолитые трубы вы­полнены из коррозионно-стойкой стали марки 45Х25Н20С. В этих печах наблюдаются частые слу­чаи выхода из строя реакционных труб из-за интен­сивной коррозии их наружной поверхности в то­почной атмосфере. Срок службы не превышает двух лет, а в отдельных случаях составляет менее года.

Вид макроструктуры шлифа из демонтированной трубы, имеющей сквозное разрушение, характерен для транскристаллизации, т. е. столбчатые кристал­лы развиваются через все стенки поврежденной при эксплуатации трубы (рис. 3). Проведенные ис­следования показали, что рабочие поверхности труб чрезмерно насыщаются азотом, образуются хрупкие соединения, и микротвердость карбонит- ридных фаз составляет 893... 1013 единиц при твер­дости основного металла 223...244 единицы. Азот, накопленный в толще металла, с повышением тем­пературы увеличивает внутреннее давление и созда­ет высокое внутреннее напряжение, которое вызы­вает растрескивание (рис. 4) и образование отдулин в трубе. По длине труб наблюдается концентрация азота в средней части в пределах 0,8...1,10 % при нормальной концентрации 0,03...0,05 %. Диффузией азота и углерода, которые образуют карбонитрид- ные фазы с высокой твердостью, охрупчивающие материал труб и снижающие его коррозионные свой­ства, можно объяснить преждевременные корро­зионные растрескивания реакционных труб печи конверсии.

В заключение необходимо отметить, что при ре­шении задачи продления и определения ресурса безопасной эксплуатации оборудования переработ­ки нефти остаются актуальными:

• поиск методов и средств определения участ­ков, в наибольшей степени подверженных риску возникновения повреждений металла: особенно для трещин и трещиноподобных дефектов;

• недостаточность информации о свойствах ме­талла с учетом явлений технологического наследо­вания при изготовлении и деформационного ста­рения при эксплуатации;

установление взаимосвязи между свойствами металла и физическими явлениями, на которых основаны неразрушающие методы диагностирования оборудования;

— необходимость разработки методики диагно­стирования технического состояния и определе­ния ресурса безопасной эксплуатации колонной аппаратуры, изготовленной из биметалла с плаки­рующим слоем из коррозионно-стойкой стали марки 0813.