РОЗДІЛ 2
ДОСЛІДЖЕНІ МАТЕРІАЛИ ТА ВИКОРИСТАНІ МЕТОДИКИ
2.1. Досліджені матеріали
Вибір матеріалів для досліджень здійснили на основі аналізу проблем, які
виникли в енергетиці та нафтохімії в зв’язку з вичерпуванням розрахункового
ресурсу значної частини устаткування на експлуатованих об’єктах. Досліджували
сталі, широко вживані для виготовлення обладнання для ряду технологічних
процесів, зокрема, парового риформінгу, гідрокрекінгу нафти та експлуатації
паропроводів ТЕС. Кожен з них протікає за регламентованих відповідними
інструкціями умов, які і визначають вимоги до конструкційних матеріалів.
Зокрема, отримання водню відбувається внаслідок процесу низькотемпературного
риформінгу за температури 850 оС та тиску ~1,85 МПа, гідрокрекінг нафти - за
температури 450 оС і тиску ~15...16 МПа, експлуатація паропроводів ТЕС - за
температури до 570 оС і тиску пари до 14 МПа. За різних температурно-силових
умов протікання цих технологічних процесів спільним для них є те, що
відбуваються вони в наводнювальних середовищах. Жорсткі експлуатаційні умови
сприяють деградації матеріалів, яка погіршує їх властивості. Щоб оцінити вплив
деградації порівнювали властивості сталей у вихідному стані та після певної
тривалості експлуатації. Перелік досліджених сталей з розшифровкою їх хімічного
складу наведено в таблицях 2.1 та 2.2. Жароміцну сталь НК–40 широко
використовують в інженерних конструкціях хімічної промисловості, зокрема, для
виготовлення реакційних труб печей риформінгу з використанням методу
відцентрового литва. Механічні властивості сталі НК–40 змінюються вже після
кількох тисяч годин експлуатації [5] (Рис. 2.1).
Розрахунковий ресурс реакційних труб печей риформінгу становить 105 год, хоч
насправді тривалість експлуатації таких об’єктів досить часто є значно меншою.
Зрозуміло, що лише надійне прогнозування їх залишкового ресурсу на будь-якому
етапі їх експлуатації дозволить забезпечити неперервність виробничого процесу.
Щоб оцінити степінь деградації властивостей експлуатованого металу, дослідили
сталь НК-40 у вихідному стані (варіант 1) та після її експлуатації в печах
риформінгу впродовж 75400 год (варіант 2).
Таблиця. 2.1.
Хімічний склад сталі з реакційних труб печей риформінгу
Марка сталі,
Вміст елементів, %
п/п
стан
Mn
Si
Cr
Ni
Ti
1.
НК–40, варіант 1
0,35
0,51
1,32
0,021
24,6
20,6
2.
НК–40, варіант 2
0,45
0,57
1,22
0,031
22,5
19,6
0,3
Таблиця 2.2.
Хімічний склад теплостійких сталей
Марка
Вміст елементів, %
сталі
Si
Mn
Cr
Mo
Ni
12Х1МФ
0,10
0,019
0,015
0,26
0,54
1,10
0,17
0,26
15Х2МФА
0,15
0,015
0,012
0,25
0,45
2,75
0,25
0,70
0,40
14МоV63
0,18
0,030
0,025
0,32
0,64
0,39
0,23
0,54
0,15
Для збільшення виходу світлих і легких фракцій при переробці сирої нафти широко
використовують каталітичний процес деструктивної гідрогенізації (гідрокрекінг).
Для виготовлення корпусів реакторів для гідрокрекінгу нафти в країнах
пострадянського простору було вирішено використати конструкційну теплостійку
сталь 15Х2МФА, як одну з найстабільніших серед корпусних матеріалів для атомних
реакторів в енергетиці, робоча температура в яких ~320 °С.
Її використання за інших умов експлуатації вимагало проведення комплексної
програми досліджень властивостей цієї сталі за умов високотемпературного впливу
водню, як робочого середовища. Сталь досліджували після заводської термообробки
(гартування у воду від 1050 оС з тригодинним відпуском за температури 740 оС)
товстолистового (240 мм) прокату.
Рис. 2.1.
Зміна механічних характеристик міцності та пластичності сталі НК-40 в
залежності від тривалості її експлуатації top в печах риформінгу [5].
З огляду на те, що сьогодні більшість об’єктів теплоенергетики в Україні
працюють на практично зношеному устаткуванні, розрахунковий ресурс якого вже
вичерпано, або ж на межі вичерпування, виникає проблема обгрунтування
можливості їх подальшої експлуатації. Загострює ситуацію в галузі зростання
частоти пошкоджень елементів конструкцій, які за експертними висновками
відносять до так званих “бездеформаційних”. За зміною традиційних інтегральних
механічних показників таких як міцність, пластичність, тривала міцність,
залишкова деформація передбачити їх не вдається. Зокрема залишкова деформація
зруйнованих елементів паропроводів є майже на порядок меншою за нормований в
галузі критичний рівень. Отже, для їх прогнозування потрібна всебічна і
достовірна інформація про властивості деградованого металу на будь-якому етапі
його експлуатації. Проте багатофакторність експлуатаційних впливів та
відмінність технологічних параметрів експлуатації на різних об’єктах ускладнює
аналіз та узагальнення інформації про причинно-наслідкові зв’язки виробничих
пошкоджень. Об’єктом досліджень були маловуглецеві малолеговані конструкційні
теплостійкі сталі 12Х1МФ, 14MoV63, які широко використовують для виготовлення
промислових паропроводів на підприємствах теплоенергетики. Механічні
властивості сталей наведено в таблиці 2.3. Сталь 12Х1МФ у вихідному стані
пройшла типову для труб заводську термообробку (нормалізація на повітрі від 980
оС з тригодинним відпуском при 740 оС).
Таблиця 2.3.
Механічні властивості досліджених сталей
Марка сталі
sВ, МПа
s0,2, МПа
e, %
Y, %
12Х1МФ
445
285
30
74
15Х2МФА
615
495
25
79
14MoV63
535
345
27
75
Метал для досліджень вирізали безпосередньо із паропроводів, які впродовж
різного терміну експлуатувались на теплових електростанціях України та
Югославії. Тривалість та температурно-силові параметри експлуатації
досліджуваних матеріалів наведено в таб