Изменение напряженно-деформированного состояния змеевиков печей пиролиза в процессе эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

А. Г. Чиркова (к.т.н., доц.), И. Р. Кузеев (д.т.н., проф.),

С. В. Попова (асс.) , А. Н. Васильев (асп.)

Изменение напряженно-деформированного состояния змеевиков печей пиролиза в процессе эксплуатации

Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра «Технологические машины и оборудование»

450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1, тел. (347) 2431137, e-mail: [email protected]

A. G. Chircova, I. R. Kuzeev, S. V. Popova, A. N. Vasilyev

The deflected mode changing of pyrolysis oven pipe in exploitation process

Ufa State Petroleum Technological University

1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2431137, e-mail: [email protected]

Рассмотрено влияние квазимногослойной оболочки (КМО), образующейся в процессе диффузии углерода в поверхностные слои стали 20Х23Н18 при эксплуатации труб змеевиков печей пиролиза, на механические характеристики стали. Предложена расчетная модель оценки ресурса труб змеевиков реакционных печей с учетом формирования КМО при различном времени науглероживания. Показано, что в начальный период эксплуатации напряжения в науглероженном слое максимальны. С увеличением толщины науглероженного слоя напряжения начинают перераспределяться между металлической основой и науглероженным слоем, что приводит к улучшению деформационных характеристик стали.

Ключевые слова: деформационные характеристики; диффузия углерода; квазимногослой-ная оболочка; напряженно-деформированное состояние; остаточный ресурс.

It is described the influence of quasi-multilayer envelope, forming in carbon diffusion process to steel’s diffusion layer in pyrolysis oven pipe exploitation process, on mechanical properties. It is recommended the calculation model of pyrolysis oven pipe resource evaluation with allowance for quasi-multilayer envelope forming at different time of diffusion process. It is preset that in initial period of exploitation the stress into carburized layer is highest. With increasing carburized layer thickness stress redistribution set going metal matrix and carburized layer between, that reduce to improvement deformation steel properties.

Key words: deformation properties; deflected mode; carbon diffusion process; quasi-multilayer envelope; residual life.

Известно, что диффузия является важной стадией физико-химических превращений, протекающей в различных средах. Процессом диффузии и сопутствующими явлениями (адсорбцией, объемными реакциями и др.) в значительной степени определяется реальное распределение элементов, химических соединений и фаз, обеспечивающее то или иное распределение физических свойств сложных материалов.

Для достижения высоких технико-экономических показателей работы трубчатых печей первостепенное значение имеет повышение эксплуатационной надежности змеевиков. При проектировании необходим учет объемноструктурных напряжений в результате образования новых фаз, часто приводящих к разру-

Дата поступления 14.02.11

шению металла труб. Изучение напряженно-деформированного состояния змеевика позволило установить, что механизмы адаптации к внешним нагрузкам связаны с геометрическими и физическими неоднородностями конструкции. Физическая неоднородность возникает в трубах змеевика в результате диффузионного распределения углерода по толщине стенки. По наружной поверхности труб происходит выгорание углерода и образование поровой структуры, а по внутренней поверхности наблюдается интенсивная диффузия углерода из зоны контакта с коксом. Эти два процесса во времени формируют квазимногослойную оболочку, которая по своим свойствам существенно может отличаться от первоначальной оболочки. На рис. 1 показана модель квазимногослой-ной оболочки, которая позволяет определить

ее напряженно-деформированное состояние на различных этапах технологического процесса.

Рис. 1. Расчетная схема квазимногослойной оболочки: 1 — основной слой оболочки; 2 — слой образовавшегося кокса; 3 — науглероженный слой; 4 — обезуглероженный слой, N — осевая сила, М — изгибающий момент, Т — температура

Рассмотрим систему, в которую входит оболочка, ограничивающая реакционное пространство, необходимо рассмотреть несколько характерных температур. Температура Т3 задается с целью обеспечения температуры То в реакционном пространстве. Температуры Т2 и Т — температуры на внутренней и внешней поверхности оболочки соответственно. Для нормального функционирования процесса необходимо выполнение следующего условия: Т3> > Т2 > Т > То. Условие выполняется за счет процесса теплообмена от источника тепла через стенку оболочки к реакционной среде. Отложение кокса изменяет условия теплообмена. Поскольку кокс является изолятором и плохо передает тепло, для обеспечения температуры Т0 приходится увеличивать температуру источника тепла Т3. Соответственно будут увеличиваться температуры Т и Т2 . Для обеспечения Т0 =700—800 оС при наличии кокса Т2 достигает 1000—1100оС.

С увеличением толщины карбидного слоя (при постоянной доле карбидов) напряжения в нем падают, а напряжения в основном металле повышаются. При небольшой толщине наугле-роженного слоя напряжения в науглерожен-ном слое максимальны, что приводит к чешуйчатому отслоению науглероженного слоя при накоплении повреждений по механизму термосилового усталостного и длительного статического деформирования 1. С увеличением объемной доли карбидов в науглероженном слое (при постоянной его толщине) напряжения растут по всей толщине стенки трубы. М. М. За-кирничной установлено, что количество углерода пропорционально количеству образующихся фуллеренов в результате диффузион-

ных процессов. В то же время в работах 2-4 показано, что при формировании фуллеренов с увеличением времени науглероживания в приповерхностных и поверхностных слоях металла происходит замедление диффузионных процессов и внедрения углерода во внутренние слои металла. Ранее было установлено, что фуллерены участвуют в процессах адаптации системы на внешнее воздействие и являются самоорганизующимися структурами. Формирование фуллеренов приводит к снижению уровня напряжений в науглероженном слое и на границе «металлическая основа — науглероженный слой», а также перераспределению напряжений внутри сечения образца.

Таким образом, обобщенно можно сказать, что влияние науглероженного слоя на напряженно-деформированное состояние змеевика имеет сложный характер и зависит как от толщины науглероженного слоя, так и от объемной доли различных химических соединений углерода и атомов железа в нем. Это приводит к резкому изменению механических свойств образцов стали 20Х23Н18, что сказывается на пределе их выносливости.

Цикличность прилагаемых нагрузок на трубы змеевика печи определяется необходимостью периодического выжига откладывающегося на внутренней поверхности труб кокса.

В общем виде характер циклического нагружения змеевика показан на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость амплитуды условных напряжений от времени

В соответствии со схемой нагружения имеет место накопление усталостных повреждений от двух автономных факторов: термосилового воздействия рабочих параметров давления и температуры (А) и от воздействия подвижного фронта пламени в процессе выжига кокса (Б).

Напряжения аа1 будут определяться действием внутреннего давления, неравномерного температурного поля в системе и геометрической (физической) неоднородностью конструкции и металла.

Напряжения аа2 определяются скоростью движения фронта пламени, температурой в очаге горения и наличием концентраторов напряжения, связанных с разнотолщинностью ремонтных соединений труб, локальными участками потери устойчивости формы.

Физико-механические свойства конструкционного материала труб змеевика связаны с формированием квазимногослойной оболочки. Проведенные исследования позволяют оценить интегральные характеристики этой системы.

Анализ НДС труб змеевика показывает, что деформирование преимущественно происходит в упруго-пластической области. В качестве модели суммирования повреждений принята линейная модель типа Пальмгрена—Майнера 5:

Mi

= 1

1

100

(4Np )m +

-----rln-

1 + r 100-w't

A *

1 - r

t

кмо

a

-1

где

ала КМО;

1

'В

Et кмо — модуль продольной упругости матери-

Укмо — относительное сужение материала КМО; а* — предел выносливости на базе 106 циклов;

С* — предел прочности;

Шр — характеристика материала; г* — коэффициент асимметрии цикла.

Поскольку циклическое деформирование труб змеевиков происходит в результате реализации от нулевого цикла изменения параметров г* = 0, уравнение (2) будет иметь вид:

a

1

100

ea =

(4Np )m 1П100 -W\

t

кмо

Л a 1 1 + ^ ав

t

кмо

(3)

или с учетом a-1 = 0.4a 1 , 100

e„ =-----------ln-

я (4Np )mp 100 -w\

t

кмо

0,285 —

(4)

(1)

где Npi — разрушающее число циклов от г-го фактора;

Ni — реальное число циклов действия г-го фактора.

Поскольку эксплуатационные деформации (напряжения) от силовых и температурных факторов в настоящей работе определены при решении задачи в упругой и упруго-пластической постановке, то, как указывается в работе 6, независимо от циклических свойств металлов разрушающие амплитуды деформаций и напряжений для конструкции при заданном числе циклов до разрушения Ыр по критерию усталостного разрушения определяются по формуле:

Поскольку действие фактора Б происходит в пределах 10—20 с, то формула (4) может быть применена для расчетов разрушающих циклов. Для оценки влияния КМО на механические характеристики материала были поставлены эксперименты на образцах из стали 20Х23Н18, длительное время отработавшей в условиях змеевика печи пиролиза углеводородов. Образцы цилиндрической формы изготавливались согласно чертежу (рис. 3).

60

(2)

Рис. 3. Цилиндрический образец

Науглероживание проводилось в среде кокса с установки замедленного коксования при температуре 950 оС в муфельной печи. В металлический ящик, изготовленный из жаропрочной стали, помещалось по 4 образца так, чтобы каждый образец был изолирован от другого образца и стенок ящика не менее чем на 2 см слоем кокса. Сверху толщина слоя кокса составляла 4 см для предотвращения контакта верхних образцов с кислородом воздуха. После процесса науглероживания производилась закалка образцов в холодной воде от температуры науглероживания.

t

Толщина науглероженного слоя контролировалась временем пребывания образцов в муфельной печи: 24 и 48 ч. Затем образцы подвергались разрушению при испытании на одноосное растяжение. Полученные при этом диаграммы использовали для получения зависимости прочностных свойств от относительной толщины науглероженного слоя. Измерение геометрии образцов до и после разрушения позволило рассчитать относительное сужение как функцию от толщины науглероженного слоя.

С увеличением толщины науглероженного слоя предел прочности, предел текучести и модуль Юнга изменяются по экстремальной зависимости. Это может быть связано с тем, что на первых этапах науглероживания сначала происходит формирование карбидов, дальнейшее накопление углерода приводит к формированию фуллеренов, что приводит к резкому падению скорости диффузии и увеличению прочностных свойств при некотором падении пластичности.

На рис. 4 показана зависимость модуля продольной упругости от относительной глубины науглероживания.

Е1кмо=359.7С2—454.8С+Е1о,

Рис. 5. Зависимость условного предела текучести от доли науглероживания

Рис. 6. Зависимость предела прочности от доли науглероживания

Эти зависимости имеют вид:

П г

= 171.6 •С2 -164.6 • С + ст002 (6)

'0,2 КМО

Рис. 4. Зависимость модуля Юнга от доли науглероживания

Полученную зависимость можно аппроксимировать следующим уравнением

(5)

где Е1:кмо — модуль продольной упругости при на-

личии науглероженного слоя, ГПа;

Е*„ — модуль продольной упругости в отсутствие науглероженной зоны,

С — относительная толщина науглероженного слоя ( 0 < С< 1).

Аналогичные зависимости получены для предела текучести а0.2 и предела прочности ав (рис. 5,6).

СТ КМО = 18.76•С2 -22.98• С + <тв0 (7)

где СТ 0 2 кмо — условный предел текучести при на-

личии квазимногослойной оболочки, МПа;

в КМО — условный предел прочности при наличии квазимногослойной оболочки, МПа;

0 ‘

ст — условный предел текучести при отсутствии науглероженного слоя, МПа;

СТ0 — условный предел текучести при отсут-

ствии науглероженного слоя, МПа.

Зависимость, полученная для относительного сужения, имеет вид:

У = У — 30.30 С

г КМО г О

(8)

где Укм, о — относительное сужение при наличии

науглероженного слоя;

— относительное сужение при отсутствии науглероженного слоя;

С — относительная толщина науглероженного слоя ( 0 < С< 1).

С учетом формул (5) и (8) уравнение (4) будет иметь вид:

= (£0 -0,024С) 1п_

100

(Щ )Ш +0,285 -стВ

100 - (УМ - 28,1 С)

(8)

= СТво (~)Шст ,

т

С учетом (9) и (10) расчетное уравнение для разрушающей амплитуды напряжений будет иметь вид

СТ

= (Е0 - 0,024С) 1п (4^р )Шр

100

100 -(Ум0 - 28,7С)| —

т ) (11)

В то же время при реализации фактора А имеется длительный период действия напряжений (деформаций) на фоне высоких температур. Поэтому при расчете разрушающих циклов нагружения необходимо учитывать повреждения по механизму длительной прочности.

Влияние высоких температур и времени деформирования т Н. А. Махутов 5 предлагает учитывать введением в уравнение типа (4) характеристик СТВ и у/ , зависящих от времени. Эти зависимости в первом приближении (что идет в запас прочности) аппроксимируются степенными уравнениями:

(9)

(10)

где то — время испытаний до разрушения при

кратковременном статическом нагружении (для пластичных сталей то = 0.05 ч);

ШСТ , Шу — параметры кривой длительной прочности пластичности данной стали, зависящие от температуры.

где Ь= ;

N — число реальных циклов нагружения.

Использование уравнений (1), (8) и (11)

позволяет оценить ресурс труб змеевиков реакционных печей с учетом формирования КМО.

Литература

1. Чиркова А. Г., Хаерланамова Е. А., Кузеев И. Р. Механика композиционных материалов и конструкций.— 2004.— Т.10, №2.— С.153.

2. Закирничная М. М. Образование фуллеренов в углеродистых сталях и чугунах при кристаллизации и термических воздействиях.— Уфа: Гилем, 2002.— 180 с.

3. Корнеева Ю. В. Структурные превращения в металлических частицах катализаторов в различных процессах синтеза УНТ/ Автореферат диссертации на соискание ученой степени физ.-мат. наук.— Москва, 2008.— 22 с.

4. Мутигуллин И. В. Особенности взаимодействия атомов углерода на поверхности и в объеме монокристаллов N1, Fe и сплавов на их основе/ Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. физ.-мат. Наук.— Москва, 2010. — 23 с.

5. Махутов Н. А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность: В 2 ч.— Новосибирск: Наука, 2005.— Ч.1: Критерии прочности и ресурса.— 494 с.

6. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение.— М.: Мир, 1984.— 624 с.