МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ УЗЛОВ НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ В СРЕДАХ, ВЫЗЫВАЮЩИХ НАВОДОРОЖИВАНИЕ

В последнее время вопросы надежности нефтехимической аппара­туры становятся особенно актуальными в связи с возрастанием доли добычи и переработки нефти и газа, содержащих значительные количества сероводорода, вызывающего наводороживание металла в процессе эксплуатации.

Наводороживание в общем случае может приводить к возникно­вению специфических дефектов, таких как трещины и пузыри на по­верхности металла и внутренние трещины и расслоения внутри ме­талла. При равном химическом составе сталей большое влияние на их устойчивость против водородного разрушения оказывают тип структуры, природа и распределение отдельных видов неметалличе­ских включений и уровень действующих на металл напряжений. Од­ним из наиболее опасных видов водородного разрушения является сульфидное растрескивание.

Чувствительность к водородному растрескиванию, начинающе­муся с поверхности (сульфидное растрескивание), в значительной мере определяется уровнем действующих на металл напряжений. Снижение последних ниже определенного уровня предотвращает воз­можность образования дефекта.

Для процесса водородного растрескивания, начинающегося во внутренних объемах металла, основное влияние на стойкость в на- водороживающих средах оказывают степень структурной и хи­мической неоднородности металла, вид и характер распределения неметаллических включений. Неметаллические включения, располага­ющиеся вытянутыми строчками и имеющие хорошо развитую поверх­ности увеличивают склонность к внутреннему водородному растре­

скиванию. В этом случае не на­блюдается какой-либо зависимос­ти от величины и знака напряже­ний [1]. Этот вид водородного рас­трескивания может быть весьма опасным, так как его начало очень трудно обнаружить. Наибольшее сопротивление внутреннему раст­рескиванию оказывает металл с минимальной химической и струк­турной неоднородностью. Указанные обстоятельства учитывались при изучении вопроса создания оборудования и прежде всего отдель­ных наиболее нагруженных его узлов, для переработки газа, содержа­щего сероводород и вызывающего в определенных условиях наводо - роживание металла при эксплуатации аппаратуры.

В настоящей статье приводятся результаты исследования и раз­работки новой конструкции и технологии изготовления штуцеров и люков аппаратуры, предназначенной для эксплуатации в средахt вызывающих наводороживание.

В качестве материала, наилучшим образом противостоящего внутреннему растрескиванию, выбрана сталь 20ЮЧ, модифицирован­ная церием и алюминием. В результате модифицирования в этой стали изменена природа неметаллических включений (их состав, форма, свойства и др.) и снижена зональная неоднородность по сере.

На рис. 1 показаны данные по устойчивости низколегированной стали 20ЮЧ в сравнении со сталью 20. Специфические свойства пер­вой в частности, устойчивость против сероводородного растре­скивания, в ряде случаев позволяют использовать ее для изготовле­ния оборудования переработки сероводородсодержащего газа вза­мен дефицитных нержавеющих сталей типа Х17Н13М2Т. Однако для наиболее нагруженных и ответственных деталей вопрос материально­го оформления остается в значительной мере проблематичным. Преж­де всего это относится к штуцерам и люкам аппаратов, являющихся концентраторами напряжений на корпусе сосудов. Учитывая, что одним из основных условий надежности материала против сероводо­родного растрескивания является минимальный уровень растягиваю­щих напряжений, целесообразна разработка такой конструкции уз­лов, материальное и технологическое оформление которых позволило бы обеспечить это условие.

В связи с этим была предложена многослойная конструкщ^ в которой решаются две взаимосвязанные задачи — высокая надеж­ность против сульфидного растрескивания и создание минимального уровня растягивающих напряжений на внутренней стенке конструк­ции. Это достигается подбором материалов по их основным свойствам и расположением слоев таким образом, чтобы внутренний слой обладал высокой устойчивостью против сероводородного растрески­вания,. а промежуточный — создавал бы во внутреннем слое, обра­щенном к агрессивной среде, напряжения сжатия. При этом основным несущим слоем в конструкции является наружный слой.

В результате проведенных комплексных исследований наиболее оптимальным вариантом многослойной композиции оказался мате­риал, состоящий из трех слоев.

Получение деталей из композитного материала производилось методом некапиллярной высокотемпературной пайкосварки. При этом был выполнен комплекс исследований по выбору оптимального зазо­ра пайкосварного соединения, определяющего толщину прослойки; по разработке технологии пайкосварки, включая подготовку поверх­ности; выбор флюса и способа его нанесения на сплавляемую поверх­ность; определение температурного режима проведения процесса пайкосварки и др. В процессе отработки технологических вариантов получения пайкосварного соединения установлено, что в случае го­ризонтального оплавления наблюдалось значительное загрязнение зоны оплавления с образованием большого количества флюсовых и шлаковых включений, пор, рыхлот и несплавлений, в результате чего снижалось качество и прочность соединения.

Более благоприятные условия в этом отношении создавались при вертикальном положении плоскости зазора, о чем свидетельству­ет тот факт, что аналогичные дефекты в зоне сплавления не наблюда­лись. Имевшиеся в отдельных случаях дефекты были незначительны по величине и рассредоточены на достаточно больших расстояниях друг от друга, не оказывая практического влияния на прочность пайкосварного соединения. Для соединения выбранных марок стали были использованы припои из специального сплава.

Припой из указанного сплава обладал относительно низкой температурой плавления, узким интервалом кристаллизации, сравни­тельно хорошей смачиваемостью и растеканием по стали, а также достаточно высокими прочностными характеристиками.

Кроме того, при выборе припоя учитывалась возможность со­вмещения или максимально возможного приближения температурно­го интервала сплавления с режимами термообработки основного и плакирующего металлов, лежащих в интервале температур 950— 1000 °С. Максимальная температура пайкосварки строго ограничи­валась и, как показали опыты, не превышала 1020 °С. Предваритель­ные исследования с тщательным металлографическим контролем пай­косварных образцов свидетельствовали о возможности ведения про­цесса пайкосварки с применением указанных припоев в интервале температур 980—1020 °С. Изучение микроструктуры пайкосварных соединений показало, что процесс диффузии припоя по границам зе­рен происходит сравнительно равномерно на глубину 0,1—0,22 мкм.

Одним из основных условий получения качественного сплавле­ния является удаление с поверхности металла окисной пленки, обе­спечивающее благоприятное взаимодействие твердого и жидкого ме­таллов. Поверхность металла очищается от окалины и ржавчины обычно механическим и химическим методом. Учитывая, что химиче­ский метод очистки представляет определенные трудности в произ­водственных условиях, очистка поверхности углеродистой стали осу­ществлялась дробеструйным методом, а также фрезерованием и обработкой наждачным кругом до чистоты 3—4 класса. Влияние под­
готовки поверхности на качество соединения металла с припоем оценивалось по смачиваемости, так как последняя является одним из важнейших условий получения качественного пайкосварного сое­динения.

Проведенные эксперименты показали, что прочность сплавления (адгезия) припоя с поверхностью металла выше в случае очистки наждачным кругом или фрезой, что согласуется с данными по влия­нию микрогеометрии поверхности на растекание и адгезию припоя.

Для повышения смачиваемости и растекания припоя поверх­ность металла обезжиривалась уайт-спиритом или ацетоном.

Металлографические исследования зоны сплавления показали, что в случае использования образцов из углеродистой стали типа стали 20 с очищенной и обезжиренной поверхностью без применения флюса сплавление на границе металл — припой плотное, без окис - ных и шлаковых включений, несплошностей и других дефектов. Пре­дел прочности на срез растяжением соединения, полученного пайко - сваркой двух пластин из углеродистой стали, составляет 220— 240 МПа. Практически эти значения близки к пределу прочности при­поя в литом состоянии.

При исследовании влияния величины зазора между сплавляемы­ми поверхностями установлено, что для получения прочного пайко­сварного соединения достаточно величину зазора варьировать в пре­делах 0,8—2,5 мм. Применение зазора менее 0,8 мм нежелательно, поскольку создаются условия для образования воздушных пузырей, несплавления, а также неполного удаления окисных и шлаковых включений в связи с возникновением некапиллярных участков.

Анализ результатов испытания образцов с различной величи­ной зазора в пределах 0,8—2,5 мм показал, что предел прочности йа срез (растяжением) практически не меняется и находится на уров­не 220—240 МПа для пайкосварного соединения углеродистых сталей.

Отработка температурного режима пайкооварки проводилась в интервале 960—1200 °С. Как показали опыты, наиболее качествен­ное заполнение зазора, при прочих равных условиях, наблюдается при t — 980—1020 °С. При этой температуре припой активно вза­имодействует со сплавляемыми ме­таллами, полностью заполняет за­зор и обеспечивает оптимальные характеристики соединения.

Дальнейшее повышение темпе­ратуры способствует проявлению Таких нежелательных процессов как ускорение процесса диффу­зионного взаимодействия между припоем и основным металлом, а также усилению процесса раство­рения основного металла в рас­плавленном припое.

Некапиллярную пайкосварку производили в среде С02 и аргона, при этом существенного отличия по прочности сплавления в зависимости от применяемой защитной атмосферы не обнаружено. С целью проверки разработанного технологического процесса изготовления многослойных деталей методом высокотемператур­ной некапиллярной пайкосварки бы­ли изготовлены в заводских условиях три плоских образца и три штуцера из стали марки 10Г2С (рис. 2). Разрез штуцеров и механические испытания показали хорошее заполнение зазора и высокую проч­ность соединения слоев.

Изготовленные в заводских условиях штуцера были исследованы на распределение остаточных напряжений первого рода. Известно,

что при наличии напряжений сжатия в поверхнссти, обращенной

к агрессивной среде, значительно увеличивается стойкость мате­риала против сероводородного разрушения. Для определения оста­точных напряжений первого рода в различных зонах изделия был использован один из экспериментальных методов исследования на - пряжэнно-деформированного состояния конструкций, изделий или элементов — метод тензометрирования. На исследуемые участки штуцера наклеивали розетки из тензорезисторов (1—6), затем с целью устранения связи изучаемого участка с окружающим материалом (рис. 3), эти участки вырезались. При этом на поверхности элемента остаточные напряжения уменьшались. С помощью тензорезисторов измерялись происходящие деформации Ex, Еу, ЕА5.

Величину деформации определяли как разность отсчетов до и после вырезки. По этим деформациям вычисляли главные деформа­ции в зоне розетки.

В результате исследования установлено, что максимальное (эквивалентное) напряжение возникает во внутреннем слое. Основ­ные напряжения во внутреннем слое имеют отрицательный знак (сжатие), при этом наибольший уровень остаточных напряжений во внутреннем слое достигает 115 МПа, а наименьший (на наружном слое) — 10,8 МПа. Наличие напряжений сжатия во внутреннем слое способствует увеличению стойкости изделия против разрушения в наводороживаемой среде.

Многослойный материал с прослойкой их специального сплава был проверен на водородопроницаемость. При одностороннем наводо - роживании (более 200 ч) проникновение водорода через образцы не зафиксировано.

Как следует из сказанного выше, для изготовления нефтехими­ческой аппаратуры, работающей в наводороживающих средах, при­менение данного многослойного метода является в настоящее время перспективным, требующим тщательной проработки и реализации в производственных условиях.