Металловедение стенки нефтяного аппарата

Технологические процессы термической обработки

Термообработка сваренных оболочек корпусов аппаратов проводится в печах, при высоких габаритах колонн, проводится внепечная термообработка.

Местная термообработка широко применяется в полевых условиях монтажными организациями.

Основными технологическими процессами в термическом производстве являются :

– отжиг I и II рода,

– нормализация,

– закалка,

– отпуск.

Приведем краткое описание технологических процессов. Более подробная информация указана в работе [18].

Отжиг I рода и состоит из процессов диффузии, рекристаллизации и снятия остаточных напряжений, протекающих вне зависимости от протекания фазовых превращений в стали.

Диффузоинный отжиг I рода проводится при температурах 1100-1200°С, применяется для легированных сталей для снижения дендритной ликвации. Дендритная ликвация в стали при обработке давлением увеличивает хрупкий излом, слоистый излом, внутренние трещины (флокены). После диффузионного отжига в стали выравниваются физико-химические свойства (происходит гомогенизация). Крупное зерно послед иффузионного отжига уменьшается обработкой давлением.

Рекристаллизационнм отжигом I рода при 650-760°С устраняют наклеп и повышают пластичность. Применяется как промежуточная операция между операциями холодного деформирования и в качестве операции окончательной термообработки. Вместе с рекристаллизацией феррита может протекать процесс коагуляции цементита, в результате чего повышается пластичность стали.

Отжиг I рода для снятия остаточных напряжений при температуре 160-700°С с медленным охлаждением используют для после сварочной термообработки сварных швов, отливок, после станочных операций обработки резанием. Остаточные напряжения возникают из-за неравномерности проведения процессов обработки, например, сварки. Отжиг сварных швов проводится при температуре 650-700°С, близкой к ректристаллизационному отжигу.

При такой же температуре проводят отжиг после основных механических операций, после операции окончательной шлифовки отпуск проводят при 160°С.

Отжиг II рода используется как подготовительная термообработка поковок, отливок и проката для снижения прочности и твердости стали, увеличению пластичности перед последующими операциями обработки. Для отливок отжиг II рода может являться окончательной операцией.

При отжиге II рода после медленного охлаждения, сталь имеет структуру, близкую к равновесной, например, феррит и перлит в доэвтектоидных сталях, перлит в эвтектоидной стали и в заэвтектоидных сталях перлит и цементит. Перекристаллизация вызывает уменьшение размеров зерна.

Полный отжиг II рода проводят для полной перекристаллизации стали с образованием мелкозернистой структуры. Сталь (доэвтектоидную) нагревают также как при нормализации выше точки Ас3 на 50°, при этом образуется аустенит с мелкозернистой структурой. После рекристаллизации зерна аустенита теряют связь с ориентацией в первоначальной структурой. Выдержка производится в печи, скорость охлаждения медленная для распада аустенита. После превращения аустенита в перлит, охлаждение может продолжаться на воздухе.

Неполный отжиг II рода применяется для снижения твердости стали для доэвтектоидной стали. Заэвтектоидные стали подвергают только неполному отжигу [17].

Изотермический отжиг II рода применяют как правило для легированной стали. Стали нагревается вышет точки Ас3 на 50°С и быстро охлаждают до точки ниже А1 на 100°. Затем при последней температуре сталь изотермически выдерживают, и после выдержки быстро охлаждают на воздухе. Изотермический отжиг характеризуется быстротой операции.

Сфероидизирующий отжиг II рода применяют для перевода пластинчатой структуры перлита в зернистую.

Высокий отпуск при 650°С применяют для распада мартенсита (бейнита), коагуляции карбидов в троостите для снижения твердости стали. Легированные стали имеют неравновесную структуру при ускоренном охлаждении, которая выравнивается высоким отпуском. Для высоколегированных и низколегированных сталей высоким отпуском снижают твердость.

Нормализация стали происходит при нагреве стали на 50°С выше точки Ас3 для доэвтектоидной стали и точки Аст для зэвтектоидной стали. При нормализации выдержка кратковременная и охлаждение простое на воздухе. После нормализации происходит полная перекристаллизация стали, устраняется крупнозернистая структура. Нормализация может применяться вместо операций отпуска и закалки. Быстрое охлаждение на воздухе вызывает распад аустенитной структуры и повышает перлит. В результате по сравнению с отжигом на 15% возрастает прочность и твердость. Для горячекатенной стали по сравнению с отжигом уменьшается зрупкое разрушение и снижается порог хладноломкости.

Для низкоуглеродистых сталей нормализацией заменяют операции отжига, для среднеуглеродистых сталей нормализация вместе с высоким отжигом используется вместо закалки и высокого отпуска. При этом снижаются механические свойства стали, но повышается устойчивость к образованию трещин. Для высокоуглеродистых сталей нормализация устраняет цементитную сетку, возникающую при медленном охлаждении. Для легированных сталей нормализацией исправляются дефекты структуры с последующим высоким отпуском.

Закалка проводится при нагреве выше на 50°С точки Ас3 для доэвтектоидных сталей и Ас1 для заявтектоидных сталей и охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Закалку выполняют в воде, для легированных сталей в масле. После закалки для снижения хрупкости необходим отпуск. Закалку проводят непрерывно в одной среде или в двух средах.

Нагрев в печах стали при операциях термической обработки выполняют в среде защитного газа во избежание процессов окисления и обезуглероживания стали. Защитным газом является в основном природный газ. Различают эндотермическую атмосеру (частичное сжигание природного газа) для нормализации и закалки конструкционных сталей; экзотермическую атмосферу (с полным сжиганием природного газа) богатую для нормализации, закалки, отжига легированных конструкционных сталей и бедную для нагрева низкоуглеродистых конструкционных сталей; диссоциированный аммиак для нагрева нержавеющих сталей; нагрев в вакууме для нержавеющих, жаропрочных сталей [17].

Отпуск является операцией нагрева закаленной стали ниже точки Ас1 и последующей выдержке и охлаждении для получения заданных механических свойств стали. Напряжения интенсивно снижаются при выдержке в течении около 30 мин при 650°С, через 90 мин достигается минимальная величина напряжений. Медленное охлаждение не вызывает роста остаточных напряжений. Легированные стали во избежание обратимой отпускной хрупкости охлаждают быстро.

Высокий отпуск при 650°С позволяет получить наилучшее соотношение прочности и вязкости [17]. Структура стали после высокого отпуска является сорбитом. Высокий отпуск совместно с закалкой является процессом, называемым улучшением.

Средний отпуск при 350-500°С дает структуру троостита, применяется для штампов (HRC 40…50).

Низкий отпуск при 250°С применяется для мартенсита для повышения прочности и вязкости без снижения твердости. При этом такая структура не выдерживает длительных динамических нагрузок [17] (HRC 58…63).

Отклонение от режима термообработки для высоколегированных сталей типа 12Х18Н10Т, хроммолибденованадиевых типа 12Х1МФ, содержащими карбидообразующие элементы, возможны трещины в сварном шве и околосварной зоне, охрупчивание шва, разупрочнение зоны, остаточные напряжения.

Отмена термической обработки в полевых условиях

Отмена термической обработки в полевых условиях возможна для случаев сварки разнородных сталей, труднодоступных сварных швов, отсутствия наличия необходимого оборудования.

Для возможности отмены термической обработки в зоне сварного шва конструктивно снижают концентраторы напряжений, сварные швы выполняют с отсутствием конструктивных концентраторов напряжений. Для свариваемых в полевых условиях сталей закладывают специальные требования, например, для низкоуглеродистых сталей повышают хладостойкость, для низколегированных сталей в околошовной зоне не допускают закаленных участков, для теплоустойчивых сталей повышают длительную пластичность свариваемых зон [20].

В технических условиях на изделие должно быть указано о возможности выполнения сварки в полевых условиях без термической обработки.

Применяются конструктивные решения по удалению выполнения разнородных сварных швов в полевых условиях. Например, для приварки аппарата из стали 09Г2С к трубе КП65, на аппарате возможно предусмотреть переход из материала трубы. В этом случае термообработка разнородного сварного шва будет выполнена на заводе, а в полевых условиях разнородный шов не выполняется.

По данным [20] повреждения сварных швов происходят в зоне концентрации напряжений перехода от усиления шва к основному металлу для разнотолщинных элементов и угловых швов, в зоне шлаковых включения, трещинах и непроварах в корне шва. Для устранения этого вварку штуцеров в трубы необходимо выполнять многослойным швом с неравнобоким катетом с постепенным переходом к поверхности привариваемой трубы.

По теории оболочек в зоне резкой смены геометрии возникает краевая задача, в результате чего напряжения в этой зоне увеличены, поэтому необходимо обеспечивать плавную геометрию сопряжения элементов.

Конструкция стыкового шва:

Конструкция углового шва:

В зоне максимальных концентраций напряжений сварной шов лучше выполнять высоко пластичным металлом с целью увеличения сопротивляемости шва повреждениям.

Напряжения в сварных швах снижаются после проведения гидравлических испытаний, подогрева, применения разгрузочных канавок [20]

Оборудование термической обработки

Источниками питания для термической обработки сварных швов аппаратов являются трансформаторы, выпрямители, преобразователи постоянного тока, то есть фактически сварочное оборудование. Источники питания работают непрерывно в течении режима обработки и неравномерно работать при нагреве.

Для нагрева газовым пламенем используют сварочные горелки, кольцевые многопламенные горелки, трубчатые горелки с факельным нагревом, установки для полной термической обработки аппаратов. Обычная газовая горелка работает на ацетилена-кислородной смеси, получаемой из баллона или из труб с ацетиленом и кислородом (при их наличии). Регулирование состава пламени осуществляется вручную.

В оснастке используются материалы из проволоки с высоким сопротивлением, керамические нагревательные пластины, горючие газы, теплоизоляция.

__

При местной термической обработке нагревается шов и около шовные зоны. Ширина зоны зависит от толщины стенки аппарата. Скорость нагрева контролируется во избежание трещин из-за неравномерного градиента температур в стенке. Для компенсации возникающих деформаций применяют компенсирующие приспособления в виде упоров и др.

Местная термическая обработка применяется в полевых условиях при сооружении аппарата на монтаже и в условиях завода нефтяного машиностроения при больших габаритах термообрабатываемого аппарата, например, колонна диаметром свыше 10 м.

Приведем схему индукционного нагрева корпуса реактора для местной термической обработки по данным [20]:

На схеме подводящие провода идут к преобразователю частоты.

Электротехническая часть проектируется для каждого конкретного случая.

Контроль качества сварных швов

Выбор методов и объема контроля сварных швов определяется из нормативной документации на сосуды и аппараты до 21МПа и до 130МПа. Тонкости контроля определяются заводскими специалистами.

В составе рабочей конструкторской документации разрабатывается чертеж «Контроль сварных соединений» отделом Главного конструктора, утверждаемый отделом Главного сварщика и отделом технического контроля.

На чертеже контроля сварных соединений изображается главный вид чертежа с буквенно-цифровым обозначением сварных швов. Затем эти обозначения сводятся в две таблицы. В первой приводятся нормативные документы для выполнение шва, во второй отмечаются методы контроля (при наличии соответствующего метода в строчке шва проставляется «+»). Перечень швов в первой таблице приводится в независимости от их указания на сборочных чертежах.

Такое оформление документации соответствует наличию технической культуры на заводе-изготовителе.

В ходе технологического процесса сварки контролируется:

– последовательность наложения швов,

– размеры накладываемых слоев шва и окончательные размеры шва,

– соблюдение технологического режима,

– наличие клейма на шве.

Дефекты сварки приводят к изменению плотности, электропроводности, магнитной проницаемости, упругости и других свойств. Неразрушающий контроль основан на измерении этих величин.

Методы классифицируется по ГОСТ 18353 на акустический, магнитный, оптический, приникающими веществами, радиационный и радиоволновый, электромагнитный.

1. К оптическим методам отнесится визуальный послойный контроль.

2. Капилярные методы основаны на проникновении жидкости в полости дефектов. Методом контролируют герметичность сварного шва. По этому (методу цветной дефектоскопии) методу наносят пенетрант (проникающую жидкость), затем проявитель и осматривают рисунок. По рисунку видно наличие или отсутствие дефектов в сварном шве.

Метод неинформативен, не позволяет выявить внутренних дефектов сварного шва.

3. Гидравлические испытания корпуса аппарата показывают герметичность сварного шва. На швы после испытаний наносят проявитель, и смотрят по изменению ораски есть течь или нет.

Теплообменные аппараты испытывают в темной камере. В испытываему полость направляют светящуюся жидкость. При ее невидимости швы считаются герметичными.

3. В магнитных полях регистрируется рассеяние поля над дефектами. К этому мотоду относя магнитопорошковый и магнитографический с записью на пленку. По углубине дефектов можно обнаружить поверхностный и подповерхностные дефкты. Метод неинформативен.

4. Радиационные методы основаны на регистрации проникающего через стенку излучения. Поток частицы по-разному ослабляется проходя через сплошной металл и через дефекты.

Радиационные методы позволяют получить самую точную информацию о внутренних дефектах в сварном шве.

5. Радиоволновой метод основан на взаимодействии с стенкой радиоволн (прошедший, отраженный, рассеяный, резонансный).

Сравнение методов неразрушающего контроля

Главным критерием сравнения является выявляемость дефектов, а также стоимость обслуживания.

Наиболее информативным методом является рентгенографический метод, позволящий выявлять и записывать на пленку дефекты в стенке толщиной до 200 мм.

УЗК метод имеею меньшую информативность по сравнению с рентгенографическим методом. Толщина стенки обычно до 60 мм.

Магнитные методы неэффективны, позволяют находить подповерхностные дефекты, толщина листа до 12 мм.

Цветная дефектоскопия также является поверхностным неэффективным методом для деталей под давлением.

Приведем выборку из таблицы сравнения по данным работы [24]:

Из приведенных данных видно, что лучшие показатели имеет рентгенографический метод, затем следует метод УЗК.

Радиографический контроль

Ренгентография металлов подробно описана в работе [26].

Радиографический контроль делится на рентгено-, гамма-, бетатронную радиографию.

Рентгенография имеет наивысшую чувствительность и ее применяют в заводских условиях [24], гаммаграфия используется для контроля сварных швов в труднодоступных местах и используется для контроля в полевых условиях [24], бетатронную радиографию используют для контроля стенко больших толщин в производственных цехах.

На рентгеновской трубке регулируется уровень излучения для получения необходимой энергии излучения, энергия зависит от выбранного изотопа. Энергия влияет на коэффициент линейного ослабления, с его ростом уменьшается размер регистрируемых дефектов. Рассеяние увеличивается с увеличение толщину стенки [24].