65684

НАУКОВІ ОСНОВИ КОРОЗІЙНОГО МОНІТОРИНГУ І ПРОГНОЗУВАННЯ ЗАЛИШКОВОГО РЕСУРСУ ОБЛАДНАННЯ ХІМІЧНОЇ ТА НАФТОПЕРЕРОБНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

Автореферат

Химия и фармакология

Для виробництва обладнання і апаратури нафтопереробної та хімічної промисловості використовують низку сталей які експлуатуються у різних технологічних середовищах за різних температур тисків що часто змінюються навіть на різних ділянках одного апарата.

Украинкский

2014-08-03

18.14 MB

4 чел.

PAGE  31

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В. КАРПЕНКА

АРХИПОВ ОЛЕКСАНДР ГЕННАДІЙОВИЧ

УДК 620.194.23

НАУКОВІ ОСНОВИ КОРОЗІЙНОГО МОНІТОРИНГУ І

ПРОГНОЗУВАННЯ ЗАЛИШКОВОГО РЕСУРСУ ОБЛАДНАННЯ

ХІМІЧНОЇ ТА НАФТОПЕРЕРОБНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

Спеціальність 05.17.14 – хімічний опір матеріалів та захист від корозії

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів - 2011


Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Технологічному інституті Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля (м. Сєверодонецьк)

Науковий консультант:  доктор технічних наук, старший науковий співробітник

                                         Хома Мирослав Степанович,

                                         Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України,

                                         завідувач відділу корозійного розтріскування металів

Офіційні опоненти:        доктор технічних наук, професор

                                         Никифорчин Григорій Миколайович,

                                         Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН

                                         України, завідувач відділу корозійно-водневої деградації

                                         та захисту  металів

                                         доктор технічних наук, професор

                                         Байрачний Борис Іванович,

                                         Національний технічний університет

                                         Харківський політехнічний інститут,

                                         завідувач кафедри технічної електрохімії

                                             

                                     

                                         доктор технічних наук, професор

                                         Чигиринець Олена Едуардівна,

                                         Національний технічний університет України

                                         “Київський політехнічний інститут”,

                                         завідувач кафедри фізичної хімії   

                                                     

Захист відбудеться  “19” жовтня 2011 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.02 у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою 79601, Львів, МСП, вул. Наукова, 5

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою 79601, Львів, МСП, вул. Наукова, 5

 

 Автореферат розісланий 14 вересня 2011 р.

 Учений секретар

спеціалізованої вченої ради       І.М. Погрелюк


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для виробництва обладнання і апаратури нафтопереробної та хімічної промисловості використовують низку сталей, які експлуатуються у різних технологічних середовищах за різних температур, тисків, що часто змінюються навіть на різних ділянках одного апарата. Це обумовлено великими розмірами конструкцій та стадійністю виробничих процесів. Значна кількість обладнання виготовляється дрібними серіями або взагалі є унікальним. Це значно ускладнює статистичний аналіз його пошкоджуваності, яка проявляється переважно у вигляді загальної, міжкристалітної, виразкової та пітінгової корозії, а також тріщин, що розвиваються від осередків локальної корозії під дією статичних і циклічних навантажень.

Вплив циклічних навантажень на розвиток корозійних процесів в агресивному середовищі  вивчали Г.В. Карпенко, В.І. Похмурський, А.В. Рябченков, А.М. Кузюков, F.P. Ford, P. Rabbe та ін. В останні десятиліття широко досліджують вплив різних середовищ на розвиток втомних тріщин у сталях і сплавах. Основний акцент робиться на визначені порогових коефіцієнтів інтенсивності напружень і прогнозуванню процесів розвитку коротких корозійних тріщин. Значна увага приділяється вивченню початкових стадій корозійно-механічного руйнування сталей і сплавів (В.В. Панасюк, Г.М. Никифорчин, М.С. Хома, І.М. Дмитрах, Р.К. Мелехов R. Akid і ін.). Прагнення продовжити експлуатацію обладнання і апаратури обумовило поглиблене вивчення властивостей сталей та сплавів, що відпрацювали тривалий час, та розробці методів прогнозування терміну подальшого використання апаратури. Основним інстументарієм при цьому є статистичні методи досліджень. В даному напрямку роботи проводили Р.Г. Маннапов,            К.М. Ямалєєв, А.Є. Андрейків, О.П. Осташ,  R.E. Dolbi та ін.

Тривала експлуатація обладнання привела до загострення проблеми деградації сталей і сплавів в умовах дії агресивних середовищ. Багатьма дослідниками було показано, що при цьому змінюються не лише механічні характеристики конструкційних матеріалів, але й електрохімічні. В основному це стосувалося сталей магістральних нафтопроводів і нафтопромислового обладнання. Значно менше уваги приділялось аналізу пошкоджень та зміні властивостей матеріалів впродовж експлуатації обладнання хімічних і нафтопереробних виробництв.

Дуже мало робіт також присвячено питанням визначення залишкового ресурсу обладнання, що пропрацювало тривалий час в умовах спільної дії агресивного середовища і механічних навантажень, зокрема вібрації. Існуючі методики і підходи орієнтовані на оцінку поточного стану металу обладнання шляхом діагностики при планових ремонтах або після аварійних зупинок. Це усуває можливість безперервного відслідковування процесу вичерпання ресурсу і, за необхідності, втручання в роботу технологічного обладнання. До того ж такі підходи переважно ґрунтуються на руйнівних методах. Найбільш ефективним методом контролю є постійний корозійний моніторинг в реальному часі. Для обладнання хімічної і нафтопереробної промисловості, яке переважно працює в середовищі електролітів, корозійний моніторинг пошкоджень є найбільш важливою складовою безпеки експлуатації. Тому вивчення закономірностей, що відбуваються при деградації сталей і сплавів, визначення  сукупності електрохімічних і механічних характеристик, які можуть свідчити про деградаційні процеси, що протікають під час експлуатації у металі і розробка наукових методів оцінювання залишкового ресурсу, є задачею важливою як з огляду прогнозування подальшої безпечної роботи обладнання, так і розробки нових методів вимірювання чутливих до деградації характеристик.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні наукові результати дисертаційної роботи отримані при виконанні науково-дослідних робіт згідно з тематичними планами Національної академії наук і при виконанні госпдоговірних  робіт у Технологічному інституті Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля (м. Сєверодонецьк) із ЗАТ ”Сєверодонецьке об’єднання Азот”: “Дослідження впливу вібрації на локальні види корозії в умовах роботи обладнання цехів карбаміду і азотної кислоти з метою підвищення надійності експлуатації і збільшення залишкового ресурсу” (2004-2005 рр.), № ДР 0104U009238 (науковий керівник); з ТОВ “Линос“: “Визначення переліку об’єктів ТОВ ”Линос“ з максимальними ризиками руйнування від дії корозії і вібрації. Вивчення причин і характеру руйнування деталей апаратів, трубопроводів і споруд від дії корозії і вібрації з метою підвищення довговічності роботи і визначення його залишкового ресурсу” (2005-2006 рр.), № ДР 0105U007680 (науковий керівник); бюджетної тематики Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України, “Розробка системи корозійного моніторингу обладнання установок первинної переробки нафти на нафтохімічних підприємствах України” в рамках цільової комплексної програми “Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд і машин” (2007 – 2008 рр.), № ДР 0107U005219 (виконавець); з ЗАТ “Сєверодонецьке об’єднання “Азот”: “Розробка системи діагностики і моніторингу технічного стану карбаматних насосів при виробництві карбаміду” (2008-2009 рр.), № ДР 0109U002924 (науковий керівник). Частина роботи, що стосувалася обробки і аналізу інформації щодо зміни механічних характеристик сталей після тривалої експлуатації в агресивному  середовищі на  хімічних і нафтопереробних  підприємствах виконана автором у  ТОВ “Сєверодонецький НДІХІММАШ”, у якому дисертант проходив підвищення кваліфікації шляхом наукового стажування.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягала у розроблені методичних підходів до моніторингу корозійно-механічного пошкодження обладнання та оцінювання його технічного стану на основі електрохімічних властивостей деформованих сталей.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв’язати наступні  задачі:

•проаналізувати причини і характер руйнування типового обладнання хімічної та нафтопереробної промисловості залежно від умов експлуатації та вібраційних навантажень;

•встановити електрохімічні і механічні характеристики, що є показниками ступеня деградації сталі після тривалої експлуатації за підвищених температур та тисків;

•розробити наукові підходи для оцінювання ступеня корозійно-механічного пошкодження сталей в середовищах електролітів;

•оптимізувати структуру системи корозійного моніторингу, а також модернізувати конструкції електрохімічних давачів для оцінювання ступеня пошкодження сталей в умовах корозійно-механічного руйнування;

•розробити і впровадити у виробництво практичні рекомендації з використання запропонованих систем корозійного моніторингу, прогнозних  оцінок залишкового ресурсу обладнання та його продовження, які забезпечують надійність та безпеку експлуатації.

Об’єкт дослідження. Корозійно-механічна пошкоджуваність сталей в агресивних середовищах після тривалої експлуатації в умовах одночасної дії корозивного середовища, механічних і термічних навантажень.

Предмет дослідження. Закономірності зміни сукупності електрохімічних і механічних характеристик придатних для оцінювання ступеня деградації сталей і сплавів після тривалої експлуатації, а також корозійний моніторинг, щодо оцінювання залишкового ресурсу.

Методи дослідження. Корозійно-втомні випробування сталей, потенціодинамічна вольтамперометрія, механічні випробування сталей за статичних і ударних навантажень, оптична мікроскопія, вимірювання твердості поверхні металів. Для оцінювання експериментальних величин, що суттєво виділяються від решти, застосовували метод очищеної вибірки і метод Ірвіна.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Встановлена деградація структури вуглецевих і низьколегованих сталей внаслідок експлуатації за підвищених температур та тисків, яка полягає в подрібненні зерна та випаданні карбідів на границях зерен, а для нержавних сталей – ще й в утворенні високохромистих крихких σ- та γ'-фаз в аустенітній матриці.

2. Встановлено, що зниження корозійної тривкості експлуатованих вуглецевих і низьколегованих сталей більш ніж в 2 рази порівняно зі сталями в стані поставки, визначається збільшенням швидкості анодних процесів.

3. Для нержавних сталей аустенітного класу, тривала експлуатація в корозивних середовищах приводить до зміщення потенціалу корозії у бік додатніших значень та зниження струму розчинення в пасивному стані в 2…9 разів. При цьому значення потенціалів пітінгоутворення та репасивації стають додатнішими, внаслідок чого знижується схильність сталей до локальної корозії.

4. Показано, що найчутливішими величинами для оцінювання деградації металу є такі механічні характеристики як δ, σ0,2, σb, КС. За відсутності для порівняння механічних характеристик сталі у вихідному стані доцільно використовувати величину σ0,2b.

5. Запропоновано використовувати залежність «потенціал, струм поляризації – кількість циклів до руйнування» при корозійній втомі, як ресурсну криву, на якій можна виділити різні періоди експлуатації обладнання: безпечна експлуатація, період експлуатації за ретельного контролю, період обмеженої експлуатації (патент України № 17856).

6. Розроблено новий електрохімічний спосіб оцінювання залишкового ресурсу обладнання, що працює в середовищі електролітів і підлягає дії механічних навантажень, який ґрунтується на зміні струму поляризації циклічно деформованих нержавних сталей.

7. Розроблено наукові основи нового методу корозійного моніторингу, що ґрунтується на оцінюванні густини електрохімічних імпульсів під час розвитку корозійно-механічного руйнування працюючого обладнання (патент України № 38241).

8. Запропоновано прогнозні оцінки залишкового ресурсу конструктивних елементів обладнання за сукупністю механічних характеристик з врахуванням зупинок, які значно інтенсифікують корозію металу.

9. Узагальнено та систематизовано характер корозійних пошкоджень основного обладнання виробництв карбаміду та нафтопереробки і показано, що наявність вібрації веде до зменшення міжремонтного періоду в 1,5-2 рази.

Практичне значення одержаних результатів.

1. На підставі одержаних закономірностей зміни властивостей сталей, протягом тривалої експлуатації, встановлено характер та границі зміни сукупності їх механічних і електрохімічних характеристик, що дозволяє підвищити безпеку експлуатації обладнання.

2. Розроблено нові конструкції давачів (патент України № 21327) і виготовлено їх дослідно-промислові зразки, показано їх переваги порівняно з існуючими.

3. Розроблено і виготовлено нові системи контролю і моніторингу корозійно-механічних пошкоджень в середовищі електролітів, що дозволяє в реальному часі відслідковувати залишковий ресурс.

4. Розроблено технологічні регламенти з використання методів поляризаційного струму і імпульсного методу для оцінювання ступеня пошкодження обладнання хімічної та нафтопереробної промисловості, які затверджені на ТОВ «Линос» і ЗАТ ”Сєверодонецьке об’єднання  Азот”.

5. Аналіз ступеня пошкодження обладнання нафтопереробного заводу ТОВ «Линос» та п’ятьох виробництв карбаміду дозволив встановити місця та характер переважаючих корозійних пошкоджень, що дозволяє забезпечити їх належний контроль.                     

6. Окремі наукові розробки і практичні рекомендації за результатами дисертаційної роботи впроваджені  в  лабораторні  практикуми  і  лекційні  навчальні  курси “Корозія і захист від корозії

обладнання хімічного виробництва”, “Автоматизація хімічного виробництва”.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати роботи отримані дисертантом самостійно. У монографії [1] дисертантом написано розділи 4 і 6, у посібнику [2] дисертантом написано розділ 4. У колективних публікаціях [3-9, 11-13, 15-16, 19, 21, 23] автору належить постановка задач досліджень, проведення експериментальних досліджень, систематизація, узагальнення та інтерпретація отриманих результатів. У публікаціях [24-31] автору належать наукові ідеї, основні технічні рішення. У публікаціях [32-37] дисертанту належать постановка задач досліджень, інтерпретація результатів, формування наукових висновків.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи у вигляді доповідей і повідомлень апробовані на 7 Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків (Львів, 2005 р.); на Міжнародній інвестиційній науково-практичній конференції ”Виробництво синтетичного моторного палива з вугілля Донбасу, як складова енергетичної безпеки Європи“ (Луганськ, 2005 р.); на 13 Міжнародному колоквіумі ”Механічна втома металів” (Тернопіль, 2006 р.), на 8, 9 та 10 Міжнародній конференції “Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів” (Львів, 2006 р., 2008 р., 2010 р.), на 5 Міжнародній конференції “Водородная обработка материалов” (Донецьк, 2007 р.), на 2 Міжнародній конференції “Електрохімічний захист і корозійний контроль” (Сєверодонецьк, 2007 р.), на Міжнародній конференції “Інтегровані системи управління в гірнично – металургійному комплексі” (Кривий Ріг, 2007 р.), на 1st  International Conference: Corrosion and Material Protection.1st – 4th October 2007. Prague. Czech Republic.

У повному обсязі робота доповідалась на науковому семінарі “Корозія. Захист металів від корозії” Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенко НАН України.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 37 друкованих праць, у тому числі монографія, навчальний посібник, 25 статей у наукових фахових періодичних виданнях, журналах і збірниках, що відповідають вимогам ВАК України, отримано 8 патентів на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, висновків, списку літературних джерел (268 найменування) та додатків. Викладена на 272 сторінці друкованого тексту, містить 108 рисунків та 29 таблиць, з яких 5 повністю займають площу 9 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

У вступі висвітлено стан і обґрунтовано актуальність проблеми корозійного моніторингу і деградації сталей після тривалої експлуатації в агресивних середовищах хімічної та нафтопереробної промисловості, показано зв’язок роботи із науковими програмами, планами, темами, сформульовані мета та завдання роботи, показано її наукову новизну та практичну цінність, особистий внесок здобувача та апробацію результатів.

У першому розділі подано огляд і критичний аналіз літературних джерел присвячених корозійно-механічному руйнуванню сталей і сплавів, існуючих методів оцінювання корозійно-механічних пошкоджень, існуючих підходів до визначення залишкового ресурсу технічних об’єктів, методів і способів продовження терміну експлуатації обладнання хімічної галузі, яке працює в агресивних середовищах, показано їх складність і неоднозначність. Встановлено, що в переважній більшості випадків причиною зупинок, аварій і пошкод обладнання в нафтопереробній і хімічній галузі є сумісна дія електрохімічних процесів та механічних напружень. Зроблено висновок, що найбільш раціональним і надійним засобом запобігання критичним станам є постійний моніторинг електрохімічних характеристик металу обладнання і апаратури. Проаналізовано технологічні і конструкційні методи продовження ресурсу обладнання і апаратури в хімічній і нафтопереробній галузі.

Сформульовано основні завдання дисертаційної роботи та визначено напрями досліджень.

У другому розділі перераховані об’єкти і методи досліджень. В роботі досліджено найбільш поширені в хімічній і нафтопереробній промисловості сталі:  вуглецева (сталь 20), низьколеговані (09Г2С, 17ГС, 12Х1МФ), середньолегована (15Х5М), нержавні: мартенситного (20Х13), феритного (08Х13), аустенітного (08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 08Х17Н12М2Т, 03Х17Н14М3, 12Х18Г12Н5АБ) класів. Експерименти проводили на сталях у вихідному стані (поставка) і після тривалої експлуатації на хімічних і нафтопереробних підприємствах.

На втому і корозійну втому випробовували стандартні круглі зразки шляхом деформуванням чистим згином з обертанням з частотою 50 Гц. Границю втоми   (-1) визначали на базі 107, а корозійної втоми (-1с) – на базі 5107 циклів навантажень. Установка також дозволяла здійснювати електрохімічні вимірювання.  Для перевірки систем корозійного моніторингу досліджували заповнені електролітом зразки з труб, що мали концентратор і консольно закріплювались та навантажувались поперечним згином з частотою 5 Гц. Концентратор мав трикутний профіль з кутом при вершині 60° і глибиною 0,5 мм.

Корозійно-втомні випробування проводили в 3%-му водному розчині NaCl, у модельному розчині оборотної води: 300 мг/л SO42-, 400 мг/л Сl-, pH 6,9, а також у 11%-му водному розчині карбаміду за температури 2930,5 К.

Механічні дослідження на розтяг вели на стандартних зразках діаметром 5 мм на машині     Р-5, ударну в’язкість (метод Шарпі) визначали на маятниковому копрі МК-30А. Випробування за підвищених температур проводили згідно з ГОСТ 9651-84. Дослідження ударної в’язкості зварних з’єднань труб після тривалої експлуатації через значні зміщення проводили на нестандартних зразках перерізом 5×10 мм. Випробовування біметалу на зріз вели в спеціальних оправках, які фіксували основний метал і дозволяли переміщення плакуючого шару.

Для електрохімічних досліджень використовували вольтамперметрію з швидкістю розгортки потенціалу 4 В/год. Використовували потенціостат П-5827М. Силу струму визначали міліамперметром із класом точності 1,0. Електрод порівняння - насичений хлорсрібний.

Для оцінювання експериментальних величин, що суттєво виділяються від решти застосовували метод очищеної вибірки і метод Ірвіна.

У третьому розділі на прикладі Лисичанського нафтопереробного підприємства “Линос” коротко описані режими роботи, середовище, матеріали, з яких виготовлено основне обладнання. Проведено аналіз пошкоджень і руйнувань обладнання і апаратури первинної переробки нафти ЕЛОУ-АВТ, установок каталітичного риформінгу та каталітичного крекінгу,  гідроочищення палива, компресорних машин і устаткування, корозії трубопроводів нафтопереробки, корозійно-механічні пошкодження теплообмінної апаратури і устаткування. Розглянуто характер пошкоджень, виявлено найбільш вразливі з огляду корозійно-механічних пошкоджень об’єкти. Показано, що переважна більшість корозійних процесів має електрохімічний характер, що є передумовою для використання електрохімічних методів в корозійному моніторингу. Розглянуто випадки корозійно-механічних руйнувань обладнання виготовленого з вуглецевих сталей 10, 15, 20; низьколегованих - 16ГС, 09Г2С, 12Х1МФ; середньолегованої - 15Х5М; високолегованих сталей типу 12Х18Н10Т, 20Х23Н18, 45Х25Н20СЛ тощо. Показано, що експлуатація переважної більшості обладнання пов’язана зі значними вібраційними навантаженнями і проведено аналіз пошкоджуваності від одночасної дії корозії і вібрації. Встановлено, що для насосної групи вібраційні переміщення можуть сягати 320-470 мкм, вібропереміщення теплообмінників залежно від місць кріплення складають 165-272 мкм, максимальні коливання сепаратора досягають          205 мкм, що може спричинити виникнення додаткових напружень.

Особливо інтенсивно корозійно-механічне руйнування протікає в зоні термічного впливу зварних зєднань. Найчастіше відбувається розвиток  пітінгової і виразкової корозії основного і наплавленого металу. Для крупнотонажного обладнання це часто супроводжується  наводнюванням металу в місці приварювання кільцевої опори (скрізь, але більше в кубовій частині колони). В цьому місці вітрове навантаження додатково інтенсифікує розвиток тріщин. Встановлено, що в середовищі бензинових фракцій при твердості зварного шва більшій 225 НВ спостерігається інтенсивне корозійне розтріскування (КР), а за твердості менше 190 НВ  воно не спостерігалось. В інтервалі твердості 190 – 225 НВ інтенсивність КР залежить від вмісту в металі мартенситу з твердістю до 400 НВ та його кількості.

Внаслідок особливих умов роботи колонних апаратів вони виготовляються по висоті з різних металів. Це обумовлює  протікання на різних ділянках апарату відмінних за характером і інтенсивністю корозійних процесів.

Показано переважно локальний характер корозійно-механічних пошкоджень і особливості їх протікання для всіх частин колон.  Виявлено найбільш вразливі до корозійно-механічних пошкоджень робочі зони різних апаратів та обладнання. Для крупногабаритних об’єктів (колони, реактори, ємності тощо) такими є місця приварювання патрубків і штуцерів, які мають значно меншу товщину порівняно з корпусом основного обладнання. Вони є концентраторами механічних напружень, дія яких посилюється корозією.

Аналіз показав, що зміни механічних характеристик, які відбуваються у сталі протягом тривалої експлуатації обумовлені відповідними структурними перетвореннями. Відмічено, що для  всіх досліджених сталей загальним є підвищення характеристик міцності, за одночасного погіршення пластичності. Встановлено, що в процесі експлуатації аустенітних і аустенітно-феритних сталей, зварні шви яких містять до 10% α–фази, за умови одночасної дії агресивного середовища, температури більше 600 °С і механічних напружень з’являється по місцях її залягання нова крихка σ-фаза. При цьому відбувається, як правило, крихке міжзеренне руйнування з утворенням клиновидних тріщин і пор по місцях  її залягання (рис. 1).

Наприклад, у труб циклонів регенераторів каталітичного крекінгу, що виготовлені зі сталі   12Х18Н10Т, після 10000 годин експлуатації в середовищі димових газів за робочої температури ~ 700 °С деструктивні структурні зміни одночасно супроводжувались різким падінням характеристик пластичності і підвищенням міцності, що небезпечно з огляду значної вібрації і веде до відриву труб від місць кріплення. Вияснено, що для труб з низьколегованих 12Х1МФ, 09Г2С і аустенітних сталей 12Х18Н10Т, найнебезпечнішим пошкодженням є корозійне розтріскування, спровоковане наводнюванням. Це сприяє утворенню у них дефектів у вигляді пор, холодних тріщин і флокенів. У більшості випадків зародження вказаних вище дефектів відбувається біля дисперсних неметалевих включень.  Показано, що в умовах дії інтенсивної вібрації найбільші пошкодження труби мають в місцях підвищеної жорсткості (часто біля місць кріплення) і зміни напрямку поздовжньої осі. Для трубопроводів тріщини також можуть починатися від виразок та пітінгів і розповсюджуватися  в металі переважно  транскристалітно. Наявність циклічних навантажень сприяє переростанню локальних зародків корозії в корозійне розтріскування і інтенсифікує протікання ножової корозії в зварних з’єднаннях (рис. 2).

а

б

Рис. 2. Тріщини в металі труби із сталі 12Х18Н10Т котла-утилізатора Л4-35/11; а × 2; б × 100

Причиною розтріскування є  наявність хлоридів в робочому середовищі і вібрація. Достатньо специфічну і неоднозначну проблему створюють відкладення, що утворюються на  охолоджуючих трубах тепообмінників. Відкладення ведуть до локальних перегрівів труб, що інтенсифікує корозію. В окремих випадках  виникає повзучість металу.

У четвертому розділі проведено аналіз корозійних та корозійно-механічних  пошкоджень обладнання п’яти підприємств виробництва карбаміду та встановлено причини і характер їх руйнувань протягом тривалої експлуатації.

Зараз для виготовлення обладнання виробництва карбаміду переважно застосовуються: вуглецеві сталі 20 та Ст3;  нержавні сталі аустенітного класу (08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13МЗТ, 08Х17Н16МЗТ, 03Х18Н14М2); аустенітно-феритні сталі (08Х22Н6Т, 08Х22Н6М2Т); аустенітно-мартенситна сталь 08Х17Н5МЗ.

Коротко наведено аналіз існуючих типів виробництв і їх характерні ознаки. Досліджено характер корозійних процесів, що протікають на різних ділянках обладнання. Проведено аналіз особливостей локальних видів корозії при виробництві карбаміду, встановлено місця її найбільш інтенсивного протікання. Шляхом статистичної обробки результатів обстеження обладнання на аналогічних виробництвах країн СНД виявлено, що найбільше корзійним пошкодам підлягає колона синтезу карбаміду.

Встановлено, що після нетривалого періоду експлуатації спостерігалася незначна загальна корозія верхнього поясу футерування колони синтезу (газова фаза). Нижче за верхній шар істотної корозії не спостерігалося. Зварні шви протравлені і мали світлий колір. Із збільшенням терміну служби колон корозія основного металу і зварних з'єднань перейшла в нерівномірну. Інтенсивніша корозія спостерігається у зварних швах з великим вмістом фериту. Мала місце пітінгова і виразкова корозія по всій висоті колон, але переважно в середній і нижній частині колони (рідка фаза). Характер пошкоджень залежить від часу експлуатації.  

Окрім загальної корозії устаткування виробництва карбаміду, воно підлягає локальним видам корозії,  найбільш небезпечні  з них: міжкристалітна (МКК), ножова і структурно-вибіркова. Небезпека цих видів корозії поглиблюється тим, що і МКК і структурно-вибіркова корозія можуть переходити в міжкристалітне корозійне розтріскування і корозійно-втомне руйнування (рис. 3).

Рис. 3. Характер корозійного руйнування футерування колон синтезу карбаміду залежно від часу

експлуатації на різних хімічних комбінатах

Інтенсивному корозійному пошкодженню підлягають карбаматні насоси: зокрема блоки циліндрів насосів та клапана зі сталі 08Х17Н12М2Т. В клапані карбаматного насосу разом з міжкристалітною корозією сталі має місце інтенсивне корозійно-втомне руйнування (рис. 4).

Рис.4. Тріщини і корозія клапана карбаматного насоса

Поблизу основної тріщини видні інші, менш глибокі, які носять як транскристалітний, так і міжкристалітний характер і розвиваються переважно по феритним включенням і скупченням карбідів. Більшість тріщин зароджувались в кутах переходів з менших діаметрів отворів на більші. В процесі розвитку тріщини на своєму шляху проходять через ланцюги карбідів і включення фериту (рис. 5).

               

                                               а                                                                                   б

Рис. 5. МКК (а) і корозійно-втомні тріщини в клапані карбаматного насоса (б); а × 300, б  × 100

Зварні з'єднання нержавних сталей в середовищах синтезу карбаміду схильні до ножової і структурно-вибіркової корозії. Ножова корозія, будучи зосередженою на окремих ділянках міжкристалітної корозії, звичайно спостерігається по зоні сплавлення і по зоні термічного впливу. Найнебезпечнішою є ножова корозія зварних з'єднань трубопроводів плаву карбаміду після колони синтезу, що обумовлено недефектоскопічністю труб високого тиску з аустенітних сталей для ультразвукового контролю і великою небезпекою непередбаченого руйнування.

Оскільки основною причиною МКК нержавних сталей в карбаматі є випадання по границях зерен карбідів (FeCr)23C6, то температура, що близька під час зварювання до 850 °С є особливо «небезпечною», оскільки швидше за все карбіди випадають за цієї температури.

Показано, що якщо ферит в зварних швах розташований на шляху поширення тріщин, то вони пересікають його, а надалі він розчиняється в агресивному середовищі (рис. 6).

Іншим видом локальної корозії зварних з'єднань аустенітних нержавних сталей в середовищах карбаміду є структурно-вибіркова корозія по α-фазі. Вона інтенсивніше проявляється при електродуговому зварюванні сталей електродами НЖ або ЕА 400/10, коли в наплавленому металі може бути до 20% α-фази. При аргонодуговому зварюванні α-фази в наплавленому металі менше – до 5%. Для ультразвукового контролю такі шви є недефектоскопічними, тому в цьому випадку актуальним є використання електрохімічного моніторингу.

У п’ятому розділі, враховуючи те, що однією з причин пошкодження сталей за довготривалої експлуатації  може бути їх деградація, яка викликає зміну їх властивостей в часі, було досліджено електрохімічні і механічні характеристики сталей після тривалої експлуатації у порівнянні зі сталями у стані поставки. Зроблено порівняльний аналіз чутливості різних механічних характеристик для її оцінювання і прогнозування залишкового ресурсу. Також  проаналізовано зміни в структурі ряду сталей внаслідок тривалої експлуатації.

Досліджено сталі: 09Г2С, 17ГС, 17Г1С, 12Х18Н10Т, 15Х5М, 12Х1МФ, біметал              09Г2С + 08Х13. Сталі випробовувались на розтяг, удар, втому і корозійну втому. Оцінювали також ступінь наводнювання сталей з часом в різних середовищах. Аналізуючи результати досліджень механічних характеристик низьколегованих сталей 09Г2С, 17Г1С, 17ГС, які пропрацювали значний термін в різноманітних агресивних середовищах, можна відмітити спільні тенденції, що притаманні їх деградації.

Практично всі проведені випробування показують у експлуатованих сталей збільшення величин σb і σ0,2, що свідчить про зміцнення сталей з часом. Проблема порівняння зі значеннями цих характеристик на момент поставки  (тобто відсутністю даних про ці показники у сталей на момент початку експлуатації) може бути частково усунута введенням комплексного показника σ0,2b або σt /σb. Коли для групи низьколегованих сталей у вихідному стані рекомендовано σ0,2b в інтервалі 0,65÷0,70, то у сталей, що були тривалий час в експлуатації, верхнє значення може наближатися до 0,87. Такий показник, як σ0,2b,  особливо чутливим виявився при зміні властивостей середньолегованої сталі 15Х5М після експлуатації 71280 годин за температури         ~ 800 °С в середовищі гідроочищеного вакуумного дистиляту: він зріс до 0,79-0,99 проти 0,69-0,71 для вихідної сталі. В залежності від температури експлуатації і середовища можливе відхилення цього показника і в бік зменшення. Взагалі, незалежно від марки сталі і умов експлуатації відхилення від цієї величини є свідченням деградації сталі в процесі експлуатації.

Досліджували сталь 09Г2С, яка є основою біметалу, з якого виготовлена колона К-6 на Лисичанському ТОВ “Линос”, що працювала 27 років  в середовищі бензинових фракцій за температури ~ 200 °С. За час експлуатації значним корозійним пошкодженнями підлягала вся внутрішня поверхня колони. Особливо враженою виявилась нижня частина колони. Внутрішня поверхня днища з біметалу 09Г2С + 08Х13 (9+3) мм пошкоджена пітінговою та виразковою корозією (рис. 7а), зона термічного впливу  зварного зєднання також мала ділянки з тріщинами плакуючого шару, густина яких зростала в нижній частині  (рис. 7б).

Опір біметалу руйнуванню у великій мірі залежить від властивостей несучого металу  та їх змін під час експлуатації, а також від щільності з’єднання несучого матеріалу і плакуючого шару.

                

             

                                              а                                                                               б

Рис. 7. Руйнування плакуючого шару біметалу 09Г2С+08Х13: а- виразкова корозія днища;

б-  корозійне розтріскування сталі 08Х13, ×5

Свідченням значних деградаційних процесів, що відбулись зі сталлю 09Г2С після тривалої експлуатації є і результати механічних досліджень (рис. 8).

а                                                     б          

Рис. 8. Діаграма розтягу сталі 09Г2С за температури 20 °С (а) і за температури 200 °С (б):                              1, 2 – зразки з вихідної сталі; 3, 4, 5, 6, 7 – зразки з деградованої сталі

Встановлено, що за температури 20 °С (рис. 8а) експлуатована сталь 09Г2С відрізняється незначним збільшенням значень σb  (на ~3-5 МПа) і більш значним σ0,2 (на ~ 11-41 МПа). (рис. 8а). А от зменшення σ0,2/σb до величин 0,59-0,61 порівняно з 0,63-0,67 у вихідної сталі є досить типовим за тривалої експлуатації таких сталей і є показовою характеристикою деградаційних процесів.

При експериментах за температури 200 °С у сталі після тривалої експлуатації характерним є ступінчастий характер кривої навантаження за напружень більших, ніж напруження текучості (рис. 8б). У вихідної і експлуатованої сталі за температури 20 °С такий характер спостерігається лише на площадці текучості. Така поведінка пояснюється тим, що у сталей після тривалої експлуатації відбулись значні структурні зміни. Найчастіше це проявляється у вигляді випадання на границях зерен карбідів, подрібнення зерна тощо. Вони з енергетичної точки зору є бар’єрами для руху дислокацій, що обумовлює з часом зміцнення сталі. Отже, за навантажень,  що відповідають текучості матеріалу і вище розтяг деградованих сталей відбувається ступінчасто, в міру подолання чергового бар’єра. Подрібнення зерна при експлуатації сприяє посиленню цих тенденцій. Саме наявністю в структурі сталі карбідів і інших включень можна пояснити значний розкид значень σ0,2  деградованих сталей незалежно від температури.

Досліджували такий самий біметал 09Г2С+08Х13 з колони К-2, що має аналогічні технологічні умови після 12 років експлуатації та вихідний в стані поставки. Випробовування його  на міцність зчеплення шарів полягали у визначені границі міцності на відрив σвід. Встановлено, що після тривалої експлуатації протягом 27 років спостерігається тенденція до практично лінійного зменшення міцності на відрив. Протягом 27 років експлуатації вона зменшилась майже на ~20%.

Метал з колони К-6  досліджено на ударну в’язкість. Основний метал 09Г2С мав наступні характеристики: 30,0·105 Дж/м2; 30,8·105 ДЖ/м2; 25,8·105 Дж/м2, а зварний шов: 13,7·105 Дж/м2; 14,7·105 Дж/м2; 14,4·105 Дж/м2; 15,7·105 Дж/м2; 17,0·105 Дж/м2. Коефіцієнт ударної в’язкості є досить інформативним з точки зору зміни абсолютних значень. Однак часто деградовані сталі мають значний розкид значень КС, що знижує об’єктивність такої оцінки. Чутливою величиною, що характеризує деградацію сталі обладнання хімічних і нафтопереробних підприємств, є також відносне видовження δ. Зміна величини δ протягом експлуатації може складати десятки відсотків, але для трубних сталей регламентується лише мінімально допустиме її значення, що утруднює її використання для оцінювання деградації значної частини технічних об’єктів. Відносне звуження ψ для оцінювання деградації, внаслідок великої різниці значень навіть у зразків з однієї партії, є менш інформативним показником.

Досліджено на втому і корозійну втому сталь 09Г2С після експлуатації протягом 20 років в середовищі газового конденсату та конденсованого газу і сталі тієї ж марки в стані поставки.  

Показано (рис. 9), що границя корозійної втоми зразків без концентраторів напружень у модельному розчині оборотної води і 3%-му розчині NaCl для вихідної і експлуатованої сталей практично однакові: σ-1с = 50МПа.

Рис. 9. Криві втоми сталі 09Г2С

1 – вихідна, повітря;

1’ – відпрацьована,

2 – вихідна, 3% NaCl;

3 – відпрацьована: [SO42-] = 300 мг/л,

 [Сl-] = 400 мг/л;

4 – вихідна, 3% NaCl, (Е = -850 мВ);

5 – відпрацьована, 3% NaCl

Не дивлячись на тривалу експлуатацію границя втоми  теж практично не змінилась              (σ-1=150 МПа). Тобто, істотних змін опірності  втомному руйнуванню внаслідок тривалої експлуатації не спостерігається. Також було визначено, що застосування катодної поляризації       Е = - 850 мВ за умови багатоциклового навантаження наближує характеристики експлуатованої сталі 09Г2С в середовищі 3%-го розчину NaCl до характеристик втоми вихідної сталі на повітрі. Аналогічні результати були одержані для цієї ж сталі після 30 років експлуатації в тому ж середовищі, але на іншому підприємстві.

Загальною тенденцією деградації, особливо за підвищених температур, є подрібнення зерен металу. Практично у всіх досліджених випадках відмічається підвищена стрічковість структури металу. Часто місця стрічкового накопичення неметалевих включень є джерелами розшарування, частіше вздовж напрямку прокату. Більшість розшарувань мають вигляд стрічок, розташованих вздовж сульфідних включень (рис. 10).  

Рис.10. Характер розшарувань сталі 17ГС після тривалої експлуатації, × 300

Для переважної більшості досліджених низьколегованих сталей встановлено, що твердість поверхні не завжди адекватно відтворює процес деградації, що пояснюється не детермінованістю структурних змін і розшаруванням металу.

Для нержавних сталей аустенітного класу процеси деградації характеризуються схожими явищами. Враховуючи те, що вони часто експлуатуються за вищих температур, то ці процеси посилюються. Інтенсивність змін механічних характеристик суттєво залежить від умов експлуатації і терміну роботи. Наприклад, коли у циклонів регенераторів виробництва каталітичного крекінгу (Т≥ 700 °С) відносне видовження зразків знизилось до 2-5% проти 46-74% у стані поставки, то у регенераторів, виготовлених з тієї ж сталі, що використовувались при виробництві скраплених азоту і кисню, після 35 років експлуатації δ змінилась на 15-20%. В останньому випадку на величину зміни δ суттєво впливала температура. Але тенденція зменшення δ є стійкою і простежується у всіх випадках, що аналізувались. При досліджені нержавних аустенітних сталей, як і у низьколегованих, суттєвих змін величини ψ не виявлено. Ця характеристика взагалі менш інформативна, як показник деградації сталей. Зміна коефіцієнта ударної в’язкості, як і у низьколегованих сталей, є досить показовою. Навіть, порівнюючи з мінімальним значенням КС у сталі 12Х18Н10Т корпусу азотного регенератора, що складає 28,6·105 Дж/м2, можна відмітити зменшення цієї характеристики для основного металу до       (14,9-27,2)·105  Дж/м2, а для зварного шва до (13,2-17,2)·105 Дж/м2.

Такий показник, як σ0,2b,   для цих сталей також досить чутливий до  деградації. Те ж стосується і зварних швів аустенітних сталей, де відношення σ0,2 до σb близьке до 1. На відміну від вуглецевих і низьколегованих сталей, структурні зміни аустенітних сталей мають більш виразний характер.

Практично завжди після тривалої експлуатації відмічається утворення високохромистих      крихких σ-фази і γ'-фази в аустенітній матриці. В зернах аустеніту спостерігається двійникування і лінії ковзання (рис. 11а).  Структурні зміни в зварних швах і зоні термічного впливу сталі 12Х18Н10Т протікають більш інтенсивно порівняно з основним металом, але в основному спостерігаються ті ж самі тенденції (рис. 11в). Особливо відмічається збільшення σ-фази. В тих випадках коли в процесі експлуатації траплялись перегріви, наприклад, внаслідок зашлакування труб, то структурні зміни поглиблювались. Це обумовлювало погіршення механічних характеристик.

        а                                                    б                                                  в

Рис. 11.  Мікроструктурні аномалії у сталі 12Х18Н10Т: а – основний метал,

          б – зона термічного впливу, в – зварний шов; а, б  × 800, в  × 300

В зоні термічного впливу по границях зерен утворюються ферито-карбідні структури з порами (рис. 11б), які виступають концентраторами напружень. Переважно дефекти у зварних швах при експлуатації поступово розвиваються, а структурні аномалії пришвидшують цей процес. Часто це супроводжується протіканням міжкристалітної корозії та крихким міжзеренним руйнуванням (рис. 11в). Для зварних швів аустенітних сталей співвідношення σ0,2b для деградованих сталей теж зростає і стає близьким до 1. Відмічаючи подібність процесів, що протікають під час деградації низьколегованих і нержавних сталей, їх зміцнення пов’язали із гальмуванням руху дислокацій утвореними бар’єрами тому, що їх кількість при подрібненні зерен, утворенні карбідів та дефектів завжди зростає. В зв’язку з тим, що біля дефекту у вигляді некогерентної частинки відбувається скупчення дислокацій, то саме в цих місцях з часом утворюються залежно від величини напружень і середовища, джерела розвитку корозійного розтріскування або міжкристалітної корозії. Приведені результати свідчать, що якийсь один показник або характеристика не можуть однозначно характеризувати ступінь деградації сталі. В той же час комплексний аналіз дозволяє оцінити ступінь деградації сталі і з певною вірогідністю прогнозувати залишковий ресурс.

Експлуатація обладнання в хімічній і нафтопереробній промисловості відрізняються не лише великими механічними навантаженнями і агресивними середовищами, але і частими зупинками, що до цього часу не бралось до уваги. Вони можуть бути обумовлені відсутністю сировини, ремонтними і профілактичними роботами тощо. З врахуванням цього, пропонується для оцінювання залишкового ресурсу основного обладнання, що працює за циклічного механічного навантаження, використовувати наступну формулу:

Tзал =(N0 n)/ńCgКбКз,

де N0 – число циклів до руйнування метала у вихідному стані; n – число циклів навантаження на момент визначення Tзал; ń – число циклів за один рік експлуатації; Cg – коефіцієнт старіння металу; Кб – коефіцієнт безпеки, що враховує питому величину впливу певного обладнання на технологічний процес; Кз – коефіцієнт, що враховує кількість незапланованих зупинок за час експлуатації до моменту визначення залишкового ресурсу.  

Для визначення коефіцієнта старіння металу пропонується з врахуванням деградаційних процесів використовувати наступну функціональну залежність:

Cg = f0,2,  σ0,2b, δ, КС)

Запропонований підхід дозволяє робити загальне оцінювання залишкового ресурсу обладнання. Недоліком представленого методу є необхідність використання руйнівних методів контролю і відносно великий інтервал між моментами проведення аналізу. Характерною відмінністю пошкоджень обладнання в хімічній і нафтопереробній промисловості  є переважно локальні пошкодження металу. Цим обумовлена необхідність контролю саме “проблемних місць” обладнання. Незаплановані зупинки (іноді до 10 і більше за рік) суттєво впливають на динаміку розвитку локальних пошкоджень і охоплену ними площу поверхні. Саме через незаплановані зупинки ресурс може зменшуватись в десятки разів. Це обумовлює необхідність розробки методів, які дозволяють визначати залишковий ресурс не статистичними методами, а шляхом моніторингу корозійно-механічних пошкоджень певної частини обладнання, що пришвидшено руйнується.

У шостому розділі досліджено електрохімічні характеристики сталей в стані поставки і після тривалої експлуатації. Випробовували наступні сталі: 09Г2С, сталь 20, 20Х13, 08Х13, 12Х18Н10Т, 03Х17Н14М3 в 3 %-му розчині NaCl.

Досліджували сталь 09Г2С після 20 років експлуатації в середовищі газового конденсату і конвертованого газу з цеху 1-Б ЗАТ “Сєверодонецьке об’єднання Азот” і сталь в стані поставки. Знімались анодні і катодні криві. Встановлено, що потенціал корозії експлуатованої сталі від’ємніший на  0,070 В, а струм корозії виріс в ~2 рази (рис. 12).

Порівнювали властивості сталі 20, що експлуатувалась 20 років в складі бензосховища на ТОВ “Линос” та з трубопроводу оборотної води, який пропрацював 30 років на ЗАТ “Сєверодонецьке об’єднання Азот” (рис. 13).

Рис. 12. Поляризаційні криві вихідної (1)  і експлуатованої (2) сталей 09Г2С у

3 %-му розчині NaCl

Рис. 13. Поляризаційні криві вихідної (1) і експлуатованих сталей 20 на ТОВ ”Линос“ (2) і на ЗАТ “СО Азот” (3) у 3%-му розчині NaCl

Встановлено, що її корозійна тривкість порівняно із неексплуатованою теж зменшилась: потенціал корозії змістився у бік від'ємніших значень на 0,05 В, а струми корозії збільшилися в ~2,1 і 2,6 рази відповідно. Зменшення корозійної тривкості сталі 20 та 09Г2С після тривалої експлуатації пов’язано із зростанням швидкості анодних процесів при незначній зміні ефективності катодних реакцій.

Взагалі можна зауважити, що для цих сталей характерним є зростання корозійної активності після тривалої експлуатації за різних умов. Це проявляється в зміщенні потенціалу корозії в бік відємніших значень та зростання швидкості корозії більше, ніж в два рази.

Дослідженням підлягали також зразки зі сталі 20Х13 після експлуатації протягом 32 років в середовищі оборотної води і зразки зі сталі у стані поставки (рис. 14). Потенціали корозії сталі в стані поставки і після експлуатації дорівнюють -0,300 В і     -0,230 В, відповідно. Струм корозії у експлуатованої сталі зменшився в 2,4 рази. Потенціал пітінгоутворення Епу у неї на 0,17 В, а потенціал репасивації Ерп на 0,075 В додатніші, ніж у вихідної сталі. Додатніший на 0,10 В у експлуатованої сталі і ΔЕпу, а ΔЕрп практично не відрізняються. Таким  чином, корозійна тривкість у експлуатованої сталі підвищилась, про що свідчить зміщення потенціалу в додатній бік  та зниження струму розчинення в пасивному стані. Експлуатована сталь менш схильна до пітінгоутворення, а репасивація протікає за однакових потенціалів. Це пояснюється стабілізацією структури металу і збільшенням внаслідок селективного розчинення на поверхні пасивувальних елементів.

Досліджували сталь 08Х13 після експлуатації протягом 21 року в середовищі бензинових фракцій і сталь у стані поставки (рис.15). Встановлено, що потенціали корозії експлуатованої сталі і в стані поставки відрізняються незначно. Струм розчинення в пасивному стані у вихідної сталі більший у ~8 разів, а потенціали пітінгоутворення та репасивації додатніші відповідно на 0,040 В і 0,027 В. Внаслідок цього значення  ΔЕпу і ΔЕрп у експлуатованої сталі відповідно на 0,030 В та 0,017 В більші. Можна стверджувати, що корозійна тривкість сталі зросла, а схильність до пітінгоутворення хоча і зменшилась, але не істотно.  

Вивчали аустенітну сталь 12Х18Н10Т після експлуатації протягом 30 років у середовищі газового конденсату і конвертованого газу і таж сталь в стані поставки (рис.16). Встановлено, що потенціали корозії  у експлуатованої і вихідної сталі практично однакові. Струм розчинення в пасивному стані в експлуатованої сталі у ~2,9 разів менший. Її потенціал пітінгоутворення на 0,070 В додатніший, а ΔЕпу більший, ніж у сталі в стані поставки на 0,07 В. Потенціали репасивації та ΔЕрп для двох сталей однакові Отже, після 30 років експлуатації сталі 12Х18Н10Т зменшились її схильність до пітінгоутворення та швидкість розчинення в пасивному стані. Для цієї сталі зберігається така ж тенденція зміни електрохімічних властивостей, як і для сталей легованих лише хромом.

Досліджували сталь 03Х17Н14М3 після 30 років експлуатації в складі колони з виробництва карбаміду (рис. 17). Потенціал корозії у експлуатованої сталі на 0,060 В додатніший, ніж у сталі в стані поставки. Її струм розчинення у пасивному стані зменшився в ~2,1 рази. При цьому потенціал пітінгоутворення став додатнішим на 0,105 В, а потенціал репасивації практично не змінився. Беручи до уваги те, що критерій ΔЕпу  зріс на 0,45 В, можна стверджувати, що пітінги у відпрацьованої сталі будуть зароджуватись повільніше. Критерій ΔЕрп зменшився на       0,060 В, отже репасивація пітінгів буде протікати повільніше.

Підсумовуючи, можна стверджувати, що тривала експлуатація нержавних сталей в агресивних середовищах знижує їх швидкість розчинення в пасивному стані та може підвищити їх стійкість проти пітінгоутворення. Основною причиною цього є зміни в структурі сталей, які приводять до її стабілізації та селективне розчинення, що обумовлює накопичення в поверхневих плівках нержавних сталей пасивувальних компонентів.

У сьомому розділі науково обгрунтовуються нові методи корозійного моніторингу і визначення залишкового ресурсу працюючого обладнання шляхом вимірювання електрохімічних характеристик деформованих металів. З точки зору вимірювань корозійно-механічних пошкоджень в умовах одночасної дії механічних навантажень і агресивних середовищ перспективним для металів чутливих до зміни потенціалу є використання методу, за яким стадія руйнування обладнання визначається за характером зміни потенціалу або струму в часі. Згідно з запропонованим методом реєструється величина струму (потенціалу) і визначаються відповідні ділянки, котрі відповідають певним періодам руйнування.

Запропоновано використовувати цю залежність як ресурсну криву, яка може бути застосована для моніторингу обладнання у реальному часі. Для цього її розбивають на певні періоди: безпечна експлуатація, період експлуатації за ретельного контролю, період обмеженої експлуатації і період руйнування конструкції. Третій період обмеженої експлуатації може бути допущений для невідповідального допоміжного обладнання. В цей час, наприклад, може вестись підготовка до ремонту (рис. 18).

Застосовуючи такий самий підхід для різних систем метал–середовище можна побудувати відповідні графіки в координатах “струм поляризації (потенціал) – кількість циклів навантаження (час)” і визначити відповідні періоди експлуатації і значення критичних струмів. Знаючи значення критичного струму (потенціалу) і, отримавши шляхом вимірювання поточне значення струму (потенціалу) за допомогою корозійно втомної ресурсної кривої, визначається ступінь пошкодження за яким можна оцінити його  залишковий ресурс як різницю між критично допустимою кількістю циклів (заданим часом) і поточним значенням числа навантажень. Відповідні значення числа циклів навантажень чи часу визначаються з графіку за величиною струму (потенціалу).

В промислових умовах використання густини струму як інформаційного параметра ускладнене через певні труднощі при вимірюванні і  передачі цієї характеристики на значні відстані. За таких умов в промислових умовах потенціал є більш перспективним для передачі інформації від робочої зони до пульта оператора.

Для реалізації запропонованого методу в режимі постійного корозійного моніторингу було запропоновано триелектродну  і двоелектродну схеми  вимірювання. В обох випадках принцип вимірювання полягає в тому, що в початковий момент, коли відсутнє корозійно-механічне пошкодження обладнання, струм між давачем і корпусом відсутній. В міру розвитку пошкодження метала його потенціал зміщується у бік від’ємних значень. Враховуючи, що потенціал давача не змінюється, між ним і корпусом тече електричний струм, і тим більший за значенням, чим інтенсивніше йде процес пошкодження. Більш простою для реалізації в умовах промислових виробництв і дешевою є двоелектродна схема (рис. 19).

1 – одноелектродний давач (постійний контакт (А);

2 – пошкодження округлої форми в корпусі апарата (В);

3 – перемикач (К);

4 – амперметр;

5 – ізолятор.

Рис. 19. Двоелектродна схема реалізації методу оцінювання ступеня пошкодження обладнання, що  працює в корозивному середовищі

Для порівняльного аналізу двох вимірювальних схем досліджено зміну струму поляризації за корозійної втоми сталі 12Х18Г12Н5АБ в 3%-му водному розчині NaCl і 11%-му розчині карбаміду (рис. 20). Видно, що перехід від триелектродної схеми до двоелектродної не змінює суть методу. На обох кривих можна виділити характерні ділянки, які відповідають різним періодам руйнування зразків.

За двоелектродною схемою досліджено трубу зі сталі 12Х18Н10Т з гострим трикутним концентратором. Вимірювали зміну потенціалу. Встановлено, що процеси корозійно-механічного руйнування мають ті ж самі характерні ділянки, що представлені на рис. 18. Зростання абсолютного значення потенціалу на момент руйнування труби відбулось з 98 мВ до 405 мВ, тобто потенціал змінився в ~ 4,1 рази, що говорить про високу чутливість запропонованої вимірювальної схеми і здатність давачів адекватно відтворювати  процеси корозійно-механічного руйнування в реальному часі.

За даною схемою вимірювання реалізовано моніторинг корозійно-механічних пошкоджень лінії всмоктування карбаматного насосу на ЗАТ “Сєверодонецьке об’єднання “Азот”. Подальшим розвитком потенціометричного методу можна вважати імпульсний метод оцінювання корозійно-механічного пошкодження обладнання, що працює в середовищі електролітів.

Суть методу полягає в тому, що у ресурсної кривої кожна її ділянка характеризується певною інтенсивністю розвитку мікротріщин або швидкістю розвитку магістральної тріщини в умовних координатах “кількість циклів (імпульсів) навантажень – кількість імпульсів руйнувань (відгуків)“, що свідчать про динаміку  процесу розвитку корозійно-механічних пошкоджень в металі. Логічно припустити, що в міру наближення від початку навантаження до моменту руйнування динаміка розкриття тріщин, тобто “відгуків” на зовнішнє циклічне навантаження буде зростати. Враховуючи це, запропоновано оцінювати ступінь корозійно-механічного пошкодження металу інтенсивністю відгуків (густиною імпульсів руйнування за одиницю часу або за певну кількість циклів зовнішнього навантаження). Тобто кожна ділянка ресурсної кривої має свій певний діапазон густина відгуків, і ця густина зростає в міру наближення до моменту руйнування. При такому підході усувається значною мірою необхідність враховувати марку сталі, середовище, температуру тощо. Метод є не тільки більш універсальним, але при цьому зміщується акцент в таких питаннях як точність вимірювання і чутливість. Важливою перевагою імпульсного методу є також те, що процес моніторингу можна розпочинати на будь якому періоді експлуатації без врахування попередньо “історії” накопичення корозійно-механічних пошкоджень.

Для реалізації цієї ідеї розроблена наступна блок-схема корозійного моніторингу шляхом одночасного вимірювання і реєстрації імпульсів циклічних зовнішніх навантажень і імпульсів руйнування  на об’єкті контролю (рис. 21).

Рис. 21. Структурна схема імпульсного методу корозійно-механічного моніторингу:

Д1 – давач  сигналів корозійно-механічно руйнування;

П – буферний посилювач;

РЕ  – реєстратор електронний МТМ РЕ 160;

Ф1 – формувач рівня стандартного сигналу;

n – лічильник імпульсів руйнування;

Д2 – давач сигналів циклічного навантаження;

Ф2 – формувач часового інтервалу;

N – лічильник циклів навантаження;

N – лічильник часових інтервалів.

Електричні імпульси, що генеруються при корозійно-механічному руйнуванні обладнання, знімаються з об’єкта контролю давачем Д1 і посилюються буферним посилювачем П. Постійний сигнал за необхідності подається на електронний реєстратор РЕ, який аналізує характер змін вимірюваних величин і їх відповідності ділянкам ресурсної кривої. Посилені імпульси, що свідчать про руйнування, поступають на формувач Ф1, котрий формує стандартні рівні сигналів додатної полярності з різнополярних вхідних імпульсів. Сформовані імпульси поступають на накопичувальний лічильник імпульсів руйнування – ∑n і на дискретний лічильник – n, який реєструє число імпульсів за інтервал часу, котрий визначається формувачем інтервалів  Ф2. Формувач імпульсів Ф2 є таймером, завдання якого полягає в задані часу, що відповідає певній кількості періодів циклічної дії на об’єкт дослідження за певний час.

Сигнали зовнішньої циклічної дії знімаються з об’єкта давачем Д2, реєструються накопичувальним лічильником  ∑N і надходять на формувач часових інтервалів Ф2. Протягом наперед заданого інтервалу дозволяється прийом імпульсів, які сигналізують про розвиток руйнувань в дискретний лічильник n. Після закінчення кожного часового інтервалу відбувається онулення лічильника  n .

При досягненні заданого значення пропорційності імпульсів відгуків, які свідчать про розвиток тріщин і сигналів зовнішнього циклічного навантаження (коефіцієнт пропорційності задається величиною певної вставки), лічильник n видає сигнал “аварійного порогу” на формувач ФАС, який генерує звуковий сигнал аварії, що передається далі на гучномовець.

Таким чином, залежно від важливості об’єкта, що підлягає контролю, наперед задавши необхідний коефіцієнт пропорційності між частотою механічних зовнішніх циклічних навантажень, і частотою сигналів, які свідчать про розвиток корозійно-втомних тріщин, можна визначити  етап руйнування, що відповідає певній ділянці ресурсної кривої і попередити виникнення аварійної ситуації.

З досвіду відомо, що характер ресурсної кривої у деяких сталей і сплавів суттєво відрізняється від наведеної на рис. 18. Наприклад, у титанових і алюмінієвих  сплавів III ділянка проявляється невиразно, або може бути взагалі відсутня. З методологічної точки зору то не є проблема для наведеного вище методу, бо система налагоджується саме на густину відгуків за певну кількість зовнішніх циклічних навантажень. Разом з тим, під час моніторингу необхідно відслідковувати етапність процесу вичерпання ресурсу. Тому дуже корисно паралельно вести запис зміни потенціалу в часі.

Вимірювальна схема імпульсного методу була реалізована за структурно-логічною схемою наведеною на рис. 21. Досліджено трубу з нержавної сталі 12Х18Н10Т ø35 мм  з гострим концентратором, що навантажувалась циклічно з частотою коливань 5 Гц і амплітудою 5-12 мм. Шляхом заміру величини потенціалу відслідковувалась динаміка корозійно-механічного руйнування. Одночасно замір потенціалу в реальному часі вівся на електронний реєстратор    МТМ РЕ 160 і через перетворювач інтерфейсів інформація передавалась на комп’ютер. В процесі роботи порівнювалась кількість імпульсів циклів зовнішніх навантаження і імпульсів відгуків, які реєструвалися первинним перетворювачем за певний відрізок часу. В процесі навантажень інтервал порівняння (вікна) з метою більш точних замірів змінювався в діапазоні від 0,2 с до 1 с. Кількість циклів навантажень і відгуків реєструвалось також візуально на спеціальних електронних лічильниках. На рис. 22 наведено, як змінюється потенціал (статична складова) і зростає густина імпульсів руйнування протягом останньої години перед руйнуванням зразка.  

Рис. 22. Руйнування зразка на останній стадії при імпульсній формі реєстрації сигналів

Зростає не тільки густина, а і абсолютна величина сигналу, що свідчить про прискорення процесу руйнування при наближені до моменту руйнування зразка.

Встановлено, що густина імпульсів в процесі досліджень від початку циклічного навантаження зразка до моменту руйнування зросла в п’ять разів. Густина імпульсів на завершальному відрізку стадії руйнування приблизно вдвічі більше, ніж перед цим.  Це свідчить про правильність викладених вище положень і функціональність запропонованої схеми.

За даною схемою вимірювання реалізовано моніторинг корозійно-механічних пошкоджень ребойлера-випарювача на Лисичанському ТОВ “Линос”.

В додатках представлено: перелік обладнання установки ЕЛОУ-АВТ-6  №2 з основними  матеріалами, умовами  експлуатації і параметрами загальної і локальної корозії (додаток А); результати корозійного обстеження основних апаратів виробництва карбаміду на стадіях синтезу і дистиляції Ι ступеня (додаток Б); акт про впровадження результатів роботи (додаток В); технологічний регламент використання електрохімічного імпульсного методу для оцінки ступеня пошкодження технологічного обладнання нафтопереробної і хімічної промисловості (додаток Д); технологічний регламент з використання методики поляризаційного струму для оцінки ступеня пошкодження технологічного обладнання хімічної і нафтохімічної промисловості (додаток Е); рекомендації з застосування електрохімічної методики оцінки стадійності корозійно-втомного пошкодження сталей та сплавів в середовищі електролітів та визначення залишкового ресурсу обладнання і апаратури (додаток Ж, З); рекомендації з застосування методики оцінки ступеня деградації сталей та сплавів після тривалої експлуатації комплексом механічних характеристик та визначення залишкового ресурсу обладнання і апаратури (додаток К); довідку про використання результатів дисертаційної роботи в учбовому процесі (додаток К).  

ВИСНОВКИ

Робота присвячена вирішенню науково-технічної проблеми корозійного моніторингу обладнання хімічної та нафтопереробної промисловості, оцінювання корозійно-механічного пошкодження, а також прогнозуванню його залишкового ресурсу і безпечної експлуатації. В результаті виконання даної роботи отримано такі основні результати:

  1.   Встановлено, що основним видом пошкодження обладнання нафтопереробного заводу ЗАТ «Линос» (насоси, теплообмінники, колони К-6, К-101, шоломова лінія колони ДО-2 тощо)  найчастіше є локальна корозія (виразкова та пітінгова корозія, корозійне розтріскування та розшарування основного металу), яка найінтенсивніше протікає в місцях зварних з’єднань штуцерів, люків, кришок, барбатерів де присутня вібрація. Встановлено, що для крупногабаритного обладнання частота вимушених коливань близька до 2 Гц, для насосної групи – знаходиться в інтервалі від ~ 2 до 50 Гц, для теплообмінників  ~ 8-10 Гц. Величини вібраційних переміщень суттєво залежать від жорсткості кріплення та місця розташування об’єкта і знаходяться в інтервалі від одного до декількох сотень мкм. Встановлено, що корозійно-механічне пошкодження обладнання з вібраційним навантаженням є інтенсивнішим, ніж без нього і вимагає в 1,5-2 рази частішого ремонту.  
  2.   Проаналізовано характер пошкоджень основного обладнання виробництва карбаміду на п’ятьох підприємствах СНД і виявлено, що найінтенсивніше корозійно-механічне пошкодження розвивається в сепараторах, змішувачі і колоні синтезу в місцях кріплення конструкційних елементів, в циліндрах та клапанах карбаматних насосів.
  3.   Виявлено структурні зміни в сталях внаслідок тривалої експлуатації в умовах хімічних і нафтопереробних підприємств, які полягають у подрібнені зерен та випаданні по їх границях карбідів. В аустенітних сталях до того ж утворюються високохромисті крихкі σ-фаза і γ'-фаза, що сприяє корозійно-механічному руйнуванню. В зварних з’єднаннях ці фази утворюються інтенсивніше.
  4.   Показано, що для експлуатованих низьколегованих і вуглецевих сталей порівняно зі сталями, що не були в експлуатації, характерним є зміщення потенціалу корозії в бік від’ємніших значень та зростання швидкості корозії в декілька разів в основному за рахунок збільшення швидкості анодних процесів. При цьому швидкість катодних процесів змінюється незначно. Тривала експлуатація нержавних сталей аустенітного класу знижує швидкість їх розчинення в пасивному стані в 2-9 разів і зміщує потенціали пітінгоутворення та репасивації в бік додатніших значень відповідно на 0,06 – 0,17 В та 0 – 0,075 В, що пов’язано із покращенням захисних властивостей пасивувальних плівок за рахунок утворення з часом більш рівноважної структури металу та його селективного розчинення. Внаслідок зміни електрохімічних властивостей нержавних сталей вони стають менш схильні до локальної корозії.
  5.   Показано, що найбільш чутливими до деградації металу, що експлуатувався в умовах високих температур та тисків в агресивних середовищах є такі механічні характеристики як δ, σ0,2, σb, а також σ0,2b, КС. Абсолютна величина зміни КС велика і може використовуватись для оцінювання деградації низьколегованих та нержавних сталей, однак часто деградовані сталі мають великий розкид її значень, що знижує об’єктивність оцінювання стану металу. Внаслідок значної різниці величин ψ, навіть у зразків з однієї партії, вона виявилась не достатньо інформативною. Переважно величина σ0,2 змінюється інтенсивніше (10…40%), ніж σb (1,5…20%) і, за наявності бази порівняння, може свідчити про деградацію сталей, а за її відсутності краще використовувати комплексний показник σ0,2b. Інформативнісить δ обмежується нормуванням для більшості трубних сталей лише мінімально допустимих його значень.
  6.   Запропоновано оцінювати залишковий ресурс обладнання за критерієм загального старіння сукупністю механічних характеристик чутливих до деградації. Він полягає у врахуванні змін характеристик міцності і пластичності δ, σ0,2, σb, КС протягом експлуатації та врахуванні кількості позапланованих зупинок, які значно інтенсифікують корозію металу. Використання конкретної характеристики обумовлено специфікою середовища і навантаження.
  7.   Запропоновано використовувати залежність «потенціал, струм поляризації – кількість циклів до руйнування» при втомі, як ресурсну криву, на якій можна виділити різні періоди експлуатації обладнання: безпечна експлуатація, період експлуатації за ретельного контролю, період обмеженої експлуатації. На основі цього розроблено новий електрохімічний метод моніторингу та визначення залишкового ресурсу обладнання, що працює за механічних навантажень в електролітах. Він ґрунтується на порівняльному аналізі  поточних електрохімічних характеристик і очікуваних характеристик  ресурсної кривої.
  8.   Розроблено теоретичні засади і критерії нового імпульсного електрохімічного методу визначення корозійно-механічних пошкоджень, який полягає в порівнянні за певний відрізок часу  кількості зовні генерованих електричних імпульсів циклічних навантажень і імпульсів, що свідчать про розвиток втомних тріщин в  металі. Показано, що розвиток руйнування за циклічних навантажень супроводжується зростанням густини імпульсів майже в 5 разів. На противагу іншим цей метод не вимагає попереднього вивчення електрохімічних характеристик деформованих металів у робочих середовищах, тому його можна використовувати починаючи з будь-якого етапу експлуатації обладнання.  
  9.   Запропоновано використовувати для корозійного моніторингу одноелектродні давачі, які забезпечують адекватне відображення стадійності та ступеня пошкодження металу при корозійно- втомному руйнуванні: залежно від електропровідності середовища, розмірів контрольованого об’єкта та віддалі до пошкодження. Збільшення розмірів пошкоджень на порядок веде до зростання струму поляризації в 2…8 разів.
  10.   Розроблено і впроваджено технологічні регламенти з використання методу поляризаційного струму для карбаматного насосу на ЗАТ “Сєверодонецьке об’єднання “АЗОТ” і імпульсного методу для  ребойлера-випарювача на ТОВ «Линос».

СПИСОК ОПУБЛІУКОВАНИХ  ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.  Коррозия и защита оборудования производства карбамида / Кузюков А.Н., Борисенко В.А., Архипов А.Г., Ивонин М.В. – Луганськ: Вид-во Східноук. нац. ун-ту, 2007. – 109 с.

2. Нагулін М.І. Теорія коливань. / Нагулін М.І., Гєнкін Б.Й., Архипов О.Г. Навчальний посібник. - Луганськ: Вид-во Східноук. нац. ун-ту, 2004. -150 с.

3. Влияние вибрации на межкристаллитную коррозию стали 12Х18Н10Т / Кузюков А.Н., Архипов А.Г., Куликов Д.А., Липко Г.В., Никитченко В.М. // Фізико-хімічна механіка матеріалів, Спец. випуск №5. - 2006. -С. 192-194.

4. Борисенко В.А. Анализ причин и характера разрушения насосного агрегата нефтеперекачивающей станции / Борисенко В.А., Крикун В.П.,  Архипов А.Г. // Труды Одесского политехн. ун.-та. - 2006. - Вып. 2. - С. 58-62.

5. Оцінка чутливості методу поляризаційного струму до пошкод елементів конструкцій  / Похмурський В.І., Хома М.С., Джала Р.М., Архипов О.Г., Чучман М.Р. // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2006. - №4. – С. 74-77.

6. Разрушение деталей машин и аппаратов от совместного действия коррозии и вибрации в условиях нефтеперерабатывающих производств / Борисенко В.А., Архипов А.Г, Куликов Д.А., Липко Г.В. // Вісник Сумського держ. ун.-ту. - 2006. - №12. – С. 139-142.

7. Метод оцінки ступеня корозійно-утомного пошкодження обладнання хімічної та нафтохімічної промисловості / Похмурський В.І., Хома М.С., Архипов О.Г., Борисенко В.А. // Цільова комплексна програма НАН України „Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин: зб. наук. статей за результатами, отриманими в 2004-2006 рр. – К.: Інстит. електрозвар. ім. Є.О. Патона НАН України, 2006. – С. 124-128.

8. Кузюков А.М. Діагностика корозійно-механічної втоми і прогнозування залишкового ресурсу / Кузюков А.М., Архипов О.Г., Борисенко В.А. // Академічний вісник. – 2007. -№19.          – С. 26-29.

9. Електрохімічний контроль обладнання, що підлягає дії середовищ хімічних і нафтохімічних виробництв в умовах вібрації / Похмурський В.І., Хома М.С., Кузюков А.М., Архипов О.Г., Борисенко В.А. // Фізико-хімічна механіка матеріалів, Спец. випуск №6. - 2007.        – С. 47-54.

10. Архипов О.Г. Міжкристалітна корозія хімічного обладнання при виробництві карбаміду / О.Г. Архипов // Вісник Криворізького технічного університету. – 2007. - Вип.16. – С. 169-171.

11. Архипов О.Г. Зміни властивостей низьколегованих сталей внаслідок процесу старіння / Архипов О.Г., Борисенко В.А, Галабурда Н.І.  // Восточно-европейский журнал передовых технологий. – 2007. -№5/1. – С. 53-58.

12. Кузюков А.Н. Практика водородной коррозии оборудования химических и нефтехимических предприятий / Кузюков А.Н., Борисенко В.А.,   Архипов  А.Г. // Практика противокоррозионной защиты. – 2007. -№3. – С. 55-58.

13. Дослідження процесу старіння сталі 09Г2С / Архипов О.Г., Борисенко В.А., Хома М.С., Галабурда Н.І. //  Вісник СНУ ім. В. Даля. – 2007. -№1. – С. 24-30.

14. Архипов О.Г. Оцінка ступеня деградації сталей комплексом механічних характеристик / О.Г. Архипов // Фізико-хімічна механіка матеріалів, Спец. випуск №7. - 2008. – С. 744-749.

15. Архипов О.Г. Дослідження процесу деградації сталі 12Х18Н10Т / Архипов О.Г., Зінченко О.В., Гусєв С.О.  // Вісник донбаської державної машино-будівної академії. – 2009. -  №1. – С.117-122.

16. Оцінка деградації сталей обладнання нафтопереробних і хімічних виробництв / Архипов О.Г., Зінченко О.В., Ковальов Д.О., Заіка Р.Г. // Металеві конструкції. - 2009. – №2. – С. 32-36.

17. Архипов О.Г. Зв'язок структурно-вибіркової корозії і корозійного розтріскування нержавних сталей / О.Г. Архипов // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2009. -№4. – С. 27-30.

18. Архипов О.Г. Застосування імпульсного методу для оцінки пошкоджень обладнання і визначення залишкового ресурсу / О.Г. Архипов // Вісник СНУ ім. В. Даля. – 2009. - № 2.                – С. 84-89.

19. Розробка методу оцінки ступеня пошкодження обладнання нафтопереробної промисловості / Хома М.С., Похмурський В.І., Архипов О.Г., Борисенко В.А. // Цільова комплексна програма НАН України „Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин: зб. наук. статей за результатами, отриманими в 2007-2009 рр. – К: Інстит. електрозвар. ім. Є.О. Патона НАН України, 2009. – С. 149-154.

20. Архипов О.Г. Особливості деградації сталей в агресивному середовищі і модель механізму старіння / О.Г. Архипов // Вісник СНУ ім. В. Даля. – 2009. - № 12 , ч.2. - С. 117-121.

21. Дослідження змін механічних характеристик сталей 15Х5М і 12Х18Н10Т після тривалої експлуатації / Архипов О.Г., Заіка Р.Г., Любимова-Зінченко О.В., Ковальов Д.О., Боярчук О.Г. // Вісник СНУ ім. В. Даля. – 2010. - № 6. - С. 161-166.

22. Архипов О.Г. Оцінка залишкового ресурсу обладнання хімічної промисловості /            О.Г. Архипов // Вісник СНУ ім. В. Даля. – 2010. - № 7. - С. 117-121.

23. Деградація сталі 09Г2С в умовах нафтопереробних підприємств / Архипов О.Г., Хома М.С., Борисенко В.А, Ліпко Г.В., Зінченко О.В., Боярчук О.Г., Ковальов Д.О. // Фізико-хімічна механіка матеріалів. – 2010. -№5. –С. 65-70.

24.  Хома М.С. Розвиток електрохімічних методів корозійного моніторингу обладнання хімічної та нафтопереробної промисловості / М.С. Хома, О.Г. Архипов // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2010.  – Спец. вип. № 8.  Т.2 – С. 543-548.

25. Пат. 17856 Україна, МПК G 01 N 27/26, G 01 N 3/32. Спосіб оцінки ресурсу устаткування з робочими середовищами, що проводять електричний струм / Кузюков А.М., Похмурський В.І., Борисенко В.А., Хома М.С., Архипов О.Г., Парсентьєв М.М., Бойко І.В., Никитченко В.С.,  Куліков Д.О., Ліпко Г.В.; заявник і патентовласник Східноукр. націон. універ. ім. В. Даля.                -№ u200604329; заяв. 18.04.06; опубл. 16.10.06, Бюл.№10.

26. Пат. 21327 Україна, МПК G 01 N 27/26. Двохелектродний вузол / Кузюков А.М., Похмурський В.І., Борисенко В.А., Хома М.С., Архипов О.Г., Парсентьєв М.М., Бойко І.В., Никитченко В.С.,  Куліков Д.О., Ліпко Г.В.; заявник і патентовласник Східноукр. націон. універ. ім. В. Даля. -№ u200609269; заяв. 22.08.06; опубл. 15.03.07, Бюл. №3.

27. Пат. 38241 Україна, МПК G 01 N 27/26, G 01 N 3/32. Імпульсний спосіб оцінки ступеня корозійно-механічного пошкодження обладнання / Похмурський В.І., Хома М.С., Архипов О.Г. Ліпко Г.В., Борисенко В.А., Зінченко О.В., Одарченко В.В., Бохонов А.А.; заявник і патентовласник О.Г. Архипов. -№ u200810332; заяв. 12.08.08; опубл. 25.12.08, Бюл. №24.

28. Пат. 16117 Україна, МПК G 01 N 27/26. Електродний вузол / Кузюков А.М., Похмурський В.І., Борисенко В.А., Хома М.С., Архипов О.Г., Роменський О.В., Куліков Д.О., Ліпко Г.В.; заявник і патентовласник Східноукр. націон. універ. ім. В. Даля. -№ u200602108; заяв. 27.02.06; опубл. 17.07.06, Бюл. №7.

29. Пат. 24665 Україна, МПК G 01 N 27/00. Капілярний електродний вузол / Кузюков А.М., Похмурський В.І., Борисенко В.А., Хома М.С., Архипов О.Г., Крикун В.П., Шукайло Б.М., Куліков Д.О., Ліпко Г.В.; заявник і патентовласник ВАТ Сєверодон. наук.-досл. та констр. ін. хім. машинобуд.  -№ u200702021; заяв. 26.02.07; опубл. 10.07.07, Бюл. №10.

30. Пат. 27874 Україна, МПК G 01 N 3/32, G 01 N 27/26. Спосіб визначення ступеня корозійно-механічного пошкодження обладнання за характером зміни електрохімічних параметрів / Кузюков А.М., Похмурський В.І., Борисенко В.А., Хома М.С., Архипов О.Г., Куліков Д.О., Ліпко Г.В.; заявник і патентовласник Східноукр. націон. універ. ім. В. Даля. -№ u200613017; заяв. 11.12.06; опубл. 26.11.07, Бюл. №19.

31. Пат. 36282 Україна, МПК G 01 N 27/26. Електродний вузол з вібраційною очисткою робочої поверхні електрода / Похмурський В.І., Борисенко В.А., Хома М.С., Архипов О.Г., Заіка Р.Г., Зінченко О.В., Куліков Д.О., Ліпко Г.В.; заявник і патентовласник Східноукр. націон. універ. ім. В. Даля. -№ u200804218; заяв. 03.04.08; опубл. 27.10.08, Бюл. №20.

32. Пат. 46156 Україна, МПК G 01 N 3/32, G 01 N 27/26. Імпульсно-динамічний спосіб оцінки ступеня корозійно-механічного пошкодження / Похмурський В.І., Хома М.С., Борисенко В.А., Архипов О.Г., Зінченко О.В., Боярчук О.Г., Ковальов Д.О.; заявник і патентовласник Фіз. мех. ін. ім. Г.В. Карпенко. -№ u200906274; заяв. 16.06.09; опубл. 10.12.09, Бюл. №23.

33. Руйнування деталей машин і апаратів від одночасної дії корозії і вібрації в умовах нафтопереробних виробництв / Архипов О.Г., Кузюков А.М., Борисенко В.А. // 7 міжнар. симпоз. україн. інжен. механіків, 18-20 трав. 2005 р.: тези доповід. – Львів, 2005. – С.106.

34 Стойкость сталей аустенитного класса при совместном действии вибрации и коррозии / Кузюков А.Н., Архипов А.Г., Куликов Д.А., Липко Г.В. // Механічна втома металів: праці 13 міжнар. колов., 25-28 верес. 2006 р.: збірн. допов. -   Тернопіль, 2006. – С. 431-435.

35. New method development of electrochemical monitoring of the equipment subject to corrosion mechanical damage / Pokhmurskii V., Khoma M., Arkhypov A. // 1st International Conference: Corrosion and Material Protection.1st – 4th October 2007. Prague. Czech Republic. CD ROM. – P.6.

36. Водородное разрушение сталей в условиях транспортировки природного газа / Кузюков АН., Борисенко В.А., Крикун В.П., Левченко В.А., Архипов А.Г. // Водородная обработка материалов: труды 5 межд. конф., 21-25 мая 2007 г.: сб. науч. трудов. -  Донецк, 2007. – С. 734-738.

37. Дослідження процесів деградації сталі 09Г2С і біметалу на її основі / Архипов О.Г., Зінченко О.В., Заіка Р.Г. // Строительство, материаловедение, машиностроение: сб. научн. трудов. Вып. 53. – Днепропетровск, 2010. – С. 131-135.

АНОТАЦІЯ. Архипов О.Г. Наукові основи корозійного моніторингу і прогнозування залишкового ресурсу обладнання хімічної  та нафтопереробної промисловості. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.17.14 – Хімічний опір матеріалів і захист від корозії. – Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, Львів, 2011.

Дисертація присвячена вивченню корозійного моніторингу і закономірностей змін механічних і електрохімічних характеристик сталей, структурних перетворень в процесі деградації сталей внаслідок дії механічних навантажень і агресивного середовища. Досліджено сталі різних класів після тривалої експлуатації в різних корозійно активних середовищах на виробництвах нафтопереробної і хімічної галузей. Встановлено механічні характеристики, які здатні адекватно відтворювати процес деградації у часі. Визначені характерні особливості структурних перетворень метала з часом залежно від хімічного складу метала. Встановлено характерні особливості змін електрохімічних характеристик деградованих сталей порівняно зі сталями, що не були в експлуатації. Показано, що для експлуатованих низьколегованих і вуглецевих сталей порівняно зі сталями, що не були в експлуатації, характерним є зміщення потенціалу корозії в бік від’ємніших значень та зростання швидкості корозії в декілька разів в основному за рахунок збільшення швидкості анодних процесів. Тривала експлуатація нержавних сталей аустенітного класу знижує швидкість їх розчинення в пасивному стані в 2-9 разів і зміщує потенціали пітінгоутворення та репасивації в бік додатніших значень відповідно на 0,06 – 0,17 В та 0 – 0,075 В, що пов’язано із покращенням захисних властивостей пасивувальних плівок за рахунок утворення з часом більш рівноважної структури металу та його селективного розчинення.    

Розроблено теоретичні засади нового електрохімічного методу визначення корозійно-механічних пошкоджень, який полягає в порівнянні за певний відрізок часу  кількості генерованих електричних імпульсів циклічних навантажень і імпульсів, що свідчать про розвиток втомних тріщин в структурі металу. На противагу іншим цей метод не вимагає попереднього вивчення електрохімічних характеристик деформованих металів у робочих середовищах, тому його можна використовувати починаючи з будь-якого етапу експлуатації обладнання.  

Запропоновано новий електрохімічний метод визначення залишкового ресурсу обладнання, що працює при механічних навантаженнях в середовищі електролітів.

Ключові слова: корозійна втома, деградовані сталі, залишковий ресурс, корозійно-механічні пошкодження.

АННОТАЦИЯ. Архипов А.Г. Научные основы коррозионного мониторинга и прогнозирование остаточного ресурса оборудования химической и нефтеперерабатывающей промышленности. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности    05.17.14 – Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии. – Физико-механический институт им. Г.В. Карпенко НАН Украины, Львов, 2011.

Диссертация посвящена изучению коррозионного мониторинга и закономерностей изменений механических и электрохимических характеристик  деградированных сталей, их структурных изменений в процессе эксплуатации вследствие действия механических нагрузок и агрессивной среды.

Установлено наиболее подверженное коррозионно-механическим повреждениям основное оборудование нефтеперерабатывающих заводов, которое одновременно с агрессивной средой испытывает вибрационные нагрузки. Определены величины вибрационных нагрузок для основного оборудования и аппаратуры. Проведен сравнительный анализ коррозионных повреждений оборудования производства карбамида на пяти предприятиях стран СНГ. Доказано, что характер коррозионных повреждений сталей имеет преимущественно электрохимическую природу.

Исследовано изменение механических характеристик в процессе длительной эксплуатации у сталей: сталь 20, 16ГС, 12Х1МФ, 15Х5М, 12Х18Н10Т и других. Выявлены общие тенденции изменения механических характеристик. Большинство проведенных опытов показывает, что у деградированных сталей происходит увеличение значений σb і σ0,2. Это свидетельствует об упрочнении сталей со временем. Использование комплексного показателя σ0,2b  позволяет более четко выявить имеющиеся тенденции в том случае, когда отсутствует для сравнения сталь из той же партии поставки, что и исследуемая, но не бывшая длительное время в эксплуатации. Так, если для малоуглеродистых сталей, которые не были в эксплуатации, рекомендованы значения σb0,2 в пределах 0,65÷0,70,  то у сталей после длительной эксплуатации верхняя граница может приближаться к 0,87. Это также говорит о более быстром изменении σ0,2 по сравнению с σb.

 Установлено, что относительное удлинение δ чувствительно к деградации стали. Например, для малоуглеродистых сталей отмечается уменьшение относительного удлинения от 19% до 50%. Разница существенно зависит от среды и времени работы. Однако отсутствие четкой регламентации этой величины, например, для трубных сталей снижает информативность данной характеристики.

Коэффициент ударной вязкости КС является чувствительной величиной к деградации и может адекватно отображать степень деградации большинства сталей. Однако значительный разброс значений КС у деградированных сталей снижает информативность этой величины. Использование величины относительного сужения представляется менее перспективным. Установлено, что процессы деградации в сварных швах и зоне термического влияния протекают значительно быстрее, чем в основном материале.

Установлены характерные особенности изменений электрохимических характеристик деградированных сталей по сравнению со сталями, которые не были в эксплуатации. Доказано, что деградированные углеродистые и низколегированные стали имеют меньший потенциал коррозии, и рост скорости коррозии в несколько раз происходит в основном за счет увеличения скорости анодных процессов. Установлено, что  деградированные стали аустенитного класса более устойчивы к появлению питтингов за счет образования со временем более равновесной структуры стали. Металлографические исследования позволили выявить общие тенденции изменения структуры металла для каждого класса сталей.

Разработаны теоретические положения и получены опытные подтверждения нового электрохимического метода определения коррозионно-механических повреждений и прогнозирования остаточного ресурса. Суть метода заключается в сравнении за определенный отрезок времени количества внешних циклических нагрузок и числа импульсов, которые свидетельствуют о развитии коррозионно-усталостных трещин. Согласно выдвинутой гипотезе плотность электрических импульсов, свидетельствующих о развитии коррозионно-усталостной трещины, в меру приближения к моменту разрушения увеличивается. В отличие от других этот метод не требует предварительного изучения электрохимических характеристик деформированных металлов в рабочих средах, поэтому его можно использовать, начиная с любого этапа эксплуатации.

Предложена функциональная схема автоматизированной системы коррозионного мониторинга импульсным методом на основе Scada system “Trace Mode”. Данный метод может существенно упростить и облегчить коррозионный мониторинг, а также повысить надежность эксплуатации оборудования в среде электролитов.

Разработаны конструкции электрохимических датчиков и определены условия их применения в зависимости от геометрических параметров объектов. Основываясь на анализе изменения электрохимических характеристик во времени,  предложен новый метод определения остаточного ресурса оборудования. Согласно предложенной методике весь срок эксплуатации в соответствии с характером изменения потенциала или силы тока разбивается на отдельные стадии. В процессе эксплуатации регистрируется потенциал или сила тока и определяется по их величине соответствие определенной стадии, что и позволяет оценивать в реальном времени остаточный ресурс оборудования.

Методы оценки коррозионно-механических повреждений сталей в среде электролитов и мониторинг текущего состояния оборудования, позволяющий оценивать степень поврежденности  объектов, внедрены в химической промышленности.

В совокупности предложенные подходы позволяют комплексно оценить степень коррозионно-механических повреждений и прогнозировать остаточный ресурс оборудования, которое эксплуатируются в химической и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности.

Ключевые слова: коррозионная усталость, деградированные стали, остаточный ресурс, коррозионно-механические повреждения.

SUMMARY. Arhipov O.G. Science basis for corrosion monitoring and residual life prediction of chemical and refining equipment. – Manuscript. 

Thesis for Doctor of Sciences(Engineering) degree in speciality 05.17.14 - Chemical resistance of materials and protection against corrosion. Karpenco Physico-Mechanical Institute of  National Academy of Sciences of Ukraine, Lviv, 2011.

The dissertation is devoted to studying of laws of changes of mechanical and electrochemical characteristics steels, structural changes during degradation steels owing to action of mechanical loadings and an excited environment. During research it is proved, that character of damage steels has basically the electrochemical nature. Studying of mechanical characteristics steels a different class has revealed some general tendencies of change of characteristics while in service. Mechanical characteristics capable adequately are established to trace process of degradation in time.

Metallography researches of samples made of steels after long operation have allowed to reveal the general tendencies of change of structure of metal for each class steels. More often for the majority researched steels crushing grain of metal eventually occurrence of nonmetallic formations, cavities is marked. Prominent features of changes of electrochemical characteristics degraded steels are established in comparison with steels which were not in operation. It is proved, that degraded steel always have essentially smaller stationary potential and smaller potential of corrosion. Theoretical positions are developed and skilled confirmations of a new electrochemical method of definition of corrosion-mechanical damages are received. The essence of a method consists in comparison for the certain interval of time of amount of the generated electromagnetic impulses and numbers of pulses which testify to development of fatigue cracks in structure of metal. Being based on the analysis of change of electrochemical characteristics in time at the certain loadings, the new method of definition of a residual service life and the equipment is offered. It can be used for steels sensitive to change of potential in time. In aggregate offered approaches allow to estimate in a complex a degree of corrosion-mechanical damages and to predict a residual service life and equipments which are maintained in chemical and oil refining industries.

Key words: corrosion weariness, degraded steel, a residual resource, corrosion-mechanical damages.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

61055. Смислові зв’язки між частинами складносурядного речення 58 KB
  Мета: поглибити знання учнів про складносурядні речення; ознайомити із засобами звязку між їхніми частинами; зясувати поняття смислових відношень між частинами складносурядних речень...
61059. СЛОВОСПОЛУЧЕННЯ Й РЕЧЕННЯ. ЧЛЕНИ РЕЧЕННЯ. ЗВЕРТАННЯ. ВСТАВНІ СЛОВА 102.5 KB
  Мета: повторити найважливіші теоретичні відомості з синтаксису і пунктуації зокрема про словосполучення й речення як основні синтаксичні одиниці про особливості вживання звертань вставних слів і однорідних членів речення...
61061. Г. Сковорода. Біблійна основа творчості. «Вступні двері до християнської добронравності», афоризми 86.5 KB
  Сковорода і що з цього приводу зазначено в Біблії Чи спроможний кожний із вас пізнати себе виявити свої задатки і в результаті цього обрати в майбутньому вид практичної діяльності Відповідь стисло вмотивуйте.
61062. Розділові знаки між частинами складносурядного речення 48.5 KB
  Мета: поглибити знання учнів про складносурядні речення; формувати вміння правильно розставляти розділові знаки та інтонувати складносурядні речення; розвивати творчі вміння моделювати складносурядні речення за поданим початком або з кількох простих речень...