Диссертация (1143676), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В 1995 году фирмой Nuovo Pignone (Италия) изготовлен первыйв мире небольшой реактор из 2,25Cr-1Mo-V стали [7].12В 2007 году комитет кода ASME повысил допустимый уровеньинтенсивности напряжений для корпусов реакторов из 2,25Cr-1Mo-V стали, чтопозволило снизить толщину стенки корпуса и общий вес реактора [8].
Это привелок увеличению привлекательности 2,25Cr-1Mo-V стали по сравнению со сталью безванадия типа 2,25Cr-1Mo (табл.1.1). С этого времени реакторы из 2,25Cr-1Mo-Vстали начали стремительно вытеснять реакторы из 2,25Cr-1Mo стали. Этоподтолкнулоотечественныепредприятиякначалуработпоосвоениюизготовления корпусов нефтехимических реакторов из 2,25Cr-1Mo-V стали.Основными производителями реакторов для глубокой переработки нефти зарубежом являются следующие фирмы: ФирмаKobelco(Япония).Изготовилапервыйреакторизстали2,25Cr-1Mo-V типа легирования в 1998 году.
Вес реактора составлял всего220 тонн при толщине стенки 126 мм. Кроме того, фирма являетсяпроизводителем сварочных материалов 2,25Cr-1Mo-V типа. ФирмаBelleliEnergyCPE(Италия)занимаетсяпроизводствомкрупногабаритного нефтехимического оборудования. С 1990 года Belleliсовместно с американскими и европейскими институтами занимаютсяисследованиями свойств 2,25Cr-1Mo-V стали и их сварных соединений. ФирмаWalterTosto(Италия)специализируетсянапроизводственефтехимических реакторов массой до 500 тонн. Фирма Larsen & Toubro (Индия) в последнее время также начала осваиватьпроизводство нефтехимических реакторов из 2,25Cr-1Mo-V стали.Кнастоящемувремениосновнымизарубежнымипоставщикаминефтехимических реакторов на НПЗ Российской Федерации являются фирмыKobelco и Belleli, которые производят их из сталей типа 2,25Cr-1Mo и2,25Cr-1Mo-V.13Таблица 1.1 – Сравнение допустимых рабочих параметров, веса и толщиныкорпусов реакторов из 2,25Cr-1Mo и 2,25Cr-1Mo-V сталей [8, 9].ПараметрМакс.
расчетная рабочая температураВодородная коррозия (Рис.1.1)Сопротивление водородной хрупкостидо 20 МПа при454°Сдо 30 МПа при600°Сне более 149не более 1991000 т - 309 мм900 т - 273 ммне более 112не более 1641330 т - 403 мм930 т - 284 ммТемпература, °ССтойкость к отслаиваниюнаплавленного слоя в среде водорода(максимальное давление приповышенной температуре)Допустимое напряжение, MПa (454°С)Вес реактора и толщина обечайки сравнение (рабочая температура 454°)Допустимое напряжение, MПa (482°С)Вес реактора и толщина обечайки сравнение (рабочая температура 482°С)Тип стали2,25Cr-1Mo2,25Cr-1Mo-V482°С482°С454°С510°СВысокая-стойкостьПарциальное давление водорода, барРисунок 1.1 - Кривые Нельсона.
Водородная коррозия металла при эксплуатации.14Для получения высококачественных сварных соединений современныхреакторовдляглубокойпереработкинефтинеобходиморешитьрядпринципиальных, в первую очередь, научных и технологических проблем, главнойиз которых является получение бездефектных сварных соединений корпусанефтехимического реактора с толщиной стенки 100 – 300 мм. Как указано выше,процесс изготовления сварных соединений 2,25Cr-1Mo-V стали усугубляетсяособенностями легирования стали и особенностями сварочных материалов,включая повышенный уровень прочности основного металла и сварных швов1.2 Основные требования к свойствам стали 2,25Cr-1Mo-VКак известно, к сталям, применяемым для изготовления нефтехимическихреакторов, предъявляются весьма жесткие требования (табл.1.2) [10÷12].
Стенкиреактора должны выдерживать длительное воздействие высоких температур всовокупности с высоким давлением водородсодержащей среды, при этомэксплуатация реактора может происходить в регионах с низкой температуройокружающей среды. Поэтому для обеспечения работоспособности металла корпусареактора, в том числе металла сварных соединений, требуется обеспечить целыйкомплекс служебных свойств, в том числе взаимно противоречивых, а именно:- высокая прочность при нормальной и повышенной температурахэксплуатации наряду с хорошей пластичностью;- высокие значения работы удара при низких климатических температурах;- сопротивление тепловому охрупчиванию;- длительное сохранение необходимого уровня прочности и хладостойкости(сопротивления удару) в соответствии с заданным сроком службы (не менее20 лет).Выбранная для корпуса реактора сталь должна иметь приемлемуюсвариваемость, позволяющую получить бездефектное сварное соединение сосвойствами, близкими основному металлу.15Для получения требуемого уровня свойств в сталь вводят различныелегирующие элементы.
Кроме железа и углерода используют следующие основныелегирующие элементы: Cr, Mo, Mn и Si [7-13]. При помощи дополнительногомикролегирования V, Nb и B удается получить высокий комплекс свойствхромомолибденовой стали и высокую стойкость к термическому воздействию.Негативное влияние на свойства, в том числе на стойкость к термическомувоздействию, оказывают примесные элементы P, S, Cu, Ni, As, Sn, Sb.Таблица 1.2 – Типичные требования заказчиков и международных стандартов[11, 12] к хромомолибденовым сталям, применяемым для производстванефтехимических реакторов.Тип сталиПараметрПредел прочности+20°С, МпаПредел текучести+20°С, МпаРабота удара, ДжСопротивлениетепловомуохрупчиваниюДлительнаяпрочность, МПа2,25Cr-1Mo2,25Cr-1Mo(улучш.)3Cr-1Mo2,25Cr-1Mo-V3Cr-1Mo3Cr-1Mo0,25V-Ti-B 0,25V-Cb-Ca515-690585-760518-690585-760585-760585-760≥ 310≥ 380≥ 310≥ 415≥ 415≥ 415≥ 55 при -18°С (-30°С)Прогнозируемая температура перехода в хрупкое состояние на конец срокаэксплуатации не должна превышать 10°С≥ 650 часовпри 210 МПа и 510°С≥ 1000 часовпри 210 МПа и 540°СРасчетное значение не болеене болеене болеене болеене болеене болееинтенсивности151 (454°С),199 (454°С),151 (454°С) 131 (454°С)178 (454°С) 164 (454°С)напряжений, МПа 112 (482°С)164 (482°С)Изготовлениезаготовоккорпусовнефтехимическихреакторовизхромомолибденованадиевой марки стали 2,25Cr-1Mo-V производится в основномв соответствии с требованиями кода ASME по следующим стандартам:- SA-336M F22V – крупногабаритные поковки, используемые для изготовленияобечаек;- SA-182M F22V – мелкогабаритные поковки, используемые для изготовлениянебольших деталей, например, штуцеров, патрубков;- SA-542M Type D cl.4a – толстолистовой прокат, используемый для изготовленияднищ или сварных обечаек.16Посравнениюс«безванадиевыми»зарубежнымисталямитипаSA-387M Gr.22 cl2, SA-336M F22 cl.2 вышеперечисленные 2,25Cr-1Mo-V сталиимеют несколько важных преимуществ [7, 9]:- более высокие допустимые расчетные напряжения, что позволяетзначительно снизить толщину стенки и общий вес реактора;- меньшая чувствительность к температурному охрупчиванию;- более высокая сопротивляемость воздействию водорода (стойкость противводородного охрупчивания, отслоения наплавки), что позволяет использоватьреактор при более высокой рабочей температуре и давлении водорода, и тем самымувеличить интенсивность и глубину процессов переработки нефти.В таблицах 1.3 и 1.4 приведены требования к химическому составу имеханическим свойствам перечисленных сталей в сравнении с требованиями котечественным аналогам 2,25Cr-1Mo-V марок сталей.По данным таблиц 1.3 и 1.4 видно, что значительных различий в требованияхк химическому составу зарубежных и отечественных сталей не имеется, заисключением более высокого допустимого содержания хрома в 15Х2МФА-А сталипо сравнению с зарубежным аналогом, и требования по величине J-фактора взарубежных марках стали.
Различия имеются в технологии производства и втребованиях к механическим свойствам (табл.1.4), так как к стали SA-336M F22Vпредъявляются более высокие требования по характеристикам кратковременнойпрочностии хладостойкости(работе удара принизкихклиматическихтемпературах).Кроме того, к стали 2,25Cr-1Mo-V предъявляются дополнительные жесткиетребования по сопротивлению тепловому охрупчиванию и по длительнойпрочности (табл.
1.2). Всё это переводит стали 2,25Cr-1Mo-V в более высокий класспо сложности изготовления из нее оборудования и требует разработки специальнойтехнологиипроизводствазаготовокисварныхсоединенийкорпусовнефтехимических реакторов, включая и специальные режимы послесварочнойтермической обработки. Решению этих задач посвящена настоящая работа.17Таблица 1.3 – Типичные требования к составу сталей типа легирования Cr-Mo и Cr-Mo-V.Марка сталиC* - требования кода ASME секция II-A и типовой проектной спецификации** - J = (Si + Mn) × (P + Sn) × 104170,090,18SA-182M F22V,0,11SA-336M F22V*-0,1515Х2МФА-А мод.А 0,15ТУ 5.961-11060-2008 0,180,05SA-387M Gr.22 cl.2*-0,1510Х2М1А0,10ТУ 302.02.128-91-0,15SA-542M Tp.D cl.4a*MnCrMoVSiNiPSNbBTi Cu Ca Co AsSnSbМассовая доля элементов, % (единственное значение является максимально допустимым)0,25- 1,88- 0,85- 0,230,13 0,25 0,020 0,02 0,08 0,002 0,035 0,20 --Jфактор≤ 100**0,66 2,62 1,15 0,370,30 2,00 0,90 0,250,10 0,25 0,02 0,010 0,07 0,002 0,030 0,20 0,015 -Jфактор≤ 100**-0,60 -2,50 -1,10 -0,350,30- 2,70- 0,60- 0,25- 0,17- 0,200,01 0,01 0,05 --- 0,07 -- 0,03 0,01 0,005 0,010,60 3,00 0,80 0,35 0,37 0,400,30 2,00 0,90-- 0,50 0,30 0,04 0,04 ---- 0,20 --Jфактор≤ 100**-0,60 -2,50 -1,100,30 2,00 0,900,17-0,30 0,01 0,02 ---- 0,10 --- 0,01 0,005 0,01-0,60 -2,50 -1,10-0,4018Таблица 1.4 - Типичные требования к механическим свойствам сталей типа легирования Cr-Mo и Cr-Mo-V.20°СРаботаПределМарка сталиПределПределОтн-оеОтн-оеудара, Джпрочности, МПапрочности, МПа текучести, МПа удлинение, % сужение, %SA-336M F22V,не менееSA-542M Tp.D cl.4a,585-760415-62055 при -18°С1845456 при 454°СSA-182M F22V*(-30°С)15Х2МФА-А490-735390145049** при +20°С 390 при 350°СТУ 5.961-11060-2008SA-387M Gr.22 cl.2*515-690310184555 при -30°С407 при 454°С10Х2М1А51** при +20°С≥ 4903901845340 при 460°СТУ 302.02.128-9139** при -40°С18* - требования кода ASME секция II-A и типовой проектной спецификации** - значения пересчитаны из исходных значений, выраженных в Дж/см2191.3 Принципы легирования 2,25Cr-1Mo-V сталиОсновные легирующие элементы в 2,25Cr-1Mo-V стали – хром, молибден иванадий,которыеявляютсясильнымикарбидообразующимиэлементами.Формирование карбидов из этих элементов происходит в процессе термическоговоздействия на сталь.
Совместное легирование указанными элементами позволяетполучить необходимую прокаливаемость и весь комплекс требуемых служебныхсвойств 2,25Cr-1Mo-V стали. К сожалению, эти же элементы увеличиваютсклонность 2,25Cr-1Mo-V стали и их сварных соединений к холодным трещинам иТПН.Хром является одним из самых важных легирующих элементов в2,25Cr-1Mo-V сталях. Увеличение содержания хрома способствует повышениюпрочности, когда это приводит к уменьшению содержания феррита в структуре[14]. После закалки и отпуска при температурах до 650°С хром повышаетпрочность стали за счет образования карбидов хрома.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
