WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|

Дальнейшее изменение структуры происходит в направлении растворения - фазы и выделения карбидов хрома. Карбиды выделяются в виде крупных полос в верхнем шве и в виде мелкой сетки эвтектики в нижнем.

В околошовной зоне также -фаза идентифицируется в образцах с наработкой 7929 часов. Отличительной особенностью в этом случае является то, что карбиды не растворяются и располагаются внутри зерен аустенита во все увеличивающемся количестве. При наработке 11082 часа мелкая сетка карбидов в околошовной зоне содержит трещины различной конфигурации.

В отличие от изменения структуры основного металла, где основную роль в изменении свойств играет эволюция интерметаллидов, в сварном шве преобладающую роль играет структура карбидов. Характер изменения структуры шва и околошовной зоны объясняет экстремальный характер изменения предела прочности и условного предела текучести, а также резкое снижение ударной вязкости. Необходимо отметить также, что образование карбидов происходит на фоне диффузии углерода с внутренней поверхности трубы из зоны контакта с коксом.

Деградационные процессы в конструкционном материале тесно связаны с механизмами адаптации к внешним нагрузкам. В условиях ремонта, когда приходится заменять дефектные участки на катушки из новой трубы, образуются сварные соединения из трубы в состоянии поставки и трубы, проработавшей определенный срок в условиях печи пиролиза. Представляет интерес определение механических параметров различных зон такого соединения как в нормальных условиях, так и при высокой температуре, характерной для процесса пиролиза. Создание такого сварного соединения предопределяет неравные начальные условия на следующий временной отрезок эксплуатации.

Были изготовлены сварные соединения, которые представляли собой сопряжение новых труб и труб, бывших различное время в эксплуатации, из которых вырезались образцы для определения механических характеристик.

Результаты исследований показывают существенную гетерогенность свойств материала в области сварных соединений. Это, в свою очередь, увеличивает вероятность разрушения металла на фоне геометрической неоднородности.

Изменение механических свойств конструкционного материала во времени указывает на интенсивную реализацию механизмов адаптации на уровне структуры. Металлографический и рентгенофазный анализ позволили установить, что свойства основного металла определяются эволюцией интерметаллидов, в основном сигма-фазой, а свойства сварных соединений – эволюцией карбидов. На рисунке 21 показаны металлографические снимки изменяющейся зеренной структуры стали, на которых отслеживается характер распределения сигма-фазы.

Однако по этим данным невозможно детально проследить развитие и реализацию механизмов адаптации к внешним нагрузкам на структурном уровне. В последнее время для этих целей успешно используется мультифрактальный подход, развитый в работах В.С. Ивановой, Г.В. Встовского, В.Ф. Терентьева, А.Г. Колмакова, А.А. Оксогоева.

Многолетний опыт численного мультифрактального анализа изображений структур самой различной природы показывает его эффективность при анализе скрытых процессов в металлах и сплавах, т.е. таких процессов, которые нельзя наблюдать непосредственно, но при этом они существенно влияют на характеристики изучаемых систем. Результатом мультифрактального анализа являются определение взаимосвязанных функций f и Dq и расчет на их основе основных параметров Реньи.

В реальных физических системах самоподобие структур при больших масштабах, характерное для фракталов (монофракталов), не реализуется. В таких случаях используют понятие о мультифракталах. Мультифрактальный подход представляет собой фрактальную меру как взаимосвязанную фрактальными подмножествами, изменяющимися по степенному закону с различными показателями. Изучаемое множество является структурно- однородным и содержит подмножества с неодинаковой фрактальной размерностью (чем и обусловлено название «мультифрактал»). В материаловедении уже давно оперируют фрактальными объектами – ансамблем дислокационных структур, скоплений микротрещин, частиц второй фазы, пористыми и аморфными средами и т.д.

20 µm 20 µm а) =0 ч б) =2256 ч 20 µm 20 µm в) =4872 ч г) =5605 ч 20 µm 20 µm д) =7929 ч е) =11082 ч Рисунок 21 – Микроструктура стали 20Х23Н18, х Для мультифрактального анализа структур использовали программу MFRDrom, любезно предоставленную д.ф.-м.н. Встовским Г.В.

Опыт применения мультифрактального формализма для анализа структур в материалах (микроструктура, структура изломов и др.) показал информативность следующих мультифрактальных показателей структуры: D0, D1, D2, Dq, fq, q, получаемых при мультифрактальной параметризации:

1 D0 – размерность Хаусдорфа-Безиковича, характеризующая однородный фрактал. Его значение определяют по максимальному значению f(), что соответствует Dq при q=0;

2 D1 - информационная размерность, характеризующая скорость роста количества информации при l0, ее определяют по тангенсу угла наклона касательной к кривой f(), что соответствует Dq при q=1;

3 D2 – корреляционная размерность, характеризующая вероятность найти в одной и той же ячейке покрытия две точки множества, она определяется значением Dq при q=2;

4 D+ и D- - экстремальные значения Dq, отвечающие степени разреженности мультифрактального множества;

5 степень однородности f fq, q>>1. Чем больше f fq, тем более однородна структура для канонических спектров, для псевдоспектров зависимость противоположная.

На рисунках 22, 23 показаны результаты исследования, которые оформлены в виде зависимостей мультифрактальных параметров от времени эксплуатации. Совместный анализ зависимостей D1= f(), Dq* = f(), dфmin/dфmax=f(), dзmin/ dзmax =f() и q*= f() позволил выделить следующие характерные стадии адаптации структуры к росту длительности эксплуатации.

Стадия I – распад твердого раствора с выделением карбидов и интерметаллидов в теле зерен. На этой стадии, являющейся стадией зарождения фаз, отношение dфmin/dфmax не зависит от длительности эксплуатации вплоть до 5000 часов, при этом показатель скрытой упорядоченности структуры (q*) растет с ростом вплоть до 5 000 часов.

Характерные стадии адаптации структуры стали 20Х23Н18 на различных этапах эксплуатационного воздействия, выявленные путем испытаний на ударную вязкость, согласуются с характером изменения q* = f() (рисунок 24).

Стадия II – выделение карбидов и интерметаллидов на границах зерен и их рост. Это приводит к увеличению dфmin/ dфmax, dзmin/ dзmax, D1 и Dq* с ростом, но степень скрытой упорядоченности q* при этом снижается (рисунок 23).

D1 2 1,I I I I I I 1,10 13 х10 3 ч, а ) Dq * 1,8 1,I I I I I I 5 13 х10 3 ч, б ) Рисунок 22 - Изменение D1(а) и Dq* (б) с ростом длительности эксплуатации стали D q q* * 0,2 0,3 II 0,I I I I IV 0,10 13 х10, ч Рисунок 23 - Зависимость показателя упорядоченности фрактальной структуры (q*) от длительности эксплуатации стали KCU, М ж/ м Д 1,1,I I I I I I IV 0,0,0,4 0,5 10 14,5 х10, Ч Рисунок 24 - Характерные стадии адаптации структуры стали 20Х23НСтадия III – рост фаз на границах зерен, приводящий к росту dфmin/ dфmax= f() и dзmin/ dзmax =f() и, как следствие, к снижению q= f().

Стадия IV – потеря функции границы зерна как буферной зоны, представления о которой введено И.Р. Кузеевым с сотрудниками.

Таким образом, стадии I – III отвечают стадиям обратимой повреждаемости, а IV – стадии необратимой повреждаемости (стадии деградации структуры).

Этот вывод подтверждается данными по изменению ударной вязкости с ростом.

Но более убедительные результаты были получены при анализе механизмов адаптации структуры стали на различных стадиях, полученные с использо ванием фрактальных механизмов адаптации структуры к внешним воздействиям, предложенные Ивановой В.С. Диаграмма адаптации построена с учетом связи критических значений D*q* для различных сред, в которых происходит перестройка фрактальной структуры, линейной связи между q* и Dq* и критических значений q*min = 0,17 и q*mах = 0,84, ограничивающих эту связь. Для канонического спектра значений обобщенных энтропий (размерностей) Реньи она представлена на рисунке 25 с нанесенными точками (1-6), отвечающими различным срокам службы стали.

Рисунок 25 - Тестирование D* q * механизмов адаптации 2,д г р да и е а ц я структуры стали 20Х23НП К после службы различной 1, П длительности на стадии обУ П 1,ратимой повреждаемости с использованием фрактальР 1, ной карты (Иванова В.С.) К У отвечающих: КУ – квазиуп1, ругой деформации, УП – упруго-пластической, П – пла1, 0,8 0,1 7 0,5 1 0 стиской, ПК – перколя, ции, Р - рекристаллизации.

Можно видеть, что все точки, отвечающие q* и dq* при различных длительностях эксплуатации, попали в зону обратимой повреждаемости. При этом реализовывались следующие механизмы адаптации: квазиупругая деформация (точки 1, 2, 4, 5, 6) и упругопластическая (точка 3), причем точка 3 отвечает стадии II - выпадению фаз по границам зерен. Переход от стадии II к стадии III, т.е. к росту фаз на границах зерен, вызывает снижение пластичности межзерен ного поверхностного слоя. Это приводит к реализации квазиупругого механизма адаптации структуры к внешнему воздействию, как и в исходном состоянии (точка 1).

Таким образом, для изучаемой стали 20Х23Н18, которая работала в условиях печи пиролиза длительное время, получены мультифрактальные характеристики, которые позволили выявить основные стадии изменения структуры и построить диаграммы деформирования.

В шестой главе показаны конкретные пути повышения безопасности оборудования. Обобщение результатов расчета напряженно-деформированного состояния змеевика печи пиролиза позволило получить коэффициенты концентрации напряжений в различных узлах труб с различными дефектами, которые позволяют более точно рассчитывать остаточный ресурс объекта.

Разработана конструкция оригинального приспособления, которая дает возможность избежать при ремонтных сварочных работах возникновение геометрического дефекта типа «смещение осей» сопрягаемых труб.

Рассмотрена возможность пассивирования внутренней поверхности труб кремнием, для снижения адгезии кокса к поверхности металла и вероятности диффузии углерода из зоны контакта.

В заключении показан обобщенный алгоритм иерархической системы поиска опасных производственных объектов и механизмов адаптации к внешним нагрузкам (рисунок 26).

Обеспечение безопасности иерархических технических систем Анализ иерархической структуры системы I уровень Не соответствует 1. Оценка соответствия коррозионной активности сырья проектному заданию Оценка механохимической поврежденности Постоянно соответствует Поиск структур адаптации по механохимической поврежденности Определение установок с максимальной механо-химической поврежденностью Производительность 2. Оценка производительности меняется по сырью системы в целом Оценка степени изменения производительПроизводительность ности. Построение зависимости Q=f() постоянная Расчет степени нестационарности работы системы Q, P, T=f() Поиск структур адаптации.

Расчет напряжений Выявление структур Определение установок адаптации с максимальной степенью на уровне системы нестационарности 3. Расчет энергетического потенциала Установление механизмов адаптации технологических установок Ранжирование установок Мероприятия по по максимальному Э.П.

предотвращению перехода да механизма адаптации в 4. Определение технологических механизм разрушения установок с повышенной опасностью эксплуатации II уровень. Расчет интегрального параметра опасности оборудования нет Классификация составляющих системы по суммарному интегральному параметру опасности Контроль процессов накопления повреждений III уровень. Определение опасного проОбоснование объема изводственного объекта в подсистемах системы мониторинга Обоснование периодичности IV уровень. Определение структур освидетельствования адаптации на уровне оборудования V уровень. Определение структур Определение объема диагностирования адаптации на уровне элементов VI уровень. Определение структур Выбор методов адаптации на уровне диагностирования конструкционного материала Рисунок 26 – Обобщенный алгоритм иерархической системы поиска опасных производственных объектов и механизмов адаптации к внешним нагрузкам Общие выводы 1 Предприятия для переработки нефти рассмотрены как иерархические системы, которые воспринимают вводимую в систему энергию и разделяют ее на производительную, направленную на достижение цели, и непроизводительную, которая стремится реализоваться через структуры адаптации к внешним условиям, имеющимся на каждом из иерархических уровней организации.

Часть энергии расходуется на создание новой поверхности, которая в виде трещин является источником аварийных ситуаций.

2 Разработан алгоритм определения опасного производственного объекта, который позволяет получить числовое значение опасности и произвести ранжирование оборудования технологической установки по степени опасности.

Введено понятие «интегральный параметр опасности», которое учитывает пожароопасность, взрывоопасность, токсичность среды и параметр надежности оборудования для оценки потенциальной опасности каждого объекта технологической установки. С использованием интегрального параметра опасности оборудования, привязанного к реальной технологической системе с помощью геоинформационной системы, рассчитаны наиболее опасные с точки зрения возникновения аварий аппараты.

3 Показаны механизмы формирования структур адаптации на уровне агрегата, в качестве которого рассмотрены пиролизные печи. Измерение реальных силовых и температурных воздействий на змеевик печи позволило рассчитать распределение напряжений в трубах и обнаружить наиболее нагруженные элементы, что коррелирует с данными по вероятности безотказной работы элементов змеевика.

4 Доказано существование трех механизмов диссипации энергии в трубах змеевика печи пиролиза углеводородов, связанных с геометрической и физической неоднородностью сварных соединений, с общей и локальной потерей устойчивости формы. С помощью МКЭ рассчитаны уровни напряжений в узлах- концентраторах в реальных условиях технологического процесса и в условиях паровыжига кокса. Рассчитано напряженно-деформированное состояние труб змеевика с учетом локальных отложений кокса. Показан механизм образования точечных дефектов потери устойчивости формы, связанный с изменением фазового состава стали и образованием пластических шарниров. Разработаны реальные рекомендации, позволяющие снизить уровень напряжений в конструкции.

Pages:     ||
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.