Способ восстановления технологических трубопроводов из аустенитных сталей

Изобретение относится к восстановлению технологических трубопроводов и может быть использовано в химической, нефтехимической, нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности для восстановления структуры и служебных свойств технологических трубопроводов из аустенитных сталей. Способ заключается в следующем. Осуществляют порезку трубопровода на секции. Затем каждую секцию термически обрабатывают в печи путем нагрева до заданной температуры, выдержки при этой температуре и охлаждения. Нагрев каждой секции осуществляют до температуры аустенизации. После этого производят монтаж трубопровода из термообработанных секций и сварку кольцевых стыков. Для упрочнения кольцевых стыков производят проковку каждого шва непосредственно после осуществления каждого прохода. Технический результат заключается в повышении ресурса технологических трубопроводов из аустенитных сталей.

 

Изобретение относится к восстановлению технологических трубопроводов и может быть использовано в химической, нефтехимической, нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности для восстановления структуры и служебных свойств технологических трубопроводов из аустенитных сталей.

Восстановлению подлежит металл полых деталей технологических трубопроводов, в котором после длительной эксплуатации в условиях агрессивных сред и высоких температур и/или вследствие неудовлетворительной термической обработки, при монтаже или на заводе-изготовителе появилась структура, снижающая уровень служебных свойств.

Известно, что в процессе длительной эксплуатации в условиях агрессивных сред и высоких температур структура труб, полых деталей и сварных стыков технологических трубопроводов из высоколегированных аустенитных сталей изменяется. В частности, наблюдается образование включений, снижающих эксплуатационные характеристики металла: σ-фазы, δ-феррита, карбидов и др. (Е.А.Солопова, Ф.И.Муратаев. Исследование структуры и свойств сварных соединений труб из аустенитных сталей для прогнозирования их долговечности. Сборник докладов ВНТК. МАТИ - Сварка XXI века. М., 2003, стр.84-88). Подобная деградация микроструктуры может служить причиной аварии технологического трубопровода.

Известным и распространенным методом борьбы с изменениями структуры металла является замена изношенных деталей. Недостаток этого способа заключается в его высокой стоимости.

Известен способ восстановительной термической обработки полых деталей паропроводов и их сварных стыков (Патент РФ №1834905 от 15.08.93, БИ №30, 1993 г., C21D 9/08), в котором изделия подвергаются индукционной термообработке. Недостатком этого способа является то, что при термической обработке труб из аустенитных сталей с помощью индуктора металл, находящийся вне зоны равномерного нагрева, попадает в диапазон температур (600-700°С), вызывающих появление межкристаллитной коррозии, что приводит к снижению рабочих свойств металла и снижению ресурса трубопровода в целом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ термической обработки изделий (А.С. СССР 324282 от 23.12.1971, БИ №2, 1972 г., C21D 9/08), в котором изделия подвергаются индукционной закалке. Данный способ имеет следующие недостатки: при индукционном нагреве труб из аустенитных сталей часть металла оказывается в зоне неравномерного нагрева, что приводит к образованию в нем межкристаллитной коррозии, снижающей рабочие свойства металла, и, как следствие, ресурса трубопровода; применение данного способа сопряжено с большими трудностями в связи с необходимостью охлаждения изделий на открытом воздухе (соблюдение правил безопасности при демонтаже теплоизоляции и электронагревателей с изделий, нагретых до 1000°С и выше).

Решаемой задачей предлагаемого изобретения является повышение ресурса технологических трубопроводов из аустенитных сталей.

Поставленная задача достигается тем, что в способе термической обработки, заключающемся в нагреве до заданной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении осуществляют порезку трубопровода на секции, затем термическую обработку каждой секции производят в печи, причем нагрев каждой секции осуществляют до температуры аустенизации, после этого производят монтаж трубопровода из термообработанных секций, при этом сваривают кольцевые стыки, для упрочнения которых производят проковку каждого шва непосредственно после осуществления каждого прохода.

Термическая обработка позволяет устранить включения, снижающие рабочие свойства металла: Cr₂₃C₆, σ-фазу и δ-феррит. В процессе термической обработки σ-фаза и δ-феррит переходят в аустенит, а карбид хрома Cr₂₃C₆ переходит в карбид титана TiC (Е.А.Солопова, Ф.И.Муратаев. Исследование структуры и свойств сварных соединений труб из аустенитных сталей для прогнозирования их долговечности. Сборник докладов ВНТК. МАТИ - Сварка XXI века. М., 2003, стр.84-88). При проведении термической обработки в печи металл секций нагревается равномерно до температуры аустенизации, что предотвращает появление межкристаллитной коррозии.

В процессе проковки зерна металла пластически деформируются, обеспечивая повышение механических характеристик сварного соединения. Таким образом, термическая обработка ведет к восстановлению структуры и свойств основного металла полых деталей трубопроводов, а применение проковки дает улучшение рабочих свойств сварных соединений.

Приведем пример реализации способа. Для отрезка трубопровода из стали 12Х18Н10Т длиной 300 м диаметром D426×10 (условия работы Т=560°, Р=10 атм, рабочая среда - изобутан) по результатам механических испытаний основного металла и металла сварных швов были выявлены отклонения от нормативных значений: твердость НВ была завышена на 10%, значения ударной вязкости KCU были ниже нормативных на 10-30%. Анализ структурных составляющих основного металла и металла сварных швов показал завышенное содержание δ-феррита 7-9%, наличие карбида хрома Cr₂₃C₆ в аустените, а также значительное присутствие σ-фазы. Для устранения дефектов структуры и неблагоприятного сочетания свойств основной металл и сварные швы требовали проведения восстановительной термической обработки. Из трубопровода предварительно были вырезаны стыковые швы, которые имели множественные технологические дефекты, допущенные при монтаже (непровары, поры, чешуйчатость), после чего трубопровод был порезан на секции (катушки) длиной 1,5 м, далее была произведена внутрипечная термическая обработка катушек по режиму: нагрев до 1080°С - выдержка 1 час - охлаждение на воздухе, затем участок трубопровода снова был смонтирован из термически обработанных секций, при этом сварка кольцевых стыков производилась с проковкой (непосредственно после каждого прохода осуществлялась проковка - обработка ударным давлением остывающего металла шва и околошовной зоны с помощью молотка). После термической обработки результаты механических испытаний показали восстановление характеристик пластичности, твердости и ударной вязкости до значений, удовлетворяющих требованиям нормативных документов, а металлографические исследования выявили переход карбида хрома Cr₂₃C₆ в карбид титана TiC, а σ-фазы и δ-феррита в аустенит. Структура и свойства металла технологического трубопровода были восстановлены.

Преимущества предлагаемого способа по сравнению с аналогами.

Приведенный способ несмотря на достаточную трудоемкость обеспечивает значительную экономию, поскольку позволяет восстанавливать технологические трубопроводы из дорогостоящих аустенитных коррозионно-стойких сталей практически без замены основного материала. В подтверждение приведем сравнительный расчет стоимости замены участка технологического трубопровода из стали 12Х18Н10Т, длиной 100 м, диаметром 426×10 и стоимости его восстановления по заявляемому способу. В расчете примем: стоимость 1 т стали 12Х18Н10Т - приблизительно 140000 рублей, стоимость 1 кВч электроэнергии - 1,25 рублей.

Рассчитаем стоимость металла, необходимого для замены участка трубопровода:

Масса металла:

,

где m_з - масса металла,

Vз - объем металла,

l - длина участка трубопровода,

ρ - плотность металла.

Стоимость металла:

С_з=m_з·140000=10·140000=1,4 (млн. руб.)

Стоимость восстановления трубопровода по заявляемому способу в

основном складывается из стоимости работ по порезке трубопровода на секции, стоимости электроэнергии для внутрипечной термообработки и стоимости сварки кольцевых стыков при монтаже трубопровода.

С_В=С_P+С_T+C_С,

где С_B - стоимость восстановления участка трубопровода,

С_P - стоимость порезки трубопровода на секции,

С_T - стоимость термообработки секций,

С_С - стоимость сварки кольцевых стыков.

Стоимость сварки одного кольцевого стыка технологического трубопровода с учетом оплаты труда рабочего в настоящее время составляет около 600 рублей. Таким образом, стоимость сварки кольцевых стыков 100 метрового участка трубопровода, если принять длину одной секции 1,5 м, составит:

Приняв мощность электропечи для термообработки секций 30 кВ и общее время термообработки 100 часов, найдем стоимость термообработки секций:

С_T=30·100·1,25=3750 (руб).

Приняв С_P=С_C, получим:

С_B=С_P+С_T+C_C=40+3,7+40=84 (тыс.руб.).

Способ восстановления технологических трубопроводов из аустенитных сталей, включающий термическую обработку путем нагрева до заданной температуры, выдержки при этой температуре и охлаждения, отличающийся тем, что сначала осуществляют порезку трубопровода на секции, затем проводят термическую обработку каждой секции в печи, причем нагрев каждой секции осуществляют до температуры аустенизации, после чего производят монтаж трубопровода из термообработанных секций, сварку стыковых швов секций и упрочнение стыковых швов путем проковки каждого шва непосредственно после осуществления каждого прохода.