Источник информации: ЭКСПЛУАТАЦИЯ, МОДЕРНИЗАЦИЯ И РЕМОНТ ОБОРУДОВАНИЯ В НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ И НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Научно-технический реферативный сборник № 1 стр 18-20
Опыт эксплуатации оборудования химических и нефтехимических производств показывает, что его работоспособность в большей степени зависит от коррозионной стоимости зоны сварного шва, чем от коррозионной стойкости основного металла.
При работе на водородсодержащих средах под высоким давлением часто наблюдаются случаи коррозионного растрескивания металла сварного шва и выход по этой причине оборудования из строя. В азотоводородоаммиачных средах при высоких температурах (свыше 300°С) и давлениях (свыше 100 ат) внутренняя поверхность оборудования подвергается азотированию, которое сопровождается заметным увеличением объема металла и возникновением дополнительных внутренних напряжений от распирающего действия азотированного слоя.
Согласно общепринятому мнению, разрушения локализуются в материалах вокруг дефектов разных масштабов. Упрочнение материалов в результате действия внутренних напряжении, повышающее пределы прочности и текучести, сопровождается одновременно падением способности поглощения энергии, т. е. может содействовать распространению трещин.
В случае наличия внутренних напряжений возникнувшая трещина приобретает способность распространяться даже при низких напряжениях.
Поскольку процесс сварки всегда сопровождается остаточными напряжениями, а для зоны сварного шва характерны микродефекты (микротрещины, поры), то прочность сварного соединения характеризует работоспособность оборудования. Настоящая работа посвящена исследованию влияния азотирования на прочностные свойства металла зоны сварного шва.
Исследовали наиболее часто применяемые в аммиачных производствах стали 20ХЗМВФ, 15Х5М, 12Х18Н ЮТ, образцы которых были выдержаны в лабораторных условиях и в различных зонах колонн синтеза аммиака.
Азотирование основного металла, как и металла сварного шва, произошло на глубину 0,4 мм. При испытании образцов на растяжение их разрушение происходит по основному металлу на значительном расстоянии от сварного шва. Разрушение образцов при испытании на изгиб происходит по наплавленному металлу при угле загиба ~20°. Образцы из основного металла разрушаются практически при таком же угле загиба.
При испытании сварных образцов из стали 15Х5М, подвергнутых азотированию, на растяжение разрыв их происходит по основному металлу на значительном расстоянии от сварного шва. При испытании на изгиб надрывы по наплавленному металлу появляются при меньших углах загиба, чем на образцах без сварных швов. Если на образцах без сварного шва надрывы появляются при угле загиба 120°, то в сварном образце надрывы появляются при угле загиба 90°. Глубина азотирования основного металла и металла сварного шва практически одинакова (0,35 мм).
Сварные образцы из стали 12Х18Н10Т после азотирования при испытании на растяжение также разрушаются по основному металлу. При испытании цилиндрических образцов на изгиб вплоть до 120° надрывов металла сварного шва, как и на образцах из основного металла, не появляется. Глубина азотирования при тех же параметрах достигает 0,1 мм, различная в глубине азотирования основного металла и металла сварного шва не замечается.
Выдержка сварных образцов из сталей 20ХЗМВФ, 15Х5М, 12Х18Н10Т в течение 3500 ч в верхней части катализаторной коробки колонны синтеза аммиака дает более наглядное представление о работоспособности сварных соединений в промышленных условиях. Разрушение азотированных в этих условиях образцов из сталей 20ХЗМВФ и 15Х5М при испытании на растяжение происходит совершенно хрупко по основному металлу. Сварные образцы из стали 12Х18Н10Т сохраняют еще пластические свойства в этих условиях, хотя глубина азотированного металла достигает 0,15 мм. При испытании на растяжение разрыв образцов происходит по основному металлу.
Приведенные выше данные о работоспособности сварных соединений в процессе азотирования получены на закладных образцах, выдержанных под всесторонним давлением азотоводородоаммиачной смеси. В то же время оборудование агрегатов синтеза аммиака, включая и металл сварных швов, работает при одновременном воздействии азотоводородоаммиачной смеси и растягивающих напряжений.
Для оценки работоспособности металлов сварного шва в условиях одновременного воздействия азотоводородоаммиачной смеси и растягивающих напряжений трубчатые образцы из стали 20ХЗМВФ с двумя кольцевыми швами выдерживались на лабораторной установке под внутренним давлением смеси в течение 1500 ч. Напряжения в трубчатых образцах при выдержке и в момент разрыва их при гидроиспытании приведены в таблице. Разрыв трубчатых образцов после выдержки при температурах 380 и 420°С произошел по основному металлу. На трубчатом образце после выдержки при температуре 460°С разрыв смешанный: по основному металлу и сварному шву. Но ни в одном случае напряжения в трубчатых образцах величиной 17,3 кгс/см2 не привели к их разрыву в процессе выдержки под внутренним давлением азотоводородоаммиачной смеси.
Толщина азотированного слоя на внутренней поверхности трубчатых образцов практически не отличается от толщины азотированного слоя на закладных образцах, находившихся внутри трубчатых образцов во время выдержки.
Проведенные исследования показали, что сварные соединения сталей 20ХЗМВФ, 15Х5М, 12Х18Н10Т, выполненные электродами по режимам промышленной сварки, обладают практически одинаковой работоспособностью с основным металлом в азотоводородоаммичных смесях при высоких давлениях и температурах. Глубина азотирования основного металла и металла сварного шва одинакова во всех исследованных случаях.
Следовательно, остаточные напряжения после сварки и микродефекты в зоне сварного шва не оказывают существенного влияния на формирование азотированного слоя, способствующего появлению значительных внутренних напряжений и охрупчиванию основного металла. Исследованные в этой работе стали 20ХЗМВФ и 15Х5М. обладают удовлетворительной работоспособностью азотоводородоаммиачных средах при высоких давлениях до температуры 320°С, а сталь 12Х18Н10Т —до температуры 380°С. При более жестких рабочих параметрах задача определения работоспособности сталей в процессе азотирования решается путем комплексного рассмотрения основных характеристик азотированного слоя (скорость азотирования, относительная толщина азотированного слоя, величины дополнительных внутренних напряжений, степень охрупчивания сталей) с условиями азотирования и свойствами сталей.