Управление Ростехнадзора по Калужской области

Методические вопросы экспертизы промышленной безопасности реакторов пролиза нафты


Реакторы пиролиза нафты представляют собой оборудование, предназначенное для термического крекинга нафты в целях получения этилена, ацетилена и других составляющих. Это оборудование обслуживает первую стадию технологического процесса получения поливинилхлорида.

Реактор пиролиза нафты сконструирован как аппарат колонного типа, собранный из отдельных частей (царг). Все царги изготовлены в виде двустенных цилиндров. Наружная обечайка выполнена из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, внутренняя — из никелевого сплава ХН65МВ. Наиболее «горячая» часть реактора (камера сгорания) внутри плакирована керамикой на основе оксида циркония ZrO2.

Металлическая конструкция царг охлаждается проточной водой. Между собой царги соединяются фланцами. Температура плазмы при установившемся процессе пиролиза примерно равна 2300 °C, давление — 0,2 МПа (2 кгс/см2). Скорость потока плазмы в самом узком месте реактора составляет 900–950 м/с, межремонтный период эксплуатации — 45 сут по регламенту. После эксплуатации в течение указанного периода реактор останавливается, камера сгорания демонтируется для осмотра и ремонта керамической плакировки. При необходимости керамическая плакировка и внутренняя стенка царги из сплава ХН65МВУ подлежат полной замене.

Проблема безаварийной эксплуатации состоит в следующем.

По регламенту перед ремонтом царги камеры сгорания последняя подвергается гидроиспытаниям. В случае положительного их исхода керамическую втулку ремонтируют с последующим монтажом царги на реактор.

Однако опыт эксплуатации показал недостаточность такого подхода к обеспечению безаварийной работы реакторов пиролиза нафты. Наблюдались несколько случаев преждевременного (менее 45 сут) выхода из строя царг камеры сгорания реакторов, поставленных на второй срок эксплуатации. Были случаи, когда царги эксплуатировались лишь 2–3 сут после ремонта керамической втулки.

Как показал осмотр аварийных царг и царг, не выдержавших гидроиспытания (ГИ), царга разрушается в результате образования сквозных трещин в теле внутренней обечайки. В тех случаях, когда царги выходили из строя в течение 2–3 сут после ремонта, на них имелся прожог (рис. 1). Внутренняя поверхность царги вблизи прожога поражена сеткой трещин. При этом гидроиспытания после первого срока эксплуатации не показывали наличие сквозных дефектов.

Уже на этой стадии анализа можно сделать вывод о том, что если трещина обнаружилась, то естественно предположить, что остаточный ресурс этого элемента конструкции, согласно уравнениям ме ханики разрушения, резко снизился. Однако этот вывод касается только поверхностных трещин, которые можно обнаружить путем осмотра и применения метода цветной дефектоскопии (ЦД) после удаления керамической втулки. Но может быть для этих сверхжестких условий эксплуатации характерны внутренние трещины или может быть существуют другие предвестники аварии?

Авторами были предприняты исследования по определению влияния условий эксплуатации на процесс формирования трещин, установлению природы их образования и разработаны рекомендации по комплексу диагностических испытаний царг, при очередном профилактическом ремонте.

Ценную информацию для анализа дал осмотр царг, поступивших в ремонт из-за отрицательных результатов гидроиспытаний после второго (90 сут) срока эксплуатации. Во всех осмотренных царгах после первого срока эксплуатации (45 сут) требовался ремонт керамического стакана.

В царгах, не выдержавших гидравлические испытания, имелись нарушения целостности керамического стакана (рис. 2). У всех царг в верхней части внутренней обечайки обнаружены трещины двух типов: сквозные и несквозные (рис. 3). На рис. 3 видны цвета побежалости около трещин, что свидетельствует о перегреве металла в зоне их образования.

Совокупность эксплуатационных параметров и результатов осмотров аварийных и предаварийных царг реактора позволила выдвинуть гипотезу о причинно-следственной цепочке происшествий, приводящих к аварийной ситуации реактора.

Первый этап. Нарушение сплошности защитного керамического стакана и частичное оголение стенки внутренней обечайки верхней царги камеры сгорания реактора. Причина — ремонт керамической втулки на основе оксида циркония ZrO2. Это объясняется тем, что за период от 50 до 80 сут (по совокупной наработке это второй срок) эксплуатации при температуре 2000 °C происходит разложение фосфатов, испарение Р2О5 и миграция CaO в диоксид циркония. При вторичной стабилизации диоксида цир-кония прочность керамической массы резко падает, керамика крошится. Это, в свою очередь, приводит к отколам керамической массы в местах наибольшей вихревой нагрузки от высокоскоростного потока плазмы и нарушению теплоизоляции. Такие места совпадают со смотровым и запальным отверстиями (см. рис. 2). По регламенту отремонтированное место сушится при температуре 1200 °C в течение 2 сут. Остальные процессы обжига ZrO2-керамики происходят в рабочий период. Удельные линейные расширения отремонтированных участков и основной массы, а также их механические свойства — различны. Поэтому весь отремонтированный участок, предположительно, одновременно всей массой откалывается и уносится плазменным потоком.

Второй этап. Интенсивное парообразование в охлаждающей жидкости верхней царги камеры сгорания реактора в результате резкого возрастания тепловой нагрузки на оголенный участок обечайки из Ni-Mo-Cr-W сплава за счет прямого радиационного воздействия плазмы.

Третий этап. Перегрев участков стенки внутренней обечайки реактора в верхней части царги из-за нарушения контакта охлаждающей жидкости со стенкой при парообразовании, преимущественно в верхней части царги (см. рис. 3).

Четвертый этап. Зарождение множественных очагов трещин по механизму совместного воздействия коррозионного растрескивания и высокотемпературной ползучести в местах локального перегрева. Причины — совокупность воздействия на стенку коррозионно-активной среды, обладающей окислительно-восстановительными свойствами, высокой температуры около 900–1000 °C, значительных (относительно предела текучести при этой температуре) растягивающих напряжений.

Пятый этап. Формирование и рост магистральных трещин по механизму ползучести из-за объединения трещин коррозионного растрескивания и ползучести по направлению действующих растягивающих напряжений.

Шестой этап. Усиление перегрева, прожог, значительное разрушение керамического стакана и аварийная остановка процесса пиролиза из-за прорыва плазменных газов через сквозные трещины в охлаждаемую полость царги и полного нарушения процесса охлаждения (см. рис. 1).

В предполагаемой последовательности развития событий неочевидны четвертый и пятый этапы.

Для уточнения механизмов образования и развития трещин исследовали объем металла образца (рис. 4), содержащего систему несквозных трещин, расположенную в непосредственной близости к прожогу в верхней части царги камеры сгорания аварийного реактора, который проработал после запуска 2 сут и разрушился. На травленых микрошлифах не удалось локализовать места зарождения трещин. Более того, невозможно уверенно привязать преимущественное распространение трещин к границам зерен. Расположение поверхности трещины относительно элементов микроструктуры показано на рис. 5. Однозначно привязать зарождение трещин коррозионного распределения к границам зерен удалось на нетравленых шлифах (рис. 6).

На рис. 6 совершенно очевидно отсутствие однозначной ориентации трещин коррозионного растрескивания по действующим напряжениям. Это говорит о том, что трещины образовались по механизму межкристаллитной коррозии. Сначала на границах зерен произошли диффузионные процессы, характерные для межкристаллитной коррозии, не исключено также образование там же оксидов хрома в виде плен, так как температура была очень высокой, а растворимость кислорода в никеле значительно выше, нежели в железе. Поэтому обогащение границ зерен хромом, учитывая состав атмосферы и ее состояние, приведет не только к карбидообразованию, но и к окислению хрома на межзеренных границах (внутреннее окисление). На ранней стадии ползучести действующие напряжения приводят к провороту зерен относительно друг друга. При наличии на их границах второй фазы в виде хрупких плен и массивных включений, это, по всей вероятности, приводит к образованию несплошностей по поверхности кристаллитов (рис. 6, а ).

Следующий этап развития трещин коррозионного растрескивания в магистральную трещину авторам удалось обнаружить в другом объеме металла образца (рис. 6, б ). Здесь видно, что, несмотря на возможность трансформации зародышевых трещин в направлениях, отличающихся друг от друга на 90°, объединение их началось под влиянием вектора действующих напряжений. Образование общего направления магистральной трещины показано на рис. 7 (справа, вверху, — поверхность листа обечайки царги, в центре — зародыш магистральной трещины).

Наряду с микротрещинами, образовавшимися по механизму межкристаллитной коррозии и статистически ориентированными по действующим напряжениям, на рис. 7 наблюдается небольшой участок (зародыш) макротрещины с огромным раскрытием — с относительно большим расстоянием между внутренними поверхностями трещины (по центру снимка). Ее ориентация еще не идеальна только по той причине, что она успела распространиться лишь на два-три размера зерен и еще сохранила свою наследственную принадлежность к ним. Однако сформировавшаяся магистральная трещина уже однозначно ориентирована по растягивающим напряжениям (рис. 8).

На рис. 8 показаны трещины, не связанные друг с другом единой поверхностью. Они расположены на разном расстоянии от поверхности листа (внизу). Их объединяет только ориентировка — перпендикулярно поверхности листа. Эта ориентировка соответствует напряжениям, действующим в листе. Как и положено, трещины ориентированы перпендикулярно действующим в обечайке (царге) растягивающим напряжениям. При высокой температуре и незначительных растягивающих напряжениях действует механизм ползучести. На финальной стадии происходит образование поверхностей раздела в виде пор и трещин. На рис. 8 наблюдаются трещины. Совместно с мы предполагаем, что при составе атмосферы, характерной для камеры сгорания реактора пиролиза нафты, возможна межкристаллитная коррозия. При совместном воздействии двух механизмов разрушения: ползучести и межкристаллитной коррозии, возможно образование трещин общей направленностью, перпендикулярно действующим напряжениям, но четко привязанным к границам зерен на ранней стадии формирования магистральной трещины. При этом сразу же следует отметить возможность образования на поверхности листа «лучевых» трещин (см. рис. 4, б ), так как первопричиной является межкристаллитная коррозия, которая однозначно связана с температурой стенки, т.е. с конфигурацией температурного поля.

Таким образом, проведенные металлографические исследования позволили удовлетворительно описать механизм зарождения и распространения трещин и уточнить их природу.

При гидроиспытаниях царг после первого срока эксплуатации отбраковывают около 20 % деталей по наличию сквозных дефектов. После второго срока испытаний еще 70 % царг бракуют этим же методом. Осмотр поверхности внутренней обечайки после первого и второго сроков эксплуатации показал наличие и трещин, выходящих на поверхность, и зон цветов побежалости, не пораженных трещинами.

Как показали результаты проведенных исследований, существует весьма высокая вероятность того, что в местах существования цветов побежалости имеются внутренние трещины, если даже они не обнаружены при осмотре и капиллярным методом. К сожалению, в настоящее время нельзя установить, имели ли прожженные царги несквозные или внутренние трещины при их эксплуатации после ремонта керамического стакана по вышеупомянутым причинам, так как существовавший до настоящих исследований регламент подготовки царг на повторную эксплуатацию не предусматривал обязательное удаление керамической втулки и освидетельствование состояния внутренней обечайки другими способами, кроме гидравлических испытаний.

Проведенный анализ дает основание для изменения процедуры диагностики повреждений металлической конструкции верхней царги в межремонтный период.

1. Целесообразно отказаться от частичного ремонта керамической втулки после первого периода ее работы. Втулку следует менять после каждого периода (45 сут) эксплуатации. Это позволяет полностью осмотреть внутреннюю поверхность обечайки (провести визуально-измерительный контроль — ВИК) из Ni-Mo Cr-W сплава на предмет выявления участков перегрева (по наличию цветов побежалости) и поверхностных трещин, используя капиллярный метод.

2. Гидравлические испытания проводить с акустикоэмиссионным (АЭ) сопровождением. При обнаружении следов перегрева, даже если капиллярным методом не удалось выявить в этих местах поверхностные трещины, гидравлические испытания проводить с установкой датчиков АЭ-системы на места расположения цветов побежалости. В этом случае методика гидравлических испытаний с АЭ-исследованиями будет обладать максимальной чувствительностью.

3. При идентификации АЭ-сигналов как сигналов от внутреннего дефекта рекомендуется полностью заменить обечайку из Ni-Mo-Cr-W сплава на новую. То же необходимо сделать, если капиллярным методом или просто в процессе осмотра обнаружены поверхностные или, быть может, сквозные трещины.

По нашему мнению, применение такой совокупности стандартных методов диагностики состояния царг после первого срока эксплуатации: ВИК, ЦД, ГИ + АЭ, позволяет в полной мере продиагностировать царги на предмет наличия или отсутствия наружных и внутренних трещин и полностью исключить возможность внеплановых (менее 45 сут) аварийных остановок реактора пиролиза нафты при втором и даже третьем сроках эксплуатации без замены внутренней обечайки из Ni-Mo-Cr-W сплава.

В.В. Агафонов, канд. техн. наук,
директор по НИР(ЗАО НПО «Ремгазкомплектпоставка»)

Л.М. Лукьянцев, директор по ремонту

В.И. Глушенко, нач. службы технического надзора