Наукові основи корозійного моніторингу і прогнозування залишкового ресурсу обладнання хімічної та нафтопереробної промисловості

Запропоновано використовувати цю залежність як ресурсну криву, яка може бути застосована для моніторингу обладнання у реальному часі. Для цього її розбивають на певні періоди: безпечна експлуатація, період експлуатації за ретельного контролю, період обмеженої експлуатації і період руйнування конструкції. Третій період обмеженої експлуатації може бути допущений для невідповідального допоміжного обладнання. В цей час, наприклад, може вестись підготовка до ремонту (рис. 18).

Рис. 18. Ресурсна крива при корозійно-механічному руйнуванні сталі 08Х18Н10Т

Застосовуючи такий самий підхід для різних систем метал-середовище можна побудувати відповідні графіки в координатах “струм поляризації (потенціал) - кількість циклів навантаження (час)” і визначити відповідні періоди експлуатації і значення критичних струмів. Знаючи значення критичного струму (потенціалу) і, отримавши шляхом вимірювання поточне значення струму (потенціалу) за допомогою корозійно втомної ресурсної кривої, визначається ступінь пошкодження за яким можна оцінити його залишковий ресурс як різницю між критично допустимою кількістю циклів (заданим часом) і поточним значенням числа навантажень. Відповідні значення числа циклів навантажень чи часу визначаються з графіку за величиною струму (потенціалу).

В промислових умовах використання густини струму як інформаційного параметра ускладнене через певні труднощі при вимірюванні і передачі цієї характеристики на значні відстані. За таких умов в промислових умовах потенціал є більш перспективним для передачі інформації від робочої зони до пульта оператора.

Для реалізації запропонованого методу в режимі постійного корозійного моніторингу було запропоновано триелектродну і двоелектродну схеми вимірювання. В обох випадках принцип вимірювання полягає в тому, що в початковий момент, коли відсутнє корозійно-механічне пошкодження обладнання, струм між давачем і корпусом відсутній. В міру розвитку пошкодження метала його потенціал зміщується у бік від'ємних значень. Враховуючи, що потенціал давача не змінюється, між ним і корпусом тече електричний струм, і тим більший за значенням, чим інтенсивніше йде процес пошкодження. Більш простою для реалізації в умовах промислових виробництв і дешевою є двоелектродна схема (рис. 19).

Рис. 19. Двоелектродна схема реалізації методу оцінювання ступеня пошкодження обладнання, що працює в корозивному середовищі

1 - одноелектродний давач (постійний контакт (А);

2 - пошкодження округлої форми в корпусі апарата (В);

3 - перемикач (К);

4 - амперметр;

5 - ізолятор

Для порівняльного аналізу двох вимірювальних схем досліджено зміну струму поляризації за корозійної втоми сталі 12Х18Г12Н5АБ в 3%-му водному розчині NaCl і 11%-му розчині карбаміду (рис. 20). Видно, що перехід від триелектродної схеми до двоелектродної не змінює суть методу. На обох кривих можна виділити характерні ділянки, які відповідають різним періодам руйнування зразків.

Рис. 20. Характер зміни густини струму поляризації при корозійно-втомному руйнуванні сталі 12Х18Г12Н5АБ у 11 %-му розчині карбаміду ( s--= ±300 МПа):

1 - за триелектродною схемою;

2 - за двоелектродною схемою.

За двоелектродною схемою досліджено трубу зі сталі 12Х18Н10Т з гострим трикутним концентратором. Вимірювали зміну потенціалу. Встановлено, що процеси корозійно-механічного руйнування мають ті ж самі характерні ділянки, що представлені на рис. 18. Зростання абсолютного значення потенціалу на момент руйнування труби відбулось з 98 мВ до 405 мВ, тобто потенціал змінився в ~ 4,1 рази, що говорить про високу чутливість запропонованої вимірювальної схеми і здатність давачів адекватно відтворювати процеси корозійно-механічного руйнування в реальному часі.

За даною схемою вимірювання реалізовано моніторинг корозійно-механічних пошкоджень лінії всмоктування карбаматного насосу на ЗАТ “Сєверодонецьке об'єднання “Азот”. Подальшим розвитком потенціометричного методу можна вважати імпульсний метод оцінювання корозійно-механічного пошкодження обладнання, що працює в середовищі електролітів.

Суть методу полягає в тому, що у ресурсної кривої кожна її ділянка характеризується певною інтенсивністю розвитку мікротріщин або швидкістю розвитку магістральної тріщини в умовних координатах “кількість циклів (імпульсів) навантажень - кількість імпульсів руйнувань (відгуків)“, що свідчать про динаміку процесу розвитку корозійно-механічних пошкоджень в металі. Логічно припустити, що в міру наближення від початку навантаження до моменту руйнування динаміка розкриття тріщин, тобто “відгуків” на зовнішнє циклічне навантаження буде зростати. Враховуючи це, запропоновано оцінювати ступінь корозійно-механічного пошкодження металу інтенсивністю відгуків (густиною імпульсів руйнування за одиницю часу або за певну кількість циклів зовнішнього навантаження). Тобто кожна ділянка ресурсної кривої має свій певний діапазон густина відгуків, і ця густина зростає в міру наближення до моменту руйнування. При такому підході усувається значною мірою необхідність враховувати марку сталі, середовище, температуру тощо. Метод є не тільки більш універсальним, але при цьому зміщується акцент в таких питаннях як точність вимірювання і чутливість. Важливою перевагою імпульсного методу є також те, що процес моніторингу можна розпочинати на будь якому періоді експлуатації без врахування попередньо “історії” накопичення корозійно-механічних пошкоджень.

Для реалізації цієї ідеї розроблена наступна блок-схема корозійного моніторингу шляхом одночасного вимірювання і реєстрації імпульсів циклічних зовнішніх навантажень і імпульсів руйнування на об'єкті контролю (рис. 21).

Рис. 21. Структурна схема імпульсного методу корозійно-механічного моніторингу:

Д₁ - давач сигналів корозійно-механічно руйнування;

П - буферний посилювач;

Р_Е - реєстратор електронний МТМ РЕ 160;

Ф₁ - формувач рівня стандартного сигналу;

?_n - лічильник імпульсів руйнування;

Д₂ - давач сигналів циклічного навантаження;

Ф₂ - формувач часового інтервалу;

?_N - лічильник циклів навантаження;

_??_N - лічильник часових інтервалів.

Електричні імпульси, що генеруються при корозійно-механічному руйнуванні обладнання, знімаються з об'єкта контролю давачем Д₁ і посилюються буферним посилювачем П. Постійний сигнал за необхідності подається на електронний реєстратор Р_Е, який аналізує характер змін вимірюваних величин і їх відповідності ділянкам ресурсної кривої. Посилені імпульси, що свідчать про руйнування, поступають на формувач Ф₁, котрий формує стандартні рівні сигналів додатної полярності з різнополярних вхідних імпульсів. Сформовані імпульси поступають на накопичувальний лічильник імпульсів руйнування - ?_n і на дискретний лічильник - _? ?_n, який реєструє число імпульсів за інтервал часу, котрий визначається формувачем інтервалів Ф₂. Формувач імпульсів Ф₂ є таймером, завдання якого полягає в задані часу, що відповідає певній кількості періодів циклічної дії на об'єкт дослідження за певний час.

Сигнали зовнішньої циклічної дії знімаються з об'єкта давачем Д₂, реєструються накопичувальним лічильником ?_N і надходять на формувач часових інтервалів Ф₂. Протягом наперед заданого інтервалу дозволяється прийом імпульсів, які сигналізують про розвиток руйнувань в дискретний лічильник _??_n. Після закінчення кожного часового інтервалу відбувається онулення лічильника _? ?_n .

При досягненні заданого значення пропорційності імпульсів відгуків, які свідчать про розвиток тріщин і сигналів зовнішнього циклічного навантаження (коефіцієнт пропорційності задається величиною певної вставки), лічильник _??_n видає сигнал “аварійного порогу” на формувач Ф_АС, який генерує звуковий сигнал аварії_, що передається далі на гучномовець.

Таким чином, залежно від важливості об'єкта, що підлягає контролю, наперед задавши необхідний коефіцієнт пропорційності між частотою механічних зовнішніх циклічних навантажень, і частотою сигналів, які свідчать про розвиток корозійно-втомних тріщин, можна визначити етап руйнування, що відповідає певній ділянці ресурсної кривої і попередити виникнення аварійної ситуації.

З досвіду відомо, що характер ресурсної кривої у деяких сталей і сплавів суттєво відрізняється від наведеної на рис. 18. Наприклад, у титанових і алюмінієвих сплавів III ділянка проявляється невиразно, або може бути взагалі відсутня. З методологічної точки зору то не є проблема для наведеного вище методу, бо система налагоджується саме на густину відгуків за певну кількість зовнішніх циклічних навантажень. Разом з тим, під час моніторингу необхідно відслідковувати етапність процесу вичерпання ресурсу. Тому дуже корисно паралельно вести запис зміни потенціалу в часі.

Вимірювальна схема імпульсного методу була реалізована за структурно-логічною схемою наведеною на рис. 21. Досліджено трубу з нержавної сталі 12Х18Н10Т ш35 мм з гострим концентратором, що навантажувалась циклічно з частотою коливань 5 Гц і амплітудою 5-12 мм. Шляхом заміру величини потенціалу відслідковувалась динаміка корозійно-механічного руйнування. Одночасно замір потенціалу в реальному часі вівся на електронний реєстратор МТМ РЕ 160 і через перетворювач інтерфейсів інформація передавалась на комп'ютер. В процесі роботи порівнювалась кількість імпульсів циклів зовнішніх навантаження і імпульсів відгуків, які реєструвалися первинним перетворювачем за певний відрізок часу. В процесі навантажень інтервал порівняння (вікна) з метою більш точних замірів змінювався в діапазоні від 0,2 с до 1 с. Кількість циклів навантажень і відгуків реєструвалось також візуально на спеціальних електронних лічильниках. На рис. 22 наведено, як змінюється потенціал (статична складова) і зростає густина імпульсів руйнування протягом останньої години перед руйнуванням зразка.

Рис. 22. Руйнування зразка на останній стадії при імпульсній формі реєстрації сигналів

Зростає не тільки густина, а і абсолютна величина сигналу, що свідчить про прискорення процесу руйнування при наближені до моменту руйнування зразка.

Встановлено, що густина імпульсів в процесі досліджень від початку циклічного навантаження зразка до моменту руйнування зросла в п'ять разів. Густина імпульсів на завершальному відрізку стадії руйнування приблизно вдвічі більше, ніж перед цим. Це свідчить про правильність викладених вище положень і функціональність запропонованої схеми.

За даною схемою вимірювання реалізовано моніторинг корозійно-механічних пошкоджень ребойлера-випарювача на Лисичанському ТОВ “Линос”.

В додатках представлено: перелік обладнання установки ЕЛОУ-АВТ-6 №2 з основними матеріалами, умовами експлуатації і параметрами загальної і локальної корозії; результати корозійного обстеження основних апаратів виробництва карбаміду на стадіях синтезу і дистиляції Й ступеня; акт про впровадження результатів роботи; технологічний регламент використання електрохімічного імпульсного методу для оцінки ступеня пошкодження технологічного обладнання нафтопереробної і хімічної промисловості; технологічний регламент з використання методики поляризаційного струму для оцінки ступеня пошкодження технологічного обладнання хімічної і нафтохімічної промисловості; рекомендації з застосування електрохімічної методики оцінки стадійності корозійно-втомного пошкодження сталей та сплавів в середовищі електролітів та визначення залишкового ресурсу обладнання і апаратури; рекомендації з застосування методики оцінки ступеня деградації сталей та сплавів після тривалої експлуатації комплексом механічних характеристик та визначення залишкового ресурсу обладнання і апаратури; довідку про використання результатів дисертаційної роботи в учбовому процесі.

ВИСНОВКИ

Робота присвячена вирішенню науково-технічної проблеми корозійного моніторингу обладнання хімічної та нафтопереробної промисловості, оцінювання корозійно-механічного пошкодження, а також прогнозуванню його залишкового ресурсу і безпечної експлуатації. В результаті виконання даної роботи отримано такі основні результати:

1. Встановлено, що основним видом пошкодження обладнання нафтопереробного заводу ЗАТ «Линос» (насоси, теплообмінники, колони К-6, К-101, шоломова лінія колони ДО-2 тощо) найчастіше є локальна корозія (виразкова та пітінгова корозія, корозійне розтріскування та розшарування основного металу), яка найінтенсивніше протікає в місцях зварних з'єднань штуцерів, люків, кришок, барбатерів де присутня вібрація. Встановлено, що для крупногабаритного обладнання частота вимушених коливань близька до 2 Гц, для насосної групи - знаходиться в інтервалі від ~ 2 до 50 Гц, для теплообмінників ~ 8-10 Гц. Величини вібраційних переміщень суттєво залежать від жорсткості кріплення та місця розташування об'єкта і знаходяться в інтервалі від одного до декількох сотень мкм. Встановлено, що корозійно-механічне пошкодження обладнання з вібраційним навантаженням є інтенсивнішим, ніж без нього і вимагає в 1,5-2 рази частішого ремонту.

2. Проаналізовано характер пошкоджень основного обладнання виробництва карбаміду на п'ятьох підприємствах СНД і виявлено, що найінтенсивніше корозійно-механічне пошкодження розвивається в сепараторах, змішувачі і колоні синтезу в місцях кріплення конструкційних елементів, в циліндрах та клапанах карбаматних насосів.

3. Виявлено структурні зміни в сталях внаслідок тривалої експлуатації в умовах хімічних і нафтопереробних підприємств, які полягають у подрібнені зерен та випаданні по їх границях карбідів. В аустенітних сталях до того ж утворюються високохромисті крихкі у-фаза і г'-фаза, що сприяє корозійно-механічному руйнуванню. В зварних з'єднаннях ці фази утворюються інтенсивніше.

4. Показано, що для експлуатованих низьколегованих і вуглецевих сталей порівняно зі сталями, що не були в експлуатації, характерним є зміщення потенціалу корозії в бік від'ємніших значень та зростання швидкості корозії в декілька разів в основному за рахунок збільшення швидкості анодних процесів. При цьому швидкість катодних процесів змінюється незначно. Тривала експлуатація нержавних сталей аустенітного класу знижує швидкість їх розчинення в пасивному стані в 2-9 разів і зміщує потенціали пітінгоутворення та репасивації в бік додатніших значень відповідно на 0,06 - 0,17 В та 0 - 0,075 В, що пов'язано із покращенням захисних властивостей пасивувальних плівок за рахунок утворення з часом більш рівноважної структури металу та його селективного розчинення. Внаслідок зміни електрохімічних властивостей нержавних сталей вони стають менш схильні до локальної корозії.

5. Показано, що найбільш чутливими до деградації металу, що експлуатувався в умовах високих температур та тисків в агресивних середовищах є такі механічні характеристики як д, у_0,2, у_b, а також у_0,2/у_b, КС. Абсолютна величина зміни КС велика і може використовуватись для оцінювання деградації низьколегованих та нержавних сталей, однак часто деградовані сталі мають великий розкид її значень, що знижує об'єктивність оцінювання стану металу. Внаслідок значної різниці величин ш, навіть у зразків з однієї партії, вона виявилась не достатньо інформативною. Переважно величина у_0,2 змінюється інтенсивніше (10…40%), ніж у_b (1,5…20%) і, за наявності бази порівняння, може свідчити про деградацію сталей, а за її відсутності краще використовувати комплексний показник у_0,2/у_b. Інформативнісить д обмежується нормуванням для більшості трубних сталей лише мінімально допустимих його значень.

6. Запропоновано оцінювати залишковий ресурс обладнання за критерієм загального старіння сукупністю механічних характеристик чутливих до деградації. Він полягає у врахуванні змін характеристик міцності і пластичності д, у_0,2, у_b, КС протягом експлуатації та врахуванні кількості позапланованих зупинок, які значно інтенсифікують корозію металу. Використання конкретної характеристики обумовлено специфікою середовища і навантаження.

7. Запропоновано використовувати залежність «потенціал, струм поляризації - кількість циклів до руйнування» при втомі, як ресурсну криву, на якій можна виділити різні періоди експлуатації обладнання: безпечна експлуатація, період експлуатації за ретельного контролю, період обмеженої експлуатації. На основі цього розроблено новий електрохімічний метод моніторингу та визначення залишкового ресурсу обладнання, що працює за механічних навантажень в електролітах. Він ґрунтується на порівняльному аналізі поточних електрохімічних характеристик і очікуваних характеристик ресурсної кривої.

8. Розроблено теоретичні засади і критерії нового імпульсного електрохімічного методу визначення корозійно-механічних пошкоджень, який полягає в порівнянні за певний відрізок часу кількості зовні генерованих електричних імпульсів циклічних навантажень і імпульсів, що свідчать про розвиток втомних тріщин в металі. Показано, що розвиток руйнування за циклічних навантажень супроводжується зростанням густини імпульсів майже в 5 разів. На противагу іншим цей метод не вимагає попереднього вивчення електрохімічних характеристик деформованих металів у робочих середовищах, тому його можна використовувати починаючи з будь-якого етапу експлуатації обладнання.

9. Запропоновано використовувати для корозійного моніторингу одноелектродні давачі, які забезпечують адекватне відображення стадійності та ступеня пошкодження металу при корозійно- втомному руйнуванні: залежно від електропровідності середовища, розмірів контрольованого об'єкта та віддалі до пошкодження. Збільшення розмірів пошкоджень на порядок веде до зростання струму поляризації в 2…8 разів.

10. Розроблено і впроваджено технологічні регламенти з використання методу поляризаційного струму для карбаматного насосу на ЗАТ “Сєверодонецьке об'єднання “АЗОТ” і імпульсного методу для ребойлера-випарювача на ТОВ «Линос».

СПИСОК ОПУБЛІУКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Коррозия и защита оборудования производства карбамида / Кузюков А.Н., Борисенко В.А., Архипов А.Г., Ивонин М.В. - Луганськ: Вид-во Східноук. нац. ун-ту, 2007. - 109 с.

2. Нагулін М.І. Теорія коливань. / Нагулін М.І., Гєнкін Б.Й., Архипов О.Г. Навчальний посібник. - Луганськ: Вид-во Східноук. нац. ун-ту, 2004. -150 с.

3. Влияние вибрации на межкристаллитную коррозию стали 12Х18Н10Т / Кузюков А.Н., Архипов А.Г., Куликов Д.А., Липко Г.В., Никитченко В.М. // Фізико-хімічна механіка матеріалів, Спец. випуск №5. - 2006. -С. 192-194.

4. Борисенко В.А. Анализ причин и характера разрушения насосного агрегата нефтеперекачивающей станции / Борисенко В.А., Крикун В.П., Архипов А.Г. // Труды Одесского политехн. ун.-та. - 2006. - Вып. 2. - С. 58-62.

5. Оцінка чутливості методу поляризаційного струму до пошкод елементів конструкцій / Похмурський В.І., Хома М.С., Джала Р.М., Архипов О.Г., Чучман М.Р. // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2006. - №4. - С. 74-77.

6. Разрушение деталей машин и аппаратов от совместного действия коррозии и вибрации в условиях нефтеперерабатывающих производств / Борисенко В.А., Архипов А.Г, Куликов Д.А., Липко Г.В. // Вісник Сумського держ. ун.-ту. - 2006. - №12. - С. 139-142.

7. Метод оцінки ступеня корозійно-утомного пошкодження обладнання хімічної та нафтохімічної промисловості / Похмурський В.І., Хома М.С., Архипов О.Г., Борисенко В.А. // Цільова комплексна програма НАН України „Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин: зб. наук. статей за результатами, отриманими в 2004-2006 рр. - К.: Інстит. електрозвар. ім. Є.О. Патона НАН України, 2006. - С. 124-128.

8. Кузюков А.М. Діагностика корозійно-механічної втоми і прогнозування залишкового ресурсу / Кузюков А.М., Архипов О.Г., Борисенко В.А. // Академічний вісник. - 2007. -№19. - С. 26-29.

9. Електрохімічний контроль обладнання, що підлягає дії середовищ хімічних і нафтохімічних виробництв в умовах вібрації / Похмурський В.І., Хома М.С., Кузюков А.М., Архипов О.Г., Борисенко В.А. // Фізико-хімічна механіка матеріалів, Спец. випуск №6. - 2007. - С. 47-54.

10. Архипов О.Г. Міжкристалітна корозія хімічного обладнання при виробництві карбаміду / О.Г. Архипов // Вісник Криворізького технічного університету. - 2007. - Вип.16. - С. 169-171.

11. Архипов О.Г. Зміни властивостей низьколегованих сталей внаслідок процесу старіння / Архипов О.Г., Борисенко В.А, Галабурда Н.І. // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2007. -№5/1. - С. 53-58.

12. Кузюков А.Н. Практика водородной коррозии оборудования химических и нефтехимических предприятий / Кузюков А.Н., Борисенко В.А., Архипов А.Г. // Практика противокоррозионной защиты. - 2007. -№3. - С. 55-58.

13. Дослідження процесу старіння сталі 09Г2С / Архипов О.Г., Борисенко В.А., Хома М.С., Галабурда Н.І. // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2007. -№1. - С. 24-30.

14. Архипов О.Г. Оцінка ступеня деградації сталей комплексом механічних характеристик / О.Г. Архипов // Фізико-хімічна механіка матеріалів, Спец. випуск №7. - 2008. - С. 744-749.

15. Архипов О.Г. Дослідження процесу деградації сталі 12Х18Н10Т / Архипов О.Г., Зінченко О.В., Гусєв С.О. // Вісник донбаської державної машино-будівної академії. - 2009. - №1. - С.117-122.

16. Оцінка деградації сталей обладнання нафтопереробних і хімічних виробництв / Архипов О.Г., Зінченко О.В., Ковальов Д.О., Заіка Р.Г. // Металеві конструкції. - 2009. - №2. - С. 32-36.

17. Архипов О.Г. Зв'язок структурно-вибіркової корозії і корозійного розтріскування нержавних сталей / О.Г. Архипов // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2009. -№4. - С. 27-30.

18. Архипов О.Г. Застосування імпульсного методу для оцінки пошкоджень обладнання і визначення залишкового ресурсу / О.Г. Архипов // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2009. - № 2. - С. 84-89.

19. Розробка методу оцінки ступеня пошкодження обладнання нафтопереробної промисловості / Хома М.С., Похмурський В.І., Архипов О.Г., Борисенко В.А. // Цільова комплексна програма НАН України „Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин: зб. наук. статей за результатами, отриманими в 2007-2009 рр. - К: Інстит. електрозвар. ім. Є.О. Патона НАН України, 2009. - С. 149-154.

20. Архипов О.Г. Особливості деградації сталей в агресивному середовищі і модель механізму старіння / О.Г. Архипов // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2009. - № 12 , ч.2. - С. 117-121.

21. Дослідження змін механічних характеристик сталей 15Х5М і 12Х18Н10Т після тривалої експлуатації / Архипов О.Г., Заіка Р.Г., Любимова-Зінченко О.В., Ковальов Д.О., Боярчук О.Г. // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2010. - № 6. - С. 161-166.

22. Архипов О.Г. Оцінка залишкового ресурсу обладнання хімічної промисловості / О.Г. Архипов // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2010. - № 7. - С. 117-121.

23. Деградація сталі 09Г2С в умовах нафтопереробних підприємств / Архипов О.Г., Хома М.С., Борисенко В.А, Ліпко Г.В., Зінченко О.В., Боярчук О.Г., Ковальов Д.О. // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2010. -№5. -С. 65-70.

24. Хома М.С. Розвиток електрохімічних методів корозійного моніторингу обладнання хімічної та нафтопереробної промисловості / М.С. Хома, О.Г. Архипов // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2010. - Спец. вип. № 8. Т.2 - С. 543-548.

25. Пат. 17856 Україна, МПК G 01 N 27/26, G 01 N 3/32. Спосіб оцінки ресурсу устаткування з робочими середовищами, що проводять електричний струм / Кузюков А.М., Похмурський В.І., Борисенко В.А., Хома М.С., Архипов О.Г., Парсентьєв М.М., Бойко І.В., Никитченко В.С., Куліков Д.О., Ліпко Г.В.; заявник і патентовласник Східноукр. націон. універ. ім. В. Даля. -№ u200604329; заяв. 18.04.06; опубл. 16.10.06, Бюл.№10.

26. Пат. 21327 Україна, МПК G 01 N 27/26. Двохелектродний вузол / Кузюков А.М., Похмурський В.І., Борисенко В.А., Хома М.С., Архипов О.Г., Парсентьєв М.М., Бойко І.В., Никитченко В.С., Куліков Д.О., Ліпко Г.В.; заявник і патентовласник Східноукр. націон. універ. ім. В. Даля. -№ u200609269; заяв. 22.08.06; опубл. 15.03.07, Бюл. №3.

27. Пат. 38241 Україна, МПК G 01 N 27/26, G 01 N 3/32. Імпульсний спосіб оцінки ступеня корозійно-механічного пошкодження обладнання / Похмурський В.І., Хома М.С., Архипов О.Г. Ліпко Г.В., Борисенко В.А., Зінченко О.В., Одарченко В.В., Бохонов А.А.; заявник і патентовласник О.Г. Архипов. -№ u200810332; заяв. 12.08.08; опубл. 25.12.08, Бюл. №24.

28. Пат. 16117 Україна, МПК G 01 N 27/26. Електродний вузол / Кузюков А.М., Похмурський В.І., Борисенко В.А., Хома М.С., Архипов О.Г., Роменський О.В., Куліков Д.О., Ліпко Г.В.; заявник і патентовласник Східноукр. націон. універ. ім. В. Даля. -№ u200602108; заяв. 27.02.06; опубл. 17.07.06, Бюл. №7.

29. Пат. 24665 Україна, МПК G 01 N 27/00. Капілярний електродний вузол / Кузюков А.М., Похмурський В.І., Борисенко В.А., Хома М.С., Архипов О.Г., Крикун В.П., Шукайло Б.М., Куліков Д.О., Ліпко Г.В.; заявник і патентовласник ВАТ Сєверодон. наук.-досл. та констр. ін. хім. машинобуд. -№ u200702021; заяв. 26.02.07; опубл. 10.07.07, Бюл. №10.

30. Пат. 27874 Україна, МПК G 01 N 3/32, G 01 N 27/26. Спосіб визначення ступеня корозійно-механічного пошкодження обладнання за характером зміни електрохімічних параметрів / Кузюков А.М., Похмурський В.І., Борисенко В.А., Хома М.С., Архипов О.Г., Куліков Д.О., Ліпко Г.В.; заявник і патентовласник Східноукр. націон. універ. ім. В. Даля. -№ u200613017; заяв. 11.12.06; опубл. 26.11.07, Бюл. №19.

31. Пат. 36282 Україна, МПК G 01 N 27/26. Електродний вузол з вібраційною очисткою робочої поверхні електрода / Похмурський В.І., Борисенко В.А., Хома М.С., Архипов О.Г., Заіка Р.Г., Зінченко О.В., Куліков Д.О., Ліпко Г.В.; заявник і патентовласник Східноукр. націон. універ. ім. В. Даля. -№ u200804218; заяв. 03.04.08; опубл. 27.10.08, Бюл. №20.

32. Пат. 46156 Україна, МПК G 01 N 3/32, G 01 N 27/26. Імпульсно-динамічний спосіб оцінки ступеня корозійно-механічного пошкодження / Похмурський В.І., Хома М.С., Борисенко В.А., Архипов О.Г., Зінченко О.В., Боярчук О.Г., Ковальов Д.О.; заявник і патентовласник Фіз. мех. ін. ім. Г.В. Карпенко. -№ u200906274; заяв. 16.06.09; опубл. 10.12.09, Бюл. №23.

33. Руйнування деталей машин і апаратів від одночасної дії корозії і вібрації в умовах нафтопереробних виробництв / Архипов О.Г., Кузюков А.М., Борисенко В.А. // 7 міжнар. симпоз. україн. інжен. механіків, 18-20 трав. 2005 р.: тези доповід. - Львів, 2005. - С.106.

34 Стойкость сталей аустенитного класса при совместном действии вибрации и коррозии / Кузюков А.Н., Архипов А.Г., Куликов Д.А., Липко Г.В. // Механічна втома металів: праці 13 міжнар. колов., 25-28 верес. 2006 р.: збірн. допов. - Тернопіль, 2006. - С. 431-435.

35. New method development of electrochemical monitoring of the equipment subject to corrosion mechanical damage / Pokhmurskii V., Khoma M., Arkhypov A. // 1^st International Conference: Corrosion and Material Protection.1^st - 4^th October 2007. Prague. Czech Republic. -CD ROM. - P.6.

36. Водородное разрушение сталей в условиях транспортировки природного газа / Кузюков АН., Борисенко В.А., Крикун В.П., Левченко В.А., Архипов А.Г. // Водородная обработка материалов: труды 5 межд. конф., 21-25 мая 2007 г.: сб. науч. трудов. - Донецк, 2007. - С. 734-738.

37. Дослідження процесів деградації сталі 09Г2С і біметалу на її основі / Архипов О.Г., Зінченко О.В., Заіка Р.Г. // Строительство, материаловедение, машиностроение: сб. научн. трудов. Вып. 53. - Днепропетровск, 2010. - С. 131-135.

АНОТАЦІЯ

Архипов О.Г. Наукові основи корозійного моніторингу і прогнозування залишкового ресурсу обладнання хімічної та нафтопереробної промисловості. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.17.14 - Хімічний опір матеріалів і захист від корозії. - Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, Львів, 2011.

Дисертація присвячена вивченню корозійного моніторингу і закономірностей змін механічних і електрохімічних характеристик сталей, структурних перетворень в процесі деградації сталей внаслідок дії механічних навантажень і агресивного середовища. Досліджено сталі різних класів після тривалої експлуатації в різних корозійно активних середовищах на виробництвах нафтопереробної і хімічної галузей. Встановлено механічні характеристики, які здатні адекватно відтворювати процес деградації у часі. Визначені характерні особливості структурних перетворень метала з часом залежно від хімічного складу метала. Встановлено характерні особливості змін електрохімічних характеристик деградованих сталей порівняно зі сталями, що не були в експлуатації. Показано, що для експлуатованих низьколегованих і вуглецевих сталей порівняно зі сталями, що не були в експлуатації, характерним є зміщення потенціалу корозії в бік від'ємніших значень та зростання швидкості корозії в декілька разів в основному за рахунок збільшення швидкості анодних процесів. Тривала експлуатація нержавних сталей аустенітного класу знижує швидкість їх розчинення в пасивному стані в 2-9 разів і зміщує потенціали пітінгоутворення та репасивації в бік додатніших значень відповідно на 0,06 - 0,17 В та 0 - 0,075 В, що пов'язано із покращенням захисних властивостей пасивувальних плівок за рахунок утворення з часом більш рівноважної структури металу та його селективного розчинення.

Розроблено теоретичні засади нового електрохімічного методу визначення корозійно-механічних пошкоджень, який полягає в порівнянні за певний відрізок часу кількості генерованих електричних імпульсів циклічних навантажень і імпульсів, що свідчать про розвиток втомних тріщин в структурі металу. На противагу іншим цей метод не вимагає попереднього вивчення електрохімічних характеристик деформованих металів у робочих середовищах, тому його можна використовувати починаючи з будь-якого етапу експлуатації обладнання.

Запропоновано новий електрохімічний метод визначення залишкового ресурсу обладнання, що працює при механічних навантаженнях в середовищі електролітів.

Ключові слова: корозійна втома, деградовані сталі, залишковий ресурс, корозійно-механічні пошкодження.

АННОТАЦИЯ

Архипов А.Г. Научные основы коррозионного мониторинга и прогнозирование остаточного ресурса оборудования химической и нефтеперерабатывающей промышленности. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.17.14 - Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии. - Физико-механический институт им. Г.В. Карпенко НАН Украины, Львов, 2011.

Диссертация посвящена изучению коррозионного мониторинга и закономерностей изменений механических и электрохимических характеристик деградированных сталей, их структурных изменений в процессе эксплуатации вследствие действия механических нагрузок и агрессивной среды.

Установлено наиболее подверженное коррозионно-механическим повреждениям основное оборудование нефтеперерабатывающих заводов, которое одновременно с агрессивной средой испытывает вибрационные нагрузки. Определены величины вибрационных нагрузок для основного оборудования и аппаратуры. Проведен сравнительный анализ коррозионных повреждений оборудования производства карбамида на пяти предприятиях стран СНГ. Доказано, что характер коррозионных повреждений сталей имеет преимущественно электрохимическую природу.

Исследовано изменение механических характеристик в процессе длительной эксплуатации у сталей: сталь 20, 16ГС, 12Х1МФ, 15Х5М, 12Х18Н10Т и других. Выявлены общие тенденции изменения механических характеристик. Большинство проведенных опытов показывает, что у деградированных сталей происходит увеличение значений у_b і у_0,2. Это свидетельствует об упрочнении сталей со временем. Использование комплексного показателя у_0,2/у_b позволяет более четко выявить имеющиеся тенденции в том случае, когда отсутствует для сравнения сталь из той же партии поставки, что и исследуемая, но не бывшая длительное время в эксплуатации. Так, если для малоуглеродистых сталей, которые не были в эксплуатации, рекомендованы значения у_b/у_0,2 в пределах 0,65ч0,70, то у сталей после длительной эксплуатации верхняя граница может приближаться к 0,87. Это также говорит о более быстром изменении у_0,2 по сравнению с у_b.

Установлено, что относительное удлинение д чувствительно к деградации стали. Например, для малоуглеродистых сталей отмечается уменьшение относительного удлинения от 19% до 50%. Разница существенно зависит от среды и времени работы. Однако отсутствие четкой регламентации этой величины, например, для трубных сталей снижает информативность данной характеристики.

Коэффициент ударной вязкости КС является чувствительной величиной к деградации и может адекватно отображать степень деградации большинства сталей. Однако значительный разброс значений КС у деградированных сталей снижает информативность этой величины. Использование величины относительного сужения представляется менее перспективным. Установлено, что процессы деградации в сварных швах и зоне термического влияния протекают значительно быстрее, чем в основном материале.

Установлены характерные особенности изменений электрохимических характеристик деградированных сталей по сравнению со сталями, которые не были в эксплуатации. Доказано, что деградированные углеродистые и низколегированные стали имеют меньший потенциал коррозии, и рост скорости коррозии в несколько раз происходит в основном за счет увеличения скорости анодных процессов. Установлено, что деградированные стали аустенитного класса более устойчивы к появлению питтингов за счет образования со временем более равновесной структуры стали. Металлографические исследования позволили выявить общие тенденции изменения структуры металла для каждого класса сталей.

Разработаны теоретические положения и получены опытные подтверждения нового электрохимического метода определения коррозионно-механических повреждений и прогнозирования остаточного ресурса. Суть метода заключается в сравнении за определенный отрезок времени количества внешних циклических нагрузок и числа импульсов, которые свидетельствуют о развитии коррозионно-усталостных трещин. Согласно выдвинутой гипотезе плотность электрических импульсов, свидетельствующих о развитии коррозионно-усталостной трещины, в меру приближения к моменту разрушения увеличивается. В отличие от других этот метод не требует предварительного изучения электрохимических характеристик деформированных металлов в рабочих средах, поэтому его можно использовать, начиная с любого этапа эксплуатации.

Предложена функциональная схема автоматизированной системы коррозионного мониторинга импульсным методом на основе Scada system “Trace Mode”. Данный метод может существенно упростить и облегчить коррозионный мониторинг, а также повысить надежность эксплуатации оборудования в среде электролитов.

Разработаны конструкции электрохимических датчиков и определены условия их применения в зависимости от геометрических параметров объектов. Основываясь на анализе изменения электрохимических характеристик во времени, предложен новый метод определения остаточного ресурса оборудования. Согласно предложенной методике весь срок эксплуатации в соответствии с характером изменения потенциала или силы тока разбивается на отдельные стадии. В процессе эксплуатации регистрируется потенциал или сила тока и определяется по их величине соответствие определенной стадии, что и позволяет оценивать в реальном времени остаточный ресурс оборудования.

Методы оценки коррозионно-механических повреждений сталей в среде электролитов и мониторинг текущего состояния оборудования, позволяющий оценивать степень поврежденности объектов, внедрены в химической промышленности.

В совокупности предложенные подходы позволяют комплексно оценить степень коррозионно-механических повреждений и прогнозировать остаточный ресурс оборудования, которое эксплуатируются в химической и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности.

Ключевые слова: коррозионная усталость, деградированные стали, остаточный ресурс, коррозионно-механические повреждения.

SUMMARY

Arhipov O.G. Science basis for corrosion monitoring and residual life prediction of chemical and refining equipment. - Manuscript.

Thesis for Doctor of Sciences(Engineering) degree in speciality 05.17.14 - Chemical resistance of materials and protection against corrosion. Karpenco Physico-Mechanical Institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Lviv, 2011.

The dissertation is devoted to studying of laws of changes of mechanical and electrochemical characteristics steels, structural changes during degradation steels owing to action of mechanical loadings and an excited environment. During research it is proved, that character of damage steels has basically the electrochemical nature. Studying of mechanical characteristics steels a different class has revealed some general tendencies of change of characteristics while in service. Mechanical characteristics capable adequately are established to trace process of degradation in time.

Metallography researches of samples made of steels after long operation have allowed to reveal the general tendencies of change of structure of metal for each class steels. More often for the majority researched steels crushing grain of metal eventually occurrence of nonmetallic formations, cavities is marked. Prominent features of changes of electrochemical characteristics degraded steels are established in comparison with steels which were not in operation. It is proved, that degraded steel always have essentially smaller stationary potential and smaller potential of corrosion. Theoretical positions are developed and skilled confirmations of a new electrochemical method of definition of corrosion-mechanical damages are received. The essence of a method consists in comparison for the certain interval of time of amount of the generated electromagnetic impulses and numbers of pulses which testify to development of fatigue cracks in structure of metal. Being based on the analysis of change of electrochemical characteristics in time at the certain loadings, the new method of definition of a residual service life and the equipment is offered. It can be used for steels sensitive to change of potential in time. In aggregate offered approaches allow to estimate in a complex a degree of corrosion-mechanical damages and to predict a residual service life and equipments which are maintained in chemical and oil refining industries.

Key words: corrosion weariness, degraded steel, a residual resource, corrosion-mechanical damages.

Размещено на Allbest.ru