А.В. Копарчук, Т. С. Паргачёва, Е. М. Астафьева
ОАО
«ИркутскНИИхиммаш», г. Иркутск, Россия
Подбор сталей для коксовой камеры
современной конструкции
A.V. Koparchuk, T.S. Pargacheva, E. M. Astafijeva
JSC “IrkutskNIIhimmash”, Irkutsk, Russia
Selection of steels for a coke
oven of modern design
На коксовые камеры в процессе эксплуатации
действуют силовые, термические и динамические нагрузки, которые вызывают
возникновение характерных дефектов в оболочке камеры: выпучен, гофр, трещин в
сварных швах, плакирующем и основном слое металла.
Многие из коксовых камер, эксплуатируемых
в настоящее время на отечественных нефтеперерабатывающих заводах, исчерпали
свой ресурс и требуют замены, в связи с чем перед учеными и научно-исследовательскими
институтами стоит задача по созданию модернизированной коксовой камеры.
Отсутствие или недостаток информации по
материальному исполнению коксовых камер является причиной принятия некорректных
решений при выборе сталей для изготовления коксовых камер и влечет за собой
появление вышеуказанных дефектов и трещин, а также приводит к остановке
установки замедленного коксования в целом. Стоимость ремонта и простой
установок в таких случаях приносят значительный ущерб экономике завода. [1]
Задача, решаемая авторами статьи, состоит
в подборе наиболее оптимального варианта сталей для создания современной
конструкции на основе сравнительного анализа применяемых сталей для коксовых
камер.
Первые коксовые камеры, выпущенные до 70-х
годов и эксплуатируемые на отечественных нефтеперерабатывающих заводах,
изготавливались в основном из двухслойной стали 15К+08Х13 и 20К+08Х13.
Коксовые камеры, эксплуатируемые на
нефтеперерабатывающих заводах США, тоже изготавливались из биметалла, причем
основным металлом служила углеродистая сталь A-285, кремнеуглеродистая сталь
SA-204 или SA-387, по своим свойствам и химическому составу аналогичная
отечественным сталям 15 К, 20К и 16ГС,
а в качестве плакирующего металла используется сталь с 11-13 % содержанием
хрома
Углеродистые котельные стали 15К и 20К пригодны
для работы при температурах от минус 40°С до 475°С и любых давлениях, но уже
через несколько лет работы в коксовых камерах появляются дефекты и трещины.
В связи с чем в 70-х годах и позже для
изготовления коксовых камер стали использовать низколегированную сталь
16ГС+08Х13.
Сталь 16ГС+08Х13, в отличие от сталей 15К
и 20К, легче сваривается и отличается повышенной прочностью и ударной
вязкостью, однако сталь 16ГС+08Х13 в изделиях склонна к трещинообразованию –
это и является ее основным недостатком.
На нескольких установках были применены
коксовые камеры изготовленные из стали 12Х18Н10Т. Наблюдения за их работой
показали, что после непродолжительного (после пуска) срока работы на некоторых
обечайках корпусов коксовых камер появились деформации в виде выпучин, которые
достигли величин 40-45мм. В связи с тем, что эти дефекты произошли в течение
всего лишь 5-ти лет эксплуатации с начала пуска, нельзя признать работу
коксовых камер из этой стали удовлетворительной. Поэтому сталь 12Х18Н10Т не рекомендуется
для изготовления коксовых камер.
Опыт эксплуатации коксовых камер из стали
09Г2С (без плакирующего слоя) на ОАО «АНХК» показывает, что данная сталь при
эксплуатации в условиях термоциклических нагрузок склонна к образованию выпучин
и трещин при следующих толщинах стенок поясов камеры:
- нижняя обечайка с 1-го по 3-й пояс (толщиной
30 мм);
- средняя обечайка с 4-го по 6-й пояс
(толщиной 26 мм);
- верхняя обечайка с 7-го по 11-й пояс (толщиной
22 мм).
Однако сталь 09Г2С по сравнению с другими
марками и классами сталей обладает рядом преимуществ:
- возможность сварки при положительных
температурах окружающего воздуха без предварительного и сопутствующего
подогрева для толщин до 30 мм, а также без послесварочной термической обработки
для этих же толщин;
- хорошая
свариваемость;
- возможность сварки различными способами
(ручная электродуговая, механизированная, автоматическая дуговая под флюсом и с
газовой защитой, электрошлаковая и т.д.);
- аппараты из стали 09Г2С имеют
сравнительно короткие сроки и сравнительно низкую стоимость изготовления по
сравнению с теплоустойчивыми марками стали;
- при эксплуатации коксовых камер возможна
замена части поясов;
- поставка аппарата на место монтажа
осуществляется частями, поэтому использование стали 09Г2С позволяет произвести
работы по монтажу в отведенные сроки и с меньшими материальными затратами.
Кроме этого, расчет на прочность основных
элементов коксовых камер и многолетний опыт технического диагностирования
коксовых камер, эксплуатируемых на установке 21-10/3М цеха 17/19 НПЗ ОАО
«АНХК», подтверждает возможность применения стали 09Г2С для изготовления
коксовых камер при соблюдении следующих требований:
1. Верхнее днище, цилиндрическую обечайку
и коническую часть корпуса необходимо изготавливать с одинаковой толщиной
стенки для увеличения ее усталостного ресурса.
2. Исполнительная толщина (включая верхнее
днище, цилиндрическую обечайку и коническую часть корпуса коксовой камеры)
должна быть не менее 30 мм.
3. При эксплуатации
не допускать превышение температуры рабочей среды выше 475 ºС.
5. Срок службы должен быть не более 10
лет.
6. Коксовые камеры должны быть оснащены
системой комплексного мониторинга за ее техническим состоянием [2, 3, 4].
В настоящее время при изготовлении коксовых
камер применяются стали с содержанием 21/4-Cr-1-Mo и других более высоколегированных сплавов, в основном
двухслойная сталь SF387Gr12C12+SA (аналог отечественная сталь 12ХМ+08Х13),
однако они находятся в эксплуатации только несколько лет и до сих пор не
испытали достаточное количество циклов для того, чтобы продемонстрировать улучшение
надежности аппарата [5, 6].
Проанализировав вышеизложенное, считаем
наиболее приемлемой для изготовления коксовых камер сталь 12ХМ+08Х13 или сталь
09Г2С (при соблюдении вышеуказанных требований).
Библиографический
список
1 Тихонов А.А., Хайрудинов И.Р., Ягудин
М.Н., Теляшев Э.Г. Состояние проблемы аппаратурного оформления установок
замедленного коксования. // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний.
2011. № 3. С. 28-31
2 Расчеты напряженно – деформированного
состояния и остаточного ресурса оборудования, том II/ Практическая диагностика (в 3 – х) томах. - г.
Иркутск, 2009 г, стр. 304-353.
3 Отчет ОАО «ИркутскНИИхиммаш». Расчеты
температурных полей, напряженного состояния, длительной статической и
циклической прочности элементов коксовой камеры на основе уточненных данных по
температурным режимам и характеристикам материала. Расчет остаточного ресурса
коксовой камеры (промежуточный). Тема 96-68. – 1997 г.- 65 с.;
4 Заключительный отчет ОАО
«ИркутскНИИхиммаш». Контроль температур и деформаций коксовых камер в процессе
эксплуатации. Анализ и обобщение
результатов контроля. Тема 96-67– 1997 г. -52 с.
5 J.W.
Thomas. Coke drum cracking Experience // http://www.cia-inspection.com.
6 Coby
W Stewart, Aaron M Stryk and Lee Presley. Coke drum design. // PTQ Q3 2006.