Нефтехимическое оборудование: выбор материалов и риски при эксплуатации. Мнение эксперта.

Какие материалы используются в энергетическом секторе производства? Как реагируют материалы в машинных аппаратах технологического процесса в трудных климатических условиях эксплуатации? Как проектировщики выбирают правильный материал, и какие существуют барьеры для защиты восприимчивости материала к тем или иным факторам? Что Вы знаете о механизме деградации материалов? Эксперт, риск-инженер AIG в России Алексей Алексеев делится своим опытом обследования предприятий нефтехимической отрасли.

В целом, в отрасли нефтехимии и нефтепереработки используется 80% материалов из углеродистых сталей – это наиболее распространенный материал, отвечающий специфическим условиям эксплуатации и с относительно низкой стоимостью. Наиболее широко используется низколегированная сталь. Также могут быть использованы неметаллические материалы, что в свою очередь позволяет сократить расходы на обслуживание и продлить срок эксплуатации оборудования, повысить надежность, целостность.

Выбор материалов зависит от технологической среды, расчетного давления и температуры, а так же влияния окружающей среды, например, землетрясения, погодных явлений, чрезмерной влажности климата, а также от коррозионного воздействия жидкостей, газов и устойчивости материала к деградации.

Деградация материалов приводит к нарушению герметичности механической целостности. Механическая целостность оборудования – это герметичность системы, целостность машин химических производств. Эффект разгерметизации приводит к взрывам, пожарам и т.д. Существуют три вида деградации материалов: низкотемпературная деградация, высокотемпературная деградация и усталость материала.

Выбор низкотемпературных материалов, неуязвимых к низким температурам, зависит от технологического обновления завода. Мы знаем, что если это сжиженный природный газ (СПГ), то все его основные параметры лежат за пределами нулевой температуры, соответственно производится расчет минимальной температуры технологического процесса для данного металла и минимальная температура давления. Превышение лимитов температуры может привести к разрушению металла. Мы здесь видим соотношение температуры и давления, если нарушить это соотношение – это приведет к ускорению деградации, деформации и разрушению материала. Если предел кривой нарушен в работе реактора, необходимо остановить этот реактор, дать ему остыть, затем сбросить давление и провести инженерную оценку, сделать полноценный анализ перед дальнейшей эксплуатацией.

Например, при температуре от 0 до -20 используется углеродистая сталь, от 0 до -50 – мелкозернистая углеродистая сталь, -50 и ниже – нержавеющая сталь, которая более устойчива к низким температурам. Цветные металлы и металлические материалы также могут оказаться под воздействием низких температур, например, уплотнение седла клапана. Сам трубопровод может быть рассчитан на одну температуру, но также надо принимать во внимание, что есть обвязка, седла, отбивка. Выбор этих материалов также должен быть рассмотрен при проектировании металлических изделий, например системных и магистральных трубопроводов.

При выборе материалов для работы с высокими температурами следует учитывать опасность высокотемпературной деградации. Существует около шести видов высокотемпературной деградации. Например, отпускная хрупкость, обусловленная наличием примесей в стали. Основными элементами, влияющими на хрупкость, являются сурьма, фосфор, мышьяк. Поверхность разрушения площади этих материалов имеет межкристаллитность. Для многих видов стали характерна хрупкость, которая часто встречается в сплавах, где присутствуют хром, молибден, при достижении 475 градусов. Она характеризуется снижением вязкости и воздействия на переход температуры от 40 до 150 градусов. Отпускная хрупкость не имеет воздействия на другие механизмы и механические свойства и никаких влияний не несет до тех пор, пока температура остается высокой. Из своего опыта я бы добавил правило: прежде чем запустить ту или иную систему сначала нужно разогреть систему, а потом увеличивать давление. Иными словами, мы подняли температуру до 150 и добавляем где-то одну треть от проектного давления. Именно этот механизм является самым сбалансированным с точки зрения деформации материалов. Отпускная хрупкость практически не наступит, если применять это правило.

Высокотемпературная атака водородом, так называемая, горячая атака водородом или обезуглероживание является проблемой, которая касается стали, работающей при повышенных температурах, обычно свыше 400 градусов. В средах водорода, допустим, на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) или других химических объектах, паровые котлы высокого давления наиболее часто подвергаются этой атаке. Ее не следует путать с водородной хрупкостью и другими формами низкотемпературного охлаждения водорода.

Третий вид деградации – это ползучесть металла за счет резкого разогрева. Температура, при которой начинается ползучесть, зависит от состава сплава. Ползучесть металла – это тенденция твердого материала медленно двигаться и деформироваться под воздействием постоянного напряжения. В основном, это усталость металла. При долгой и изнурительной эксплуатации металл начинает потихонечку уставать. Длительное напряжение является стрессом для материалов, которое при жаркой температуре приведет к разрыву материалов в определенный момент времени. Тот факт, что завод успешно эксплуатировался на протяжении 20 лет, не говорит о том, что у него все хорошо. Если процесс деформации уже в каких-то местах наступил, анализ состояния коррозии трубопровода не всегда может выявить деформацию в связи с долгой эксплуатацией. При увеличении температуры страшны моменты, когда завод вышел на свои параметры давления и температуры, и происходит резкая остановка. Тогда наблюдается максимальный эффект на металлическую целостность всей системы, который может ускорить процесс деградации. Как пример, печные трубы из-за резких перепадов температуры наиболее уязвимы к процессу деградации материалов с точки зрения ползучести.

Следующий вид деградации - охрупчивание жидким металлом. Это потеря пластичности нормальных пластических металлов в результате воздействия жидкого металла в процессе контакта. Жидкие металлы, как мы знаем, это ртуть.

Повышенная чувствительность материалов, деградация. Повышением чувствительности является потеря целостности сплава. Это происходит в результате объединения хрома в непосредственной близости к орбитам, охлажденным на границе зерен. Это приводит к тому, что сталь и сплав становятся восприимчивыми к межкристаллической коррозии и растрескиванию.

Следующий вид деградации – формирование сигма-фазы. Это обширная тема, которую можно охватить в отдельной статье. Сигма-фаза, которая существует в различных марках нержавеющей стали, является важным значением.

Повреждения металлов от струйного огня – это пожары, когда при высокой температуре металл просто плавится.

В отчетах риск-инженеров AIG по результатам предстрахового обследования объектов клиента определяются причины деградации материалов и коррозии, объясняется потенциальное воздействие коррозии на структурную целостность, выдаются рекомендации по выбору правильных материалов, чтобы они соответствовали местным эксплуатационным условиям и подходили для того или иного технологического процесса, составляется список эффективных и надежных мер по пресечению коррозии.

Понимая потенциальный риск от стихийной и хронической деформации, мы выбираем эффективные барьеры как предупредительную меру от потенциально аварийной ситуации, разрабатываем процедуры за контролем состояния механической целостности, разрабатываем технические регламенты, предписывающие не выходить за эксплуатационные лимиты, модернизируем системы автоматизации процессов и систем ПАЗ, тем самым мы понижаем риск возникновения аварийных ситуаций.

Алексей Алексеев

риск-инженер AIG в России