Тема: Исследование и разработка технологического процесса восстановления валов в условиях АО «Сызранского нефтеперерабатывающего завода»

Современные нефтеперерабатывающие предприятия, имея сложное, разнообразное и дорогостоящее оборудование, произведенное в России и за рубежом, расходуют большие средства на его ремонт и обслуживание. Дорогостоящее оборудование часто не обновляется и имеет небольшой остаточный ресурс. Для восстановления ресурса оборудования необходимо проводить ремонтные работы, связанные с заменой основных несущих узлов и деталей. Детали могут закупаться у заводов изготовителей или производиться своими силами.
На предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности требования к надёжности работы технологического оборудования возрастают постоянно, потому что от этого зависит безопасность обслуживающего персонала, а также надежность и непрерывность технологических процессов, от соблюдения параметров которых, напрямую зависит качество выпускаемой продукции. Обновление насосно-компрессорного парка и закупка нового оборудования требует больших вложений, а это повышает себестоимость выпускаемой продукции и понижает конкурентоспособность предприятия.
Несмотря на разнообразие оборудования и разнотипность деталей, конструктивно они состоят из унифицированных частей, к которым предъявляются определённые технические требования. Технологические свойства заготовок металлических деталей и эксплуатационная надёжность находятся в зависимости от структуры, химического состава, свойств металла, сформированных технологическими операциями, начиная с начала получения металла и заканчивая этапами обработки и сборки. Необходимо особо подчеркнуть, что в этой цепочке обработок, изменяющих структуру и свойства металла, термическая, химико-термическая обработка, а также другие технологии поверхностного модифицирования деталей являются основными завершающими операциями, которые формируют механические свойства, коррозионную стойкость, сопротивление износу и, как следствие, ресурс деталей в целом.
Таким образом, одним из реальных и доступных средств увеличения прибыли предприятия является применение в ремонтном производстве упрочняющих технологий, призванных повысить ресурс отдельных деталей и надежность технологического оборудования в целом. Используя индивидуальный подход не только к каждой детали, но и к каждой поверхности, можно разработать и предложить к использованию наиболее рациональный и экономически более выгодный способ восстановления.
Внедрение процесса восстановления антикоррозионной защиты позволяет рационально использовать металл и снижает расходы на его изготовление.
Мероприятия по антикоррозионной защите, в процессе ремонта валов, должны отражать требования по выбору защитных материалов, а также способы повышения сопротивления коррозии металлов. В настоящее время основными источниками коррозии металлов являются: повышенная влажность, агрессивные среды, атмосферные условия, а также результаты взаимодействия механических частей в оборудовании.
Касаясь стойкости к рабочим агрессивным средам, в качестве примера эффективных элементов покрытия можно привести хром и никель, содержание которых способствует образованию пассивных оксидных пленок, замедляющих коррозионное электрохимическое разрушение материала. Кроме того, хром является одним из элементов, повышающих стойкость стальных покрытий к высокотемпературной коррозии. Для защиты черных металлов (стальных изделий) желательно выбирать такой материал покрытия, который по отношению к подложке служит катодом. Цинк является типичным катодным покрытием при нанесении на сталь. Алюминий по отношению к стали может быть, как анодом, так и катодом в зависимости от состава агрессивной среды.
Наиболее распространенная электрохимическая коррозия характеризуется постоянной величиной в единицу времени, поэтому срок службы покрытия во многом определяется его толщиной. Этот показатель выбирают из условий получения надежной защиты поверхности металла, минимальной стоимости покрытия и обеспечения предусмотренных режимов работы машин. Увеличение толщины покрытий сверх определенной величины практически не повышает защитных свойств, снижает прочность сцепления покрытий с основным металлом, затрудняет сочленение кинематических пар и повышает стоимость защиты. Поэтому толщину покрытий оговаривают в технической документации на изделие, государственных стандартах и нор­малях для типовых изделий.
Равномерность покрытия на поверхности изделия также является важным фактором работоспособности нанесенного материала, так как процесс коррозионного разрушения обычно начинается на участках поверхности с более тонким нанесенным слоем. Вопрос равномерности особенно актуален при газотермическом напылении покрытий, характеризующихся по сравнению с наплавкой повышенной пористостью, что облегчает пере­мещение агентов коррозии в глубь покрытия и к основному металлу с активизацией коррозионного разрушения [3].
В настоящее время выделяют основные направления для исключения и предотвращения образования коррозии деталей насосного оборудования:
• Легирование металла, путем ввода легирующих элементов, либо замена его на более коррозионностойкие материалы. Достоинствами данного способа являются увеличение износостойкости и достаточное повышение коррозионных свойств в разных средах эксплуатации и атмосферных условий.
• Защитные покрытия (металлические и неметаллические) органического или неорганического происхождения. Данный способ получил самое широкое распространение по причине своей многофункциональности. Основа данного способа заключается в создании ограждения между основным материалом (подложкой) и коррозионной средой, путем нанесения защитных покрытий.
• Введение ингибиторов (веществ, замедляющих скорость реакции). Происходит за счет введения компонентов в коррозионную среду, которые в свою очередь уменьшают скорость коррозии. К недостаткам данного метода можно отнести ограниченное применение при сравнительно малых объемах коррозии.
• Гальваническая защита. Данный способ используют для наделения металлов защитными функциями в широких условиях эксплуатации, а также при небольших износах производят восстановление поверхностей деталей. При данном способе затрудняется определение механических свойств покрытия по причине расположения основы непосредственно под покрытием. Физические и механические свойства осаждаемого и основного металла значительно отличаются между собой.
В настоящей работе рассматриваются способы по увеличению ресурса ответственных деталей насосно-компрессорного оборудования. Внедрение предложений в производство позволит повысить надёжность работы насосно-компрессорного оборудования и снизить затраты на ремонт и закупку новых деталей.
В связи с большой конкуренцией на рынке, вопрос оптимизации расходов на обслуживание и ремонт крайне актуален для всех. Рыночная экономика диктует необходимость снижения себестоимости выпускаемой предприятием продукции, в том числе, за счёт снижения продолжительности ремонта оборудования и увеличения межремонтного пробега. Необходимость увеличения периода безостановочной работы технологических установок и, как следствие, повышение надёжности оборудования вступает в прямое противоречие с наметившейся тенденцией к снижению качества поставляемых материалов и оборудования. Вместе с тем, с развитием новых ремонтных технологий появилась возможность увеличивать надёжность и ресурс оборудования, повышать устойчивость работы машин, сокращать время ремонта и повышать его качество.
На « Сызранском НПЗ» эксплуатируется около 850 технологических насосов и 100 компрессоров. Их наиболее нагруженные детали: валы и штоки, различных габаритных размеров и конструкций, имеют высокую стоимость и их замена увеличивает затраты на ремонт. Необходимо проанализировать эту проблему, найти пути увеличения ресурса деталей, и по возможности уменьшить производственные затраты.
Газотермическое напыление применяется для защиты поверхностей валов и штоков, подверженных коррозии и износу. Это, в основном, участки под резиновыми уплотнительными кольцами, а также защитные гильзы насосов, опорные, межколёсные и торцевые втулки длинномерных валов. В качестве наносимого материала при напылении используются различные порошки и проволоки.
До применения этих методов детали изготавливались и устанавливались на оборудование неупрочнёнными, или закупались у производителей насосно- компрессорного оборудования. При использовании покупных и неупрочнённых деталей, ресурс валов и штоков составлял от 1 до 2 лет. Основным материалом валов насосно-компрессорного оборудования, используемых на АО « Сызранский НПЗ», является конструкционная легированная сталь 40Х, которая не имеет достаточную прочность и коррозионную стойкость. Поэтому основной проблемой является формирование антикоррозионной и износостойкой защиты поверхности изделия.
Учитывая, что основные, рассмотренные выше металлические и неметаллические покрытия, обладают рядом недостатков, а именно:
— металлические:
• способ горячего нанесения - неравномерность толщины покрытия, отсутствие возможности нанесения покрытий на крупногабаритные изделия, ввиду отсутствия соответствующих по размеру ванн, применение только в пищевой, медицинской или химической промышленности;
• диффузионные покрытия - высокий уровень загрязнений в материале покрытий; объем камеры ограничивает размеры изделия; высокая дороговизна процесса;
• плакировочные покрытия - дороговизна, быстрая коррозия в зоне сварных швов, ограниченность применения, используется при изготовлении и ремонте элементов деталей, подверженных воздействию только агрессивных сред ( грязи, шлаков, пара);
• гальванические покрытия - невысокая износостойкость и долговечность, высокая вероятность возникновения наводораживания основного материала, что приводит к снижению механических свойств изделий, длительность изготовления, воздействие вредных химических факторов, ограниченность размеров обрабатываемых изделий;
• металлизационные покрытия - высокая пористость, значительные потери металла при распылении, трудоемкость подготовительных операций, возможность окисления напыляемых металлов;
— неметаллические - низкая термостойкость, низкая механическая прочность, недостаточная влагостойкость, невысокая износостойкость, хрупкость [15, 16], то необходимо, для придания важнейших коррозионностойких свойств металлу применять металлизационные покрытия, которые не смотря на незначительные недостатки, отличаются качеством и характеризуются:
• долговечностью,
• высокой антикоррозионной стойкостью,
• адгезионной прочностью,
• возможностью применения и выдержки при разных внешних температурах,
• возможностью применения для защиты крупногабаритных и имеющих большую площадь поверхностей, находящихся в собранном виде. [16].
Металлизационные покрытия можно изготавливать следующими способами:
— плазменным напылением, газопламенным напылением. Основные особенности:
• в качестве материалов используют порошки, проволоки и прутки;
• характерна высокая скорость и равномерность плазменной струи ( при плазменном напылении);
• при плазменном напылении применяется в основном инертный газ аргон, а при газопламенном горючие газы, в основном - ацетилен;
• материал ( порошки, проволоки, прутки) вводится в плазменную струю плазмотрона или пламя газовой горелки, в которых он расплавляется, напыляется и наносится на поверхность металла.
Недостатки:
• риск свертывания напыленного покрытия из- за разности температур плазменной струи и поверхности детали ( при плазменном напылении);
• процесс трудноконтролируемый и напыление ведется вручную, что требует высокой квалификации металлизатора и его визуального контроля (при газопламенном напылении);
• высокая трудоемкость;
• дороговизна порошковых материалов;
• из- за неравномерности нагрева не применяется для напыления крупногабаритных деталей.
— Активированной дуговой металлизацией. Основные особенности:
• простота в обслуживании, универсальность: можно использовать сварочные и наплавочные проволоки;
• электрическая дуга создается при соприкосновении двух изолированных, находящихся под напряжением проволок;
• покрытия наносятся на детали любой формы и габаритов;
• высокая производительность.
Недостатки:
• выгорание легирующих элементов (применение для напыления проволок с избытком легирующих элементов, например проволока нихром НП Х20Н80, Св-20Х13, компенсирует их потери при выгорании). [17].
В качестве напыления способом активированной дуговой металлизацией предлагается применить: для подслоя сварочную проволоку нихром НП Х20Н80 ГОСТ 10543-98 0 1,6 мм; для основного коррозионного слоя сварочную проволоку Св-20Х13 ГОСТ 2246-70 0 1,6 мм.
В качестве напыления способом газопламенного напыления предлагается применить самофлюсующийся порошок марки Metco 18C.
В качестве напыления способом плазменным способом предлагается применить: для подслоя порошок марки Ni80Cr20 (нихром), для основного защитного слоя порошок марки Al2O3+ TiO2.
На основании вышеуказанной проблемы целью работы является повышение срока эксплуатации валов оборудования АО «Сызранского нефтеперерабатывающего завода» за счет проведения исследований и разработки технологического процесса их восстановления.
Купить

Проведя полный цикл исследований по определению возможности применения способов газотермического нанесения покрытий в качестве антикоррозионных установили, что применение напыленных, методом активированной дуговой металлизации, покрытий валов из стали 40Х показали наилучшие технико-экономические результаты по сравнению с методом плазменного и газопламенного напыления. В результате применения метода активированной дуговой металлизации была достигнута адгезионная прочность сцепления покрытия 36 МПа, что значительно превышает показатели плазменного и газопламенного напыления. По сравнению с другими методами у активированной дуговой металлизации наивысшая производительность процесса (10-25 кг/ч), наименьшие затраты на реализацию получения покрытий, а также возможность нанесения покрытий толщиной до 15 мм.
Установлено, что механические и эксплуатационные свойства конструкционной легированной стали 40Х, являющейся основным металлом изделия валов насосного оборудования, не способны в полной мере противостоять влиянию коррозионной среды и поэтому крайне важно обеспечивать антикоррозионную защиту поверхности.
В ходе исследований применялись экспериментальные образцы в виде пластин, размерами 100x100x14 мм и цилиндры диаметром 25x25 мм, высотой 16 мм. Образцы были изготовлены из материала аналогичному изделию вала.
В качестве напыления способом активированной дуговой металлизации использовалась для подслоя сварочная проволока нихром НП Х20Н80 ГОСТ 10543-98 Ѳ 1,6 мм; для основного коррозионного слоя сварочную проволоку Св-20Х13 ГОСТ 2246-70 Ѳ 1,6 мм. В качестве напыления способом газопламенного напыления использовался самофлюсующийся порошок марки Metco 18C. В качестве напыления плазменным способом использовалось для подслоя порошок марки Ni80Cr20 (нихром), для основного защитного слоя порошок марки Al2O3+TiO2.
В процессе исследований были определены и опробованы режимы и техника нанесения покрытий активированной дуговой металлизации валов при помощи установки АДМ-10, газопламенного напыления с помощью установки Castodyn DS 8000, плазменного напыления с помощью установки УПУ-8М. Исследования проводились для различного количества проходов и диапазона толщин (слоев) покрытия.
Исследовано и установлено путем внешнего контроля и измерениями, что покрытия формируются стабильно, равномерно, без видимых дефектов, а также без отклонений от геометрических параметров вне зависимости от количества проходов и толщины слоев покрытия, путем выбора соответствующих режимов и техники напыления.
Результат исследования химического состава покрытий показал, что они являются однородными. Однородность говорит практически о полном отсутствии посторонних примесей в сплаве, способных нарушить целостность структуры покрытия.
Исследование твердости покрытий по методу Виккерса установило зависимость микротвердости покрытий от режимов и техники напыления, а рассчитанные значения показали, что твердость покрытий соответствует значениям, установленным требованиями нормативно-технической документации и достигает величины в 548 HV 0,2.
Установлено, что пористость покрытий бывает открытой и сквозной. В ходе исследований было установлено, что толщина покрытий влияет на показатель пористости. Испытания и арифметические расчеты открытой и сквозной пористости показали, что показатель пористости не превышает 20%, что соответствует требованиям нормативно-технической документации.
Помимо пористости были проведены исследования покрытий на наличие адгезионной прочности (сцепления). Данное свойство проверялось путем нанесения сетки царапин на поверхность напыленных образцов и испытанием склеенных цилиндров эпоксидным клеем. При нанесении сетки царапин отслоений элементов покрытий не произошло, а при разрыве склеенных образцов, рассчитанный параметр прочности сцепления, показал значения не меньше 30 МПа только для двух методов напыления - плазменное и активированная дуговая металлизация.
Таким образом, цель данной работы - повышение коррозионной стойкости валов из стали 40Х, в процессе эксплуатации, за счёт нанесения защитных покрытий и разработка технологического процесса нанесения покрытий была достигнута в полном объеме.
Купить