Результат интеллектуальной деятельности: Способ защиты технологического оборудования нефтехимического производства

Способ защиты технологического оборудования нефтехимического производства

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области химического, нефтехимического, нефтеперерабатывающего машиностроения и может быть использовано для защиты основного и вспомогательного оборудования указанных производств от воздействия агрессивных коррозионно-активных сред, а также сред, в составе которых могут дополнительно присутствовать абразивные частицы, ржавчина, твердые побочные продукты производств, либо дополнительные гидродинамические явления в виде кавитации, гидроударов.

Уровень техники

Из уровня техники широко известны способы нанесения различного рода порошков в один или несколько слоев методами газотермического напыления (см. например, [1] US 6503290, МПК B22F 1/00, С22С 1/04, опубл. 07.01.2003; [2] US 6749894, МПК С23С 26/00, опубл. 15.06.2004).

Недостатками аналога [1] является ограниченная применимость в условиях воздействия коррозионно-активных сред, что обусловлено высокой твердостью материала покрытия (низкая пластичность), что при эксплуатации (перепады температур, перепады внутреннего давления среды) будет способствовать растрескиванию материала с последующим отслоением от основы.

Недостатками аналога [2] является ограниченность применения (преимущественно титановые сплавы), а также высокая стоимость исходного материала в качестве базовой основы (никель и кобальт) под последующий наполнитель в виде керамики. Для придания защиты от высокотемпературной коррозии (преимущественно газовой) состав базовой основы также легируется дорогостоящими легирующими элементами, что в конечном итоге дополнительно сказывается на стоимости конечного решения.

Раскрытие изобретения

Задача изобретений является повышение ресурса внутренних поверхностей (объемов) технологического оборудования, подвергаемого коррозионно-абразивному износу под действием агрессивной среды в процессе эксплуатации (коррозионно-активные компоненты: хлориды, сероводород, меркаптаны, продукты побочных реакций и др.; а также твердые абразивные примеси: ржавчина, частицы катализаторного комплекса, частицы отложений на внутренних стенках).

Технический результат изобретения заключается в повышении энергоэффективности технологических процессов производств по добыче и переработке нефти и газа, химии и нефтехимии, а более конкретно в повышении защиты металлоемкого оборудования (реакторы, колонны); в повышении адгезии с материалом основы; в повышении коррозионно-механических свойств: износостойкость, абразивная стойкость, коррозионная стойкость, надежность - по сравнению с базовым материалом основы; в сокращении издержек предприятий на содержание и обслуживание крупногабаритного оборудования (реакторы, колонны и др.), участвующего в добыче и переработке сырья (нефти и ее производных).

Технический результат достигается за счет заявленного способа формирования на поверхности детали нефтехимического оборудования покрытия методом высокоскоростного газопламенного напыления, включающего:

- активацию поверхности детали механическим воздействием ускоренных абразивных частиц в процессе абразивно-струйной обработки;

- выбор оптимального режима напыления материала покрытия, который осуществляют по структурному фактору покрытия, обеспечивающему его пористость не более 1% и газопроницаемость до 8-10 атмосфер в атмосфере гелия;

- подачу наносимого материала покрытия в горелку, закрепленную на манипуляторе, вращающемся на 360 градусов;

- формирование однослойного функционального покрытия толщиной 410±10 мкм напылением покрытия при движении горелки;

- управление режимом напыления при помощи контрольно-измерительного оборудования, поддерживающего давление в камере сгорания горелки не менее 3 МПа и степень избытка окислителя 0,6-1.

Технический результат также достигается за счет способа формирования на поверхности детали нефтехимического оборудования покрытия методом высокоскоростного газопламенного напыления, включающий:

- активацию поверхности детали механическим воздействием ускоренных абразивных частиц в процессе абразивно-струйной обработки;

- выбор оптимального режима напыления материала покрытия, который осуществляют по структурному фактору покрытия, обеспечивающему его пористость не более 1% и газопроницаемость до 8-10 атмосфер в атмосфере гелия;

- подачу наносимого материала покрытия в горелку, закрепленную на манипуляторе, вращающемся на 360 градусов;

- формирование гетерогенного многослойного функционального покрытия толщиной 410±10 мкм путем послойного нанесения покрытия при движении горелки, при этом толщина функционального слоя, обеспечивающего повышение адгезии с материалом основы, составляет не более 200 мкм;

- управление режимом напыления при помощи контрольно-измерительного оборудования, поддерживающего давление в камере сгорания горелки не менее 3 МПа и степень избытка окислителя 0,6-1.

Наносимым слоем материала покрытия являются железная (Fe) или никелевая (Ni) основа легированная хромом (Cr), никелем (Ni), железом (Fe), кобальтом (Со), углеродом (С), марганцем (Mn), молибденом (Мо), вольфрамом (W), бором (В), кремнием (Si), ниобием (Nb), титаном (Ti).

В качестве материала функционального слоя многослойного функционального покрытия используют материал с химическим составом, обеспечивающим эквивалент хрома Cr_экв не менее 19, PREN в пределах 20-65, эквивалент углерода С_экв не более 0,05%.

Осуществление изобретения

Под основным технологическим оборудованием следует понимать оборудование, задействованное непосредственно в процессе производства или переработки сырья (нефти, газа или химии). Сюда входят реакторы, колонны, сепараторы, теплообменники, то есть то оборудование, которое непосредственно взаимодействует (соприкасается) со средой. Под вспомогательным оборудованием следует понимать оборудование, задействованное в подготовительных и транспортных операциях с сырьем, например насосное оборудование, сырьевые емкости, трубы.

Поскольку результат направлен на защиту металлоемкого оборудования, то наиболее агрессивная среда находится внутри аппаратов, снаружи действуют лишь внешние факторы (атмосферная коррозия от газов, примесей, осадки и т.д.).

На внутреннюю поверхность технологического оборудования методами газотермического напыления наносится функциональное покрытие. Функционал, это тот набор свойств, которые может обеспечить покрытие, например, оно может быть только коррозионно-стойким и плохо работать при влиянии абразива; либо оно может быть и коррозионно-стойким и износостойким и стойким к кавитации и т.д. Поскольку среда в колонном оборудовании в разных частях в различном агрегатном состоянии, например, внизу колонны - жидкая фаза; верху - газообразная, то в разных зонах могут реализовываться разные процессы по своей природе (кавитация, коррозия общая или локальная и т.д.). Следовательно, состав и функциональные свойства покрытия (коррозионная стойкость, износостойкость, кавитационная стойкость и др.) варьируются в зависимости от рабочих условий технологического оборудования, агрессивности протекающих коррозионно-механических процессов, их локализации, типа применяемой технологии газотермического напыления.

В качестве базового материала рассматриваются никель и железо, которые в последующем легируются такими элементами как Cr, Ni, С, Mn, Mo, W, В, Si, Nb, Ti, чтобы обеспечить высокую стойкость к локальным типам коррозии в виде питтингов и язв, структурную стабильной для температурного диапазона работы технологического оборудования, а также скорость общей коррозии не более 0,1 мм/год. Легирующие элементы как Ni, Mn, С, Cr, позволяют значительно повысить коррозионную стойкость материала. Модифицирование бором, кремнием в совокупности с углеродом, молибденом улучшает высокотемпературную структурную стабильность материала, способствует формированию мелкодисперсных карбидных и других упрочняющих фаз, что также предает материалу износо- и абразивную стойкость. Увеличение содержания углерода ограничивается в виду того, при его значительном количестве происходит выделение устойчивых карбидов по границам зерен с основными легирующими элементами Cr, Mo, Si, В и тем самым снижаются упругопластические и коррозионные свойства твердого раствора из-за обеднения.

Для технологического оборудования, подвергаемого значительной коррозии внутренних поверхностей (скорость коррозии выше проектной) нанесение покрытия осуществляется с применением мобильного комплекса высокоскоростного газопламенного напыления, которое позволяет осуществлять процесс нанесения покрытия как в полевых условиях (например, на территории заказчика), так и в условиях цеха (производства).

Высокоскоростное газопламенное нанесение обеспечивает формирование плотного сплошного коррозионно-стойкого покрытия (без сквозной пористости). При этом для обеспечения качества покрытия напыление может осуществляться в автоматическом режиме с применением промышленного манипулятора оригинальной конструкции. Конструкция манипулятора зависит от исполнения (оборудование горизонтального или вертикального типа по расположению в пространстве) технологического оборудования и его геометрических размеров внутреннего пространства. Оригинальность конструкции манипулятора заключается в возможности нанесения покрытия без остановки по заданной траектории движения горелки и вращения на 360 градусов, что не требует промежуточных остановок при нанесении покрытия с целью перемещения манипулятора от обработанного участка с покрытием к участку, требующему обработки (напыления). Применение автоматизированного процесса нанесения позволяет обеспечить повторяемость свойств покрытия и толщин слоев в различных участках наносимого покрытия, что в целом сказывается на эксплуатационной надежности покрытия.

Для остального технологического оборудования, когда скорость коррозии на уровне проектной, конфигурация оборудования не позволяет применение автоматизированных манипуляторов (наличие опорных балок или элементов конструкции, мешающих процессу нанесения, что требует частых остановок (перестановок манипулятора)) нанесения покрытия может осуществляться с применением ручных высокопроизводительных горелок для газотермического напыления. При этом качество покрытия обеспечивается за счет применения контрольно-измерительных средств на различных этапах процесса (управляемые газовые расходомеры для стабильной подачи топлива и окислителя и обеспечения требуемого типа пламени, сжатого воздуха, управляемого устройства подачи наносимого материала, лазерного дальномера и других контрольно-измерительных устройств).

Автоматизированный комплекс позволяет обеспечить стабильность процесса нанесения покрытий (равномерность толщины покрытия, плотность покрытия, и др.), это, соответственно, сказывается на эксплуатационной стойкости материала покрытия (в том числе коррозионной стойкости).

Применение ручных горелок необходимо в том случае, где нет возможности использования автоматизированных комплексов с манипуляторами. При этом на условия формирования покрытия и его свойства будет сказываться ручной труд, поэтому для применения этого метода необходимо применение контрольно-измерительных средств. Без наличия контрольно-измерительных средств нет возможности обеспечить стабильность задаваемых параметров работы оборудования.

Формирование плотного покрытия (без сквозной пористости), с повышенной коррозионной и абразивной стойкостью, обеспечивается за счет метода высокоскоростного газопламенного напыления. Наносимый материал покрытия подается в горелку, закрепленную на манипуляторе. Послойное наращивание покрытия до требуемой толщины производится в процессе движения горелки, закрепленной на манипуляторе, вращающемся на 360 градусов. При этом варьирование составом исходного материала позволяет уменьшить скорость коррозионно-механического изнашивания технологического оборудования в зависимости от его функционального назначения и коррозионной активности среды. Для сред, способствующих активному развитию питтингов и язв в составе материала, обеспечивается повышенное значение Мо, при этом PREN (эквивалентное число сопротивления к питтинговой коррозии) должен находится в пределах 20-65.

Послойное нанесение покрытия позволяет формировать как однослойное функциональное покрытие, толщиной 410±10 мкм (преимущественно коррозионно-стойкое), так и гетерогенное многослойное функциональное покрытие, также толщиной 410±10 мкм, где каждый слой выполняет самостоятельную функцию (адгезионная составляющая + коррозионная стойкость или адгезионная составляющая + коррозионная и абразивная стойкость), при этом толщина функционального слоя, обеспечивающего повышение адгезии с материалом основы, составляет не более 200 мкм. Материал покрытия имеет железную (Fe) или никелевую (Ni) основу легированную хромом (Cr), никелем (Ni), железом (Fe), кобальтом (Со), углеродом (С), марганцем (Mn), молибденом (Мо), вольфрамом (W), бором (В), кремнием (Si), ниобием (Nb), титаном (Ti). Функциональным слоем многослойного функционального покрытия является материал с химическим составом, обеспечивающим стойкость к локальным и общим процессам коррозии (эквивалент хрома Cr_экв не менее 19, PREN в пределах 20-65, эквивалент углерода С_экв не более 0,05%).

Непосредственно выбор оптимального режима нанесения (давление в камере сгорания горелки не менее 3 МПа; степень избытка окислителя 0,6-1; газонепроницаемость до 8-10 атмосфер при проверке гелием, видимая пористость не более 1%) выбранного материала покрытия на оборудование осуществляется по структурному критерию и газопроницаемости. Оптимальный режим - это комплексный параметр, и для каждого материала он может быть свой. Причем для одних рабочих условий эксплуатации колонного оборудования (среда, температура, давление) это один тип режима, для других - другой.

Структурный критерий обеспечивает минимизацию содержания дефектов в покрытии (поры, трещины), а также количество окислов. Как известно, наличие окислов в структуре покрытия приводит к существенному повышению электрохимической гетерогенности материала покрытия, что отрицательно сказывается на ее коррозионной стойкости.

После структурной оптимизация производится проверка на газопроницаемость (либо оптимизация по показателю газопроницаемости с корректировкой режимов напыления, при условии обеспечения того же уровня окислов, и структурных дефектов подобранных при структурной оптимизации). Проверка на газопроницаемость осуществляется с применением инертного газа - гелия, который подается под давлением. Давление гелия при испытании выбирается исходя из рабочих условий эксплуатации технологического оборудования (рабочего давления технологического оборудования) и последующей прибавкой запаса в 2-3 атмосферы. Для особо ответственного технологического оборудования давление при испытании достигает 8-10 атмосфер гелия. Рабочие условия эксплуатации оборудования включают воздействие температуры от 60 и более градусов, давления (измерение в МПа) от ниже атмосферного и более, а также среду (газовую, жидкую или смешанную). Для каждого технологического оборудования рабочие условия могут быть своими (давление, температура, среда), варьируются в определенных пределах (проектных), при которых обеспечивается оптимальное протекание химических, физико-механических реакций, обеспечивающих выпуск конечного продукта (полупродукта).

Обеспечение высокой адгезии к материалу основы технологического оборудования осуществляется за счет оптимального варьирования параметрами сгорания топливной смеси (давление в камере сгорания горелки не менее 3 МПа, степень избытка окислителя 0,6-1), подаваемой в горелку, качеством подготовки поверхности оборудованием перед нанесением покрытия, а также конструкции высокоскоростной горелки, которая позволяет управлять скоростью и температурой частиц.

Для технологического оборудования, где имеется возможность применения исключительно ручных высокопроизводительных горелок для газотермического напыления покрытий, подбор и оптимизация режимов также осуществляются по структурному критерию и газопроницаемости. При этом качество покрытия обеспечивается за счет применения контрольно-измерительных средств на различных этапах процесса (управляемые газовые расходомеры для стабильной подачи топлива и окислителя и обеспечения требуемого типа пламени, сжатого воздуха, управляемого устройства подачи наносимого материала, лазерного дальномера и других контрольно-измерительных устройств).

Таким образом, решением обеспечивается повышение ресурса внутренних поверхностей (объемов) технологического оборудования, подвергаемого коррозионно-абразивному износу под действием агрессивной среды в процессе эксплуатации.

Повышение ресурса внутренних поверхностей вертикального цилиндрического технологического оборудования, подвергаемого коррозионно-абразивному износу под действием агрессивной среды в процессе эксплуатации (коррозионно-активные компоненты: хлориды, сероводород, меркаптаны, продукты побочных реакций и др.; а также твердые абразивные примеси: ржавчина, частицы катализаторного комплекса, частицы отложений на внутренних стенках) достигается за счет применения технологии высокоскоростного газопламенного напыления материала покрытия с химическим составом, обеспечивающим стойкость к локальным и общим процессам коррозии (эквивалент хрома Cr_экв не менее 19, PREN в пределах 20-65, эквивалент углерода С_экв не более 0,05). При этом подбор материала покрытия осуществляется за счет предварительного анализа рабочих условий технологического оборудования, а также агрессивности протекающих коррозионных процессов (коррозионно-механического изнашивания) в процессе эксплуатации.