（化工过程机械专业论文）基于有限元的乙烯裂解炉管和管系的应力分析.pdf

硕士学位论文 摘要 乙烯是石油化工中最重要的基础原料之一，随着乙烯装置规模的不断扩大，乙 烯装置中的关键设备裂解炉的规模也相应扩大，裂解炉大型化成为乙烯工业发 展的必然趋势。这些大型化的裂解炉能在较短的停留时间内使裂解原料升到很高的 温度，从而提高其裂解深度，这就要求裂解炉的关键部件裂解炉管具有很好的 耐高温和抗渗碳性能。 对裂解炉炉炉管失效形式的调查统计指出，炉管渗碳以及在开停车过程中的热 疲劳、热冲击是造成炉管及弯头失效的主要原因。本文采用有限元数值模拟方法， 针对裂解炉炉管在升温过程中的应力和变形的分布开展研究，主要工作内容及得出 的结论如下： ( 1 ) 利用有限元软件a b a q u s ，通过对乙烯裂解炉辐射段炉管的基本组成单 元“四进一出”炉管进行热应力分析，综合考虑炉管的约束、自重和不同的变 形调节方式，得到了裂解炉辐射段基本组成单元分别在理想和极限调节状态下的应 力和位移分布。同时还考察了炉管自重以及炉管底部导向杆处的摩擦阻力对炉管单 元的应力和位移的影响，结果表明，炉管自重和导向杆的摩擦阻力对炉管应力和位 移的影响相对于热应力来说可忽略不计。 ( 2 ) 基于对“四进一出 炉管单元的分析结果，综合考虑弹簧吊架和导向杆 的调节作用，得出乙烯裂解炉辐射段管系的应力和位移分布。在完全自由调节状态 下，炉管管系的热膨胀变形在炉管设计允许范围内；但是随着炉管在高温下的长期 服役所造成的不可恢复的变形逐渐累积，使得弹簧吊架和导向杆的调节空间将逐渐 减小。 ( 3 ) 本文分别研究了当弹簧吊架和导向杆的调节功能受到不同限制时，管系 应力和变形的分布情况。研究发现，当弹簧吊架到达调节极限时，入口管顶部弯头 处将出现极大应力；而当导向杆发生卡死时，将在管系底部五通处出现极大应力， 并导致弹簧吊架大幅上移，甚至超出调节范围。当弹簧吊架和导向杆失去调节作用 时，炉管在升温过程中将出现极大的应力，极有可能导致炉管在开车过程中发生断 摘要 裂，因此需要对弹簧吊架和导向杆的调节空间做密切的关注，及时采取措施避免此 种危险状态的出现。 ( 4 ) 乙烯裂解炉的运行过程中不可避免的会发生渗碳，渗碳会改变炉管材料 的热力性能。不同服役时间的渗碳炉管，其材料的性能也不相同。本文分析了渗碳 炉管在开车升温过程中的应力分布情况。计算结果表明，开车会造成炉管内产生较 大的热应力，周向热应力又导致了炉管易发生纵向开裂。研究结果表明，单纯就某 一个开车过程来说，改变炉管的升温速率对炉管的热应力分布几乎没有影响。 关键词：乙烯裂解炉辐射段炉管有限元方法弹簧吊架渗碳应力分析 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t e t h y l e n ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr a wm a t e r i a l si np e t r o c h e m i c a li n d u s t r y a s t h es c a l eo fe t h y l e n ep l a n ti se x p a n d i n g ，t h es c a l eo fp y r o l y s i sf u r n a c ew h i c hi st h ek e y e q u i p m e n te x p a n d e dc o r r e s p o n d i n g l y , a n dt h el a r g e s c a l ep y r o l y s i sf u r n a c eh a sb e c o m e a ni n e v i t a b l et r e n do ft h ed e v e l o p m e n to fe t h y l e n ei n d u s t r y t h el a r g e s c a l ep y r o l y s i s f u r n a c ec a nh e a tt h er a wm a t e r i a l st oah i g ht e m p e r a t u r ei nar e l a t i v e l ys h o r ts t a yt i m e a n de n h a n c et h ed e p t ho fd e c o m p o s i t i o n ，w h i c hr e q u i r e dt h ep y r o l y s i st u b e s ，t h ek e y c o m p o n e n t so fp y r o l y s i sf u r n a c e ，h a sg o o dc a p a b i l i t i e so fh i g ht e m p e r a t u r er e s i s t a n c e a n da n t i c a r b u r i z a t i o n r e s u l t so ft h ei n v e s t i g a t i o na n ds t a t i s t i c so nt h ef a i l u r e 唧l e so fc r a c k e dp y r o l y s i s t u b e ss h o w st h a tc a r b u r i z a t i o n ，t h e r m a lf a t i g u ea n dt h e r m a ls h o c kd u r i n g s t a r t u p o p e r a t i o na r et h em a i nr e a s o n sw h i c hc a u s e dt h ef a i l u r e so ft u b e sa n de l b o w so fp y r o l y s i s f u r n a c e i nt h i st h e s i s ，f m i t ee l e m e n tm e t h o dw a su s e dt or e s e a r c ht h es t r e s sa n d d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no fp y r o l y s i st u b e sd u r i n gt h ep e d o do ft e m p e r a t u r er i s i n g m a j o rr e s e a r c hw o r ka n dc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h e r m a ls t r e s so ft h eb a s i cu n i to fe t h y l e n ep y r o l y s i sf u r n a c et u b e sw e r e a n a l y z e d 谢t l lf i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma b a q u s ，c o n s i d e r i n gt h es e l f - w e i g h to ft u b e s ， c o n s t r a i n ta n dd i f f e r e n tr e g u l a t i o ns t y l e s t h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no ft h e b a s i cu n i tp y r o l y s i st u b e sw e r eo b t a i n e dw h e nt h et u b e sw e r er e g u l a t i n gi d e a l l ya n di na l i m i t e ds i t u a t i o n ，t h ee f f e c t so ft h es e l f - w e i g h to ft u b ea n dt h ef r i c t i o n a lr e s i s t a n c e e x i s t e da tt h eg u i d i n gb a ro nt h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o nw a sa l s od i s c u s s e d i nt h i sp a p e ra n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c t sc a nb ei g n o r e dc o m p a r e dt ot h e r m a l s t r e s s ( 2 ) b a s e do nt h ea n a l y z i n gr e s u l t so ft h eb a s i cu n i to fe t h y l e n ep y r o l y s i st u b e sa n d c o n s i d e r i n gt h er e g u l a t i n ge f f e c to ft h es p r i n gh a n g e ra n dg u i d i n gb a r , t h es t r e s sa n d d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o n so ft h ew h o l ee t h y l e n ep y r o l y s i st u b es y s t e mw e r eo b t a i n e d i i i a b a s t r a c t t h er e s e a r c h i n gr e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h et u b e sc a nb er e g u l a t e dw i t h o u ta n yl i m i t s , t h e d e f o r m a t i o no ft u b es y s t e md u et ot h e r m a le x p a n s i o ni si na na c c e p t e dr a n g eo fd e s i g n a st h ei r r e v e r s i b l ed e f o r m a t i o no ft h et u b es y s t e ma c c u m u l a t i n gw i t ht h es e r v i c el i f eo f t h et u b e su n d e rh i g ht e m p e r a t u r e ，t h er e g u l a t i n gc a p a b i l i t yo fs p r i n gh a n g e ra n dg u i d i n g b a rw i l ld e c r e a s e s ( 3 ) t h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no ft u b es y s t e mw a ss t u d i e dr e s p e c t i v e l y w h e nr e g u l a t i n gc a p a b i l i t yo fs p r i n gh a n g e ra n dg u i d i n gb a ri sl i m i t e di nd i f f e r e n tr a n g e r e s u l t ss h o wt h a t ，w h e nt h er e g u l a t i n gc a p a b i l i t yo fs p r i n gh a n g e ri s l i m i t e d ，t h e m a x i m u ms t r e s sw i l la p p e a ra tt h ei n l e tt u b ee l b o w s 、析mal a r g ev a l u e t h em a x i m u m s t r e s sw i l lo c c u ra tt h ef i v e w a yw h e nt h eg u i d i n gb a ri sd e a d l o c k i n g ，w h i c ha l s oc a n c a u s et h es p r i n gh a n g e rt om o v eu pt ot h el i m i to fi t sr e g u l a t i n gc a p a b i l i t y t h er e s u l t s s h o wt h a t ，l a r g es t r e s so c c u ri nt h et u b e sw h e nt h er e g u l a t i n gc a p a b i l i t yo fs p r i n gh a n g e r o rg u i d i n gb a ra r el i m i t e d ，w h i c hw i l lc a u s et h ef r a c t u r eo ft h et u b e sd u r i n gt h ep e r i o do f s t a r t u po p e r a t i o n t h e r e f o r e ，m o r ea t t e n t i o ns h o u l db ep a i do nt h er e g u l a t i n gr a n g eo f s p r i n gh a n g e ra n dg u i d i n gb a r , a n dm e a s u r e ss h o u l db et a k e ni nt i m et oa v o i dt h e d a n g e r o u ss i t u a t i o n ( 4 ) c a r b u f i z a t i o nd a m a g e sc a u s e db yh i g ht e m p e r a t u r ea r ei n e v i t a b l yi ne t h y l e n e p y r o l y s i st u b e s ，w h i c hw o u l dc h a n g et h em a t e r i a lp e r f o r m a n c eo fp y r o l y s i st u b e s t h e p r o p e r t i e so fc a r b u r i z e df u r n a c et u b ea r ev a r i e d 谢t l lt h es e r v i c et i m e t h es t r e s sa n d d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no fc a r b u r i z e dt u b ei nt h ep e r i o do ft e m p e r a t u r er i s i n gw a s a n a l y z e di nt h i sp a p e r 、析t l lt h em e t h o do ff i n i t ee l e m e n t t h er e s e a r c hr e s u l ts h o wt h a t l a r g et h e r m a ls t r e s sa p p e a r si nt h e f u r n a c et u b ed u r i n gt h es t a r t - u po p e r a t i o na n dt h e m a x i m u mv a l u eo fc i r c u m f e r e n t i a ls t r e s so c c u r sa tt h ei n n e rw a l lo ft h ec a r b u r i z e dt u b e w h i c hc a u s e st h el o n g i t u d i n a lc r a c ko ft h ef u r n a c et u b e h o w e v e r ，c h a n g i n gt h er a t eo f t e m p e r a t u r er i s i n gh a sn oi m p a c to nt h ed i s t r i b u t i o no ft h e r m a l s t r e s si nt h ef u l t l a c et u b e f o ras i n g l es t a r t - u pp r o c e s s k e y w o r d s ：e t h y l e n ec r a c k i n gf u r n a c e ；r a d i a t e df u r n a c et u b e ；f i n i t ee l e m e n t i v 硕士学位论文 m e t h o d ；s p r i n gh a n g e r ；c a r b u r i z a t i o n ；s t r e s sa n a l y s i s v 硕士学位论文 摘 a b s t a c t 第一章绪论。 目录 i i 1 1 1 引言1 1 2 裂解炉管材料的选用1 1 3 裂解炉管损伤的主要因素2 1 3 1高温2 1 3 2 渗碳2 1 3 3 结焦3 1 3 4 清焦和热疲劳3 1 4 裂解炉炉管损伤的主要类型4 1 4 1 高温渗碳4 1 4 2 热疲劳损伤4 1 4 3 热冲击应力断裂5 1 4 4 高温蠕变5 1 4 5 冲刷与管壁减薄7 1 4 6 裂解炉管的其它失效形式7 1 4 7 裂解炉管损伤情况统计8 1 5 关于乙烯裂解炉的模型及有限元分析9 1 5 1 高温渗碳扩散模型9 1 5 2 裂解炉内主要操作参数的规律等预测9 1 5 3 裂解炉管的寿命预测9 1 6 本文研究背景及研究内容1 0 1 6 1 研究背景lo 1 6 2 研究内容10 参考文献1 1 目录 第二章对于管系基本组成单元的有限元分析1 5 2 1 引言一15 2 2 烯烃厂2 撑乙烯裂解炉装置的基本情况15 2 3 裂解炉辐射段炉管基本组成单元的应力分析一1 5 2 3 1 裂解炉辐射段炉管的基本组成单元15 2 3 2 模型的建立及单元的划分1 6 2 3 3k h r 3 5 c t h i s i 和k h r 4 5 a 材料参数的确定1 8 2 3 4 载荷与边界条件18 2 3 5 结果分析1 9 2 3 5 1 炉管正常情况下自由调节1 9 2 3 5 2 非正常调节导向杆卡死2 3 2 3 5 3 导向杆处有摩擦阻力2 5 2 4 本章小结。2 9 参考文献2 9 第三章乙烯裂解炉辐射段管系应力的有限元分析 3 1引言3 1 3 2 辐射段炉管管系的调节31 3 3 辐射段炉管管系的应力分析一3 3 3 3 1 辐射段炉管管系的有限元模型3 3 3 3 2 计算结果及分析3 6 3 3 2 1炉管在理想状态下可完全自由调节3 6 3 3 2 2 弹簧吊架无法完全自由调节3 9 3 3 2 3导向杆无法完全自由调节j 4 1 3 4 本章小结4 5 参考文献4 6 第四章渗碳后炉管的热应力分析4 7 4 1引言4 7 4 2 渗碳对h p 炉管的热力学性能的影响一4 7 硕士学位论文 4 3 渗碳炉管的有限元模型5 0 4 4 渗碳炉管弹性模型的热应力分析5 2 4 4 1 服役5 0 0 0 小时炉管的应力状况5 2 4 4 2 服役1 5 0 0 0 小时炉管的应力状况5 3 4 4 3 服役3 0 0 0 0 小时炉管的应力状况5 3 4 4 4 结果分析5 6 4 5 渗碳炉管升温过程的热应力分析5 6 4 5 1裂解炉管开车过程简介5 6 4 5 2 渗碳炉管的热力耦合分析5 7 4 5 3 实际开车情况下渗碳炉管的应力分布5 9 4 6 本章小结6 4 参考文献6 5 第五章总结与展望二” 。6 7 5 1 总结6 7 5 2 展望6 8 发表的论文及参加的项目 致谢。 7 0 硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 随着社会的发展和人民生活水平的提高，对各种物资的需求量与日俱增。特别 是石油化工产品的需求量剧增，如塑料、合成橡胶、合成纤维、洗涤用品等。烯烃 是生产这些化工产品的重要原料，由于其在石油开采中的产量非常少，不能满足工 业生产的需要。因此，将石油天然气或石油馏分和水蒸汽混合在高温下发生裂解反 应来生成短链的烯烃产品的方法被广泛应用于石油化工行业。 乙烯作为石油化工行业中最重要的基础原料，占有重要的地位，我国乙烯生产 能力现居世界第4 位，到2 0 1 0 年，将位居世界第2 位。为满足可持续发展的需要， 乙烯装置规模不断扩大，达到8 0 万吨年以上的生产能力，裂解炉大型化成为乙烯 工业发展必然趋势。随着乙烯装置规模的不断扩大，乙烯装置中关键设备裂解炉的 规模也相应扩大，乙烯裂解炉向着高温、低压及大型化方向发展，这对其核心部件 裂解炉管的安全可靠运行提出了极高的要求。裂解炉管的设计寿命一般为十万 小时，由于生产过程中复杂的环境因素常使得裂解炉管在尚未达到设计寿命之前就 发生严重损伤或破坏，常常造成非计划停车，甚至引发安全事故，给生产带来巨大 的损失。为了得到高的乙烯收率，国际上通过设计先进的大型裂解炉，实现高效的 烃类热裂解反应。这些大型化的裂解炉的特点是可以在较短的停留时间内使裂解原 料上升到很高的温度，从而提高其裂解深度。大型化裂解炉的特点要求裂解炉的关 键构件裂解炉管应具有耐高温和高传热强度的性能【l j 。 1 2 裂解炉管材料的选用 乙烯裂解炉管在高温下运行，要求炉管有比较好的高温强度、塑性、高温抗氧 化性、高温抗蠕变性、抗渗碳性以及良好的高温持久性能和可焊性。早期，乙烯裂 解炉选用h k 4 0 ( 2 5 c r - 2 0 n i ) 作为裂解炉管的用材，但是随着乙烯工业的发展，大型 化的乙烯工业通过提高炉管的温度来提高乙烯的收率，这样对裂解炉管的抗渗碳能 第一章绪论 力又有了更高的要求，于是选用了抗渗碳性能和蠕变断裂强度都优于h k 4 0 的h p 4 0 ( 2 5 c r - 3 5 n i ) 作为炉管的材料。 h p 系列合金耐热炉管采用离心铸造法制造。离心铸造管的组织比较致密、持 久强度和抗蠕变能力高，而且炉管的质量和稳定性都较好。目前，h p 4 0 系列炉管 仍然是裂解炉管的主要用材和研究对象囝。 1 3 裂解炉炉管损伤的主要因素 1 3 1 高温 在乙烯的生产过程中，裂解炉内的温度高达1 1 0 0 甚至更高，裂解炉管处于高 温状态，裂解气裂解所需的热量是通过炉管管壁传递完成的，为了提高烯烃类产品 的收率，裂解气在炉内停留的时间很短，所承受的工作压力较低，一般为0 4 3 m p a ( 设 计压力，工作压力约为0 2 2 6 m p a ) 。 1 3 2 渗碳 乙烯裂解炉炉管内的裂解气主要是由各种烷烃、烯烃、炔、氢气、芳烃、焦油、 h 2 0 、c o 、c 0 2 等成分组成，裂解炉内各种烃类所发生的的裂解反应见下： c 2 h 6 c h 3 + c h 3 c h 3 + c 2 h 4 斗c n 4 + c 2 h 5 c 2 h 5 c 2 h 4 + h c 2 h 6 + h c 2 h 5 + h 2 c h 4 + h 2 0_ c o + 3h 2( 渗碳气氛) c o + h 2 0_c 0 2 + h 2( 氧化脱碳气氛) 裂解炉管内在发生裂解反应的同时，也发生了渗碳反应 f e + 2 c o _ c 0 2 + f e ( c ) f e + c h 4 2 h 2 + f e ( c ) f e + h 2 + c o h 2 0 + f e ( c ) 由反应方程式可见，各种烃类在裂解过程中会析出活性碳。碳在高温下从碳势 2 硕士学位论文 高的裂解气向碳势低的炉管中扩散，这种现象就称为渗碳。反应中析出的活性炭将 吸附在炉管内表面的金属上，经扩散进入金属内部，形成渗碳。炉管在高温下运行， 温度升高会加剧渗碳的进行，渗碳同时还受裂解气性质、炉管材料和炉管表面情况 的影响。 3 - 5 1 随着裂解炉管运行时间的延长，炉管的渗碳层加厚，渗碳层基体中的c r 大量 形成碳化物，使得材料的塑性、韧性下降，抗氧化能力降低；同时，因为渗碳层和 非渗碳层的材料性能方面存在较大的差异，产生的附加应力将引起炉管局部蠕变损 伤和渗碳层内产生疲劳裂纹，造成炉管的开裂【6 1 0 】。 1 3 3 结焦 裂解气在一次反应生成烯烃类的同时，还发生二次反应。二次反应生成的结焦 母体向炉管内壁迁移，这是传质过程。当结焦母材到达管壁后，在管壁表面发生结 焦反应。结焦速度受管壁温度的影响很大，温度越高，结焦速度越快。裂解反应时， 中间体炔烃脱氢缩合生成碳，随着碳在炉管内壁的积聚而形成结焦层，所以，在裂 解炉管的运行中，管内壁必然要产生渗碳和结焦【1 1 1 。 1 3 4 清焦和热疲劳 随着炉管运行时间的增长，炉管内壁的渗碳层和结焦层增厚。结焦层的传热系 数要远小于炉管的传热系数，裂解所需的热量又是通过管壁传热来提供，这样结焦 层对裂解气的热量吸收起到了一个绝热层的作用，为了保证裂解反应的进行，就必 须提高炉管的壁温来达到裂解反应所需要的温度，而炉管壁温的提高又加剧了渗碳 的进行，从而影响了炉管的使用寿命。因此，工艺上要对裂解炉管定期进行清焦以 保证炉管的传热效果。 清焦就是在炉管的出口温度达到工艺规定的清焦温度时，将炉管的操作温度从 1 0 0 0 。c 左右降低到8 0 0 左右，然后向炉管内通入空气和水蒸气的混合物，在炉管 内与结焦层发生的主要反应如下： c + 0 _ c 0 2 c + h e o _ c o + h 2 第一章绪论 通过在炉管内发生以上反应来达到清除结焦层的目的。 定期的清焦使得炉管承受热疲劳的作用，当热疲劳达到一定次数后会导致炉管 发生疲劳断裂，造成裂解炉非计划停车，影响乙烯的生产。 综上所述，裂解炉管在正常运行中要受到高温、渗碳、结焦、清焦及疲劳等因 素的影响，这些因素所引起的裂解炉管的损伤也一直是研究的重点。通过研究裂解 炉管的各种损伤机理和寿命预测方法，进而采取预防措施和改进方法来保证裂解炉 管的安全长期使用【1 2 1 4 1 。 1 4裂解炉管损伤的主要类型 长期以来，引发裂解炉辐射段炉管故障的主要问题集中在以下几个方面： 1 4 1 高温渗碳 在高温状态下，炉管内部结焦和渗碳的积累，使金属组织中含碳量增加。碳的 增加使渗碳部分的金属比容增大，热膨胀系数降低，造成较高的内应力，这种内应 力会导致炉管过早的发生断裂；同时，渗碳还会改变炉管金属的机械性能，如渗碳 后炉管的高温蠕变断裂强度和中低温韧性下降，材料脆化，从而极易遭到破坏。渗 碳所产生的裂纹一般紧挨着渗碳层，并首先从渗碳层产生。但纯因渗碳裂纹导致破 坏的炉管极为罕见。 从高温强度的角度看，渗碳似乎是可以强化耐热钢，但是这种强化是以牺牲塑 性为代价的。但是裂解炉管的工况条件又要求炉管必须进行定期清焦，炉管的温度 起伏变化不可避免，炉管在经常要受到热疲劳或热冲击作用这个前提下，材料的高 温塑性就显得尤为重要。 渗碳使得炉管金属的蠕变强度和韧性降低实际上是一种老化作用。渗碳一方面 容易产生或者诱发裂纹，另一方面当已有裂纹存在时，渗碳又会与裂纹交互作用， 形成恶性循环【1 3 - 1 5 1 。 4 硕士学位论文 1 4 2 热疲劳损伤 裂解炉的运行是呈周期性的，炉子在正常运行时，炉膛的热量从炉管的外壁向 内壁传递，内外壁因此产生一定的温差。当炉子运行一段时间，炉管内壁结焦后， 结焦层的热导率较低，炉管内外壁的温差增大，产生的热应力也相应的增大。尤其 是停炉或烧焦的时候，热流动趋近于零，烧焦过程的放热反应甚至会使炉管内壁的 温度高于外壁温度，产生与运行时相反的温度梯度和热应力。裂解炉的周期性操作， 其温度、压力的变化引起炉管应力的变化，进而导致炉管材料的热疲劳。 热疲劳是裂解炉的晚期故障形式之一。典型特征是龟裂，热交替次数，炉管温 度和应力状态及变化的幅度和频率都会影响热疲劳。一般认为热疲劳多发生部位是 炉管的弯头处，原因是弯头一般较厚，应力状态比较复杂，而且因其静态铸造结构 的致密度不如离心铸造管，故易出现热疲劳龟裂【1 6 1 。 1 4 3 热冲击应力断裂 裂解炉在使用过程中，因为组织中的二次碳化物和晶界碳化物的不断析出、粗 化，使得炉管的材料的中低温韧性降低，在低温下明显的脆化，导致其抗冲击性能 变差。裂解炉开停车的过程中，炉管的温度由室温上升至工作温度( 1 1 0 0 ) ，又由 工作温度下降至室温，在管壁上产生相当大的热应力，形成对炉管的热冲击，必然 会造成炉管材料的断裂破坏。 实践中发现焊缝和出口三通组合件部位出现此类破坏最多，原因是这些部位的 应力状态复杂，加上焊接材料、工艺选择不当，焊接质量不良导致开停车过程中受 热应力冲击开裂。 1 4 4 高温蠕变 乙烯裂解炉管长期在升温恒温( 乙烯裂解阶段广降温( 清焦阶段) 的循环工况 下运行。恒高温运行期，管内原料气( 碳氢化合物) 分解出的活性碳渗入炉管表面并 扩散形成渗碳层，产生渗碳应力，升降温过程中因渗碳层与母材的热膨胀系数不同 而产生热应力，恒温过程中同时还发生蠕变，通过蠕变使得各应力得到松弛，材料 第一幸绪论 内部形成了随时间不断变化的时变应力场，在此应力场的长期作用下，材料将受到 蠕变损伤而产生孔洞和裂纹，引起炉管失效。 金属在高温下，即使其所受的应力低于金属在该温度的屈服点，在这样的应力 长期作用下，也会发生缓慢的连续的塑性变形，这种变形在温度不太高或应力不太 大的情况下慢得几乎察觉不出来，这样的一种现象称为“蠕变现象”，所发生的变 形称为“蠕变变形”，俗称蠕胀，如图1 1 所示。 图i - i 蟠变曲线图 f i 9 1 - 1g e n e r a l a m c u i v e 金属的蠕变变形随时间而发生变化，可用蠕变曲线来表征其变化的规律，蠕变 曲线可以分为四个部分：o a 为加载后引起的瞬时变形。假如外加的应力超过金属在 试验温度下的弹性极限，则这部分瞬时变形中既有弹性变形又包含了塑性变形。 a b 是蠕变第一阶段。在此阶段中，金属以逐渐减慢的速度变形即蠕变速度随时间 增长而减小，故称为蠕变减速阶段，也称为蠕变不稳定阶段。b c 是蠕变第二阶段。 在此阶段中，金属以基本恒定的速度变形，故也称蠕变稳定阶段。通常就用这一阶 段的曲线b c 的倾角a 的正切值来表示金属材料的蠕变速度。c d 是蠕变的第三阶段， 即蠕变的最后阶段。在此阶段中，蠕变加速进行，这是一种失稳状态，直到d 点金 属发生断裂为止。至此，整个蠕变过程即行告终。由于蠕变第三阶段有蠕变不断加 速的特点，所以也被称为蠕变加速阶段【1 7 1 5 。 裂解炉管发生蠕变破坏的主要特征有l l i j ： ( 1 ) 在直径或轴线方向上产生塑性变形。 硕士学位论文 ( 2 ) 管壁出现较多的蠕变裂纹。多发生在距离内壁1 3 1 4 壁厚处，再向内壁和 外壁发展，产生以轴向为主的裂纹。 ( 3 ) 在高温服役过程中，由于材料蠕变的作用，在内部会产生蠕变孔洞。显微 组织变化表现为：裂纹基本是沿晶裂纹，裂纹发生前出现晶界碳化物，呈较粗的不 连续网链状，二次碳化物粗化，产生蠕变孔洞和显微裂纹等。孔洞可在夹杂物附近 形成，亦或在原奥氏体晶界处形成。孔洞可以孤立存在于晶界处，也可以相互连接 孔洞存在于晶界之间。这些都将影响材料的使用性能和焊接性 炉管发生蠕变破坏与其使用温度、炉管应力状态、材料性能、设计条件等因素 密切相关。相同的材料在同等应力条件下，温度上升，寿命下降；温度不变时，应 力的增大也会导致炉管寿命的大幅度降低。因此，在使用中需严格控制炉管的温度 和应力状态，减小非正常载荷和冲击来减弱蠕变导致的破坏。 1 4 5 冲刷与管壁减薄 当流体介质高速流入管内时，会冲刷炉管材料并与炉管摩擦，造成机械操作损 伤和脱落，致使管壁( 包括弯头部分) 的壁厚减薄，甚至穿孔。冲刷造成的管壁减薄 部位多集中在弯头肩部或焊缝处，且在对流段和辐射段均有发生。尤其是在裂解炉 的烧焦期间，高速气流夹带着大量焦粒的冲刷，是造成裂解炉辐射段炉管弯头减薄、 破裂的主要原因。冲刷造成的管壁减薄一般是不均匀的，局部的，有时会出现很深 的孔洞，局部减薄严重时会导致炉管穿孔，甚至断裂。管壁减薄会使得管壁的应力 上升，从而使炉管的寿命下斛1 9 2 0 1 。 1 4 6 裂解炉管的其它失效形式 炉管的弯曲变形：裂解炉管使用后，不同程度的存在着弯曲变形的现象，弯曲 严重直接影响了炉管的安全使用1 2 1 。23 | 。 炉管的表面氧化：炉管处于l o o o 以上的高温辐射室内，在燃烧的过程中，炉 管的表面不可避免的受到氧化作用。文献 2 5 认为：钢的高温氧化是一种金属在高 温下的气体腐蚀，是高温设备中常见的化学腐蚀之一。f e 在5 7 0 。c 以上氧化时，形 成的氧化层主要成分为f e o ，结构较疏松，氧原子容易通过氧化层空隙扩散到基体 7 第一章绪论 的表面，使母材继续氧化，温度越高，氧化越严重。由于氧化层下的f e 不断氧化， 氧化层越来越厚，易剥落，这是造成炉管管壁减薄的原因之一。 炉管弯头损伤：弯头和直管一样，在裂解炉运行中也会发生渗碳，氧化和脱碳 现象。王来、于永泗等人【2 6 】研究失效的炉管弯头后认为：长期运行的裂解炉管弯头， 其内壁因炉管内高速气体流的冲刷及化学腐蚀作用而引起减薄，并在热疲劳作用 下，内表面的渗碳层、氧化层开裂，在高速气流的冲刷下加剧弯头的减薄，从而发 生穿透破坏，并在内壁形成龟状高温腐蚀疲劳裂纹。 1 4 7 裂解炉管损伤的分析统计 日本曾经对乙烯裂解炉管的失效形式进行过调查统计，其结果见表l ： 表1 裂解炉管损伤情况统计( 日) 【2 4 】 t a b l e1d a m a g es t a t i s t i c so fc r a c k i n gf t l r n a c et u b e ( j a n ) 管件名称裂解炉管炉管弯头 失效形式失效件数所占比例失效件数所占比例 弯曲失效 2 31 0 3 o o 膨胀 3 21 4 3 0o 蠕变 1 0 4 5 9 3 0 热疲劳 2 09 1 4 4 6 6 开裂热冲击 1 1 62 45 2 1 1 2 719 3 3 3 渗碳 6 02 7 1 3 3 未知 2o 9 26 6 渗碳 4 92 1 9 o0 氧化 oo 13 3 机械侵蚀 10 4 5 26 6 其它 2o 9 oo 总计 2 2 31 0 0 3 01 0 0 由表中可以看出：直管部分由渗碳引起的开裂失效几乎占总失效数的5 0 ；而 在弯管部分，因热疲劳而引起的开裂失效约占总数的4 8 。 硕士学位论文 上海石化总厂运行1 8 0 0 0 h 的一段h k 4 0 乙烯裂解炉管内壁被严重腐蚀，该裂 解炉管组织性能正常，无宏观冶金缺陷。经分析认为：裂解炉管内壁的损伤是高温 下的硫化和氧化腐蚀造成的，硫化腐蚀是引起损伤的主要原因。 h p 乙烯裂解炉管弯头工作了6 3 0 0 0 h 后，入口侧肩部出现穿透性破裂，弯头内 壁发生明显的龟裂和减薄，腐蚀最严重部位已经穿透。分析认为：运行数万小时的 弯头内壁减薄、渗碳、氧化及热裂都能引起弯头失效，而渗碳，氧化及热疲劳应力 对减薄又起着很大的促进作用【l 5 1 。 1 5 关于乙烯裂解炉的模型及有限元分析 一直以来，关于裂解炉的数值模型和有限元分析主要集中在以下几个方面： 1 5 1高温渗碳扩散模型 叶建松，邱春城等讨论了高合金钢固体渗碳和渗碳后渗层的扩散处理，提出了 计算高合金固体渗碳及渗件表面不发生脱碳情况下渗层扩散处理的碳浓度分布的 数学模型，并以此模型对3 c r l 3 和c r l 0 钢固体渗碳和渗层扩散处理的碳浓度分布 进行了计算机模拟，模拟的结果与试验的结果基本吻合2 7 删。 1 5 2 裂解炉内主要操作参数的规律等预测 乙烯裂解炉内有流动、传热、传质和反应等过程同时进行，因此裂解炉内的操 作参数是在不断变化的。国内外的许多研究者建立了不同的数学模型用于预测乙烯 管式裂解炉内主要操作参数的变化规律。 f r o m e n t 等人【3 1 , 3 2 、王宗祥等人【3 3 】假设反应管内的流体流动为活塞流，忽略径 向上的速度、温度和浓度变化，建立了乙烷、石脑油或轻质油裂解的一维模型。张 红梅等在一维模型基础上增加考虑了径向上的传热和传质，建立了轻质油裂解的二 维模型。蓝兴英，高金森，徐春明等【3 4 】对u s c 型乙烯管式裂解炉进行了系统的数 值模拟，得到了裂解炉内详细的速度、温度及组分的浓度分布情况，揭示了裂解炉 内各种过程的基本特点。 9 第一章绪论 1 5 3 裂解炉管的寿命预测 李海英，祝美丽，张俊善等通过对乙烯裂解炉管典型工况的分析，建立了炉管 在渗碳、蠕变共同作用下的时变应力场的计算模型，并模拟计算了h k 4 0 和h p 材 料炉管在1 1 7 3 k 的工况下服役时的碳浓度分布、应力分布及蠕变损伤分布。计算结 果表明渗碳是决定炉管应力分布的主要因素，与实际运行中的炉管失效的部位、方 式、寿命比较接近，可预测任意给定工况下的剩余寿命【3 孓3 8 】。但是，单独针对整个 管系和渗碳后炉管在升温过程中的热应力分析尚少见报道。 1 6 本文研究背景及研究内容 1 6 1 研究背景 扬子石化公司烯烃厂2 # 乙烯装置4 台裂解炉为s l i i 型，2 0 0 2 年1 0 月投入 使用至今，裂解炉管发生多起开裂失效，造成非计划性停车，不仅给生产带来损失， 也增加了维修费用，甚至可能造成在使用过程中因裂解炉管破裂而引发的安全事 故。本文主要研究的是：2 # 乙烯裂解炉辐射段炉管及一组辐射段“1 6 - 4 ”结构管系 在综合考虑内压、自重、热应力、吊架调节等因素的情况下，管系的