（化工过程机械专业论文）蠕变与渗碳耦合作用下裂解炉管的损伤分析.pdf

硕士学位论文 摘要 i u l li i ii iiiiii i i iji il y 2 2 5 3 8 0 5 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。本文通过高温蠕变实验，对c r 2 5 n i 3 5 n b 钢裂解炉 管的蠕变性能进行研究，同时采用有限元数值模拟方法对蠕变与渗碳耦合作用下 的乙烯裂解炉管应力分布及损伤进行了研究。 本文的主要研究内容和结论如下： ( 1 ) 采用修正0 投影法对c r 2 5 n i 3 5 n b 裂解炉管炉管材料的蠕变曲线和蠕变 寿命进行了预测，建立了c r 2 5 n i 3 5 n b 钢在任意温度和应力条件下的蠕变曲线方 程，并借助于扫描电镜等手段对断口进行了断口分析和微观组织分析。同时根据 建立的蠕变曲线方程预测了c r 2 5 n i 3 5 n b 钢裂解炉管在1 0 5 0 下的蠕变行为。根 据其蠕变行为可拟合出1 0 5 0 。c 下该材料的蠕变参数，为炉管损伤的有限元分析 提供了数值基础。 ( 2 ) 对于应变控制的设计而言，基于修正8 投影法的c r 2 5 n i 3 5 n b 钢炉管的 寿命预测具有合理性和有效性。研究结果表明裂解炉炉管炉管在设计时，为保证 1 0 0 ，0 0 0 h 的服役寿命，服役温度应控制在1 1 0 0 。c 以下，这与现代大型乙烯裂解 炉设计相吻合。 ( 3 ) 开展了1 0 5 0 下c r 2 5 n i 3 5 n b 钢裂解炉管的渗碳实验，根据渗碳的动 力学规律方程对实验结果进行拟合，得出了渗碳速率常数，为进行炉管损伤的有 限元分析提供了数值依据。 ( 4 ) 基于连续损伤力学理论，建立了渗碳和蠕变耦合的损伤本构方程。利 用a b a q u s 的u m a t 接口，通过编制用户子程序，实现了在a b a q u s 中对渗 碳和蠕变耦合作用下裂解炉管的损伤模拟。炉管在服役过程中产生的米塞斯应力 沿壁厚的分布几乎一致，这表明炉管在损伤过程中发生了应力再分布，初始时刻 的环向应力随着壁厚的增加而减小，而在服役1 0 万小时后，环向应力随着壁厚 摘要 的增加而增加。 ( 5 ) 在蠕变作用下的损伤要小于在蠕变、渗碳耦合作用下的损伤，在两种 情况下，损伤都随着服役时间的增加而增加，且随着时间的增加，损伤呈现加速 趋势。 关键词：乙烯裂解炉蠕变渗碳寿命预测损伤有限元 硕士学位论文 a b s t r a c t e t h y l e n ew a 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 st h es c a l eo fe t h y l e n ep l a n tw a se x p a n d i n g ，t h es c a l eo f c r a c k i n gf u m a c ew h i c hw a s t h ek e ye 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 ec r a c k i n gf u m a c e h a db e c o m ea 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 e i n d u s t r y t h e l a r g e s c a l ec r a c k i n gf u m 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 na r e l a t i v e l ys h o r ts t a yt i m ea 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 e c r a c k i n gt u b e s ，t h ek e yc o m p o n e n t so fc r a c k i n gf u r n a c e ，h a dg o o dc a p a b i l i t i e so fh i g h t e m p e r a t u r er e s i s t a n c ea n da n t i c a r b u r i z a t i o n i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ho nc r e e p b e h a v i o ro fc r 2 5 n i 35 n bs t e e lw e r ec o n d u c t e da c c o r d i n gt ot h eh i g h t e m p e r a t u r e c r e e pt e s t s ，m e a n w h i l e ，s t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt h ed a m a g eo fe t h y l e n ec r a c k i n g t h r n a c et u b eu n d e rc o u p l i n ga c t i o no fc r e e pa n dc a r b u r i z a t i o nw e r es t u d i e db yu s i n g f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 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 ec r e e pc u r v eo fc r 2 5 n i 35 n bs t e e lw a sf i t t e da n dc r e e pl i f ew a sp r e d i c t e d b yu s i n gm o d i f i e d 0p r o j e c t i o nc o n c e p t a c c o r d i n gt ot h ef i n e dc u r v eu n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n ，m o d e l so ft h ec o n s t a n t s 0 ，w e r eb u i l t ，t h ec r e e pe q u a t i o no f c r 2 5 n i 35 n bs t e e lu n d e ra r b i t r a r yt e m p e r a t u r ea n ds t r e s sc o n d i t i o nc a nb ee s t a b l i s h e d t h e nt h ec r e e pb e h a v i o ro fc r 2 5 n i 3 5 n bs t e e la t10 5 0 。cw a sp r e d i c t e du s i n gt h e c r e e pe q u a t i o nw h i c hh a db e e ne s t a b l i s h e da l r e a d y f r a c t o g r a p h i ca n a l y s i sa n d m e t a l l l g r a p h i ca n a l y s i sf o rf r a c t u r eo ft h es p e c i m e nw e r em a d eb yu s i n gs e m t h e n ， t h ec r e e pp a r a m e t e r sa t10 5 0 。cw h i c hp r o v i d e dn u m e r i c a lb a s i sf o rt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so ft h ef u r n a c et u b ed a m a g ec a nb ef i t t e db a s e do nt h ec r e e pb e h a v i o e ( 2 ) t h ec r e e pl i f ep r e d i c t i o nb a s e do nm o d i f i e d0p r o j e c t i o nc o n c e p tw a s r e a s o n a b l ea n de f f e c t i v ef o rt h ed e s i g nc o n t r o l l e db vs t r a i n t h er e s e a r c hs h o w e dm a t 一 t h es e r v i c et e m p e r a t u r eo fc r a c k i n gf u r n a c et u b es h o u l d b eu n d e r110 0 f o r p u r p o s eo fe n s u r i n g 10 0 ，0 0 0s e r v i c el i f ei nt h ed e s i g no ff u m a c et u b e ，w h i c h a b a s t r a c t c o i n c i d e dw e l lw i t ht h ed e s i g no fm o d e r nl a r g e s c a l ee t h y l e n ec r a c k i n gf u r n a c e ( 3 ) t h ec a r b u r i z a t i o nt e s t so fc r 2 5 n i 3 5 n bs t e e lw e r ec o n d u c t e d ，t h e nt h e c a r b u r i z a t i o nr a t e sp r o v i d i n gn u m e r i c a lb a s i sf o rt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h e f u r n a c et u b ed a m a g ew a so b t a i n e db yf i t t i n gt h et e s tr e s u l t sa c c o r d i n gt ot h ed y n a m i c l a we q u a t i o no fc a r b u r i z a t i o n ( 4 ) ad a m a g ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o nc o u p l i n gc r e e pa n dc a r b u r i z a t i o nw a sb u i l t o nt h eb a s i so fc o n t i n u u md a m a g em e c h a n i c s ，t h e n ，d a m a g es i m u l a t i o nw a sr e a l i z e d b yp r o g r a m m i n gu m a tu s i n gu m a ti n t e r f a c eo fa b a q u s t h ed i s t r i b u t i o no f m i s e ss t r e s sp r o d u c e di nf u r n a c es e r v i c ew a sf o u n dt ot h ea l m o s tu n i f o r m t h r o u g ht h e w a l lt h i c k n e s s 。i ts h o w e dt h a tt h es t r e s sw a sr e d i s t r i b u t e di ns e r v i c e a tt h eb e g i n n i n g o ft h es e r v i c e ，c i r c u m f e r e n t i a ls t r e s si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fw a l lt h i c k n e s s ， h o w e v e r ，i td e c r e a s e da f t e rs e r v i c i n g10 0 0 0 0h o u r s ( 5 ) d a m a g eu n d e ra c t i o no fc r e e pw a sl e s st h e nt h a tu n d e rc o u p l i n ga c t i o no f c r e e pa n dc a r b u r i z a t i o n ，m e a n w h i l e ，i ti n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fs e r v i c et i m ei n b o t ht w oc a s e s ，w i t ha a c c e l e r a t i n gs p e e d 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 ；c r e e p ；c a r b u r i z a t i o n ；l i f ep r e d i c t i o n ； d a m a g e ；f i n i t ee l e m e n t i v 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t a c t i i i 第一章绪论1 1 1引言1 1 2 裂解炉管材料的选用一2 1 3 裂解炉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 裂解炉管的两种主要损伤类型6 1 4 ，1高温蠕变6 1 4 2 高温渗碳，7 1 4 3 热疲劳损伤7 1 4 4 热冲击应力断裂7 1 4 5 冲刷与管壁减薄8 1 4 6 裂解炉管的其它失效形式8 1 5 基于有限元法的高温炉管损伤分析9 1 5 1 蠕变损伤力学发展9 1 5 2 高温炉管损伤模拟的发展1 0 1 6 本文研究背景及研究内容1 2 1 6 1 研究背景1 2 1 6 2 研究内容l2 参考文献l 3 第二章c r 2 5 n i 3 5 n b 钢裂解炉管蠕变性能研究及寿命预测1 6 2 1引言1 6 目 录 2 2c r 2 5 n i 3 5 n b 钢裂解炉管基本情况17 2 3c r 2 5 n i 3 5 n b 钢裂解炉管蠕变性能实验研究17 2 3 1 试样制备及试验参数1 7 2 3 2 实验设备18 2 3 3 试验步骤及过程19 2 4 试验结果与讨论19 2 4 1 试验结果1 9 2 4 2 修正0 投影法模型处理数据2 i 2 4 3修正8 投影法与最小蠕变速率2 4 2 4 。4 蠕变曲线的预测2 4 2 4 5 蠕变寿命的预测2 6 2 4 6 蠕变参数的拟合2 9 2 5 试验断口及微观组织分析3 2 2 5 1 断口分析31 2 5 2 微观组织分析3 4 2 6 本章小结一3 7 参考文献3 7 第三章c r 2 5 n i 3 5 n b 钢裂解炉管的渗碳实验研究4 0 3 1 引言4 0 3 2 c r 2 5 n i 3 5 n b 钢裂解炉管渗碳实验研究4 0 3 2 1 试样制备4 0 3 2 2实验设备4 l 3 2 - 3 渗碳前的准备工作4 3 3 2 4 渗碳工艺4 2 3 2 5 试验步骤及过程4 3 3 3 试验结果与讨论一4 3 3 3 1 试验结果4 3 3 3 2 渗碳速率常数的计算4 4 3 4 本章小结一4 5 硕士学位论文 参考文献4 5 第四章c r 2 5 n i 3 5 n b 钢裂解炉管损伤的有限元分析4 7 4 1 引言一4 7 4 2c r 2 5 n i 3 5 n b 钢裂解炉管的损伤分析4 7 4 2 1 蠕变损伤本构力学方程4 8 4 2 2 蠕变、渗碳耦合的损伤力学本构方程5 0 4 2 3c r 2 5 n i 3 5 n b 材料参数的确定5 1 4 2 4 用户子程序流程5 2 4 2 5 模型的建立及单元的划分5 4 4 2 6 边界条件的设定与炉管载荷的确定5 5 4 2 7 结果分析5 6 4 3 本章小结一6 0 参考文献6 1 第五章总结与展望。6 2 5 1 总结6 2 5 2 展望6 3 发表的论文及参加的项目6 4 致谢。6 5 硕士学位论文 1 1引言 第1 章绪论 石化、能源、冶金等工业在我国国民经济发展中具有特别重要的战略地位。在 这些工业领域中，高技术机械装置发展的主流是高温、高压、大型化方向发展，由 此带来使用条件( 载荷与环境) 越来越复杂和极端化，对机械装置的结构强度与可 靠性提出了极高的要求。为保证机械装备安全可靠性，避免重大事故的发生，与其 有关的强度失效和寿命预测技术研究成为影响国家发展战略以及国家中长期科学 和技术发展的重大问题。面对机械装置严重的安全隐患，依靠科学技术研究，发展 和应用重大装备可靠性技术，对复杂载荷与环境下的结构强度失效以及寿命预测的 研究已在我国国家中长期科学和技术发展规划纲要中被列为先进制造前沿技术 之一【l j ，也列为中国机械强度学科前沿发展方向之一【2 】。 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 年底，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、高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。乙烯裂解炉管在高温( 1 8 0 1 0 3 0 ) 、高压( 可高达3 0 m p a ) 、 复杂环境( 碳氢化合物、氢气、硫化氢、固体颗粒等) 下运行，由于环境介质不同， 材料与环境发生的反应也不同，因此产生了不同的高温腐蚀形式。复杂环境和复杂 应力状态下的高温腐蚀问题严重影响生产，制约装备长周期安全运行，甚至造成巨 大的经济损失。高温腐蚀问题主要有氧化、碳化( 渗碳) 、金属尘化、硫化等1 3 j ， 本文主要以碳化为研究对象，综合运用力学及计算科学等理论与方法，结合数值模 第一章绪论 拟和试验测试等手段，进行蠕变与渗碳耦合作用下的乙烯裂解炉管应力分布及损伤 的研究。 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一早期，乙烯裂 解炉选用h k 4 0 ( c r 2 5 n i 2 0 n b ) 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 ( c r 2 5 n i 3 5 n b ) 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【4 j 。 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 。c 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来完成的，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，其所承受的工作压力较低，一般为 0 4 3 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 _ i 卜c h 3 上c h 3 c h 3 + c 2 h 4 +c h 4 + c 2 h 5 c 2 h 5 oc 2 h 4 + h 硕士学位论文 c 2 h 6 + h _c 2 h 5 + h 2 c h a + h 2 0 一 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 o2 h 2 + f e ( c ) f e + h 2 + c o 斗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 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。 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，造成炉管的开裂阳。 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 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 第一章绪论 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 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 + o 叶c 0 2 c + h 2 0 斗c o + h 2 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 3 】。 1 4 裂解炉管的主要损伤类型 1 4 1 高温蠕变 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。 4 硕士学位论文 癸 制 。 时间 图1 1 蠕变曲线图 f i g 1 1g e n e r a lc r e e pc u r 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 4 , 1 5 】。 经过大量的蠕变研究表明，蠕变的第三阶段，亦即蠕变速度开始增大直至断裂。 金属尚能工作占总使用期4 0 5 0 。在评估蠕变条件下的金属寿命时，排除这种强 度储备是不合理的，不能认为蠕变速度开始增大，蠕变已经达到危险期。蠕变速度 的增大能促使位错的聚集，当聚集到一定程度，将形成金属的损伤。同时这种损伤 又在不断的聚集，进一步引起蠕变加速，达到这个时期才有危险。也就是说以金属 的累进断裂开始，作为金属的寿命终结。 裂解炉管发生蠕变破坏的主要特征有【l 3 】： ( 1 ) 在直径或轴线方向上产生塑性变形。 第一章绪论 ( 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能。 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 2 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 6 】。 大型乙烯装置中的乙烯裂解炉管是典型的渗碳损伤的例子。裂解炉管在1 1 0 0 的高温下长期服役，管内原料气( 碳氢化合物) 中的碳原子渗入材料表面并扩散 6 硕士学位论文 形成渗碳层，随着渗碳层中含碳量的增加渗碳层厚度不断增加，渗碳层中析出大量 的碳化物。渗碳层的密度及膨胀系数与母材相比显著不同，弹性模量和强度也不同， 因而在管内产生复杂的附加应力。裂解炉管长期在升温一恒温( 乙烯裂解阶段) 一 降温( 清焦阶段) 的温度循环工况下运行。在恒温运行期间，渗碳层体积膨胀导致 未渗碳区产生附加应力( 又称渗碳应力) ，而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。渗碳应力和热应力通过蠕变得到一定程度的松弛。总之， 在材料内部形成了不断变化的应力场，在此变应力场的长期作用下，材料将受到蠕 变损伤而产生空洞和裂纹，引起炉管失效。裂解炉管的设计寿命一般为十万小时， 而实际使用寿命一般在5 年以下，大量的失效分析事例表明，渗碳引起的附加应力 远远高于设计应力( 管内气体产生的应力) ，是导致裂解炉管早期失效的最重要原 因。 1 4 3 热疲劳损伤 裂解炉的运行是呈周期性的，裂解炉在正常运行时，炉膛的热量从炉管的外壁 向内壁传递，内外壁因此会产生一定的温差。当裂解炉运行一段时间后，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。尤其是在停炉或烧焦的时候，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、压力的变化引起了炉管应力的变化，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 7 。 1 4 4 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，使得炉管材料的中低温韧性降低，在低温下明显脆化，导致其抗冲击性能变差。 第一章绪论 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( 11 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 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降 1 8 , 1 9 。 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 9 2 1 1 。 炉管的表面氧化：炉管处于1 0 0 0 。c 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 0 】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 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 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、于永泅等人【2 l 】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 硕士学位论文 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 。5 基于有限元法的高温炉管损伤分析 1 5 1 蠕变损伤力学发展 损伤力学理论是由k a c h a n o v 计算拉伸棒的蠕变断裂时间时引入的，他引入 了连续性因子的概念，提出了脆性破坏模型，首次将材料的劣化用连续性因子来表 述，从而使得材料微观损伤的离散过程可以用连续的变量加以描述。随后r a h o t n o v 【2 3 】 引入了损伤变量和有效应力的概念，使损伤与本构相耦合，对蠕变损伤破坏开展了 系统的研究。l e m a i tr e l 2 4 l 贝1 j 进一步提出了应变等价性原理，即受损材料的变形特性 无论是单轴抑或多轴，都可用无损材料的本构关系加以描述，只需将上述有效应力 替代其中的应力项即可。按有效应力的概念，并略去弹性应变，n o r t o n 公式可以表 示为 叠= a o - ( 1 一) ”( 1 1 ) 式中，a 、n 均为材料常数；为蠕变应变率；o 为应力；为损伤变量，取值在0 ( 对 应于完全无损的材料) 和l ( 对应于完全破坏的材料) 之间。考虑到一般情况下应变 速率对应力和损伤的依赖程度不同，式( 1 1 ) 可改写为 = a c t ”( 1 一c o ) ” ( 1 - 2 ) 式中，m 为材料常数。但是损伤亦是一个变量，因此也应有相应的演化方程。 r o b a t n o v 2 3 1 假定损伤率为当前应力状态的函数，于是可得另一方程： 西= b o - p ( 1 一) 9 ( 1 3 ) 式中，b 、p 、q 均为材料常数。 式( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 即为经典的k a c h a n o v r o b a t n o v 本构方程，可用于预测单向 载荷作用下材料的蠕变失效。为了描述实际工程构件的蠕变失效行为，需要将单轴 蠕变本构推广到多轴蠕变状态，在这方面，l e c k i e 等2 5 】及d y s o n 2 6 1 做出了开创性的 贡献。 9 第一章绪论 连续损伤力学( c o n t i n u u md a m a g em e c h a n i c s ，c d m ) 以连续介质力学和不可逆 热力学为基础，目的是在材料的本构关系中掺入损伤变量，使得含损伤变量的本构 关系能够真实描述损伤材料的宏观力学行为【27 1 ，即以宏观唯象的方法来描述材料 细观结构的变异，具体方法是首先对材料的变形过程进行宏观和微观的试验，根据 材料损伤演变的微观现象和宏观表现，再采用唯象法，选择适当的损伤参量作为本 构关系中的内变量来建立方程。近些年来，由于高温装备开发及安全评定的迫切需 要，对多轴蠕变损伤本构的研究日益增多。这些本构可归结为两大类：含单个变量 的多轴蠕变损伤本构和含多个变量的多轴蠕变损伤本构。前者不区分蠕变损伤的不 同微观机理，只以一个损伤变量来综合反映它们对蠕变失效的宏观影响；后者则以 不同的损伤变量来描述蠕变损伤的不同机理，以更好地描述材料的多轴蠕变失效行 为【2 8 】。 1 5 2 高温管道损伤模拟的发展 由t u r n e r 、c l o u g h 等人发展起来的有限元法通过对求解区域的离散化，把连续 无限自由度问题转化为离散的有限自由度问题，通过插值函数计算出各个单元内场 函数的值，从而得到整个求解域上的解。利用这种方法，只要离散后的单元足够小， 就可以使最后的结果收敛于精确解。 利用有限元法对管道进行寿命评估，主要是以大型有限元分析软件为平台，编 写基于损伤力学的用户材料子程序，对损伤情况进行模拟分析，主要经历了以下几 个阶段： h y d e 2 9 等人基于连续损伤力学，采用有限元法对焊接结构各部分的损伤进行了 模拟比较，分析了本构方程、几何尺寸等因素对寿命评价结果的影响，对弯管损伤 寿命进行了运算，把稳态参考破断应力的概念应用于弯管，但是把弯管简化成了轴 对称模型，并且忽略了两端轴力对弯管损伤的影响。 张旭红【30 j 以有限元分析软件a n s y s 为平台，对受内压、机械载荷及热位移载 荷作用下的主蒸汽管道产生的一次和二次应力进行了模拟计算，他将自重处理为作 用于管系的均布载荷，而管道的终端和始端按固定约束或导向约束条件来处理，同 时管道中的刚性吊架加以所限制位移方向的约束，恒力支吊架加以集中力。根据模 硕士学位论文 拟结果进行的强度校核是安全的。又因为管系中最大应力出现在弯管部位，所以单 独进行了弯管的蠕变应力分析，结果显示在弯头的中间部位，即0 = 4 5 。的截面上 所受的应力最大，是导致弯头失效的最薄弱部位。 陈建钧【3 l j 采用k r 蠕变损伤本构方程，编写了计算三维单元和轴对称单元损伤 的子程序，并应用子程序对t 型接头、弯管及厚壁圆筒等承压构件进行了损伤分析， 得出了一些有意义的结论。如对于弯管，临界损伤最早出现在0 = 4 5 。内弧区的内 壁面，随后损伤不断向内弧区外壁面扩展，直至整个截面完全失效。在外壁面上， 临界损伤值将首先出现在0 = 4 5 。，a - - 3 0 。处，且随着时间的推移，损伤将向内 壁面延伸。对于t 型接管，临界损伤将最先出现在接管外截交线的顶部，并不断向 内壁发展。 鲍俊涛【3 2 j 则根据主蒸汽管道损伤有限元分析的需要，编写计算管单元损伤的子 程序，子程序中主要给出弹性阶段和蠕变损伤阶段的雅可比矩阵，通过损伤有限元 分析，服役1 0 万小时后s s 主蒸汽管道的损伤分数约为o 2 6 9 0 3 5 6 ，这与基于微结 构分类法的寿命评价方法得到的结果是吻合的，说明通过蠕变损伤力学的计算模 拟，可以较好的预测高温主蒸汽管道的