（机械电子工程专业论文）热壁加氢反应器堆焊层裂纹扩展的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 热壁加氢反应器是石化生产中关键设备之一，它处于高温、高压、临氢条件 下工作，一旦发生失效其后果是不堪设想的，因此热壁加氢反应器的安全运行至 关重要。热壁加氢反应器出现的不锈钢堆焊层的氢鼓泡以及堆焊层的开裂损伤现 象，已成为当代工程技术人员最为关注的重要研究课题。 本文主要针对热壁加氢反应器筒体材料进行拉伸和疲劳性能试验，测定筒体 材料的机械性能和疲劳裂纹扩展性能，并对热壁加氢反应器堆焊层表面裂纹的扩 展规律进行研究。主要研究内容与结论如下： ( 1 ) 母材和堆焊层材料的化学成分分析表明基本满足标准要求，其中母材 c 含量偏低，而s 、p 的含量较低，并添加了c r 、n i 、m o 等合金元素，这有利于 提高材料的抗腐蚀能力。 ( 2 ) 对热壁加氢反应器母材及堆焊层材料的常温机械性能进行了测试，得 到母材及堆焊层材料拉伸强度、延伸率以及断面收缩率等性能，结果表明：母材 和堆焊层经过堆焊后强度性能有所下降，而仍保持较高的延性。 ( 3 ) 在疲劳试验机m t s 8 8 0 上对热壁反应器母材及堆焊层材料进行常温疲 劳裂纹扩展速率的测试，得到母材及堆焊层材料的疲劳裂纹扩展速率。 ( 4 ) 用有限元分析法模拟疲劳裂纹裂纹扩展速率，结果表明，在相同加载 和边界条件下，有限元模拟方法得出的裂纹扩展速率与试验结果基本吻合，误差 在5 以内。 ( 5 ) 在疲劳试验机m t s 8 8 0 上对热壁加氢反应器堆焊层表面裂纹进行常温 疲劳裂纹扩展速率的测试，得到了堆焊层表面裂纹的形貌变化规律和疲劳裂纹扩 展速率。试验表明：在堆焊层与基材交界面完整的条件下，不锈钢堆焊层表面裂 纹在疲劳载荷的作用下会穿过堆焊层与基体材料的交界面而进入基体材料，最终 导致整个试件断裂。 关键词：堆焊层加氢反应器表面裂纹疲劳裂纹扩展 硕士学位论文 a b s t r a c t h y d r o g e n a t i o nr e a c t o ri s o n eo ft h ek e ye q u i p m e n ti nt l l eo i lr e f i i l i n g 锄d p e t r o c h 咖i c a li n d u s 咄觚di ts e i c e dl o n g - t e 咖i n b a dc o n d i t i o n 谢t hh i 曲 t e m p e r a t u r e ，h i 曲p r e s s u r e ，a 1 1 df - a c i n g 、析mh ”r o g e n 锄ds oo n 1 1 1 ec o n s e q u e n c e 晰l l b ev e r ys e r i o u si f n l e 锁l u r eh a p p e 璐s oi ti sq u i t ei m p o r t a n tt 0e n s u r es a f e0 p e r a t i o no f h y d r o g e n a t i o nr e a c t o r t h eh y d g e nb l i s t e r i n ga i l ds u r f a c ec r a c k i n go ft l l ew e l do v e r l a y b e c o m ei n l p o r t 趿tr e s e a r c ht a s k si i lt l l ee n 舀i l e 嘶n gf i e l d s i nm i sp a p e r m et e n s i l ea r i df a t i g u ee x p e r i m e n tf o rc y l i n m i c a lv e s lm a t e r i a lo f h y d r o g e n a t i o nr e a c t o rw e r ec o n d u c t e db yd e t e m i l l i n gt l l em e c h a l l i c a jp 岬e r t i e s ，a n d f 撕g u ec r a c kp r o p a g a t i o np r o p c n i e so fm a 钯r i a la n dm ef a t i g u ep r o p a g a t i o nl a wo f s u r f 如ec r a c ko nt h e 、c l do v e r i a yw e r er e s e a r c h e d s o m em a i nc o m e m s 觚dr e s u l t s 啪 s u 】【i l m a i z e da sf o l l o w s ( 1 ) t h ec h e m i c a lc o n l p o s i t i o n so ft l l eb 觞em a t e r i 引锹l dt h eo v e r l a ym a t e r i a l 、e r e 舡谢y z e d t h ea r l a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a tm ec 0 i i t e n to fce l e m e n ti i l 也eb 鹊em a t e r i a l w 嬲s l i g h tl o w b u tt h ec o n t e n to f s 觚dpe l e m e n tw 嬲l o w ，觚dt 1 1 ee l e m 踟临o f c r ，n i a n d 】ow e r ea p p e n d e d ，w h i c hw o u l da d v a n c e 也ec o r r o s i o nr e s i s t a n c e ( 2 ) t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft l l eb 嬲em a t e r i a lm l do v e r l a ym a t e r i a j ，s u c h 嬲 让l et e n s i l es t l e n g t l la n dt h ee l o n g a t i o np e r c e n t a g e ，w e r ed e 钯】盯n i n e db ye x p 丽m e 鹏 r e s u l t ss h o w e dt h a tt l l ed u c t i l i t ) ，o fm cb 嬲em a t 耐a lk e p ta tah 讪l e v e la l t l l o u 曲i t s s t r e n g t hw 勰s l i g h t l yd e c r e a s e d ( 3 ) t h ep r o p a g a t i o nr a t eo ff a t i g u ec r a c kf - 0 rt h eb a s em a t e r i 2 l la 1 1 do v e r l a ym 缸e r i a l w 嬲o b t a i n e db yt h ef i a t i g u ec f a u c kp r o p a g a t i o nt e s t sa tr o o mt e m p e r a t u r e ，w h i c hw e r e c a r r i e do u t0 nt h em t s 一8 8 0a _ u t o m a t i c 觚g u em a c l l i n e ( 4 ) t h ep r o p a g a t i o nr a t eo ff i a t i g u ec r a c kf o r 也em a t e r i a lw 觞s i m u l a t e db yt h e f i i l i t ee l e m e n tm e t l l o d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt i l ep r o p a g a t i o nr a t es i m u l 舢e db yf e m 、v 嬲c o n s i s t e mw i 也e x p e r i m e n t a lr e s n l t su i l d e r 也e 跚n e1 0 a da n db o u n d a r yc o n d i t i o n n l ee 仃0 ri sl o w e rt h 曲5 a b s t r a c t ( 5 ) t h ef a t i g u ep r o p a g a t i o nr a t eo fs u r f k ec r a c ko nn l e 、张l do v e d a yw a so b t a i n e d b yt h ef a t i g u cc r a c kp r o p a g a t i o nt e s to nt l l em t s 一8 8 0m a c h i n ea tr o o mt e m p e r a l = u r e t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts l l r f a c ec r a c ko ns t a i n l e s ss t e e lo v e r l a yw o u l dp e n e t r a t e 也r o u g l l m ei n t e r f a c co fn l eo v e r l a y 锄db a s em a t e r i a l ，锄d 黟d wi i i c 0b a s em a t e r i a lu i l d e rm e f a t i g u el o a d ，w h e no v e r l a ya n db a s em 疵r i a lw e r ec o m b i n c db e 慨r se a c ho m e r f i n a l l y t h ep l a t es p e c i m e n sw o u l db ef h c t u r e d k e yw o r d s ：w 色l d0 v e r l a y ；h y d r o g e n a t i o nr e a c t o r ；s u r ：f a c ec r a c k ；f a t i g u e ；c m c k g r o w t l l 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 为满足加氢技术发展的需要，加氢反应器由内部衬非金属隔热层的冷壁结构 发展成为壳体内壁堆焊不锈钢层的热壁结构即热壁加氢反应器【l ，2 ，3 1 。热壁加氢反应 器具有有效体积利用率高、施工周期短、生产维护方便、器壁不易过热等特点， 因此为世界各国普遍应用【4 j 。但热壁加氢反应器设计要求高、制造工艺复杂并需要 采用高纯度、高致密、高均匀性能的2l 4 c r - l m o 钢【5 】以及奥氏体不锈钢堆焊材料， 而且需要适用现代焊接、焊后热处理及无损检测技术【6 】。 扬子石化股份有限公司芳烃厂加氢裂化装置热壁加氢反应器d c l 0 1 b ，d c l 0 2 在高温、高压、临氢条件下工作，属于i i i 类压力容器【7 1 。它们是由日本制钢所按 s p 7 9 规范进行制造的、1 9 8 0 年1 0 月出厂，由中石化二公司施工安装，1 9 9 0 年2 月投入运行。d c l 0 1 b 结构简图见图1 1 。 醅 工上f 上工 豫! u l ，q 翕 蚕 m o u r 、 蜀 i i o 、i 蜀 器 ：d 曾l n叠叠7 叠 i n _ 萎 萋 。1 瞳一_ 生 萋w 1 - m 札奠 骞 o u 、 弱 b 嗣6 旷j (i) p 图卜ld c l o l b 结构简图 f 培l - ls c k m a t i c 出州n go f m ed c l o l br e a c t o r 第一章绪论 热壁加氢反应器主简体采用多段整体锻造焊接而成，只有环焊缝，无纵向焊缝。 主体材质1 2 c r m 0 9 1 0 ( 即21 4 c 卜l m o ) ，在开口接管的内部拐角处、内凸台区处 采用手工堆焊。内壁堆焊后底层为奥氏体不锈钢3 0 9 l ，面层为奥氏体不锈钢3 4 7 l ， 堆焊层的厚度分别为3 n 蚰和3 5 i 砌。反应器在制造后进行了6 9 5 ( 升降温速率 1 5 1 1 ) ，8 小时恒温的整体热处理。d c l o l b ，d c l 0 2 技术参数与运行时间和开停 车情况见表1 1 和1 2 。 表1 1 d c l o l b d c l 0 2 反应器技术参数 t l a b l el - l1 e c h n i c a ip a r 锄e t e r s0 f t h ed c l o l b ，d c l 0 2r e a c t o r 设计参数d c l 0 1 bd c l 0 2 设计压力m p a1 7 7 1 7 4 操作压力m p a1 6 8 51 6 6 设计温度4 4 2 “2 操作温度4 2 74 2 7 公称壁厚m m2 3 7 ( 1 6 7 5 ) 2 2 6 ( 1 6 7 5 ) 主体材质1 2 c r m 0 9 1 0 1 2 c r m 0 9 1 0 高度，m m 1 9 8 3 8 2 2 3 2 6 内行! m m3 8 1 0 3 7 9 4 工作介质 h c ，h 2 ，h 2 s h c ，h 2 ，h 2 s 制造单位 日本制钢所日本制钢所 出厂日期 1 9 8 0 1 0 1 9 8 0 1 0 表l 2d c l o l b i ) c 1 0 2 反应器运行时间和开停车情况 t a b i el - 2 o p e r a t i o nt i m e0 f t h ed c l o l b e i c l 0 2r e a c t i 盯 运行参数d c l 0 1 bd c l 0 2 开车至第一次检查时间 运行时间，j 、时 总停车次数 计划停车次数 非计划停车次数 第一次检查至第二次检查时间 运行时间川、时 总停车次数 计划停车次数 非计划停车次数 累计运行时间小时 9 0 2 1 5 至9 5 9 3 0 4 2 7 6 8 2 8 6 2 2 9 5 11 1 5 至2 0 0 4 5 2 0 6 9 2 1 6 1 7 6 l l l l l 9 8 4 9 0 2 15 至9 7 6 2 0 5 7 9 6 0 3 1 7 2 6 9 7 8 1 4 至2 0 0 4 5 2 0 5 4 0 2 4 1 4 5v 9 l l l 9 8 4 累计停车次数 4 5 4 5 2 硕士学位论文 1 2 课题的工程背景 1 2 1 加氢反应器的损伤 在役热壁加氢反应器处在高温、高压、临氢及h 2 s 的苛刻环境下长期运行， 会发生母材及焊缝的回火脆化、氢脆以及器壁堆焊层的开裂、氢剥离等损伤问题， 停工检修期间也有可能会发生连多硫酸应力腐蚀开裂( p t a s c c ) 1 8 一。 ( 1 ) 铬钼钢的回火脆性 由于制作热壁加氢反应器的2l 4 c r - 1 m o 钢是c r - m o 钢中回火脆化敏感性较高 的一种钢种，而热壁加氢反应器的操作温度又长期处在3 2 5 5 7 5 的回火脆化温 度区【i o 1 。热壁加氢反应器在上述温度范围内长期服役，会引起的材质劣化现象， 其主要表现是材料的韧性下降和脆性转变温度的升高。产生的原因是钢中的微量 杂质元素p 、s 和合金元素向原奥氏体晶界偏析f 1 2 1 ，降低了晶界凝聚力，呈现出晶 界破坏的形态。此时，如果反应器器壁中的应力水平较高，就有可能诱发脆性破 坏事故【1 3 1 。 影响回火脆性的因素很多，如材料的化学成分、热处理工艺、制作加工时的 热状态、强度高低、塑性变形、碳化物的形态、使用时的操作温度等。 为了避免因材料回火脆化引发的事故，通常采取的措施是设定反应器的最低 升压温度。即当反应器内温度低于最低升压温度i l 明时，其器内压力不能超过预先 设定的压力限。对于加氢裂化反应器，通常规定在器内的床层温度低于1 3 5 时， 器内压力不得超过反应器设计压力的三分之一。由于热壁加氢反应器在服役过程 中，其材质劣化状况会随着服役时问的延长而逐渐增加，使得在反应器投用初期 偏于安全的限压升温措施到了反应器服役的后期就可能变得危险。因此，根据反 应器的材质劣化状况来确定合理的最低升压温度，对于保障热壁加氢反应长期使 用的安全性是十分重要的。 ( 2 ) 氢脆 氢脆是氢残留在钢中时所表现出来的脆化现象，材料延伸率和断面收缩率显 著下降【1 4 ，15 1 。在高温、高压、临氢环境中使用的反应器，其母材会吸收大量的氢， 在反应器操作条件下，器壁母材中所能达到的最大氢溶解度为3 4 p g 。当停工 时，若冷却速度太快，吸藏的氢来不及逸散出去，致使过饱和氢残留在器壁内， 这些残留氢就有可能在反应器中引起脆性破坏【1 6 ，1 7 1 。但在一定条件下，若能使氢 第一章绪论 较彻底地释放出去，钢材的力学性能仍可得到恢复，所以氢脆是可逆的【1 8 1 。发生 氢脆的温度一般在1 4 9 以下，在近室温时发生氢脆的敏感性最大。 热壁加氢反应器使用中更应当注意氢脆和回火脆的交互作用对反应器的安全 使用产生的影响。因此，要求在传统停工过程中增加2 4 4 8 h 的2 5 0 恒温解氢工 艺，确保反应器器壁在冷却到4 9 以下时，所包含的氢含量低于安全氢含量c s 值) 。恒温解氢的目的就是为了降低氢脆的可能性。 ( 3 ) 奥氏体不锈钢堆焊层的表面开裂 奥氏体不锈钢堆焊层中可能存在的仃相【1 9 】以及在操作过程中吸氢造成堆焊层 金属的延性下降，在热应力、局部应力集中或焊接残余应力的作用下，堆焊层的 表面裂纹得以萌发和扩展f 2 0 2 1 1 。热壁加氢反应器服役过程中所出现的不锈钢堆焊 层表面裂纹通常具有以下特征： 表面裂纹以环向裂纹为多，而平行于反应器轴线方向的表面裂纹较少。其 中有许多裂纹是出现在那些可能存在三向应力的内件支撑凸台的表面。 铁素体含量偏高的部位( 往往是返修部位) 容易出现裂纹。 裂纹是沿着堆焊金属中奥氏体晶粒间的铁素体与盯相所组成的网络扩展。 热壁加氢反应器采用应力分析设计瞄】，采用奥氏体不锈钢3 0 9 l 和3 4 7 l 双层 堆焊结构，堆焊层的铁素体含量严格控制在4 1 0 之间。因此，热壁加氢反应器 的设计和制造有效地控制和减少了堆焊层表面裂纹的形成。对于在役的热壁加氢 反应器，通过降低堆焊金属中的氢含量、避免反应器处在低温状态时受到较高水 平的应力作用，可以降低堆焊金属产生表面裂纹的可能性。实践证明：热态型开 停工程序和2 5 0 恒温解氢工艺对避免和减缓堆焊层表面裂纹的形成有一定的影 响作用。 ( 4 ) 奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离裂纹 产生不锈钢堆焊层剥离裂纹【2 3 刀】的原因有两个： 容器在堆焊后热处理时，母材中的碳向奥氏体不锈钢堆焊层一侧迁移，即 母材一侧产生脱碳层，而相邻的堆焊层中产生增碳层，增碳层的碳以铬的碳化物 形态大量析出而形成脆化区及组织缺陷。 在高温、高压、氢介质中操作的反应器，氢会通过器壁由内向外渗透【2 5 j ， 当热壁加氢反应器从正常运转状态下转入停工，氢分压和温度逐渐下降时，由于 铬钼钢的母材和奥氏体不锈钢堆焊层在操作和室温时的氢溶解度和扩散速度各有 4 硕士学位论文 差异，在上述脆化区中产生氢积聚，同时又因母材和堆焊材料的热膨胀系数差别 很大，在界面上将存在较大的残余应力。在大量的积聚氢和应力的综合作用下而 产生剥离裂纹。 影响剥离的因素主要有操作时的氢分压、操作温度、停工时的冷却速度、反 复开停工的循环次数等。钢材的组成、金相组织、碳化物形态以及堆焊工艺与参 数对堆焊层抗剥离能力也有影响。不锈钢堆焊层的剥离裂纹具有以下特征： 剥离裂纹出现在不锈钢堆焊层与母材熔合面的堆焊层一侧，沿着生长在熔合 面上粗大奥氏体晶粒的晶界形成和发展，其性质属氢脆断口。 两条焊道的搭接部位为剥离裂纹最容易出现的部位，剥离裂纹大多为片状， 且基本平行于堆焊层的熔合面。 堆焊层剥离裂纹的产生与热壁加氢反应器的制造和使用过程息息相关，制造 中影响堆焊层剥离的因素主要包括堆焊材料，焊接工艺，熟处理工艺等，使用中 的影响因素主要为操作工况，开停工程序等。 ( 5 ) h 2 s 和连多硫酸引起的应力腐蚀开裂 反应器停工时，高温硫化氢环境下生成的硫化铁遇到空气中的氧和水可发生 反应，生成连多硫酸( h 2 s x 0 6 ，x _ 3 6 ) 。在拉应力和连多硫酸的共同作用下，对 于奥氏体不锈钢有可能会发生晶间应力腐蚀开裂。为了防止应力腐蚀开裂的形成， 在停工检修时，必须及时对检修的设备、管道、内件等不锈钢部位进行中和清洗 或n 2 封存。 1 2 2 热壁加氢反应器的实际工作情况 我国的热壁加氢反应器大多数是从国外引进的。引进的热壁加氢反应器都属 于大型设备，直径大多在4 0 0 0 i 】姗左右，重量都在几百到上千吨。这些设备经过 1 0 多年的运行，在历次的检测中，已发现有堆焊层的剥离现象，也或多或少地发 现堆焊层的开裂。例如金陵石化公司，三台反应器( r 1 0 1 ，r 1 0 2 a ，r 1 0 2 b ) 在 1 9 9 4 年就发现了3 7 条堆焊层裂纹，其中有6 2 的裂纹位于手工堆焊的支撑凸台处。 手工补焊过程中产生的弧坑裂纹占1 3 5 。上海石化股份有限公司的热壁加氢反应 器，自1 9 8 5 年投入使用以来，于1 9 9 4 年检修，发现有4 处共六条裂纹，经多年 跟踪检验，裂纹深度有所扩展，2 0 0 3 年开罐检验，发现在w o u s 2 1 的裂纹区出 现若干分支裂纹，在裂纹区发现组织偏析，存在晶间腐蚀，并在、o s 5 上发现新 的圆形缺陷【2 6 l 。茂名石化公司的热壁加氢反应器也出现过堆焊层开裂【2 7 】。 第一章绪论 扬子石化公司的热壁加氢反应器d c l o l b 和d c l 0 2 自9 0 年2 月1 5 日开车以 来严格按照操作规程要求进行操作【2 8 1 ，未出现过超温、超压、急冷等现象( d c l 0 2 在9 7 年更换催化剂时第三床的催化剂严重结焦) 。1 9 9 5 年后升温的速率改为 1 5 m 。日方原设计的升温速率为2 5 l l 。共运行l l1 9 8 4 小时。1 9 9 7 年检验时， 经过对主焊缝从外壁l o o 的超声波探伤，d c l o l b 共检查出6 5 处有缺陷讯号，缺 陷多为点状，经确认为全剥离讯号，没有裂纹缺陷讯号，d c l 0 1 b 内壁经超声波探 伤发现有超标缺陷4 7 6 处，均为剥离讯号，其分布的位置与从外壁探测的讯号是 一致的，讯号主要分布在三大区域，最大区域有1 8 0 0 m m x l 5 0 0 姗左右，最大单 个面积有3 4 0 n 姗6 5 m m 左右，长度大于1 0 0 n h n 的共有31 处，未见层下裂纹性质 的缺陷。d c l0 2 内壁经超声波探伤有少量剥离信号，无层下裂纹性质的讯号出现。 2 0 0 4 年检验结论：d c l 0 1 b 中检验出的剥离缺陷绝大多数仍在上次的缺陷部位， 但区域有所扩大。从外壁超声波探测发现d c l 0 2 的焊缝附近有1 3 处新剥离讯号， 最大为5 0 0 n h n 9 3 0 m m ，最小为4 0 l i l m 5 0 m m 。d c l 0 1 b 内壁堆焊层表面渗透探伤， 共发现裂纹4 9 处，裂纹最大尺寸约5 0 m m ，这些裂纹为本次检验周期中新出现的 缺陷，这些裂纹特征及位置有如下几点： ( 1 ) 裂纹出现位置与超声波探伤剥离位置完全一致： ( 2 ) 4 9 条裂纹中4 7 条裂纹位于焊缝中心线两侧1 5 c m 的区域内，同时也大多 在堆焊层与层的焊接熔合区下缘，为母材与母材、母材与堆焊层、堆焊层与堆焊 层三次焊的焊缝及热影响区的叠加区，也是自动焊和手工焊交汇点； ( 3 ) 一些裂纹形状呈圆弧状，通过对比可以认为是堆焊层剥离处的边缘位置， 且圆弧的半径与超声波探伤剥离缺陷的半径大体相当； ( 4 ) 个别裂纹深度较深，已穿透堆焊层，但无法测量此处的基体是否存在微 裂纹。 d c l 0 2 内壁堆焊层表面渗透探伤，共发现裂纹2 处，裂纹最大尺寸约为4 0 n l l i l ， 这些裂纹为本次检验周期中新发现的缺陷，与d c l o l b 不同的是它为纵向裂纹。 1 2 3 课题的研究现状及意义 国内外学者对热壁加氢反应器的做了较多的研究，但大多数是关于反应器的 基体材料2l 4 c r - l m o 钢的回火脆化和氢脆方面，对热壁加氢反应器不锈钢堆焊层 的氢鼓泡以及堆焊层的开裂对加氢反应器安全的影响问题从未开展过足够的研 6 硕士学位论文 究，尤其是对不锈钢堆焊层表面裂纹扩展规律的研究报道较少。 文献 8 】针对在役反应器可能发生的损伤，实验研究了回火脆性、氢脆、奥氏 体不锈钢堆焊层的表面开裂及氢致剥离裂纹等，提出并采用了相应的防护措施。 文献【1 7 】研究了加氢试块母材2l 4 c r 1 m o 钢中氢浓度的分布与扩散问题，通 过有限元分析得到氢致开裂的主要影响因素。 文献【2 9 】对反应器母材21 4 c r - 1 m o 钢在室温、2 0 0 、4 2 0 和5 0 0 下的疲 劳裂纹扩展速率进行了测试和分析，得到四种温度下的疲劳裂纹扩展规律。 文献【3 0 提及了21 4 c r - 1 m o 钢材料在高温条件下的低周疲劳问题，主要论述 了微观结构的作用与环境的影响。 文献【3 1 】研究了对某种单一材料在单向拉伸疲劳载荷作用下表面裂纹形状的 变化规律，由实验数据得到适用材料的疲劳寿命计算的关系式，验证了拉伸疲劳 时可以用p 撕s 公式描述表面裂纹扩展速率。 文献【3 2 】研究了在堆焊层上焊接缺陷的疲劳强度和裂纹尖端的应力强度因子 计算，但并未对裂纹的扩展特性做进一步的研究。 文献【3 3 】研究了在低碳钢上堆焊奥氏体不锈钢后的裂纹疲劳扩展规律，但是只 是针对试件上的穿透裂纹加以研究，还没有涉及堆焊层表面裂纹扩展的规律。 文献【3 4 】中仅针对采用有限元方法在模拟裂纹扩展所遇到的问题，探讨了模型 的建立、网格的划分、断裂准则的应用以及网格重组技术的运用，没有涉及到材 料的特性，也未针对具有堆焊层和基体两种复合材料的裂纹扩展问题。 文献 3 5 3 9 】研究了半椭圆表面裂纹的疲劳裂纹扩展的模拟，但是这种数值模 拟技术还未涉及堆焊层复合板的表面裂纹扩展模拟。 在实际生产中对待堆焊层裂纹往往采用“保守”疗法。其一是对较浅的裂纹进行 打磨消除的方法，并不加以补焊；其二是对较深的裂纹只得保留。有的为了防止 裂纹扩展，采取在裂尖打样冲眼的止裂措施。因此，为了给石化企业的热壁加氢 反应器的安全评价提供一个定性或定量的依据，也为具有堆焊层表面裂纹的热壁 加氢反应器的安全运行提供理论依据，关于堆焊层表面裂纹扩展机理的研究显得 迫在眉睫。 国内外疲劳裂纹扩展规律的研究主要是集中在疲劳裂纹亚临界扩展速率的计 算，大多采用著名的p a r i s 公式来描述裂纹的扩展速率f 4 0 4 5 】： 7 第一章绪论 紊刊( 从 ( 1 1 ) 式中：必。应力强度因子幅值，朋砌历“2 ； 彳，静一材料常数。 应力强度因子是描述裂纹扩展速率的重要参数量，应力强度因子k ，的计算是 断裂力学中的一个重要课题4 9 】。k 。的计算方法有：工程估算法、实验法、交替 法、线弹簧模型法、有限元法和边界元法等。 本课题主要研究在疲劳载荷作用下堆焊层裂纹的扩展机理，对堆焊层裂纹是 否止裂于堆焊层与基体的交界面或向基体扩展进行探讨，即探索堆焊层裂纹在疲 劳载荷下的扩展路径与规律。 随着热壁加氢反应器使用期的增长，堆焊层开裂的问题会越来越普遍与严重， 这必然向工程界提出了以下问题【5 0 】： ( 1 ) 目前发现的裂纹通常是长，浅裂纹，这样的裂纹在反应器升温降温过程 中以及在反应器压力波动中，是否会产生扩展? ( 2 ) 裂纹扩展的形式与规律如何? 当裂纹扩展到堆焊层与基材的熔合线( 区) 时，是否会产生止裂还是裂纹向基材扩展? ( 3 ) 反应器在运行中，氢( h 2 ) 和硫化氢( h 2 s ) 在裂纹中的聚集，是否会 在局部产生腐蚀或应力腐蚀开裂? ( 4 ) 裂纹穿透堆焊层后，h 2 ，h 2 s 进入交界层，并与基体21 4 c r 1 m o 钢接 触，它们对基体材料将产生什么影响，影响规律如何? 热壁加氢反应器堆焊层的开裂，对反应器的安全运行会产生影响。因此迫切 需要开展系统的研究，对上面提出的四个问题给出明确的答复，以确保证热壁加 氢反应器的高效，安全长周期运行。堆焊层表面裂纹的扩展规律研究，在理论上 也是一个难点，如何用理论与试验相结合的方法开展这一研究，这在学术上和工 程应用上是十分有意义的。 1 3 论文的主要研究内容 本课题研究的主要任务是对热壁加氢反应器筒体材料进行性能测试，以及研 究堆焊层表面裂纹在疲劳载荷作用下的扩展规律，并用有限元方法计算材料的疲 8 硕士学位论文 劳扩展速率。 ( 1 ) 对热壁加氢反应器母材及堆焊层材料的常温机械性能测试和常温疲劳裂 纹扩展速率的测试。 ( 2 ) 对裂纹扩展进行计算机模拟分析，根据材料性质、载荷、边界条件，得 出材料疲劳裂纹扩展速率。 ( 3 ) 模拟热壁加氢反应器堆焊层表面裂纹，制作堆焊试板，在m t s 8 8 0 疲劳 试验机上预制了表面裂纹和疲劳扩展试验，由试验结果得到表面裂纹的扩展形貌 变化和疲劳裂纹扩展速率。 参考文献 【l 】程树梅热壁加氢反应器制造技术简介【j 】石化技术，1 9 9 4 ，1 5 ( 3 ) ：1 5 5 1 5 8 【2 】洪学立，韩冰热壁加氢反应器的制造和检验( 一) 【j 】压力容器，2 0 0 3 ，2 0 ( 5 ) ：3 7 4 1 【3 】洪学立，韩冰热壁加氢反应器的制造和检验( 二) 【j 】压力容器，2 0 0 3 ，2 0 ( 6 ) ：4 6 5 0 【4 】贾小斌，张峥，李定孝热壁加氢反应器材料及焊接技术们石油化工设备， 2 0 0 2 ，3 l ( 4 ) ：4 0 4 2 【5 】邓康加氢反应器材料选用 j 】石油化工设备，2 0 0 4 ，3 3 ( 3 ) ：6 7 6 8 【6 】蔡连重，谷文，廖巨智国产热壁加氢反应器制造技术进展【j 】压力容器，2 0 0 0 ， 1 7 ( 1 ) ：6 9 7 5 【7 】郑津洋，董其伍，桑芝富过程设备设计【m 】一匕京：化学工业出版社，2 0 0 1 【8 】偶国富国产化加氢裂化装置反应器的运行和首次检验【j 】炼油设计，2 0 0 0 ，3 0 ( 5 ) ：1 4 1 9 【9 】刘海滨开停工过程造成加氢反应器破坏的原因分析及防护措施【j 】齐鲁石油 化工，1 9 9 9 ，2 7 ( 3 ) ：1 9 1 1 9 3 【1 0 】杨火生，董绍平。国产化加氢反应器运行安全性评估叨炼油设计，2 0 0 0 ，3 0 ( 4 ) ：3 3 3 6 【1 1 】赵萍加氢反应器用21 4 c r 1 m o 钢回火脆性分析【j 】河南石油，2 0 0 2 ，1 6 ( 3 ) ： 5 3 5 5 9 第一章绪论 【1 2 】杨光起加氢反应器用铬钼钢回火脆性【j 】石油化工设备，2 0 0 0 ，3 0 ( 5 ) ：5 3 5 6 【1 3 】 陈进，朱奎龙加氢反应器在役挂片的回火脆性分析 j 】华东理工大学学报， 1 9 9 8 ，2 4 ( 1 ) ：8 2 8 6 【1 4 】 余存烨p t a 装置加氢反应器h 2 进口管口氢脆开裂现场检测分析与修复【j 】 石油化工腐蚀与防护，1 9 9 4 ，2 ：3 8 4 2 1 5 】华丽，朱奎龙21 4 c r 1 m o 钢抗氢脆性能的研究 j 】华东理工大学学报，2 0 0 3 ， 2 9 ( 6 ) ：6 2 1 6 2 4 1 6 】 董绍平，杨火生加氢反应器氢致开裂性能评价方法研究 j 】石油化工设备， 1 9 9 9 ，2 8 ( 5 ) ：1 3 【1 7 】董金梅，林建鸿，王正东加氢反应器氢致开裂的有限元分析唧压力容器， 2 0 0 1 ，1 8 ( 3 ) ：4 7 4 9 【l8 】余刚，张学元氢在2 2 5 c r - 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6 6 6 ) 【j 】a m e r i c 觚s o c i e t ) ，o f m e c h a i l i c a le n g i n e e r s ，p r e s s u r e 、，e s s e l sa 1 1 dp i p i n gd i v i s i o n ( p u b l i c a t i o n ) p v p 2 0 0 5 ， ( 6 ) ：9 l7 9 2 6 【3 3 】k 越l i g e 试【i s ，m e l l o rk f a t i g u ec 眦kp r o p a g a t i o ns t u d i e si l l 矧1 1 l e s ss t e e l o v e r l a yw e l d s 【j 】i n t e m a t i o n a lj o u m a lf o rt l l ej 0 i 1 1 i n go f m a t 鲥a l s ，1 9 9 7 ，9 ( 1 ) ：l o 1 4 【3 4 】 俞树荣，严志刚有限元软件模拟裂纹扩展的方法探讨【j 】甘肃科学学报， 2 0 0 3 ，1 5 ( 4 ) ：1 5 2 1 【3 5 】 l i nxb ，s m 油ra f i l l i t ee l e m e n tm o d e l i n go f 枷g u ec r a c k 鲫w mo f s u 妇e c r a c k e dp l a t e sp a ni ：t h e 删m e r i c a jt e c l l l l i q u e 田e n g i n e e 咖gf r a c t l 盯e m e c h a i l i c s ， 1 9 9 9 ，( 6 3 ) ：5 0 3 5 2 2 【3 6 】 l i nxb ，s m i t hra f i e i e m e n tm o d e l i n go f 觚眺c r a c k g r o w m0 f 刚a c e c r a c k e dp l a t e sp a r ti i ：c r a c ks h 印ec h 锄g e 【j 】e n g i n e e r i n gf r a c n 聪m e c h 枷c s ，1 9 9 9 ， ( 6 3 ) ：5 2 3 5 4 0 【37 】 l i nx b ，s m i t l lra f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n go ff - a t i g u ec r a c kg r o w t l lo fs u r f a c e c r a c k e dp l a t e sp a r ti i i ：s 眈s si n t e n s 埘钕t o r 锄df a t i g u ec r a c k g r o w i l ll i f e 叽 e n g i n e e 血gf r a c ：t l 鹏m e c h a m c s ，l9 9 9 ，( 6 3 ) ：5 4l 5 5 6 【3 8 】 l i nxb ，s m i mra f a t i g u eg r o w l l l 锄l a l y s i so fi m e r a c t i r 培觚dc o a l e s c i i 培 第一章绪论 s u r f 2 l c ed e f e c t s j 】i n t e m a t i o r 谢j o 啪2 l lo ff m c n 鹏，l 9 9 7 ，( 8 5 ) ：2 8 3 2 9 9 【3 9 】j i a n gy a i l y a 0 ，f e n gm i a o l i n m o d e l i n go ff a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o n 【j 】j o 啪a 1 o f e n g i n e e 曲gm 删a l sa n dt e c l l l l o l o g y ，2 0 0 4 ，( 1 2 6 ) ：7 7 8 6 4 0 】刘继锋几种航天用材料疲劳裂纹扩展速率的定量估算研究 d 】西安：西安理 工大学，2 0 0 4 【4 l 】凌超，李风，郑修麟疲劳裂纹扩展速率d a d n 与材料性能常数间关系的研究 j 】机械强度，1 9 9 7 1 9 ( 1 ) ：7 4 7 6 【4 2 】王志文，宋超骅，琚定一，压力容器用钢的疲劳裂纹扩展速率 j 】化工机械， 1 9 8 6 ，1 3 ( 5 ) ：3 2 4 0 【4 3 】于慧臣，孙燕国不锈钢在扭转拉伸复合载荷下近槛值的疲劳裂纹扩展行为 【j 】金属学报，2 0 0 6 ，4 2 ( 2 ) ：1 8 6 1 9 0 【4 4 】 p 撕spc ，g o m e zm p ，a n d e r s o nw e ar a t i o n a la n a l y t i c a l1 n h e o d ro f f a t i g ：u e 【j 】t h et r e n di ne n g i n e e r i n g ，1 9 6 1 ，( 1 3 ) ：9 1 4 【4 5 】 p a r i spc ，e r d o g a l lf ac r i t i c a la n a l y s i so fc r a c kp