（化工过程机械专业论文）热壁加氢反应器堆焊层裂纹的热机械疲劳研究.pdf

j 幽塑圭_ f f j i | 川删f i i f f i i 洲| f i f f 川一 摘要 一1 y 2 0 8 4 3 5 1 热壁加氢反应器是加氢工艺生产过程中必不可少的关键设备，它长期在高 温、高压以及临氢状态等苟刻条件下工作。操作过程中的温度和压力的波动以及 开停工过程中压力和温度的变化等都会引起热机械载荷循环，从而导致裂纹萌 生和已存在缺陷的疲劳扩展，对在役热壁加氢反应器的安全生产造成隐患。所以， 工程界对在役热壁加氢反应器堆焊层裂纹一直给予高度重视。 本文针对热壁加氢反应器的实际运行工况，模拟了反应器在稳态操作条件下 以及开停车瞬态时的简体温度场和热应力场的分布情况，并对热壁加氢反应器堆 焊层表面裂纹在热机械疲劳载荷下扩展规律进行了研究。主要研究内容与结论 如下： ( 1 ) 热壁加氢反应器在稳定操作状态，简体内外壁温差较小，温差热应力 也较小。堆焊层出现负向热应力，并且堆焊层对简体基层应力分布也产生一定影 响，使简体基层从内到外，出现了逐渐增大的正向热应力分布。 ( 2 ) 热壁加氢反应器在开停车过程下，简体内外壁温差比较平稳并较大。 堆焊层热应力随着温度上升而增加。开车过程中，堆焊层对基层热应力分布影响 较小。停车过程中，随着温度下降，堆焊层对基层热应力分布的影响逐渐减小。 ( 3 ) 在热机疲劳试验机m t s 8 0 9 上对堆焊层表面裂纹进行了热机械疲劳载 荷下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热机械疲 劳裂纹扩展速率。通过与常温纯机械疲劳载荷作用下堆焊层表面裂纹疲劳扩展速 率的比较可见，热机械疲劳环境大大加速了裂纹速率。 ( 4 ) 利用数值模拟分析软件f 蝌c 3 d 模拟了疲劳裂纹扩展，结果表明，用 f 黜埘c 3 d 模拟的结果是偏保守的。 关键词： 加氢反应器堆焊层表面裂纹热，机械疲劳裂纹扩展数值模拟 硕士学位论文 a b s t r a c t h o t - w a l lh y d r o g e n a t i o nr e a c t o r w i l i c hi s o p e r a t e d ：i i ll l i g ht e m p e r a t u r c ，h i 曲 p r e s s u r e 孤dh y d r o g e nc o n d i t i o i l s ，i s c e s s a r yk e ye q u i p m e n to fh y d r o g e m t i o np r o c e s s 1 1 1 em e 锄a l - m e c h a i l i c a 】f a t i g u el o a d ，w l l i c hw o u l dm a k ec r a c ki l 血i a t i o na n df a t i g p r o p a g a t i 9 no fe x i s t i i l gd e f e c t s ，w 懿c a l l s e db yn u c t u a t i o no ft e m p e r a ：t u r e 觚dp r e s s u r e i i lo p e r a t i o n 舡l d 鼬鱼r t l 巾s h l n d o 、n a l lt l l e c o n s e q u c l l c e 、杭nc a u s ed 锄a g et 0h o t - w a l l h y d r o g e n a t i o nr e a c t o ri no p e r a t i o n ， s om i sp b l e ma t t r a c t sm ea t i i e n t i o no fe n g i n 蛐g f l e l do nt l l ec r a c ko f 、v e l do v e r l a yo fh y d r o g e n a t i o nr e a c t o r h lt ：1 1 i s p a p e r t h e 钯m p e r a t u r ea n d 也e m l 2 l ls t l e s s d i s t r i b u t i o nw e r es i r m d a _ t e di n c y l i n d e ro f h o t - w 砒lh y d r o g c n a t i o n r e a c t o ru i l d e rt l 圮c o n d i t i o no f s t e a d y - s t a t e0 p e 晡o n 北u t u s h u t d o w no nt l l eb 嬲eo fp r a c t i c a l0 p e r a t i o no fh o t w a l lh y d r o g e n a ：t i o nr e a c t o l n em e 蛳a 1 一m e c h a i l i c a lf a t i g u ep r o p a g a t i o nr u l eo f 姐嘲c ec r a c k0 nn 圮w e l do v e r l a y w 晒r e s e a r c h e d s o m em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r e 雏f o l l o w e d ： ( 1 ) w h e nh o t - w a l lh y d r o g e n a t i o nr e a c t o ri so p e r a t e di nt l l ec o n d i t i o no fs t e a d y - s t a t e 叩e r a t i o i i ，t h et e m p e r a l = u r ed i 腩r e n c eb e t 、) l ，e e ni i l i l e r 锄do u t e rw a l lo fh o t - w a l l h y d r o g e n a t i o nr e a c t o ri sl o w t h ec 0 m p r e s s i v et l l e m a ls 仃e s s e se x i s 倒i i lw e l do v e r l a y 觚dh a v es o m ei m p a c to nm e n n a ls t r e s sd i s t r i b u t i o ni nb a s el a y e ro fc y l i n d e r ，t l l et s i l e t l l e n n a ls 仃e s si 1 1 c r e 嬲e s ( 2 ) w h e nh o t - w a j lh y d r o g e n a t i o nr e a c t o ri s 叩e r a l c di nt h cc o n d i t i o no fs t a r t u p ， s h u t d o w no p e r 砒i o n ，n l et e n l p e r a t u r ed i f i e r e n c ei ss m o o 证la i l dh i 曲t h et l l e r m a ls b e s s o fo v e n a yi n c r e a s e sw i t ht e m p e r a t i l r e 五s e ht h ec o l 】r s eo fs t a r t l l p0 p e r a t i o 玛也ee 氆；c t o fw e l do v e r l a yo nn l e 加：l ；a l ls n e s sd i s t r i b u t i o no fb a s el a y c ri ss m a l l i i l l ec o u r s eo f s h l l t d o w n ，t h ee 任e c to fw e l do v e r l a yo nt h e r m a ls 缸c s s d i s t r i b u t i o no fb 硒el a y e r d e c r e 嬲e s 谢t 1 1d e c l h eo ft e m p e r a t u r e ( 3 ) n et l l e 眦a l - m e c h 础c a l 觚g l l ep r o p a g a t i o nr 蹴o f s u r f a c ec r a c k0 n 也ew e l d o v e n a y 、a so b t 咖e db yt l l et h e m a l - m e c h 砌c a lf a t i g u et e s tn l a c l l i l l em t s - 8 0 9u l l d e r 也el o a do ft h e 棚= i a l m e c t l a n i c a lf a t i g u c c o m p a r e dt oe x p 洳e n tr e s u n 8o fs u r f a c ec r a c k a b s t r a c t p r o p a g a t i o no n 、e l do v c r l a yb yp u r em e c h a n i c a l 觚g u e1 0 a da tr o o mt c n l p e r a t u r c ， s u d 犯ec r a c kp r o p a g a t i o nm t ew a sa c c e l e r a t e du n d e rc o n d i t i o no f 廿1 e m a | m e c i 脚l i c a l f i a t i g u e ( 4 ) s 删f a c ec r a c kf a t i g u eg r o w mw a ss i m l i l a t e db yn u m e r i c a ls i l n u l a t i o ns o n 坝啪 f i 洲c 3 d ，也ec o m p u t e dr e s l l l t ss h o w e dm a tm er e s u l ta c 叫川b yf 凡蝌c 3 dm c o n s e r 、，a t i v e k e yw o r d s ； h y d r o g e n a t i o nr e 咖r ；o v c 订a y ； s u 嘲c cc r a c k ： 1 1 l e n m i m e c h 锄i c a l f a t i g u e ： c 删kg r o 、坩l ；n 啪e r i c a ls i m u i a t i 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。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。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2 2 5 c r l m o 钢以及奥氏体不锈钢堆焊材料， 而且需要适用的现代焊接、焊后热处理及无损检测技术n 1 。 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，属于类压力容器。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 o l b 结构简图见图1 1 。 赡 l 工上fl l上 r 卫l 芷 。1 蜀 m 丘 妻 。1 阻一_ l 。l r 、 誊 目 i 口盒缸b莹竹 檬。j 蟊 萤 。1 瞳墨 萎。1 砷幞k 曩 弱 h 闲6 f j p _ 旷j ( 图1 1d c l 0 1 b 结构简图 f i g 1 ls c h e m a c i cd m ) l ，i r l go f 恤d c l 0 1 b 咖 第一章绪论 热壁加氢反应器主筒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2 2 5 c r l m o ) ，内壁堆焊奥氏体不锈钢作为防腐层 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 姗和3 5 n 蛐。 反应器在焊接后进行了6 9 5 ( 升降温速率1 5 h ) ，8 小时保温的整体热处理。 d c l 0 1 b ，d c l 0 2 技术参数与运行时间和开停车情况见表1 - l 和l - 2 。 表1 1d c l o l b 仍c 1 0 2 反应器技术参数 。 t a b l e1 1 做1 1 1 1 i c a lp 踟e t e 璐o f t h ed c l o l b d c l 0 2r e t o r 设计参数 d c l o l bd c l 0 2 设计压力小伊a 1 7 7 1 7 4 操作压力，m o p l a 1 6 8 51 6 6 设计温度 4 4 24 4 2 操作温度 4 2 74 2 7 公称壁厚瑚m 2 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 01 2 c r m 0 9 1 0 高度m m 1 9 8 3 8 2 2 3 2 6 内径m m 3 8 1 03 7 9 4 工作介质h c ，h 2 ，h 2 sh 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 01 9 8 0 1 0 表1 2d c l o l b d c l 0 2 反应器运行时间和开停车情况 1 a b l e1 - 2o p e r a t i o nt i m eo f t h ed c l 0 1 b d c l 0 2 他a c t o r 运行参数 d c l o l bd c l 0 2 开车至第一次检查时间 运行时间孙时 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 运行时间小时 总停车次数 计划停车次数 非计划停车次数 累计运行时间川、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 1 5 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 5 9 l l l 9 8 4 累计停车次数 4 54 5 2 硕士学位论文 1 2 课题的工程背景 1 2 1 加氢反应器的发展历史 从1 9 6 3 年开始，日本制钢所正式制造加氢反应器，此后，它一直是世界上 加氢反应器制造量最多，技术发展最快的制造厂。早期的加氢反应器多数是用高- 强度c r 枷。钢钢板( 少数是用c r - m o 钢锻件) 为外层、以不锈钢复合钢板为内层焊 接而成，这种结构不利于用超声进行在役设备的检查，所以在1 9 7 0 年后被内壁 堆焊有不锈钢层的板焊和锻焊结构所代替，而且锻焊结构的反应器的比例逐年增 多。随着炼油厂在役设备的定期检查中各种问题的出现及其不断的研究解决，设 计研究单位对设备材料与结构不断做出改进，加氢反应器正在不断向高温、高压、 大型化、长寿命方向发展。到目前为止，加氢反应器制造按技术、质量和改进过 程，大致可以划分为四个时期( 见表卜3 ) 1 。 表1 - 3 加氢反应器不同发展阶段幻 1 a b l el 3d i f r e 旭n td e v e l o p m e n tp h 笛e so f h y d r o g e n a c i o nr e t o r 第一代 1 9 6 5 1 9 7 2 初始期 第二代 1 9 7 3 1 9 8 0 改良期 第三代 1 9 8 l 一1 9 8 7成熟期 t 第四代1 9 8 8 一现在更新期 反应器的封头为拼焊结构，反应器壳体材料用 c r - m o 钢钢板，筒体锻件的j ，x 系数无要求 反应器的封头为整体结构，现场组焊技术开发研 究成功，在第二代初，筒体锻件的j ，x 系数开始 有要求 技术进一步完善与提高的过程，建立了生产周期 短、可靠性高、价格低的反应器制造体系，j ，x 系 数进一步降低 开发了高强度c r m 0 钢以及添加v 元素改进型的 c r - m o 钢j 系数耋1 0 0 ，x 系数1 5 回火脆化倾 向性评定也开始提高 注lj 系数定义为：j = ( s i + m n ) x ( p + s n ) x 1 0 0 0 0 ( w t ) ，系数x 皇( 1 0 p + 5 s b + 4 s n 憾) 1 0 - 2 p p m 我国热壁加氢反应器的技术开发较国外最早开发的时间晚2 0 年左右。在消 化吸收2 0 世纪7 0 年代末、8 0 代初相继引进的几套加氢裂化装置技术后，于8 0 第一章绪论 年代初才开始起步。1 9 8 9 年3 月制造出我国自行研究、自行设计、利用国产材 料自行制造的第一台锻焊结构热壁加氢反应器。自从国内自行研制开发出第一台 加氢反应器后，迄今为止，国内市场上己有几十台加氢反应器，实现了国产化。 我国首台年工业原料生产量达到1 4 l 万吨加氢裂化装置关键设备一锻焊结构千 吨级热壁加氢反应器已由一重集团公司制造完工。其单台质量分别为9 6 0 t 和 7 8 0 t ，单件全长3 6 m 。 目前我国制造加氢反应器的技术实力己有很大提高，主要体现在： ( 1 ) 制造能力与大型化进展较快。近年来我国己经设计制造了内径4 2 m 和 质量l 千吨的大型加氢反应器，其制造周期也在缩短，由过去的1 6 1 8 个月，到 现在的1 3 个月； ( 2 ) 性能和质量都大大提高： ( 3 ) 开发了大型反应器的现场组焊技术： ( 4 ) 建立了反应器内件实验研究装置： ( 5 ) 开发出加钒的新的c r _ m o 钢，以满足加氢反应器制造的要求。 1 2 2 热壁加氢反应器的实际在役状况 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 l o 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 l o l ，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 l 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w d s 5 上发现新的圆形缺陷口3 。茂名石化公司的热壁加氢反应器也出现过堆焊层开裂h 3 。 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晦，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 h 。日方原设计的升温速率为2 5 h 。共运行l l1 9 8 4 小时。1 9 9 7 年 4 硕士学位论文 检验时，经过对主焊缝从外壁1o o 的超声波探伤，d c l0 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 o l 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 姗1 5 0 0 i 砌 左右，最大单个面积有3 4 0 m m x 6 5 m m 左右，长度大于l o o m m 的共有3 l 处，未 见层下裂纹性质的缺陷。d c l 0 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 m m 9 3 0 i n i n ，最小为4 0 i 衄5 0 m m 。d c l o l 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 n 瑚，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 多在堆焊层与基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 m m ，这些裂纹为本次检验周期中新发现的缺陷，与d c l 0 1 b 不同的是它为纵 向裂纹。 1 2 3 加氢反应器堆焊层开裂问题研究进展 随着加氢反应器的发展，以及其在石油化工生产中的重要作用，国内外关于 加氢反应器开展了十分广泛的研究。总结各种研究，其主要可以分为以下几个方 向：材料的氢脆，铬钼钢的回火脆性，奥氏体不锈钢堆焊层的开裂、氢致剥离以 及h ：s + 连多硫酸引起的应力腐蚀开裂等。关于奥氏体不锈钢堆焊层的开裂的研 究，相比于其他方面相对较少，尤其是操作中开停车中温度波动即热机械疲劳 环境对加氢反应器简体堆焊层裂纹扩展的影响。本文就对一些关于这方面的研究 第一章绪论 进行介绍o 文献 6 7 得出了不锈钢堆焊层材料3 0 9 l 和3 4 7 l 在常温下和热渗氢情况下 低频疲劳特性，得到了各种情况裂纹扩展的门槛值，说明了热渗氢提高裂纹扩展 速率：文献 8 分析了氢对不锈钢堆焊层的力学性能和断裂形貌的影响；文献 9 从材料塑韧性方面考察了氢对不锈钢电渣堆焊层影响；文献 1 0 对不锈钢堆焊层 金相组织进行了分析；文献 1 1 分析了氢对堆焊熔合区疲劳裂纹扩展行为的影 响；文献 1 2 分析了开停车中温度变化过快会给反应器造成氢脆，氢致开裂，铬 钼钢的回火脆性堆焊层剥离等多种破坏。文献 3 ，1 3 2 4 提出了堆焊层裂纹检验 的方法和安全分析评定以及裂纹处理方法。以上文献虽然都涉及到了不锈钢堆焊 层，但是都未对裂纹从堆焊层到基体扩展进行进一步系统分析和研究。 在仅有的一些有相关研究文献绷3 中，都已经肯定温度波动即热机械疲劳 环境是使堆焊层开裂的主要原因，归纳起来其影响主要有以下两方面： ( 1 ) 壳体基材和堆焊层材料的导热与热膨胀性能均差别很大，在加氢反应器 停工时，往往在堆焊层部位产生集中热应力，集中热应力的变化会使得堆焊层产 生应变疲劳，当材料变脆，塑性降低时，因应变疲劳引起开裂的循环次数会显著 地降低，就会产生应变疲劳裂纹。 ( 2 ) 高温和氢腐蚀开裂使简体表面产生微裂纹，多次超温和激冷的热疲劳 和热冲击以及开停车带来的载荷疲劳加速裂纹扩展。 但是，关于裂纹是否会向基体进一步扩展的分析并不统一。一部分认为，加 氢反应器的基体材料有相当高断裂韧性，堆焊层裂纹会终止。另一部分认为，堆 焊层剥离后的鼓泡促使裂纹向厚度方向发展，在基体表面产生裂纹。两方面观点 都有一定的事实依据，但未有相关的试验论证。 综上所述，关于堆焊层表面裂纹在交变热机械载荷作用下的扩展问题的研 究报道仍鲜为人知。本课题主要研究在热机械疲劳载荷作用下堆焊层裂纹的扩 展机理与扩展规律，探讨表面裂纹是否能止裂于堆焊层与基体的交界面，以及裂 纹扩展对加氢反应器运行安全的影响。 1 3 课题的研究意义 热壁加氢反应器是加氢工艺装置生产过程中的必不可少的主要设备。加氢工 艺装置是现代石油加工工业中为了为获取高质量的石油加工产品或增产石油化 6 硕士学位论文 工原料和中馏份油，以及适应高含硫原油、劣质原油深加工的需要与改善环境条 件等。热壁加氢反应器本身的工作环境比较苛刻，长期处于高温( 3 7 0 4 5 0 左 右) ，高压( 1 5 2 0 m p a ) 和临氢状态下，同时制造花费巨大。因而，热壁加氢 反应器安全稳定地运行对炼油石化工业的生产具有至关重要的作用，所以对热壁 加氢反应器运行中出现的问题进行详细分析，以提高其使用寿命，预防可能出现 的如爆炸，泄漏等失效事故。 本课题主要针对的是热壁加氢反应器堆焊层表面裂纹开裂问题进行研究。通 过1 2 2 和1 2 3 的论述，我们知道热壁加氢反应器堆焊层表面裂纹开裂是一个设 备运行必须面对的严重问题，但是现在关于堆焊层表面裂纹是否向基层扩展仍然 没有定论。目前，国内有关石化企业对加氢反应器堆焊层裂纹的处理方法一般是 对裂纹进行打磨。对较浅的裂纹打磨消除。但是当打磨达到一定深度，仍不能消 除的较深的裂纹，即将裂纹保留，继续观察。但这样处理后，堆焊层裂纹如果继 续向基层扩展，热壁加氢反应器的器壁耐压能力会大大降低，因为氢将大大加速 基层裂纹扩展速率，严重影响设备的安全运行。 本课题拟对该问题进行系统研究，得到一些有益的结果，为热壁加氢反应器 的安全运行提供有价值的指导。 1 4 课题主要研究内容和关键点 本课题研究是模拟加氢反应器实际的开停车及操作温度波动引起的热机械 疲劳载荷对堆焊层裂纹扩展的影响，考察其堆焊层裂纹扩展的路径和规律，判断 裂纹是否会从堆焊层向基体进一步扩展，其主要内容： ( 1 ) 加氢反应器简体热应力分析： ( 2 ) 含表面裂纹试样的热机械疲劳试验； ( 3 ) 疲劳裂纹扩展的数值模拟。 针对以上三个方面的内容，课题需要对以下关键点进行研究： ( 1 ) 有限元热应力计算。关键是得到加氢反应器器壁的温度场，为热机械 疲劳试验研究提供依据。这涉及有限元模型建立，材料性质、载荷、边界条件的 选择等多方面内容。 ( 2 ) 热机械疲劳实验。这是本课题研究的重点和难点。如何模拟加氢反应 器操作条件、试验试样的设计和试验装置的选择都是关键。 7 第一章绪论 ( 3 ) 疲劳裂纹扩展的数值模拟。其中选用计算程序，有限元建模、网格的 划分以及如何在有限元模拟中设定裂纹扩展准则是关键。 。参考文献 【1 】丁国铨热壁加氢反应器堆焊层裂纹扩展的研究 d 】南京：南京工业大学， 2 0 0 7 【2 】张振戎，张文辉，卢庆春加氢反应器的发展历史【j 】一重技术，2 0 0 4 ，l ：1 3 【3 】金朝宽在用热壁加氢反应器的检验和安全分析 j 】压力容器，2 0 0 1 ，1 8 ( 5 ) ： 7 0 7 3 4 】林建荣加氢裂化反应器的检验及缺陷处理 j 】压力容器，1 9 9 9 ，3 ：7 2 8 1 5 】章炳华加氢反应器的使用检验及其试板分析【j 】压力容器，1 9 9 7 ，3 ：6 2 6 6 6 】邱昆彪，钟曼英，郭世行等3 0 9 l 和3 4 7 l 不锈钢堆焊层的低频疲劳特性川浙 江工业大学学报，2 0 0 0 ，2 8 ( 2 ) ：9 9 1 0 3 【7 】郭世行，钟曼英，邱昆彪等热渗氢后3 0 9 l 和3 4 7 l 钢堆焊层的低频疲劳特 性川腐蚀与防护，2 0 0 0 ，2 1 ( 7 ) ：2 9 7 2 9 9 8 】钟曼英，徐坚氢对不锈钢堆焊层的力学性能和断裂形貌的影响【j 】化工学 报，2 0 0 6 ，5 7 ( 5 ) ：1 2 2 5 1 2 3 0 【9 】刘航，田志凌， 汪光胜等氢对不锈钢电渣堆焊层塑韧性的影响【j 】钢铁研 究学报，1 9 9 9 ，1 l ( 6 ) ：3 9 4 2 【l o 】王惠斌不锈钢堆焊层金相组织分析 j 】石油化工设备，2 0 0 3 ，3 2 ( 5 ) ：4 5 4 6 【1 1 】刘义祥，吴敬梓电解充氢对堆焊熔合区疲劳裂纹扩展行为的影响闭理化 检验物理分册，2 0 0 0 ，3 6 ( 9 ) ：3 8 7 3 9 0 【1 2 】刘海滨，赵辉开停工过程造成加氢反应器破坏的原因分析及防护措施【刀 齐鲁石油化工，1 9 9 9 ，2 7 ( 3 ) ：1 9 1 1 9 3 【1 3 】周迪生，王青梅在用热壁加氢反应器焊缝和层下裂纹的超声检测明无损 检测，2 0 0 4 ，2 6 ( 7 ) ：3 7 5 3 7 9 【1 4 】赵大明热壁加氢反应器堆焊层裂纹的检测与监测阴无损检测，2 0 0 3 ，2 1 硕士学位论文 ( 7 ) ：3 7 l 一3 7 4 【1 5 】胡忠礼，王传岭，张震关于热壁加氢反应器不锈钢堆焊层检验方法的探讨 【j 】压力容器，2 0 0 4 ，2 1 ( 1 2 ) ：4 5 4 7 【1 6 】陈颖锋加氢精制反应器的检验与分析唧压力容器，2 0 0 1 ，1 8 ( 1 ) ：7 5 7 8 1 7 】韩滔，安丰华预加氢反应器的制造和检验 j 】化工装备，2 0 0 l ，1 7 ( 3 ) ： 4 4 - 4 7 1 8 】张龙习热壁加氢反应器的检验叨化工机械，2 0 0 6 ，3 3 ( 1 ) ：4 0 4 2 1 9 】张龙习热壁加氢反应器的检验与分析m 化工装备，2 0 0 6 ，1 2 ( 3 ) ：4 4 _ 4 8 2 0 】李波，于丽萍，郑启文加氢反应器损伤及检验技术探讨川化工设备， 2 0 0 4 ，1 2 ( 5 ) ：3 9 - 4 2 【2 1 】俞厚德，汤晓英，吴如庆等r 4 0 1 加氢反应器的开罐检验【j 】压力容器，2 0 0 2 ( 4 ) ：6 7 - 7 0 2 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 2 ， 2 0 ( 6 ) ：4 6 5 0 【2 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 2 ， 2 0 ( 5 ) ：3 7 4 l 【2 4 】张浩堆焊层层下裂纹产生原因分析【j 】压力容器，1 9 9 9 ，4 ：6 6 6 9 【2 5 】朱奎龙，陈进不锈钢堆焊试样熔合区充氢前后的断裂韧性研究阴华东理工 大学学报，1 9 9 8 ，2 4 ( 1 ) ：7 8 8 1 【2 6 】林建荣加氢裂化反应器的检验及缺陷处理【j 】压力容器，1 9 9 9 ，3 ：7 2 8 1 【2 7 】张芳21 4 c r - l m o 钢的高温疲劳裂纹扩展行为研究叨化工装备技术，2 0 0 4 ， 2 5 ( 5 ) ：2 8 3 1 【2 8 】v o g tj b e 眦们，j 0 s el s o s a ，a 唱i 1 1 i e rs y l v i e h i g i lt e n l p e 嘲l r cl 0 wc y c l e f a t i g u eo f2 1 4 c r l m os t e e l ：r 0 l eo fm i c r o s 仃u c t u r ca n de 髓c te n v i r o 衄e n t 川 j s m eh l t e m a t i o n 出j o 阴：l a l ，s e r i e sa ：s o l i dm e c h a n i c sa l l dm a t e r i a le n g i i l e e 咖g 2 0 0 2 ，4 5 ( 1 ) ：4 6 。5 0 9 硕士学位论文 第二章热壁加氢反应器筒体热应力分析 了解与掌握热壁加氢反应器简体在正常运行条件下以及开停车工况下的热 应力分布，是开展反应器堆焊层裂纹在热机械疲劳载荷条件下扩展规律研究的 必要前提。而在一些关于加氢反应器热应力分析的文献【1 4 】中，热壁加氢反应器 简体的堆焊层往往被忽略，在计算简体热应力时，以单一的2 2 5 c r l m o 基层材 料为计算模型，其分析的结果必然与实际有差距。因此，本研究对具有堆焊层的 热壁加氢反应器的简体进行热应力分析。 此外，通过第一章绪论和相关文献【5 - 7 】可知，随着热壁加氢反应器服役时间 的增加，筒体堆焊层开裂现象十分普遍并日益严重，且多为周向和纵向浅长表面 裂纹，所以在本章中采用有限元软件a n s y s 在对热壁加氢反应器简体稳态操作 和瞬态开车两种情况下分别进行热应力分析时，以得到简体的轴向应力和环向应 力分布。 2 1a n s y s 有限元软件热分析介绍 对于有限元计算分析，可以使用的软件较多，如m s c n a s t ra n 、a n s y s 、 a b a q u s 、m a r c 、c o s m o s 、a d i n a 和a l g o r 等，本课题选用的是a n s y s 。 a n s y s 是世界上目前使用最为广泛的有限元软件，广泛应用于机械制造、石油 化工、航宇航天、汽车交通、土木工程、水利水电、国防军工、电子工程、生物 医学、日用家电及能源、造船、地矿等一般的工业和科学研究领域。对于热分析 问题，a n s y s 热分析功能尤其强大，可进行热传导、热对流、热辐射、相变、 热应力及接触热阻等问题的分析求解，同时具有良好的操作界面，易于掌握的特 点嘲。 2 1 1a n s y s 热分析中热传递方式 a n s y s 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的 温度，然后导出其它热物理参数。a n s y s 热分析包括热传导、热对流及热辐射 三种热传递方式。 ( 1 ) 热传导 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由 于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律( 式2 1 ) ： 1 0 第二章热壁加氢反应器筒体热应力分析 小一后罕 ( 2 1 ) “石 式中矿为热流密度( w m 2 ) ，后为导热系数( w 佃) ，r 为温度( ) ，负号 表示热量流向为温度降低的方向。 ( 2 ) 热对流 热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热 量的交换。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。热对流可用牛顿冷却方 程来描述( 式2 2 ) ： 口一= 厅( 马一瓦) ( 2 2 ) 式中，厅为对流换热系数( 或称膜传热系数、给热系数、膜系数等) ，五为固体 表面的温度，瓦为周围流体的温度。 ( 3 ) 热辐射 热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。物 体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而 热辐射无须任何介质。实质上，在真空中的热辐射效率最高。 在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐 射并吸收热量。它们之间的净热量传递可以用斯蒂芬一波尔兹曼方程( 式2 3 ) 来计算： g = 叫e 2 ( 互一瓦) ( 2 - 3 ) 式中g 为热流率，占为辐射率( 黑度) ，仃为斯蒂芬一波尔兹曼常数，约为 5 6 7 l o 。8 w m 2 k 4 ，a l 为辐射面l 的面积，e 2 为由辐射面1 到辐射面2 的形状 系数，互为辐射面l 的绝对温度，疋为辐射面2 的绝对温度。由上式可以看出， 包含热辐射的热分析是高度非线性的。 2 1 2a n s y s 热分析类型 a n s y s 热分析类型包括两种类型：稳态传热和瞬态传热。稳态传热是指系 统的温度场不随时间变化。瞬态传热是指系统的温度场随时间明显变化。简单介 绍如下： 硕士学位论文 ( 1 ) 稳态传热 稳态传热是指系统的净热流率为零，即流入系统的热量加上系统自身产生的 热量等于流出系统的热量( 式2 - 4 ) ： ： g 流入+ g 生成一g 流出= o ( 2 - 4 ) 在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程 如下( 式2 5 ) ： 】 r ) = q ( 2 - 5 ) 式中，隧】为热传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；f ) 为 节点温度向量； q 为节点热流率向量，包含热生成。 a n s y s 利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成 呸】、口) 以及 q ) ，进行热计算。 ( 2 ) 瞬态传热 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、 热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理。，瞬 态热平衡可以表达如下( 式2 6 ) ： c 】留 + k 弦 = q ( 2 6 ) 式中，【k 】为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数：【c 】 为比热矩阵，考虑系统内能的增加； r ) 为节点温度向量； 为温度对时间的导 数； 纠为节点热流率向量，包含熟生成。 在本课题中，对热壁加氢反应器简体热分析包括了热壁加氢反应器稳态工作 状态下和瞬态开停车两种情况的热分析。简体内部和简体内壁传导以及保温层 和空气属于热对流，简体和保温层之间属于热传导。在整个计算中，首先根据热 边界条件，利用a n s y s 分析，得到温度场，然后再以温度场对边界条件，进行 应力场计算。 1 2 第二章热壁加氢反应器筒体热应力分析 2 2 热壁加氢反应器简体热应力分析的计算模型 2 2 1 模型几何尺寸 为了方便下面的应力分析计算，有必要选取一个统一的热壁加氢反应器筒体 模型，参考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 o l b 的结构尺寸，同时为了方便有限元建模和计算，取3 0 0 i 砌高的筒节作为计算对 象，具体尺寸如下图2 1 所示。 角俸中心缱 删屏! d 宕 们 i ! 1 9 0 5 t 一 2 3 0 。 1 | i + a 一堆焊层内壁；b 基层内壁；c _ 基层外壁；嗍温层外壁 图2 1热壁加氢反应器筒体模型尺寸( 单位：m m ) f i g 2 - l d i m e 璐i o no ff i n 沁e l e m e n tm o d e l 蠡”c y l i n d e ro fh y d f o g e n a t i o n 他绷r 2 2 2 材料参数 热壁加氢反应器作为石油炼化加氢工艺工艺装置中常用的关键设备之一，长 期处于高温( 3 7 0 4 5 0 左右) ，高压( 1 5 2 0 脚a ) 和临氢状态下工作。热壁 加氢反应器的简体基体材料为c r m o 钢2 2 5 c r l m o ，作为强度层，通常再在其内 表面堆焊上一层3 6 l 衄的不锈钢层( 依次为3 0 9 l 和3 4 7 l ) ，作为防腐蚀材料。 为了保温，再在筒体外层覆盖一层保温材料，通常为硅酸铝。根据扬子石化公司 d c l 0 1 b 的工作条件，设定计算模型内壁温度为4 2 7 。各层的材料特性参数如 表2 1 所示。( 不锈钢堆焊层由3 0 9 l 和3 4 7 l 两种材料组成，但是由于两种材料 的材料特性参数相近，为了计算方便，故视为一种材料为不锈钢堆焊层材料) 。 硕士学位论文 表2 - l4 2 7 时的材料特性参数 弹性模量脚a 波松比 线膨胀系数 m i i 吠m m ) 导热系数 、( m ) 比热j ( i ( g ) 密度岖m 3 1 7 6 5 0 0 o 3 3 5 5 7 3 5 7 8 5 0 2 2 3 网格划分 在a n s y s 中，热应力计算属于热一结构耦合问题，有间接和直接两种方法。 间接法就是先计算温度分布，再以温度场为条件计算应力场：直接法就是温度场 和应力计算同时进行，本文中采用直接法，采用轴对称二维平面四边形四节点耦 合单元p l a n e l 3 ，共划分4 5 0 个单元，4 9 6 个节点。 图2 - 2 模型有限元网格图 f i g 2 - 2 f i n i t ee l e m e i l tm o d e lm e s h 2 2 4 边界条件 计算模型施加温度场边界条件中考虑到简体轴向部分热量传递很小，设上下 截面设为绝热边界条件。加氢反应器筒体内壁为反应区，保温层外壁为空气，故 设模型内外表面为对流换热边界条件。 心 蚍 艄 i 鲫 吣 蝴 郧 跚 舢 第二章热壁加氢反应器筒体热应力分析 计算模型中应力场施加约束为简体内外壁边界为x 方向位移耦合，简体上 边界为y 方向位移耦合，下边界y 方向进行约束。 2 3 稳态操作情况下简体热应力分析 稳态操作情况下，简体内壁热对流温度为4 2 7 ，保温层外为空气层，为