高温石油炉管长期服役后的蠕变屈曲

发布时间：2020-04-11 05:30

【摘要】：作为高温设备中最重要的构件之一,高温炉管具有多种优良的性能得以广泛应用在化工工程等领域。高温炉管在其服役过程中的环境极其恶劣,长时间服役极易产生蠕变、腐蚀等损伤,导致高温炉管的强度和稳定性急剧下降。高温构件问题相对来说较为复杂且影响因素更为多样,其研究在学术界仍是一大难点。同时对于高温炉管蠕变稳定性问题的研究具有显著的工程意义。本文的研究对象是高温环境中,受外压作用炉管的蠕变屈曲。为此,将炉管视为两端简支的有限长圆柱壳,依据蠕变陈化理论和经典薄壳理论,考虑温度场和压力场的作用,研究圆柱壳高温蠕变屈曲稳定性问题,深入分析不同因素对圆柱壳蠕变屈曲性能的影响。主要研究内容如下:首先,根据塑性力学的全量理论并引入高温炉管的非线性材料蠕变性能建立炉管蠕变情况下应力-应变本构关系。由于高温环境的影响导致炉管发生蠕变,引起炉管本构方程的改变,使得其物理方程不同于常温环境下弹性屈曲的物理方程。分析时,将炉管在高温温度场中的蠕变屈曲过程视为两个阶段:第一阶段为炉管在高温外压作用下发生蠕变变形及其随时间增加所引起的材质刚度降低;第二阶段为炉管瞬时分岔屈曲。根据陈化理论,并考虑炉管受外压作用下的受力机制,建立炉管受外压作用的蠕变本构方程。其次,建立并求解考虑初始曲率影响的炉管蠕变屈曲控制方程。在Karman-Donnell方程的基础上考虑非浅圆柱壳初始曲率对曲率变化及弯矩的影响,建立非浅壳圆柱壳几何方程,引入炉管受外压作用的蠕变本构方程,推导并建立用位移函数表示的、适用于有限长非浅圆柱壳蠕变分岔屈曲问题的控制方程。结合圆柱壳受外压作用下瞬时分岔屈曲时平衡位态的跳跃变化的特点,引入满足简支位移边界条件的屈曲位移函数,求解控制方程。再次,与实验结果进行比较,验证模型的有效性。采用现有文献的高温管道蠕变材料属性,针对金属镍和锆合金两种不同材料的炉管进行理论分析,并获得炉管蠕变屈曲荷载。将所得的屈曲荷载的理论解与实验结果进行比较,验证理论分析的合理性。最后,进行数值算例和有限元分析。给出不同温度适用的参数进行MATLAB编程求解具体算例值,分析材料参数、炉管长径比、径厚比,时间和温度对于圆柱壳蠕变屈曲极限强度。应用ABAQUS建模,进行有限元仿真,并与理论解进行比较。
【图文】：

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图 1-2 高温炉管爆破和结焦时的形态1.2 国内外研究现状目前，，国内外对于高温构件发生蠕变效应方面的研究主要有两种类型。一种是对材料蠕变性能的分析，且绝大多数是对材料的剩余寿命进行预测，方法主要分为两类：一类是通过建立参数法唯象模型的方法，对试验结果进行表象上的数学描述，不反应蠕变材料本身的物理意义，主要为用于预测材料寿命，通常采用的有 Larson-Miller 预测法、θ-函数预测法及其修正法、Z-Parameter 预测法、Graham-Walles 数学模型、C-影射法、蠕变曲线逼近预测法等；另一类是基于材料蠕变的物理意义通过微观或细观力学及热力学建立物理模型，针对高温构件蠕变损伤，国内外专业人士常用的几种蠕变损伤模型处理，包括 Norton公式的蠕变损伤公式、Kachanov-Robatnov 损伤模型、Leimatre 损伤模型。[6]另外一种蠕变研究方法则是对结果蠕变性能分析。本文主要也是进行结构方面的分析。结构的屈曲、蠕变屈曲以及后屈曲是固体力学中最为经典的研究内容，也是相对来说

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使在应力小于屈服极限时仍具有不可逆的变形性质[48]。ndrade 指出经典的蠕变曲线主要分为三个阶段： 2-3 中的 oa 段，在外力的作用下发生弹塑性应变e + 生的。 2-3 中的 ab 段，蠕变速率不断降低并趋向稳定、材料发随时间的增加不断减小，曲线越平缓，称为不稳定蠕变 2-3 中的 bc 段，即图中显示的直线段，蠕变速率达到最数，且这个阶段时间较长。称为稳定蠕变阶段或稳态蠕 2-3 中的 cd 段，蠕变速率迅速上升。蠕变变形迅速发展，即 d 点时发生断裂，所以被称为破坏阶段。
【学位授予单位】：暨南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU33

【参考文献】