炼厂换热管失效分析及管板接头残余应力研究

发布时间：2017-05-13 01:12

  本文关键词：炼厂换热管失效分析及管板接头残余应力研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在炼油行业,总需要冷却热流体、加热冷流体以及通过汽化和冷凝来分离物料,换热设备不仅能保证这些流程的工艺条件,还是实现二次能源开发利用、完成热回收、节约能源的重要设备。随着现代工业的飞速发展,换热设备的适用领域越来越宽,人们对于换热器的可靠性、服役寿命和质量的要求越来越高。由于换热器在各个领域中的服役工况越来越苛刻,使得换热器故障不断,尤其在炼化企业,因介质的腐蚀、温度高和压力强等引起的破坏和接头的失效最为常见。为了防止换热器过早损坏,管壳式换热器的失效分析问题值得受到关注与研究,因此本文开展了对于换热管腐蚀问题的失效分析以及管板接头上残余应力的研究。本文先从现场失效换热器的调研工作开始做起,针对运行中换热器的换热管上出现的泄漏现象进行了分析研究。通过对发生泄露的换热管的形貌、微观组织、化学成分等的综合分析,得出弯管的失效形式为Cl-所致应力腐蚀,分析得出其内表面的Cl-和S2-是应力腐蚀的介质条件,而内应力是诱导弯管发生应力腐蚀的外因。同时,在实验室理想条件下通过电化学实验模拟了20G钢在介质原液中的腐蚀,采用控制变量法测试腐蚀速率与介质温度、p H值和Cl-浓度的关系,探究这些因素对换热管材料2 0 G钢腐蚀行为的影响规律,分析2 0 G钢的腐蚀机理。管板接头残余应力的失效分析采用了有限元分析中的热应力分析法与X射线衍射法测量法相结合。首先通过有限元分析软件ABAQUS中的热应力分析对管板焊接接的温度场和残余应力进行预测。计算结果表明,最大径向应力出现在相邻角焊缝之间管板表面的热影响区。环向应力的最大值位于焊缝根部,管子与管板间的缝隙附近,而焊缝焊趾与介质相接触,因此是造成应力腐蚀开裂、导致换热管与管板的连接失效的主要因素。管板接头有多道焊缝,对于文中八道焊缝的接头,所有已完成焊接的焊缝在下一个焊缝的焊接加热过程中相当于经受了热处理,其应力值有所下降,这一点对于降低应力腐蚀开裂敏感性非常有利。其次,通过X射线衍射法测量管板接头焊接、先焊后胀、热处理后的环向残余应力,发现焊后残余应力值最大,且均为拉应力。随后的胀接使整个接头的应力值下降,且前后端部分测量点出现压应力。对比有限元分析法的预测值与X射线衍射法的实测值,二者变化趋势一致。
【关键词】：换热器 失效分析 腐蚀 残余应力 热应力分析
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE965
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 管壳式换热器概述11-15
• 1.1.1 管壳式换热器结构11-15
• 1.1.2 管壳式换热器特点15
• 1.2 管壳式换热器失效分析15-17
• 1.2.1 国内外失效分析发展现状15-16
• 1.2.2 失效分析的思路及方法16-17
• 1.3 管壳式换热器失效形式17-21
• 1.3.1 管束失效17-20
• 1.3.2 管子与管板的连接失效20
• 1.3.3 壳体失效20-21
• 1.4 焊接残余应力的数值模拟研究21-22
• 1.5 本文研究的意义及内容22-23
• 1.5.1 课题的研究意义22
• 1.5.2 课题的研究内容22-23
• 第2章 炼厂换热器管束腐蚀失效分析23-29
• 2.1 失效换热管情况23
• 2.2 检测分析及结果23-26
• 2.2.1 宏观形貌23
• 2.2.2 失效区金相组织观察23-24
• 2.2.3 腐蚀产物分析24
• 2.2.4 SEM/EDS分 析24-26
• 2.3 换热管失效原因分析26-28
• 2.3.1 弯管应力计算26
• 2.3.2 腐蚀机理26-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 换热管的电化学腐蚀行为29-36
• 3.1 实验方法29-30
• 3.2 实验结果及分析30-35
• 3.2.1 介质温度对腐蚀速率的影响30-32
• 3.2.2 介质pH对 腐蚀速率的影响32-33
• 3.2.3 介质中Cl~-浓度对腐蚀速率的影响33-34
• 3.2.4 腐蚀机理分析34-35
• 3.3 本章小结35-36
• 第4章 管板接头的残余应力分析36-49
• 4.1 有限元模型的建立36-43
• 4.1.1 几何模型 — Part&Assembly36-37
• 4.1.2 材料参数 — Property37
• 4.1.3 网格划分 — Mesh37-39
• 4.1.4 接触 — Interaction39-40
• 4.1.5 定义分析步—Step40-41
• 4.1.6 热源加载—Load41-43
• 4.2 温度场分析与结果43-46
• 4.2.1 温度场分布云图43-44
• 4.2.2 热循环曲线分析44-46
• 4.3 应力场分析与结果46-48
• 4.3.1 等效残余应力46
• 4.3.2 径向和环向残余应力46-48
• 4.4 本章小结48-49
• 第5章 换热器管板接头残余应力测试49-58
• 5.1 管板接头制备工艺参数的制定49-52
• 5.1.1 管板接头材料及形式49-50
• 5.1.2 管板连接方式及工艺参数50-52
• 5.2 接头金相组织分析52-53
• 5.2.1 接头宏观形貌52-53
• 5.2.2 接头微观组织53
• 5.3 接头残余应力的测试53-55
• 5.3.1 X射线衍射法测残余应力53-54
• 5.3.2 参数选择54-55
• 5.4 接头残余应力测试结果分析55-56
• 5.4.1 测试结果与分析55-56
• 5.4.2 模拟结果与实测结果的比较56
• 5.5 本章小结56-58
• 结论58-59
• 参考文献59-64
• 致谢64-65
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录65

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;第12届全国残余应力学术交流会在武汉召开[J];理化检验(物理分册);2003年01期

2 陈鹏;振动消除宏观残余应力的机理研究[J];电焊机;2005年01期

3 ;第15届全国残余应力学术交流会第1轮通知[J];电镀与环保;2009年03期

4 ;第15届全国残余应力学术交流会于10月在重庆召开[J];中国表面工程;2009年03期

5 周喜来;蒋士杰;刘瑞光;;石化在役设备的焊缝残余应力的消除与控制[J];中国新技术新产品;2012年02期

6 ;第17届全国残余应力学术会议暨国际残余应力研讨会(第1轮通知)[J];中国机械工程;2013年08期

7 ;2013年全国残余应力学术会议暨国际残余应力研讨会将在上海召开[J];中国表面工程;2013年02期

8 高路;圆筒残余应力的测定法[J];化工设备设计;1979年04期

9 李广铎;苏建新;王维容;刘柏梁;;鞲鞴涨圈残余应力的测试与分析[J];机车车辆工艺;1982年05期

10 曾春华;;残余应力对疲劳的影响[J];机械强度;1984年03期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 陈超;潘春旭;;残余应力测量技术的现状和发展[A];湖北省第九届热处理年会论文集[C];2004年

2 游敏;郑小玲;;对接接头横向残余应力调控技术研究[A];中西南十省区（市）焊接学会联合会第九届年会论文集[C];2006年

3 张小勇;楚建新;叶军;陆艳杰;刘鑫;;铜应力缓解层对陶瓷-金属连接残余应力的影响[A];电子陶瓷，，陶瓷，金属封接与真空开头管用管壳的技术进步专辑[C];2006年

4 郑杰;张显程;;高温环境诱导的表面强化处理残余应力的释放[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

5 朱丽娜;徐滨士;王海斗;王成彪;;相关技术在残余应力检测中的应用[A];第八届全国表面工程学术会议暨第三届青年表面工程学术论坛论文集（二）[C];2010年

6 潘勤学;栗勇;徐春广;肖定国;杨向臣;伍懿;;超声法焊缝残余应力检测技术研究[A];2011年机械电子学学术会议论文集[C];2011年

7 任小平;刘怡;;一种无损测试焊接板件残余应力的方法[A];第九届全国结构工程学术会议论文集第Ⅲ卷[C];2000年

8 游敏;郑小玲;;对接接头横向残余应力调控技术研究[A];湖北省暨武汉焊接学会成立二十五周年2005年焊接学术年会文集[C];2005年

9 宇慧平;韩长录;;超高强钢电阻点焊残余应力研究[A];北京力学会第20届学术年会论文集[C];2014年

10 郑永男;左翼;周冬梅;范平;袁大庆;朱升云;;正电子湮没方法研究材料中残余应力[A];第四届全国反应堆物理与核材料学术研讨会论文集[C];2009年

中国重要报纸全文数据库 前6条

1 实习记者 王恒;控制残余应力——寻找加工变形的解决之道[N];中国航空报;2014年

2 陶萍萍;中建钢构用新技术消除钢板墙残余应力[N];现代物流报;2013年

3 ;残余应力与加工变形控制技术[N];中国航空报;2013年

4 ;抗疲劳制造工艺优化方案[N];中国航空报;2013年

5 ;残余应力与变形控制整体解决方案在航空铝合金锻件中的应用[N];中国航空报;2013年

6 蔺军 谢艳花;央视新楼钢构制作特点与加工工艺[N];建筑时报;2007年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 姜杰凤;高锁螺栓干涉安装及其对螺接结构力学性能的影响[D];浙江大学;2014年

2 宋文涛;残余应力超声无损检测与调控技术研究[D];北京理工大学;2016年

3 张峥;飞机弱刚性铝合金结构件的残余应力和加工变形控制技术研究[D];南京航空航天大学;2016年

4 李峰;基于定位强化感应加热技术的磨削表面残余应力控制研究[D];清华大学;2015年

5 王军强;大型壳体结构焊接变形及残余应力调控方法研究[D];北京交通大学;2016年

6 刘海涛;精密薄壁回转体零件加工残余应力及变形的研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

7 曹江;2A02高强度铝合金热加工残余应力研究及其数值模拟[D];西南石油大学;2014年

8 朱丽娜;基于纳米压痕技术的涂层残余应力研究[D];中国地质大学（北京）;2013年

9 陶波;热压玻璃透镜里的残余应力研究[D];中国科学技术大学;2013年

10 宋以国;多焊缝管板结构焊接工艺与残余应力分析[D];哈尔滨工程大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 冯诚诚;Ti-TiN-Zr-ZrN多层膜残余应力及疲劳性能的研究[D];华南理工大学;2015年

2 任喜强;热轧H700×300型钢残余应力的控制[D];河北联合大学;2014年

3 宋金潮;非调质钢棒材轧后冷却过程残余应力数值模拟及实验研究[D];燕山大学;2015年

4 翟紫阳;超高强钢厚板结构件MIG焊温度场应力场数值模拟及试验研究[D];南京理工大学;2015年

5 康玲;正交异性钢桥面板纵、横肋焊接残余应力数值模拟[D];西南交通大学;2015年

6 孙彦文;Q345B钢等离子-MAG复合焊工艺研究[D];西南交通大学;2015年

7 王晓臣;面向卫星零件工艺设计的拓扑优化技术研究[D];北华航天工业学院;2015年

8 刘何亮;U肋与顶板连接焊缝残余应力的三维数值模拟[D];西南交通大学;2015年

9 周鹏;微晶玻璃磨削表面的残余应力研究[D];苏州大学;2015年

10 张爱爱;基于SYSWELD的7A52铝合金双丝MIG焊残余应力分析[D];内蒙古工业大学;2015年

  本文关键词：炼厂换热管失效分析及管板接头残余应力研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：361275