虑及环境因素影响的乙烯裂解炉管管系应力分析

发布时间：2020-04-09 15:35

【摘要】：乙烯的生产在石油化工行业中具有极其重要的位置。乙烯裂解炉是乙烯生产的核心设备,乙烯裂解炉辐射段炉管作为乙烯装置的重要配件,是制约乙烯装置长周期安全运行的主要因素之一。裂解炉管的服役环境十分复杂,高碳势、低氧压的裂解介质与炉管内壁通过对流传热的方式进行热量传递,炉管外壁需要承受高达1150℃左右的高温。渗碳、结焦以及热疲劳的联合作用造成了炉管的损伤,影响了乙烯裂解炉管的安全正常运行。国内外众多科研工作者也相应进行了因渗碳、结焦和热疲劳对乙烯裂解炉管性能的研究,并在研究的基础上开发了各种损伤情况下的炉管剩余寿命评估方法,确保了乙烯裂解炉管的安全正常运行。然而,对于高温环境下1000℃,环境因素影响下的高温行为及其对炉管关系应力的影响分析在国内外鲜见报道。本文在考虑温度、氧化等环境因素影响下,开展了两种离心铸造奥氏体耐热合金Cr35Ni45Nb和Cr25Ni35Nb材料单一氧化、单一渗碳和预氧化+渗碳的实验。然后进行热膨胀测定和小冲杆实验,获得弹性模量、线膨胀系数、屈服强度和抗拉强度等机械性能参数。在分析过程中考虑了热源布置方式、炉管现场安装约束方式对管系应力的影响。最后在ANSYS下的WORKBENCH仿真平台进行了流固热顺次耦合的热应力分析,在分析过程中考虑了热源布置方式、炉管现场安装约束方式和渗碳对炉管管系应力的影响。研究结果表明:随着渗碳层厚度的增加,乙烯裂解炉管的性能呈现出劣化趋势,并且高温预氧化会加速渗碳行为。通过小冲杆实验发现Cr35Ni45Nb材料相较于Cr25Ni35Nb材料,其屈服强度和抗拉强度更高;通过热源布置方式对管内温度分布数值模拟发现燃烧器底部和侧壁联合供热,且侧壁平行供热的方式使管内温度分布更优;通过管束布置方式对炉管管系应力的影响数值模拟发现炉管上下移动和底部转动可以以形变的方式抵消一部分应力,当底部卡死时,炉管的最大应力达到1455MPa,此时最大位移为697.5mm,在这种情况下炉管已经发生断裂;通过渗碳对炉管应力影响数值模拟发现Cr35Ni45Nb材料的Mises应力、环向应力和轴向应力值均低于Cr25Ni35Nb材料,径向应力值较小,故不做讨论,渗碳层厚度的增加使得炉管应力值增大。
【图文】：

(a) (b)图 1-1 裂解炉管破裂处形貌：（a）整体形貌；（b）剖面形貌Fig.1-1 Morphology of Cracked Cracking Furnace Pipe: (a) external morphology; (b) profilemorphology渗碳后材料的物理性能会发生变化。渗碳使体积膨胀和密度减小，且含碳量越高，密度越小。渗碳使热膨胀系数降低，在相同的温度下，碳量越高，热膨胀系数越低。渗碳使导磁率升高，，根据此原理可进行渗碳层厚度的测量[49]。另外渗碳会使合金的机械性能发生变化，主要是蠕变强度和韧性减小，从而使蠕变断裂和热循环疲劳故障增加。如图 1-1（a）和（b）所示为裂解炉管断裂处外部形貌和剖面形貌。炉管渗碳与使用温度密切相关。因此为防止炉管渗碳而适当控制炉管的使用温度是十分重要的。尤其是在裂解炉运行末期，由于管壁结焦积碳较厚影响传热会使管壁温度明显上升。据有关资料介绍[50]，温度每提高 100℃，会使炉管渗碳加剧一倍。国外有人提出，当渗碳层达到壁厚的 60%时，可将炉管判废。国内目前都以渗碳层达到壁厚的 60%作为判废依据[51]。渗碳会对炉管的微观组织造成恶劣的影响，导致炉管组织性能的劣化，随着

技术路线图
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ221.211;TQ052

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本文编号：2620946