渗碳_蠕变共同作用下HK40和HP钢乙烯裂解炉管损伤过程模拟

关键词 :
乙烯裂解炉管; 渗碳 ; 时变应力场 ; 蠕变损伤
文献标识码 : A 文章编号 : 1000 3738( 2005) 11 0017 04
中图分类号 : T G111. 8
Damage Simulation of Ethylene Cracking Tube of HK40 and HP Steel under Interaction of Carburization and Creep
[ 1]
2
典型工况分析
裂解炉管经短暂升温过程后达到 1 173~ 1 373 K 的恒温运行温度 ( 乙烯裂解阶段) , 在此阶段, 管内 原料气( 碳氢化合物) 发生裂解, 分解出的活性碳吸 附于炉管内壁 , 其中一部分渗入炉管并扩散形成渗 碳层 , 另一部分则在内壁造成结焦。结焦会减少管 内孔面积 , 也 会降低管传热性能 , 故要定 期停炉清 焦。炉管在这种工况下服役时, 将产生复杂的应力 场: 渗碳层与母材的密度不同引起渗碳部分体积膨 胀, 从而在炉管内产生渗碳应力; 渗碳层与母材的热 膨胀系数不同 , 在升降温过程中炉管内产生由热膨 胀系数和温差共同作用下的热应力 ; 恒温运行时在
( 5)
式中 ∀ t 为热膨胀系数, 其值是含碳量的函数; T 为 温度 ; T 为温度 变化; h 为 单元厚度 ; E 为弹性 模 量; # 为泊松比 ; b i 、 ci 、 bj 、 cj 、 bm 、 cm 为与单元节点坐 标( i , j , m ) 相关参数。
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BTD
ex
( 11)
式中
为内压在坐标 x 、 y 方向的分量。 3. 2 渗 碳 由于 H K40 ( 0. 4% C 25% Cr 20% N i) 和 H P ( 0. 5% C 25% Cr 35% Ni) 钢的铬含量很高 , 奥氏体 中碳的溶解度很低 , 渗碳时渗层中有碳化物析出 , 属 反应扩 散范 畴。低 含碳 量情 况下, 先析 出 M 23 C6 ( Cr 16 F e7 C6 ) 型碳化物 , 随着碳浓度增 加, M 23 C6 逐 渐转化为 M 7 C 3 ( Cr 3. 5 F e3. 5 C 3 ) 型碳化物[ 2] , 全部转 化完毕后直接析出 M 7 C 3 型碳化物。碳浓度的具体 计算过程及各种参数的选取详见文献 [ 3] 。 考虑到渗碳膨胀与热 膨胀相似 [ 4, 5] , 作者 将碳 浓度增加 1% 时材料发生的线应变定义为其线渗碳 膨胀系数 ∀ 1, c , 其体膨胀系 数为 ∀ v, c , ∀ v, c 为 ∀ 1, c 的 3 倍。由钢密度与含碳量关系曲线 [ 6] 可求得含碳量与 比容之间的关系, 再类似于热膨胀系数的定义可得 到∀ v, c , 进而得到 ∀ l, c 。 对于渗碳 :
T { } ex = ∀ l, c c( 1 1 0)
3
时变应力场的有限元模型
由于炉管的直管部分很长 , 计算时将其作为平 面应变问题处理。采用三角形单元划分网格。计算 中, 考虑到裂解管管壁很薄( 10 mm) , 忽略管壁内外 温差 ; 因弹性模量对材料组织不敏感, 忽略渗碳时组 织转变对弹性模量的影响 ; 由于升降温过程很短, 假 定渗碳和蠕变仅在恒温阶段发生 ; 仅在弹性范围内 计算温度、 内压、 渗碳和蠕变的交互作用。 炉管应力场是热应力、 管内气体压应力、 渗碳应 力和蠕变松弛应力的叠加。采用初应变法以增量形 式统一表示四种力的应力 应变关系为 : { } = [ D ] ( { } - { } ex ) 单元的应变可表示为 : { } = [ B] { ! } 其位移增量可表示为 :
摘 要:
通过对乙烯裂解炉管典型工况的分析, 建立了炉管在渗碳 、 蠕变共同作用下的时变应力
场的计算模型, 并模拟计算了 H K40 和 H P 材料炉管在 1 173 K 工况下服役时的碳浓度分布 、 应力 分布及蠕变损伤分数 。结果表明: 炉管外壁开裂主要是渗碳诱发应力所致 ; 计算得到的炉管失效方 式、 位置和寿命均与实际情况基本吻合; 该模型可以用来计算炉管损伤程度, 还可以预测任意给定 工况下炉管的剩余寿命。
第 29 卷 第 11 期 2005 年 11 月
机
M at erials
械
f or
工
程
材
料
M echanical
Eng ineering
Vo l. 29 No . 11 N o v. 2005
渗碳、 蠕变共同作用下 HK40 和 HP 钢 乙烯裂解炉管损伤过程模拟
李海英, 祝美丽, 张俊善, 屈献永 ( 大连理工大学材料工程系, 辽宁大连 116024)
T
蠕变松弛
利用普朗特 路斯流动法则 , 得到蠕变应变增量 计算公式为: ( 9) { } 为等效应力; d ex 为等效蠕变应力增量, 它
ex
d{ } ex = d
式中
可由单向拉伸的蠕变试验求得。钢的蠕变数据符合 式 10[ 7] : d ex = A dt
n
ex p ( -
Q ) RT
பைடு நூலகம்
( 10)
( 4)
Key words: ethylene cracking t ube; carburization; str ess field; creep damag e
1
引
言
时变应力场, 并模拟了炉管损伤过程, 对保证安全生 产及适时更换炉管具有重要的实际意义。
乙烯生产在 石油化工工业中 占有非常重要 地 位。乙烯裂解炉是乙烯生产的核心设备, 而裂解炉 管的使用和损伤情况直接影响裂解炉乃至整个乙烯 装置的正常运行。近几十年来 , 炉管损伤及寿命评 估方面已有很多研究, 但多侧重于炉管组织转变和 性能变化的定性分析
damag e process of the tube was established under t he inter act ion of carburizatio n and cr eep. T he car bo n co ncentration, str ess distributio n and creep damage fr action of H K 40 and H P steel w ere calculated at 1 173K . T he st ress generated by carburizatio n w as the main cause o f the damage at t he ektex ine o f the tube. T he calculated failur e form , locatio n and t he life of the tube w ere all in g oo d agr eement with practice. T his metho d can be used to calculate the damage degr ee and residua l life of the tube under any ser vice conditio n.
B 为应变矩阵 ; D 为单元刚度矩阵。
李海英 , 等 : 渗碳、 蠕变共同作用下 H K40 和 H P 钢乙烯裂解炉管损伤过程模拟
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寿命计算
计算出每个单元的应力随时间的变化后 , 就可
炉管具体工况为内压 0. 5 MP a, 温度 1 173 K, 清焦周期 30 d, 炉管内径 100 m m, 壁厚 10 mm 。 由图 2 可见, 相同运行时间下 , H P 炉管的碳浓 度及渗碳层厚度均明显小于 H K40 钢, 表明 H P 的 抗渗碳性能明显优于 H K40; 计算所得曲线与实际 测量结果基本吻合。 由图 3 可见, 炉管内 壁受压应力, 外 壁受拉应 t
e
( 1) ( 2) ( 3)
( 7)
渗碳引起的单元载荷向量为 : { R cn } e = 式中 3. 3
l, c cE h ∀ [ bi c i b j c j b m c m ] T 2( 1 - 2 # ) c 为碳浓度变化量。
{! } = [ K ] - 1 { R}
( 8)
式中 { } 为应力增量; { } 为应变增量; { ! }为 位移增量 ; [ D ] 为单元 刚度矩阵; [ B ] 为应变矩阵 ; [ K ] 为迭代求解时的刚度矩阵; { R } 为不同类型的 力引起的节点载荷向量 ; { } ex 为各类型力的 初应 变增量; { } 为应变; { ! } 为位移矩阵 ; e 为单元编号 ; { R } 和 { } ex 对应于不同的力有不同的形式 , 其形式 在下面将详细给出。计算时由式 3 迭代出各种力引 起的位移增量, 再代入式 1、 式 2 即可求得各应力 , 总应力为四种应力的叠加。 3. 1 热应力和气体压应力 热应力: { } ex = ∀ t { 1 1 0} 热应力引起的单元载荷向量为 :
LI Hai ying, ZHU Mei li, ZHANG Jun shan, QU Xian yong ( Dalian U niv ersit y o f T echnolog y, Dalian 116024, China) Abstract: Based on analysis o f the ty pical ser vice condition of ethylene cracking tubes, a ca lculatio n model o f
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, 而对炉管应力场的定量研
究尚无报道。作者通过对乙烯裂 解典型工况的 分 析, 针对 H K40 和 H P 两种不同材质的炉管, 采用有 限元法计算了炉管运行时渗碳、 蠕变共同作用下的
收稿日期 : 2004 08 09; 修订日期 : 2004 10 20 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 50071016) 作者简介 : 李海英 ( 1980- ) , 女 , 河南鹤壁人 , 硕士研究生。 导师 : 张俊善教授 , 祝美丽副教授