（化工过程机械专业论文）铂重整反应器的损伤分析与寿命评价.pdf

硕士学位论文 摘要 本论文以已服役1 5 万小时的重整反应器为研究对象，对其损伤程度及蠕变 剩余寿命进行了研究。通过微观组织和机械性能的测试，了解了服役材料的损伤 程度；通过不同的寿命预测方法预测了铂重整反应器的剩余寿命，并建立了基于 硬度的蠕变剩余寿命预测法；最后利用有限元方法，对重整反应器的受力状况进 行模拟分析，得到了反应器的应力和损伤分布情况，并再次对重整反应器剩余寿 命进行了预测。 本文的主要研究内容和结论如下： ( 1 )经过1 5 万小时服役的1 0 c r m 0 9 1 0 材料化学成分正常，但是服役材 料珠光体中的碳化物发生了明显的分解和球化，但仍保持在原有的区域内；在晶 界上可发现有碳化物聚集和长大的现象；在铁素体晶粒内，可发现有大量微细碳 化物弥散分布；但无蠕变孔洞和显微裂纹存在。可定性判断服役材料球化级别为 2 5 级。经过1 5 万小时服役后材料中碳化物相由m 2 c + m 3 c 为主转变为m 6 c ( 主 相) + m 2 3 c 6 + m 2 c ，m 2 c 碳化物所占比例为2 5 ，m 6 c 碳化物为4 9 ，m 2 3 c 6 碳化 物为2 6 。 ( 2 )与b se n l 0 0 2 8 2 标准相比，服役材料除了抗拉强度和屈服强度略低 于该标准所要求强度值的下限，其它常温和高温力学性能仍符合要求。服役材料 的持久强度出现了一定程度的降低，同时材料在高温环境下长时运行，产生了软 化，其显微硬度出现了明显的下降。 ( 3 ) 服役材料的韧脆转变温度为1 3 7 。c ，超过了0 ；与新材料相比，其 韧脆转变温度上升的幅度达到5 8 3 。c 。因此，铂重整反应器必须在开停车期间 严格按照操作规程进行，采用热态开停工方案，即开工时先升温后升压，停工时 先降压后降温，特别是在紧急停车情况，避免回火脆化所导致的开裂问题。 ( 4 )通过建立l a r s o n m i l l e r 参数外推法和基于硬度的蠕变剩余寿命预测 法，结合应力计算结果，获得了重整反应器的剩余寿命，结果显示：在没有考虑 腐蚀和氧化的影响条件下，保守估计( 安全系数取1 5 ) ，在5 4 3 。c 温度下服役1 5 万小时后重整反应器的剩余寿命分别为1 4 8 6 9 9 2 h 和1 0 9 5 2 7 6 h 。 摘要 ( 5 ) 不同温度下的l a r s o n m i l l e r 参数外推法和基于硬度的预测法两种预 测方法结果比较表明：后者的预测结果比前者保守，使用硬度法预测剩余寿命是 可行的；同时应注意，温度对材料的寿命影响重大，实际生产中必须严格杜绝超 温现象。 ( 6 ) 基于修正的损伤力学本构方程，通过编写的损伤子程序与a b a q u s 软件的连接，结合实际工况，模拟分析铂重整反应器在5 4 3 下的服役情况，结 果表明服役过程中，应力是不断变化的，1 5 万小时后，铂重整反应器的最大应 力值位于d c 3 0 1 上变径段连接处内表面( 节点3 1 1 ) ，其值为4 6 4 8 m p a 。 ( 7 ) 整体铂重整反应器模型计算结果表明，1 5 万h 后损伤最大值位于支 座与简体下交点处( 节点4 4 ) ，其损伤值达到了0 4 4 5 3 。而内封头对整体模型的 损伤影响较小，但筒壁开孔会大大加速反应器的损伤破坏速度，减少设备的使用 寿命，两个局部模型1 5 万小时后的损伤最大值分别达到了0 4 4 7 6 和o 5 5 7 6 。综 合分析，铂重整反应器的剩余寿命在1 1 9 万小时1 8 7 万小时之间。2 5 万小时 的分析模型证实了铂重整反应器可以在未来l o 万小时里安全可靠运行。 关键词：铂重整反应器】0 c r m 0 9 1 0 蠕变损伤回火脆性剩余寿命有限元 硕士学位论文 a b s t r a c t c r e e pd a m a g ea n dr e m a n e n tl i f eo ft h ep l a t i n u mr e f o r m i n gr e a c t o rf a b r i c a t e d w i t h10 c r m 0 910s t e e l ，w h i c hh a ds e r v i c e df o ra b o u t15 0 ，0 0 0 h ，h a sb e e ns t u d i e di n t h i sd i s s e r t a t i o n c r e e pd a m a g eh a sb e e nc o m p r e h e n s i , e l ya s s e s s e db yo b s e r v i n gt h e m i c r o s t r u c t u r e sa n dt e s t i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa tt h er o o mt e m p e r a t u r ea n d e l e v a t e dt e m p e r a t u r e r e m a n e n tl i f eh a sb e e np r e d i c t e db yd i f f e r e n tm e t h o d s ，a n da n e wa n dc o n v e n i e n tl i f ep r e d i c t i o nm e t h o db a s e do nh a r d n e s sh a sb e e ne s t a b l i s h e d f i n a l l y , t h es t r e s sa n dc r e e pd a m a g ed i s t r i b u t i o no ft h ep l a t i n u mr e f o r m i n gr e a c t o ra n d i t sl o c a lp a r t sh a sb e e na n a l y z e db yu s i n ga b a q u su s e rs u b r o u t i n ew h i c hi s c o m p l i e df o rc o m p u t i n gt h ed a m a g e ，a n dt h er e m a n e n tl i f eh a sb e e np r e d i c t e do n c e a g a i nb yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h e m a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ( 1 ) a f t e ra b o u t15 0 ，0 0 0 hs e r v i c i n g ，t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f10 c r m 0 910 s t e e lw a ss t i l ln o r m a l d i s p e r s i o na n ds p h e r o i d i z a t i o no fc a r b i d e si nt h ep e a r l i t eh a d b e e no c c u r r e d ，b u ts t i l lr e m a i n i n gi nt h e i ro r i g i n a lr e g i o n t h ea c c u m u l a t i o na n d g r o w t ho fc a r b i d e sc a nb ef o u n di ng r a i nb o u n d a r y al a r g en u m b e ro ft h ec a r b i d e s w e r ed i s p e r s e di nt h ef e r r i t e n oc r e e pc a v i t i e sa n dm i c r o c r a c k sw e r ef o u n d s p h e r o i d i z a t i o nl e v e lw a s2 5 a n dt h ec a r b i d ep h a s et r a n s f o r m e di n t om 6 c ( m a i n p h a s e ) a n dm 2 3 c 6a sw e l la sm 2 cf r o mm 2 ca n dm 3 c m 6 c ，m 2 ca n dm 2 3 c 6 a c c o u n t e df o r4 9 2 5 2 6 r e s p e c t i v e l y ( 2 ) c o m p a r e d w i t hb se n10 0 2 8 2 s t a n d a r d s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f 10 c r m 0 910s t e e ls e r v i c e df o rl o n gt e r mw e r es t i l lm e tt h er e q u i r e m e n t ，i na d d i t i o nt o t e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t hs l i g h t l yl o w e rt h a nt h es t a n d a r dv a l u eo ft h e m i n i m u ms t r e n g t hr e q u i r e d t h el a s t i n gs t r e n g t ha n dh a r d n e s ss i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e d ( 3 ) t h ed u c t i l e b r i t t l et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo f10 c r m 0 9 10s t e e ls e r v i c e df o r l o n gt e r mi s 13 7 ，i ti sm o r et h a n0 c o m p a r e dw i t hn e wm a t e r i a l ，t h e d u c t i l e b r i t t l et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r er e a c h e du pt o58 3 t h e r e f o r e t h eo p e r a t i n g p r o c e d u r e sm u s tb ec a m e do u ts t r i c t l y i na c c o r d a n c ew i t ht h ea d o p t e dt h e r m a l a b s t r a c t s h u t d o w n ，w h i c h m e a n st h a th e a t i n gb e f o r e b o o s t i n gw h e ns t a r to p e r a t i o na n d d e p r e s s u r i z i n gb e f o r ec o o l i n gw h e ns h u t d o w n ，e s p e c i a l l yi ne m e r g e n c ys t o ps i t u a t i o n s a v o i d i n gt h ec r a c k i n gp r o b l e md u et ot e m p e re m b r i t t l e m e n t ( 4 ) t h er e s i d u a ll i f eo fp l a t i n u mr e f o r m i n gr e a c t o rh a sb e e np r e d i c t e db yt h e m e t h o do fl a r s o n m i l l e rp a r a m e t e re x t r a p o l a t i o na n dt h en e wc r e e pl i f ep r e d i c t i o n m e t h o db a s e do nh a r d n e s s ，c o m b i n i n gw i t ht h es t r e s sr e s u l t s t h er e s u l t ss h o wt h a t ， t h er e m a i n i n gl i f eo fr e f o r m i n gr e a c t o rw e r er e s p e c t i v e l y14 8 6 9 9 2 ha n d10 9 5 2 7 6 h u s i n gt h e s et w om e t h o d s ，i nt h ea b s e n c eo fc o n s i d e r i n gt h ei m p a c to fc o r r o s i o na n d o x i d a t i o nc o n d i t i o n sa sw e l la si nt h ec o n d i t i o no fc o n s e r v a t i v ee s t i m a t e s ( s a f e t y f a c t o rn = 1 5 、 ( 5 ) t h er e s u l to fl a r s o n m i l l e rp a r a m e t e re x t r a p o l a t i o na n dp r e d i c t i o nm e t h o d b a s e do nh a r d n e s sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ss h o w st h a tt h el a t t e rm e t h o di sr e l a t i v e l y c o n s e r v a t i v ea n dt h ep r e d i c t i n gr e m a i n i n gl i f eb a s e do nh a r d n e s si sf e a s i b l e ，a n d e f f e c to ft e m p e r a t u r eo nt h em a t e r i a ll i f ei sh u g e ，o v e r - t e m p e r a t u r eo p e r a t i o nm u s tb e p r e v e n ti nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n ( 6 ) b a s e do nt h em o d i f i e dk a r c h a n o v - r a b o t n o vc o n s t i t u t i v ee q u a i o no fd a m a g e m e c h a n i c s ，t h eu s e rs u b r o u t i n ew e r ec o m p i l e da n dc o u p l e dw i t ha b a q u sf i n i t e e l e m e n tc o d eb yu m a t b a s e do nt h i s ，t h ep l a t i n u mr e f o r m i n gr e a c t o rw a s a n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u ms t r e s sl o c a t i o ni sa l w a y sc h a n g i n ga n da f t e r 15 0 ，0 0 0 h ，t h em a x i m u ms t r e s si so nt h ei n n e rs u r f a c eo fa d j u s t a b l ej u n c t i o ns e c t i o no f d c 3 01 ( n o d e311 ) ，i t sv a l u ei s4 6 4 8 m p a ( 7 ) t h er e s u l to ft h ew h o l e m o d e ls h o w st h a tt h em a x i m u md a m a g el o c a t e su n d e r t h es u p p o r ta n dc y l i n d e ri n t e r s e c t i o n ( n o d e4 4 ) a f t e r15 0 ，0 0 0 hs e r v i c e ，i t sv a l u ei s 0 4 4 5 3 a n dt h er e s u l to ft h es u b m o d e ls h o w st h a tt h ei m p a c to ft h ei n t e r n a lh e a di s s m a l l ，b u tt h ep i p ei nt h ec y l i n d e rw i l lg r e a t l ys p e e du pt h er a t eo fd a m a g e t w o s u b m o d e l sd a m a g ev a l u ei s0 4 4 7 6a n do 5 5 7 6 r e s p e c t i v e l y c o m p r e h e n s i v e a n a l y s i so fp l a t i n u mr e f o r m i n gr e a c t o r , t h er e m a i n i n gl i f ei sr a n g e db e t w e e n119 ，0 0 0 h a n d18 7 0 0 0 h t h er e s u l to ft h ew h o l em o d e la f t e r2 5 0 ，0 0 0 hc o n f i r m e dt h ep l a t i n u m r e f o r m i n gr e a c t o rc a nb eu s e ds a f e l ya n dr e l i a b l e l yi nt h en e x t10 0 ，0 0 0 h 硕士学位论文 k e y w o r d s ：p l a t i n u mr e f o r m i n gr e a c t o r lo c r m 0 910 c r e e pd a m a g e t e m p e r b r i t t l e n e s sr e m a n e n tl i f ef i n i t ee l e m e n t v 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t a c t i i i 第1 章绪论1 t 1 引言2 1 2 重整反应器损耗因素及机理1 1 3 高温构件的蠕变剩余寿命预测5 1 4 基于硬度法的蠕变寿命预测6 1 4 1 硬度的定义及常用方法6 1 4 2 基于硬度法的蠕变剩余寿命预测现状6 1 5 基于损伤力学的有限元寿命预测1 0 1 5 1 损伤力学在蠕变研究中的发展11 1 5 2 基于损伤力学的有限元法应用现状1 3 1 6 本文研究背景及研究内容1 4 1 6 1 研究背景1 4 1 6 2 研究内容1 4 参考文献一15 第2 章铂重整反应器服役材料的微观组织分析19 2 1 引言1 9 2 2 相分析简介1 9 2 3 试样的制备与试验方法2 0 2 3 1 材料取样2 0 2 3 2 试验方法2 1 2 4 试验结果2 3 2 4 1 化学成分分析2 3 2 4 2 金相组织分析2 3 2 4 - 3 碳化物分析2 6 2 5 综合分析与评定2 8 目录 2 6 本章小结2 9 参考文献3 0 第3 章铂重整反应器服役材料的机械性能测试3 2 3 1 引言3 2 3 2 试样的制备与试验方法3 2 3 3 试验结果与分析3 4 3 3 1 常温和高温拉伸试验及冲击试验3 4 3 3 2 回火脆性试验与断口扫描3 6 3 3 3 持久试验3 8 3 3 4 显微硬度测量3 9 3 4 本章小结4 0 参考文献4 0 第4 章铂重整反应器的蠕变寿命评价4 1 4 1 引言4 1 4 2l a r s o n m i l l e r 参数外推法4 2 4 2 1l a r s o n m i l l e r 参数由来4 2 4 2 2l a r s o n m i l l e r 法寿命预测公式4 3 4 3 基于硬度的剩余寿命预测法4 4 4 3 1 时效试验4 4 4 3 2 硬度测量4 6 4 3 3 持久实验4 6 4 3 4 基于硬度的剩余寿命预测公式4 8 4 4 应力计算4 9 4 4 1 铂重整反应器基本情况4 9 4 4 2 铂重整反应器应力计算结果5 1 4 5 铂重整反应器蠕变剩余寿命5 4 4 6 两种蠕变寿命评估方法的比较5 5 4 7 本章小结5 5 参考文献5 6 硕士学位论文 第5 章铂重整反应器蠕变损伤的有限元分析一5 7 5 1 引言5 7 5 2 损伤力学本构方程及材料参数确定5 7 5 2 1 本构方程5 7 5 。2 2 参数确定5 8 5 3 用户子程序的编写5 8 5 3 1u m a t 接口5 9 5 3 2u m a t 程序流程6l 5 3 3 收敛问题6 2 5 4 整体铂重整反应器的损伤分析6 3 5 4 1 模型的建立及单元划分6 3 5 4 2 边界条件和载荷的设定6 3 5 4 3 计算结果与分析6 4 5 5 局部模型的损伤分析内封头7 1 5 5 1 模型的建立及单元划分7 1 5 5 2 边界条件和载荷的设定7 1 5 5 3 计算结果与分析7 1 5 6 局部模型的损伤分析s 7 管道开孔7 2 5 6 1 模型的建立及单元划分7 3 5 6 2 边界条件和载荷的设定7 3 5 6 3 计算结果与分析7 3 5 7 综合分析与寿命评价7 5 5 8 本章小结7 6 参考文献7 7 第6 章总结与展望7 8 6 1 总结7 8 6 2 展望7 9 发表论文及参加项目8 1 目 录 致谢8 2 硕士学位论文 第1 章绪论 现代的过程工业主要是在二次世界大战( 1 9 3 9 一- - 1 9 4 5 ) 以后发展起来的，战 后经济的恢复和发展，人们生活品质的提高，对能源和材料，特别是橡胶、塑料、 纤维等合成材料有了大量的需求，这就给过程工业带来一个迅速发展的契机，在 技术上主要表现为设备的大型化和综合化。而且，二十世纪全球三次石油危机的 爆发，迫使人们反思传统的社会经济发展模式，并使人们认识到过程工业的设计 与管理必须服从经济性、可持续发展的原则，这就进一步导致了石油、化工、能 源加工业的工艺向着高温、高压和大型化的方向发展。 然而，设备或管道在使用过程中会由于断裂、变形、磨损、腐蚀等形式的损 坏而发生失效，导致其规定功能丧失。一般来说，发生下列三种情况之一时， 机械零件或装置被定义为失效，第一，完全不能继续服役；第二，虽然还能运行， 但已部分失去其原有的功能；第三，虽然能运行，发挥原有功能，但因受损伤而 不能安全可靠地继续服役【2 j 。失效事故往往造成不同程度的经济损失，可能危及 人身安全。因此，从机械零件的服役条件出发，从外部现象和内在因素分析发生 各种破坏的特征，揭示破坏的原因，研究和采取补救措施和预防措施，可防止事 故的再发生，进一步提高产品的质量，延长设备的使用寿命。 石油化工是国家的重点和支撑行业之一，是以原油和天然气为原料的生产过 程，其中炼油的工艺流程如图1 1 所示。石油中含有的大分子烃在化学结构上都 是非常稳定的，常温条件下很难参与化学反应成为有用的产品，一般都要在高温 高压下转化为一氧化碳和氢，然后再进行反应。其中催化重整是使石油馏分经过 化学加工转变为芳烃的重要方法之一。催化剂是载于活性氧化铝上的铂或铂铼， 经过预热的原料油与循环氢混合并加热至4 9 0 5 3 0 。c ，在1 - 、一2 m p a 下进入反应 器反应。由于生成芳烃的反应都是强吸热反应，故需要几个反应器串联起来，反 应器之间设有加热炉，用于补偿反应吸收的热量，以保证反应的效率。反应器是 石油化工过程中主要用来完成介质的化学、物理反应的设备。按反应器的壁温分， 可分为热壁和冷壁反应器；按介质流向分，又可分为径向和轴向反应器；按催化 第l 章绪论 剂床层的状态来分，又可分为固定床和流动床反应器【3 j 。 其中，重整反应器是芳烃联合装置的核心设备，工艺上的要求使得重整反应 器及管道都必须在高温下工作，同时还要承受一定的氢分压，其材质多选用 c r m o 型低合金耐热钢。在高温、高压以及腐蚀介质的环境条件下长期服役，重 整反应器失效形式包括高温蠕变、脆化导致的低温脆断、开停车所引起的疲劳以 及氢腐蚀等，所以，评定和预测服役多年重整反应器在一定运行环境下的损伤原 因，综合评价高温临氢环境下结构的高温性能和寿命，了解掌握该反应器的损伤 和寿命状况，减少运行事故发生，避免非计划性停车，对长期服役的重整反应器 装置的安全运行具有非常重大的意义【4 】。 b 原油 再泊焦 l 图l 一1 炼油j r 艺流程图【3 1 f i g 1 1c h e m i c a lp r o c e s sf l o wc h a r to fp e t r o l e u mr e f i n i n g 1 2 重整反应器损耗因素及机理 熙化气 ，i 泣l 綮油 重整反应器是在高温、中低压的物料和氢气接触下以及含有催化剂高速流动 及扰动条件下操作，所以其工艺条件十分苛刻，对进料中微量硫的控制也相当严 磷 鼢 烃黜燃龇 潍溉油饩 瀚j 熹 甄油 予馏漩缀气巢餐甜 气丧 熊漱 芳鳓蛾汽缣柴裂 汽柴 硕士学位论文 格【5 1 ，因此，反应器筒壁和附件材料的选择均以抗氢腐蚀性和抗高温蠕变性为基 点。引起设备损耗的因素很多，其中最主要和最根本的原因为应力、时间、温度 和环境介质的协同作用 6 】，而单一因素造成损伤的情况很少，一般都是由于多重 因素交替作用的结果，如蠕变、腐蚀、磨损、冲击、疲劳和脆化等【7 1 。大量分析 与研究表明0 1 ，引起重整反应器损伤的原因主要为以下几个方面【1 1 】。 ( 1 ) 氢腐蚀 在高温高压下，氢分子会分解成为半径十分微小的原子氢，在压力作用下， 原子氢可通过金属晶格和晶界向钢内扩散，这些氢会与金属中的碳发生化学反 应，生成甲烷而使材料脱碳，即：f e ，c + 2 h ，_ 3 f e + c h 。，使其机械性能下降。 由于甲烷在钢中的扩散能力很小，会在晶界原有的微观孔隙( 或压微观孔隙) 内 结聚，形成局部高压，造成应力集中，使晶界变宽，发展成为内部微裂纹，在局 部高压持续作用条件下，微裂纹会发展成宏观裂纹，再加上材料由于脱碳所造成 的机械性能下降，最终会致使钢的承载能力明显下降和脆性明显增加，导致金属 突然断裂或变脆。 ( 2 ) 硫化氢腐蚀 由于原料含有硫，因此在高温和氢气共存的情况下，就会生成硫化氢，产生 硫化氢腐蚀，其原理为：f e + h ，s 寸f e s + h ，。反应生成的f e s 在富氢的环境中， 会由于原子氢的不断侵入，造成f e s 层疏松多孔，易剥落，不能起到保护作用， 使得金属原子和硫化氢介质互相扩散渗透，h 2 s 腐蚀不断进行。 ( 3 ) 高温蠕变 即使金属在高温条件下所承受的应力低于其在该温度下的屈服点，但在应力 的长期作用下，也会发生缓慢的连续的塑性变形，这种变形在温度不太高或应力 不太大的情况下，几乎不易察觉不出来，这种现象称为“蠕变”，所发生的变形称 为“蠕变变形”，俗称蠕胀，如图l 一2 所示。金属的蠕变变形随时间而发生变化， 可用蠕变曲线来表征其变化的规律，蠕变曲线可以分为四个部分：( i ) o a 为加载 后引起的瞬时变形。假如外加的应力超过金属在该温度下的弹性极限，则这部分 瞬时变形中既有弹性变形，又包含了塑性变形。( i i ) a b 是蠕变第一阶段。在此阶 段中，金属以逐渐减慢的速度变形，即蠕变速度随时间增长而减小，故称为蠕变 减速阶段，也称为蠕变不稳定阶段。( i i i ) b c 是蠕变第二阶段，在此阶段中，金属 第1 章绪论 以基本恒定的速度变形，故也称蠕变稳定阶段。通常以这一阶段的曲线b c 的倾 角口的正切值来表示金属材料的蠕变速度。( i v ) c d 是蠕变的第三阶段，即蠕变的 最后阶段。在此阶段中，蠕变加速进行，直到d 点，金属发生断裂，蠕变过程即 行告终。由于蠕变第三阶段有蠕变不断加速的特点，所以也被称为蠕变加速阶段。 蠕变变形是通过位错滑移、位错攀移形成亚晶及亚晶界的滑动和迁移等方式 进行。蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑动方式产生变形。位错刚开始运动时， 障碍较少，蠕变速度较快。随后位错逐渐塞积、位错密度逐渐增大，晶格畸变不 断增加，造成形变强化。在高温下，位错虽可通过攀移形成亚晶而产生回复软化， 但位错攀移的驱动力主要来自温度，温度恒定，位错攀移速度也恒定。位错滑移 增殖较攀移容易进行，即强化容易而软化难，因此，这一阶段的形变强化效应超 过回复软化效应，使蠕变速度不断降低。蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和 攀移方式交替进行，晶界变形以滑动和迁移交替进行。晶内位错滑移和晶界滑动 使金属强化，但位错攀移和晶界迁移则使金属软化。由于软化是扩散过程，受时 间限制，并主要由温度提供动力。蠕变第二阶段受控于软化，即受控于热扩散。 蠕变发展到第三阶段，由于裂纹迅速扩展，为位错塞积群提供减少位错的新途径， 位错除攀移外，还可以从裂纹处释放出自由表面，使塞积群得以松弛加快了 软化过程，使变形加快，蠕变速度也加快。当裂纹达到临界尺寸时，便产生蠕变 断裂。 漤 制 a ( 4 ) 回火脆性 时间 图1 2 蠕变曲线图 f i g 1 - 2z y p i c a lc r e e pc u r v e 硕士学位论文 回火脆化现象是指在特定温度区回火或者在该温度区渐冷时，出现韧性显著 降低的现象。回火脆性分为：( i ) 低温回火脆性，在2 0 0 4 0 0 。c 将淬火钢或正火 钢回火时出现的脆性，这种脆性是不可逆的；( i i ) 高温回火脆性，钢材在3 7 1 5 9 3 。c 回火时出现的脆性，这种脆性是可逆的；( i i i ) 超高温回火脆性，金相组织变 化的同时所产生的脆性，是不可逆的。 反应器用c r - m o 钢的回火脆性属于高温回火脆性，主要是由于钢中杂质p 、 a s 、s b 、s n 等元素的偏析，使晶界韧性降低，产生脆性破坏。这种回火脆性现 象主要是由以下两方面的原因所引起，一方面是在制造过程中，材料在回火处理 或焊后热处理冷却过程中产生的脆化；另一方面是材料长期在回火脆化温度范围 内使用而发生的脆化。对于制造过程中发生的脆化，可将脆化钢材加热到脆化温 度以上再急冷，钢材可恢复原来韧性，但对于使用过程中产生的脆化，则无法消 除，所以必须加以检测和监测，让其控制在安全的范围，确证反应器的安全运行。 1 3 高温构件的蠕变剩余寿命预测 铂重整反应器的研究大部分都集中于工艺【1 2 1 、结焦 13 1 、扇形管、裂纹、 外网【1 6 】等方面，在本论文中，研究将重点放在了之前涉及较少的关于整体铂重整 反应器的高温蠕变损伤方面。由于蠕变破坏是一个与时间有关的量，破坏突然且 不容易事先发现，高温构件一旦发生意外破裂，将会带来重大经济损失。因此，为 保证装置能够长期安全工作，高温构件在使用一段时间后需要对其剩余寿命进行 评估和预测，尤其是对于超出设计年限的高温设备。 近几十年来，国内外对高温构件剩余寿命评价技术的进行了大量的研究，提出 了多种预测高温构件蠕变剩余寿命的方法，如常用的持久强度和蠕变极限数据外 推法以及8 0 年代新发展的0 投影法 1 7 , 1 8 1 ，这两种方法可依据实验室的短时蠕变 数据和实际部件的受力状况、工作环境估算其服役寿命。另外还有蠕变孔洞分级 法 19 1 、密度法【2 0 1 、电阻法【2 1 1 、超声波能量法【2 2 1 、蠕胀测量法【2 3 】、显微硬度法【2 4 】 及碳化物球化分级法等。这类方法大多通过无损或有损检验直接给出其部件材料 在服役期内的累计损伤，然后依据一定的损伤模型来估算部件寿命。同时，计算 机和有限元的发展为基于某种理论模型模拟计算得到剩余寿命提供了可能1 2 川。 第1 章绪论 1 4 基于硬度法的蠕变寿命预测 1 4 1 硬度的定义及常用方法 硬度是金属材料力学性能试验中最常用的一个性能指标，金属的硬度可以认 为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力，硬度测量能给出 金属材料软硬程度的数量概念。 根据试验方法和试验原理的不同，可将硬度测定方法分为：( 1 ) 压入法( 如布 氏、洛氏、维氏) ，用规定的试验力将规定材料、形状的压头压入试样，较软的 试样上会留下较大较深的压痕，用以表征金属对塑性变形的抵抗能力，这是使用 最广泛的一种硬度测定方法。( 2 ) 划痕法( 如莫氏硬度) ，标准矿物刻划试样， 这将使得比标准矿物软的试样上会留下划痕，缺点是精度很低，是试验金属对于 阻碍断裂的抵抗能力。( 3 ) 弹性回跳法( 如肖氏、里氏) ，将钢球以规定的速度 冲击试样，回弹后的速度越快，硬度越高，缺点是受材料自身弹性模量影响较大， 不能真实准确反映材料硬度，是试验金属对于弹性变形的抗力。 1 4 2 基于硬度法的蠕变剩余寿命预测现状 材料的硬度表示了金属抵抗外物压入所引起的塑性变形抗力大小，反映了材 料的弹性、塑性、形变强化、强度和韧性等综合机械性能。对在役设备或停车设 备而言，最简单且能获得最多有关材料信息的无损检测方法就是对设备的硬度进 行测量【26 i 。而且，在各种物理机械性能中，硬度对显微结构的损伤变化较为敏感。 这些显微结构的损伤变化包括由溶质损耗引起的固溶强化降低【2 7 、由错位复原和 碳化物粗化引起的软化【2 8 1 、晶粒长大导致的强度降低【2 9 】等。因此，硬度作为一 个敏感的材料损伤参数，常被用来做蠕变剩余寿命预测的基础。 考虑到硬度法的优越性，早在上个世纪8 0 9 0 年代，国外已经把硬度测量 作为剩余寿命定量分析的依据 3 0 , 3 1 ，随后又有研究者提出了许多不同的模型，这 些模型在实际工程上针对特定的材料、特定的使用条件都具有较高的精度，且都 有一定程度应用。 ( 1 ) 固溶体硬度和寿命的关系 由于固溶体的硬度即微观硬度随着材料使用时间的延长而变化，因此可以测 得材料的表面硬度，并将他们和材料的剩余寿命关联起来，从而对设备的剩余寿 命进行预测，下面的公式直接表达了这种关系【3 2 ： 硕士学位论文 一一 铲甜警r m t ， 式中：t r 为剩余寿命； 届为常数( 对不同材料具有不同的数值) ： o - 为所施加的应力； k 为与硬度和屈服强度相关的经验常数； 仅为o r o w a n 粒间距常数，其值为o 7 3 2 ； h - 为任意时刻所测得的硬度值； h 。为固溶体硬度值即微观硬度值；1 1 为蠕变应力幂指数。 已经报道了2 2 5 c r - 1m o 钢所对应的各参数值： 对母材而言：n = 4 7 ，p 1 _ 0 0 8 516 h ，h 。= 10 0 h v ，k = 1 5 6 m p a h v ， 对焊接材料：h 。= 1 5 5 h v ，d 1 = 0 0 1 0 5 5 h ，其它参数的值与母材的相同。 若将方程式( 1 一1 ) 两边取对数，得到 睁r 地f l - n l g 【- 半 m 2 ， 式( 1 - 2 ) 建立起剩余寿命和硬度的对数关系，可以在直角坐标系中将这种关系 线性表示出来，并可验证此公式在进行寿命预测时的准确性。 ( 2 ) 硬度与二次碳化物直径的关系 在1 9 8 2 年化工部工业炉年会上，曹智本等【3 3 1 在报告中指出h k 4 0 钢的硬度 大小与晶内碳化物的粗化程度有关，二次碳化物的粗化程度与试样硬度之间存在 着如图1 3 的直线关系，硬度与持久强度之间存在着如图1 4 的关系。硬度的高 低反映了二次碳化物的粗化程度，二次碳化物越粗化即硬度越低，持久强度越低。 随着硬度的提高，持久强度提高，但硬度超过h v 2 5 0 后持久强度不再提高或略 为降低，所以在蠕变为主要损伤的形式下，晶内二次碳化物的粗化程度所引起的 硬度变化是影响炉管剩余寿命的主要因素。根据大量的实验数据，采用多元回归 的方法，曹智本等人给出了h k 4 0 炉管剩余寿命的预测公式( 1 。3 ) ： l g f r = 一3 6 0 0 5 3 3 3 2 3 7 l g o - - 1 7 8 5 7 1 9 2 盯+ 0 2 1 3 9 册一o o 0 0 5 l 册2 1 + 5 5 2 5 7 w + 8