合成氨转化炉高温炉管失效方式的实验研究.doc

所 呈 交 的 学 位 论 文 ，是 本 人在导师 的 指 导下 ，日期：导师 躲数日期： 合 成 氨 转 化炉 高 温 炉 管 失效方 式 的 实验研究关 键词副 教 授副 教 授副 教 授副 教 授讲师 学 科 分 类与 代码 中四 论 文 编 号 由单位 代码 和年份 及 学 号 的后四位 组 成 。 分 析 塑墨 孤 ， 猺 ； 北 京 化工大 学 硕土 掌 焦 论 文 牧 辖 樯 堋 究 翁 庀 喙 亓煊 虻 睦 贰 肿 春颓把 胤 骨 榭觥 旯酃鄄 臁 技术 介绍 。 数 据分 析 第 三 章炉 管 焊 接接头 的 金 相实验分 析 第 五章炉 管 焊 接部位 的 有限 元 分 析 海唬 一 一 海唬 一 段 炉 管 长度 为 嗵 几 衷餐驳 闹 本 段 ，奥氏体 不锈 钢 段 和碳钢 段 的厚 度 均 为 甀 山 一 段 炉 工艺 流程 概 述 ： 送到 输 气总管 ，以便 送入 二 段 转 化炉 进行 二 次 转 化。墙 全部用碳钢 板与 钢 框 架 密 封 焊 ； 炉 底 用碳钢 板，密 封 焊 或 螺 栓 连接。 炉 墙 外 壁设 勃 镍基 材 料的 价 格昂 贵 ，较低的 使用寿命 通 常 会导致较大 经 济损 失。 炉 管 可能 受 到 的 应力 有内 压 应力 ，温 差热应力 和在焊 接后 存 在的 焊 接残 余应力 。 由于奥氏体 不锈 钢 导热系 数 低，线 膨 胀 系 数 高 ，从而 在焊 接冷 却过 程 中 焊 接接头 形 成 非 常 大 的 拉 应力 ，这 种拉 应力 是 形 成 裂 纹 的 必要条 件。 另 外 ，出于开 停车的影 响 会使得金 属 材 料形 成 拉 压 应力 的 疲 劳 ，而 且 瞬 时 的 大 温 差会造 成 特 定 部位 的 应力 集 中 。 相关 研究 年，王富 岗 、 徐 善 国 ” 韧 猿 迷 诵 械 腎 炉 管 的 组 织 观 察二 次 碳化物的 析 出与 高 温 炉 管 的 蠕 变 行 为 密 切 相关 北 京 化工大 学 硕士 学 位 论 文最 终 把 寿命 估测的 理论 与 实际数 据进行 对比，得出了 寿命 估测理论 的 可靠 性。炉 管 的 失效段 进行 了 全方 位 的 研究 ，指 出高 温 过 热是 高 温 材 料失效的 第 一 危险 因 本 课 题 的 主 要研究 工作 使用性能 的 影 响 。 第 二 章炉 管 焊 接接头 缺陷的 无损 检 测 ，顾 名 思 义，是 指 在不损 害 构 件随 着 科 技手段 和材 料科 学 的 发 展，无损 检 测技术 从最 早 的 目视检 测 、 渗透检 测 、 磁粉 检 测 等技术 手段 发 展成 现在的 多种新 型 无损 检 测技术 诸 如超声 检 测 、 射 线 检 测 、 涡 流检 测 、 声 发 射 等检 测手段 ，实现了无损 检 测的 数 字 化，同步 实时 化，在线 图像 化和智 能 化，在现代工业 各个 领 域 都有及 其 广 泛 的 运 用。目视检 测 视检 测国 际上极 其 重 视的 无损 检 测过 程 的 第 一 阶 段 检 测方 式 ，由于某 些原因，此 种无损 检 测技术 在国 内 应用较少 ，国 外 对于这 种检 测方 式 有专 门的 培 训和持证 要求 。 目视检 测通 常 运 用于焊 缝 检 测当 中 ，发 现有焊 瘤 、 咬 变 、 渗碳层 等不合 格的 外 观 缺陷之 后 ，通 常 需 要用手工和机 器 打 磨 修 复 之 后 再 用其 他 无损 检测手段 来 进一 步 检 测。射 线 照 相法 射 线 法 是 利用射 线 穿 透试 件，并 将 试 件内 部信 息 用照 片的 形 纹 ，如图 所 示。 一 般 要保持 用肉眼 或 放大 镜 观 察 炉 管 的 表 面 缺陷，用尺量 取缺陷的 长度 及 宽度 ，用单反 相机 记录 出缺陷情况 并 分 析 缺陷的 类型 摺性印 盐频 ，最 后 ，用荧光笔在炉管 中 标 识出缺陷的 位 置 。囤 赂侄 蔚 阕慈 毕 缺陷 蔓三垦 塑笪 生垄壁苎 垫 堕塑歪塑焦 型 滤 波 器 设置 第 一 章炉 管 焊 接接头 缺陷的 无损 榆测 脉 冲模式设置 图 探头 设置 第 一 市炉 管 焊 接接头 缺陷的 止 拭检 测圉 焉 镜 魈 露歉 涡 藕 臶 划像 系 统配 合 手持 探头 保持架 山标 定 的 起 始点沿 着 设定 好的 扫 查路线 进行 手动扫蓑 北 京 化 搜 螸 学 位 论 文析 ，发 现一 处 超 标 缺陷 毕 缤 。 第 二 章炉 管 焊 接接头 缺陷的 无损 检 测 金 相技术 概 述改 进、 研究 钢 铁 材 料。 金 相技术 是 一 种利用光学 鹣 显微 镜 对金 属 试 样 的 余相 金 相样 品制 备 墨三童塑笪 塑堡壁墨盟 垒塑兰堕笪 塑 的氧化铝颗 粒 悬 浮液作为 抛光剂 ，用海军呢 稚和天 鹅 水浴 看 到 试 样 的 裂 纹 周围 组 织 区 域 区 丈 胫 芪 暮阜 旖鹗 的 颜 色截然察 。 经 过对比发现 胙 蹴 样 在该区 域 的金 相组 织 极 其 相似。 垫 三 童 监 暨 生量 垫 塞 盟 童 塑 塞 墼 坌 堑 暇 娉莆 K 澹 拿 鹴 它是 指 多种晶 体 构 成 的 、 表 面 法 方 向不平 行 的 脑 K刈 榉秩 缦 表 袁 甀 化学 成 分 表 元 素 是 为 了 增强 材 料的 抗 腐 蚀 性，当 铬 元 素 的 含 量 到 达 以上的 时 候 ，钢 铁 的 抗 墨三里塑耍堡曼壁墨盟 量 塑型 些坌 堑 盯 曲 塑兰童塑笪 生壁量 苎 盟 垒塑兰些坌 堑重 结 晶 区 和不完 全重 结 晶 区 。 熔 合 区 是 焊 缝 金 属 与 热影 响 区 的 边 界 ，通 常 宽度 较短只 有一 到 两 个 晶 粒 宽度 。 过 热区 性能 比较差，因为 由于温 度 过 高 晶 粒 变 得粗大 ，其性能 也 很差。 而 相变 重 结 晶 区 区 域 相当 于组 织 正 火 后 ，从而 性能 较好。 不完 全重 合区 没 有经 过 相变 过 程 ，铁 素 体 成 块 ，而 奥氏体 分 解 成 不均 匀 的 细 小的 铁 素 体 ，组 织不均 匀 会造 成 性能 上的 不连续 性。 北 京 化工大 学 硕士 学 位 论 文在异种钢 焊 接的 过 程 中 ，低合 金 侧 的 碳元 素 含 量 较高 ，通 常 会通 过 焊 缝 金 属 的熔 合 区 边 界 向高 合 金 焊 缝 中 迁 移 。 当 焊 接接头 在 摄 氏度 长期使用的 过 程 中 ，会发 生碳迁 移 。 碳迁 移 产 生的 增碳层 通 常 是 碳迁 移 中 析 出的 碳化物，这 些碳化物会引 起 硬 度 过 高 ，而 脱 碳层 会表 现出较低的 抗 拉 强 度 和蠕 变 强 度 ，这 些碳迁 移 行 为 最终 会破坏焊 接接头 。奥氏体 不锈 钢 焊 缝 与 铁 素 体 的 焊 缝 有所 不同，因为 铁 素 体 焊 缝 在凝 固 结 晶 的 过程 中 会发 生固 态 相变 相变 ，而 从奥氏体 结 晶 的 相图可以看 出，金 属 元 素 中诸 如 仍 K鼗崂 骙 相的 范围 ，从而 使奥氏体 材 料即 使在室 温 的 条 件下 也 不会发 生 甉 相的 转 变 ，这 使得不锈 钢 焊 缝 的 金 属 性能 在冶 金 变 化的 诸 如凝 固 、 结 晶等过 程 中 的 影 响 比普 通 碳钢 和低合 金 钢 岢 鱿 諽 嗟 淖 1 等大 的 多。 因此 ，奥钢 的 凝 固 和结 晶 的 形 态 对焊 接接头 的 韧 性，耐 腐 蚀 性等性能 有着 较直接的 影 响 。奥氏体 不锈 钢 的 焊 缝 金 属 的 凝 固 过 程 主 要取决 于两 个 因素 瓼 瓹 合 金 元 素 成学 成 分 如下 ： 兰铁 素 体 增 重脆化，从而 最 终 会导致整个 焊 缝的脆化。 塑三童塑筻 堡壁壁兰塑垒塑塞 墼 坌 堑瓣参 滟 与 柱状 晶 体 相邻的 是 一 个 方 向性强 的 大 树 枝 晶 区 和一 个 窄 的 小树 枝 状 晶 区 ，这 图 不锈 钢 焊 缝 金 属 小树 桂 晶 塑兰翌 生笪 生量 堡墨塑鱼塑塞 些坌 堑当 炉 管 试 样 经 过 腐 蚀 液腐 蚀 之 后 ，焊 缝 金 属 中 出现了 一 处 颜色与 周围 组 织 迥 异的 区 域 ，该区 域 还 存 在混 晶 分 布的 裂 纹 。 裂 纹 区 域 的 显微 金 相图片如下：图 焊 接接头 裂 纹 区 域 金 相组 织 图 焊 接接头 裂 纹 区 域 金 相组 织 琹 靌 第 三 章炉 管 焊 接接头 的 金 相实验分 析 本 章小结材 料中 形 成 脆性区 域 ，是 金 属 焊 缝 最 危险 的 组 织 之 一 。 啪 堡些至生竺 堡矍堡苎 生堡坠 墼 二 塾 些佥堑图 试 样 奥氏体 不锈 钢 区 域 元 素 成 分 閛 试 样 焊 缝 金 属 区 域 元 素 成 分甜 试 样 类碳钢 区 域 的 表 面 随 处 可见 泥 样 花样 ，这 意 味 着 该区 域 伴 有大 量 的 腐 蚀 塑婴翌 塑壁堡鲎垫 兰 塑型 墨：鉴些坌 堑 析 结 果 显示：成 相近 ，印 证 了 第 三 章提 出的 该区 域 是 焊 接时 的 造 成 的 夹 杂的 结 论 。 一 啪 炉 管 焊 接接头 的扫描 电 镜 形 虢 分 析 圉 韧 窝表 层 能 谱 分 析 ，属 于奥氏体 不锈 钢 在高 温 下 试样 裂 纹表 面 的的微 观 形 貌 的 时 候 会在晶 界 产 生贫铬 区 ，而 贫铬 区 是 高 温 材 料所 忌 惮的 晶 间 腐 蚀 现象 的 征兆 第 五章炉 管 焊 接部位 的 有限 元 分 析 材 料有关 的物理性质 参 数表 牧 表 材 料 握 掌 胀 几 物性参 数本 模 型 局 部沿 上升 管 厚 度 方 向划 分 龅 # 扛 龅 3 矶 荚 左 右 。 第 五章炉 管 焊 接部位 的有限 元 分 析 上升 管 局 部温 度 场 的 分 析 计 算 日 图 外 忡 段 温 度 刑 孜 露 的 局 部温 度 场 北 京 化工大 学 碗 士 学 位 论 文 馍 於 挝 露 。 宄 隹谖 露 。 刑 孜 露 。 应力 计 算 结 果 第 章妒 管 焊 接部位 的 有限 兀 分 析 苎皇皇竺 笪 生茎壁丝塑皇壁垩坌 堑一 ； 庵俣 挝 露 。 宄 隹谖 露 。 刑 孜 露 图 外 伸段 温 度 刑 孜 露 时 轴 向应力 局 部云图 籥 蜥 犊 ：； 豁 “ 癵 鷇 啪衙 “缸 图 局 部计 算 的 有限 元 模 型 糠图 内 压 引 起 的 轴 向应力 云图 植 蛑 鄊 结 果 表 明 轴 向应力 虽大 值在内 壁焊 缝开 裂 处 ，该处 的应力 状 态 以轴 向应力 为 峡 诘缇 捣 治 鲋 盗硕峡 谌 臀训撞看 嬖 谝 訫 为 主 的 第 二 相粒 子 ，这 种二 笠 原晃明 ，改 质 炉 管 。 残 存 寿命 推 定 法 】 铁 邑钢 ， ， 宋营 长，全泽 深，钢 旧 炉 管 的污 染 及 破损 解 剖 分 析 【 浚 牧 峡7 胗茫 卷李玉 清 等，高 温 合 金 晶 界 间 隙 相 】 冶 金 工业 出版 社 ， ，孙燕 韬 ，如何 提 高 转 化炉 的 使用寿命 】 齐 鲁石 油 化工， ， 甁 ： 琈 ， ， 瓸 撕 珹 甌 ， 甊 ， 甋 甂 琕 ， ， ， 瓾 ， 瓻 ， 珹 甐 琁 甋 镋 簟 続 甊 气 ， 琾 ， 珹 甂 琕 北 京 化工大 学 硕士 学 位 论 文 逝 者 如斯