【摘要】：乙烯的生產(chǎn)在石油化工行業(yè)中具有極其重要的位置。乙烯裂解爐是乙烯生產(chǎn)的核心設(shè)備,乙烯裂解爐輻射段爐管作為乙烯裝置的重要配件,是制約乙烯裝置長周期安全運(yùn)行的主要因素之一。裂解爐管的服役環(huán)境十分復(fù)雜,高碳勢、低氧壓的裂解介質(zhì)與爐管內(nèi)壁通過對流傳熱的方式進(jìn)行熱量傳遞,爐管外壁需要承受高達(dá)1150℃左右的高溫。滲碳、結(jié)焦以及熱疲勞的聯(lián)合作用造成了爐管的損傷,影響了乙烯裂解爐管的安全正常運(yùn)行。國內(nèi)外眾多科研工作者也相應(yīng)進(jìn)行了因滲碳、結(jié)焦和熱疲勞對乙烯裂解爐管性能的研究,并在研究的基礎(chǔ)上開發(fā)了各種損傷情況下的爐管剩余壽命評估方法,確保了乙烯裂解爐管的安全正常運(yùn)行。然而,對于高溫環(huán)境下1000℃,環(huán)境因素影響下的高溫行為及其對爐管關(guān)系應(yīng)力的影響分析在國內(nèi)外鮮見報道。本文在考慮溫度、氧化等環(huán)境因素影響下,開展了兩種離心鑄造奧氏體耐熱合金Cr35Ni45Nb和Cr25Ni35Nb材料單一氧化、單一滲碳和預(yù)氧化+滲碳的實驗。然后進(jìn)行熱膨脹測定和小沖桿實驗,獲得彈性模量、線膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等機(jī)械性能參數(shù)。在分析過程中考慮了熱源布置方式、爐管現(xiàn)場安裝約束方式對管系應(yīng)力的影響。最后在ANSYS下的WORKBENCH仿真平臺進(jìn)行了流固熱順次耦合的熱應(yīng)力分析,在分析過程中考慮了熱源布置方式、爐管現(xiàn)場安裝約束方式和滲碳對爐管管系應(yīng)力的影響。研究結(jié)果表明:隨著滲碳層厚度的增加,乙烯裂解爐管的性能呈現(xiàn)出劣化趨勢,并且高溫預(yù)氧化會加速滲碳行為。通過小沖桿實驗發(fā)現(xiàn)Cr35Ni45Nb材料相較于Cr25Ni35Nb材料,其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度更高;通過熱源布置方式對管內(nèi)溫度分布數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)燃燒器底部和側(cè)壁聯(lián)合供熱,且側(cè)壁平行供熱的方式使管內(nèi)溫度分布更優(yōu);通過管束布置方式對爐管管系應(yīng)力的影響數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)爐管上下移動和底部轉(zhuǎn)動可以以形變的方式抵消一部分應(yīng)力,當(dāng)?shù)撞靠ㄋ罆r,爐管的最大應(yīng)力達(dá)到1455MPa,此時最大位移為697.5mm,在這種情況下爐管已經(jīng)發(fā)生斷裂;通過滲碳對爐管應(yīng)力影響數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)Cr35Ni45Nb材料的Mises應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力值均低于Cr25Ni35Nb材料,徑向應(yīng)力值較小,故不做討論,滲碳層厚度的增加使得爐管應(yīng)力值增大。
【圖文】：

(a) (b)圖 1-1 裂解爐管破裂處形貌：（a）整體形貌；（b）剖面形貌Fig.1-1 Morphology of Cracked Cracking Furnace Pipe: (a) external morphology; (b) profilemorphology滲碳后材料的物理性能會發(fā)生變化。滲碳使體積膨脹和密度減小，且含碳量越高，密度越小。滲碳使熱膨脹系數(shù)降低，在相同的溫度下，碳量越高，熱膨脹系數(shù)越低。滲碳使導(dǎo)磁率升高，，根據(jù)此原理可進(jìn)行滲碳層厚度的測量[49]。另外滲碳會使合金的機(jī)械性能發(fā)生變化，主要是蠕變強(qiáng)度和韌性減小，從而使蠕變斷裂和熱循環(huán)疲勞故障增加。如圖 1-1（a）和（b）所示為裂解爐管斷裂處外部形貌和剖面形貌。爐管滲碳與使用溫度密切相關(guān)。因此為防止?fàn)t管滲碳而適當(dāng)控制爐管的使用溫度是十分重要的。尤其是在裂解爐運(yùn)行末期，由于管壁結(jié)焦積碳較厚影響傳熱會使管壁溫度明顯上升。據(jù)有關(guān)資料介紹[50]，溫度每提高 100℃，會使?fàn)t管滲碳加劇一倍。國外有人提出，當(dāng)滲碳層達(dá)到壁厚的 60%時，可將爐管判廢。國內(nèi)目前都以滲碳層達(dá)到壁厚的 60%作為判廢依據(jù)[51]。滲碳會對爐管的微觀組織造成惡劣的影響，導(dǎo)致爐管組織性能的劣化，隨著

技術(shù)路線圖
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ221.211;TQ052

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本文編號：2620946