【摘要】：乙烯的生產在石油化工行業(yè)中具有極其重要的位置。乙烯裂解爐是乙烯生產的核心設備,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行的主要因素之一。裂解爐管的服役環(huán)境十分復雜,高碳勢、低氧壓的裂解介質與爐管內壁通過對流傳熱的方式進行熱量傳遞,爐管外壁需要承受高達1150℃左右的高溫。滲碳、結焦以及熱疲勞的聯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行。國內外眾多科研工作者也相應進行了因滲碳、結焦和熱疲勞對乙烯裂解爐管性能的研究,并在研究的基礎上開發(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系應力的影響分析在國內外鮮見報道。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、單一滲碳和預氧化+滲碳的實驗。然后進行熱膨脹測定和小沖桿實驗,獲得彈性模量、線膨脹系數、屈服強度和抗拉強度等機械性能參數。在分析過程中考慮了熱源布置方式、爐管現場安裝約束方式對管系應力的影響。最后在ANSYS下的WORKBENCH仿真平臺進行了流固熱順次耦合的熱應力分析,在分析過程中考慮了熱源布置方式、爐管現場安裝約束方式和滲碳對爐管管系應力的影響。研究結果表明:隨著滲碳層厚度的增加,乙烯裂解爐管的性能呈現出劣化趨勢,并且高溫預氧化會加速滲碳行為。通過小沖桿實驗發(fā)現Cr35Ni45Nb材料相較于Cr25Ni35Nb材料,其屈服強度和抗拉強度更高;通過熱源布置方式對管內溫度分布數值模擬發(fā)現燃燒器底部和側壁聯合供熱,且側壁平行供熱的方式使管內溫度分布更優(yōu);通過管束布置方式對爐管管系應力的影響數值模擬發(fā)現爐管上下移動和底部轉動可以以形變的方式抵消一部分應力,當底部卡死時,爐管的最大應力達到1455MPa,此時最大位移為697.5mm,在這種情況下爐管已經發(fā)生斷裂;通過滲碳對爐管應力影響數值模擬發(fā)現Cr35Ni45Nb材料的Mises應力、環(huán)向應力和軸向應力值均低于Cr25Ni35Nb材料,徑向應力值較小,故不做討論,滲碳層厚度的增加使得爐管應力值增大。
【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。滲碳使熱膨脹系數降低，在相同的溫度下，碳量越高，熱膨脹系數越低。滲碳使導磁率升高，，根據此原理可進行滲碳層厚度的測量[49]。另外滲碳會使合金的機械性能發(fā)生變化，主要是蠕變強度和韌性減小，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。因此為防止爐管滲碳而適當控制爐管的使用溫度是十分重要的。尤其是在裂解爐運行末期，由于管壁結焦積碳較厚影響傳熱會使管壁溫度明顯上升。據有關資料介紹[50]，溫度每提高 100℃，會使爐管滲碳加劇一倍。國外有人提出，當滲碳層達到壁厚的 60%時，可將爐管判廢。國內目前都以滲碳層達到壁厚的 60%作為判廢依據[51]。滲碳會對爐管的微觀組織造成惡劣的影響，導致爐管組織性能的劣化，隨著

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

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本文編號：2620946