多因素下乙烯裂解炉管焊接接头寿命预测研究

乙烯裂解炉管在高温复杂工况环境下服役,蠕变、渗碳及清焦过程的升降温等因素对炉管中焊接接头以及整个炉管材料的寿命影响很大,本文对不含裂纹裂解炉管多因素作用下蠕变损伤寿命进行了研究;并对蠕变条件下,焊接接头中含裂纹试样不同约束情况对裂纹尖端应力场及高温断裂力学参量的影响进行了数值分析,进而分析了约束对含缺陷情况下乙烯裂解炉管的寿命预测的影响。首先,本文对裂解炉管HP合金蠕变性能研究表明,微观组织中骨架状碳化物的消失,及碳化物成分的变化使炉管高温性能弱化,同时,碳的渗入又在晶界上形成碳化物,增加了碳化物的数量,同时多余的碳聚集在晶界上,破坏了晶界的连续性,造成炉管的组织劣化。HP合金母材与焊缝金属的最小蠕变速率与应力关系基本上一致,焊缝金属的蠕变性能要稍微优于母材的蠕变性能。其次,本文对多因素作用下乙烯裂解炉管蠕变损伤寿命进行有限元分析,结果表明:在仅考虑蠕变情况下,时间达到炉管设计寿命时,损伤还远未到失效,所以仅按照蠕变强度来设计炉管寿命是不合适的。炉管多因素耦合情况下的蠕变损伤情况的模拟结果表明,炉管在运行30000 h后,炉管外壁最先发生蠕变失效,达到其寿命,多种应力耦合作用所产生的损伤是造成炉管过早失效的主要原因。然后,本文对蠕变条件下,由于裂纹长度不同所引起的几何约束及蠕变性能不匹配所引起的约束进行了数值分析,结果表明:对于几何约束仍然可以用Q参量来表征,达到稳态蠕变时Q参量可近似看做与裂纹尖端距离r无关。且裂纹尺寸相同时,随载荷水平的提高,约束水平反而有所下降。由于蠕变性能不匹配所引起的约束可以用M参量来表征。焊缝越软,则M参量的值越大,约束越大,焊缝越硬,则M参量的值越小,约束越小。不匹配约束参量M对蠕变指数n不敏感,而焊缝宽度c则对其影响较大。裂纹处于母材中且与焊缝平行时,无论是对于蠕变软焊缝或是蠕变硬焊缝,裂纹尖端张开应力都趋向于单一母材试样的裂纹尖端张开应力;裂纹与焊缝垂直时,裂纹尖端张开应力受两部分控制,处于母材的部分,裂纹尖端张开应力由母材蠕变性能控制,处于焊缝金属部分的裂纹尖端张开应力由焊缝蠕变性能控制。最后,对于本文研究的裂解炉管焊接接头而言,接头为蠕变硬焊缝,蠕变过程中应力再分布会使得焊缝中应力增加,裂纹扩展速率变快,如果不考虑材料不匹配的影响,在实际中将会造成对蠕变裂纹扩展速率估计过低,会在相应的高温构件寿命预测中得到不保守的结果,带来不安全的评价。