乙烯裂解炉蒸汽过热段集合管凸缘失效分析

论文摘要

某石化厂乙烯裂解炉蒸汽过热段集合管凸缘在检修时发现靠近焊缝部位存在大量裂纹,严重影响了整个系统的继续生产,为此立项对凸缘进行失效分析,作者通过理化检验与有限元分析的方法分析设备失效的主要原因,提出针对性的预防措施。样品的宏观观察表明,裂纹及断口的形貌符合奥氏体不锈钢发生应力腐蚀断裂的基本特征。裂纹两侧无明细的塑性变形特征,内外表面均有裂纹扩展源;一条主干穿透性裂纹起源于凸缘外表面,但裂纹较大部分从内向外沿壁厚方向扩展。断口微观形貌呈河流状花样,且在断口表面有腐蚀产物覆盖,能观察到腐蚀坑及二次裂纹。断口表面的能谱分析以及保温棉中氯离子含量检测结果表明,存在Cl-离子,在高温蒸汽环境下形成了含氯离子的应力腐蚀环境。焊缝、焊接热影响区及母材金相显示焊缝附近的区域发现有很多微观裂纹和带状铁素体,而远离焊缝的母材,未发现微观裂纹;在焊接热影响区上还有大量的晶间碳化物析出;样品的硬度检测试验结果表明,焊缝附近材料有一定的脆化,材料的耐腐蚀性能下降。此外,通过残余应力测定,发现设备虽然在焊后经过局部退火热处理,但焊缝及其附近仍然存在较高水平的残余应力,为设备发生应力腐蚀开裂提供了应力基础。同时,利用ANSYS优先于分析软件对凸缘进行了结构应力分析,在结构、边界简化的基础上,获得了该构件在稳态运行的应力分布以及典型部位焊接残余应力。分析结果显示:正常工作条件下,构件的结构应力水平较低,凸缘小端内外表面的熔合线附近,焊接残余应力水平较高,产生了应力集中现象。焊接残余应力为导致凸缘失效的主要应力因素,内压引起的结构应力为次要应力因素。综合分析表明:本次凸缘失效属于奥氏体不锈钢304H在含氯离子的高温高压蒸汽环境下发生的应力腐蚀开裂。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 失效分析研究现状
• 1.2.1 国外失效分析的发展状况
• 1.2.2 我国失效分析现状
• 1.2.3 失效分析技术及理论
• 1.2.4 失效分析的有限元模拟
• 1.2.5 相关失效分析案例
• 1.3 奥氏体不锈钢常见的失效形式
• 1.4 研究内容及方法
• 第二章 应力腐蚀开裂的基本理论
• 2.1 应力腐蚀开裂定义
• 2.2 发生的条件
• 2.2.1 应力腐蚀开裂发生的环境因素
• 2.2.2 应力腐蚀开裂发生的应力因素
• 2.2.3 应力腐蚀开裂发生的材料因素
• 2.3 不锈钢应力腐蚀机理
• 2.4 应力腐蚀开裂的过程
• 2.5 应力腐蚀的裂纹特征和断口形貌
• 2.6 本章小结
• 第三章 凸缘材料的理化检验分析
• 3.1 凸缘失效概述
• 3.2 裂纹及断口形貌分析
• 3.2.1 凸缘宏观形貌分析
• 3.2.2 微观形貌分析
• 3.2.3 断口表面成分分析
• 3.3 保温棉中氯离子含量检测
• 3.4 材料的化学成分分析
• 3.5 金相检验分析
• 3.6 硬度检验
• 3.7 残余应力测定
• 3.8 本章小结
• 第四章 基于ANSYS 的凸缘结构应力分析
• 4.1 有限元方法概述
• 4.2 单元类型选择
• 4.3 分析模型及网格
• 4.4 材料参数
• 4.5 边界条件
• 4.6 载荷工况
• 4.7 工况下的应力分析
• 4.7.1 温度场分析
• 4.7.2 应力分析
• 4.8 焊接模拟分析
• 4.8.1 焊接的基本理论
• 4.8.2 焊接有限元分析
• 4.8.3 焊接模拟结果分析
• 4.9 本章小结
• 第五章 凸缘失效原因综合分析
• 5.1 断裂失效分析
• 5.1.1 材料因素
• 5.1.2 介质因素
• 5.1.3 应力因素
• 5.2 失效机理分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附表