《多因素耦合的大型乙烯裂解爐管損傷機理與損傷發展》是依託中國礦業大學，由沈利民擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：多因素耦合的大型乙烯裂解爐管損傷機理與損傷發展
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：沈利民
- 依託單位：中國礦業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
大型乙烯裂解爐的損傷機理與損傷演化研究涉及到金屬學、力學、機械以及計算科學等不同領域，是一個多層次、多尺度的複雜問題。材料構件的損傷與滲碳動力學、應力以及其協同作用關係密切。本課題針對大型乙烯裂解爐關鍵構件-裂解爐管，綜合運用金屬學、固體力學、計算科學，結合數值模擬和試驗測試等手段，開展多因素耦合作用下裂解爐管損傷機理與損傷演化的研究。通過建立滲碳擴散模型及其計算分析，研究溫度、應力與金屬構件滲碳動力學之間的定量關係；揭示乙烯裂解爐管結構應力、應變變化和應力－滲碳協同作用的損傷機理；發展蠕變和滲碳耦合作用下的巨觀、細觀損傷發展計算方法，演繹高溫服役環境和複雜載荷作用影響下的材料損傷演化過程，為大型乙烯裂解爐爐管壽命預測提供理論基礎和科學方法。
結題摘要
大型乙烯裂解爐的關鍵構件-裂解爐管因長期處於高碳勢、低氧壓和高溫的服役環境而常常承受複雜的高溫損傷，即蠕變損傷、滲碳損傷、氧化損傷、彎曲變形等。本課題以Cr25Ni35Nb（HP40Nb）和Cr35Ni45Nb（KHR45A）合金乙烯裂解爐管為研究對象，採用試驗測試和數值模擬相結合的方式，開展了多因素耦合作用下裂解爐管損傷機理與損傷演化的研究工作。主要工作如下： （1）利用有限元軟體ABAQUS，開發了順次耦合的熱應力耦合程式，對已存在結焦層的HP40Nb合金爐管開車過程中溫度場和應力場分布進行數值分析，並對乙烯裂解爐管採用停車檢修時的臨界結焦厚度值進行了預測。結果表明：結焦引起爐管局部徑向“鼓脹”斷裂。HP40Nb爐管需要採取清焦的臨界結焦層厚度為2.3mm。（2）對於結焦層和滲碳層共存的Cr35Ni45Nb合金乙烯裂解爐管，對其開車過程中溫度場以及應力場的分布進行了數值分析。討論了結焦層和滲碳層尺寸、不同升溫方式對於爐管力學性能和傳熱性能的影響。（3）基於滲碳試驗所獲得數據和Matlab軟體，利用Fick’s第二定律和平衡常數法對不同服役溫度和服役時間的爐管碳濃度分布規律和滲碳層厚度進行了模擬和驗證，並對長期服役後的爐管滲碳層發展進行了預測。結果顯示，Cr35Ni45Nb合金抗滲碳能力優於Cr25Ni35Nb，但是當服役溫度從1000℃上升至1100℃，兩種合金服役壽命急劇降低。（4）基於連續損傷力學理論，建立了滲碳-蠕變耦合作用下的損傷本構方程，開發了滲碳-蠕變耦合作用下裂解爐管損傷有限元分析子程式，模擬分析了滲碳-蠕變耦合作用下Cr25Ni35Nb和Cr35Ni45Nb鋼爐管隨服役時間變化的損傷發展規律。並討論了服役溫度、爐管厚度、爐管內徑和內壓對於爐管損傷的發展影響，並分析了內壓、熱應力和蠕變應力共同作用下的時變應力場隨服役時間的變化情況.最後討論了時變應力場與爐管損傷發展之間的對應關係。 本項目關於高溫服役環境和複雜載荷共同作用影響下乙烯裂解爐管的損傷機理與損傷發展研究成果，為大型乙烯裂解爐爐管壽命預測提供了理論基礎和科學方法。
