高温服役条件对炉管材料断裂韧性的影响

发布时间：2017-09-16 11:34

  本文关键词：高温服役条件对炉管材料断裂韧性的影响

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【摘要】：制氢转化炉是石化行业中制氢装置的关键设备之一,而炉管又是制氢转化炉的核心零部件。炉管的服役条件非常恶劣,经常面临高温蠕变、高温氧化、高温腐蚀等多重损伤,一旦发生事故,将会造成巨大的经济损失,并引起不良的社会影响。因此对炉管进行损伤及失效研究,对保证制氢转化炉乃至整个制氢装置长周期安全运行具有重要意义。近来研究表明:高温蠕变是造成炉管材料损伤的主要原因,而高温又是导致蠕变的直接原因。为了得到高温条件对炉管材料性能(特别是断裂韧性)的影响,本文开展了相关研究。首先利用实验室的电阻炉对炉管材料在不同温度下进行了时效处理。然后对十组经过不同高温时效处理过的炉管材料进行常温拉伸力学试验、平面应变断裂韧度试验,并对断裂韧性试样断口进行了宏观分析。最后运用断裂力学理论和有限元法探讨了高温时效处理引起炉管材料韧性劣化的原因。得到的主要研究成果如下:(1)通过对十组炉管试样进行常温拉伸试验,发现经过高温时效处理之后炉管材料的屈服强度和抗拉强度有所提高,但是表征材料塑性参数的延伸率和截面收缩率都出现了下降。(2)通过对十组炉管试样进行平面应变断裂韧度试验,发现经过高温时效处理后炉管材料的断裂韧性出现了劣化的现象。同时还发现时效时间对炉管材料的断裂韧性影响不大,而随着时效温度的提高,炉管材料的断裂韧性出现先下降再小幅度回升的现象。(3)根据材料损伤理论,如果材料的微观组织发生损伤,那么在裂纹尖端与位错区之间的无位错区很容易形成微裂纹,裂纹的扩展实质上就是新老裂纹合并的结果。运用断裂力学理论和有限元法建立裂纹前缘有微裂纹、无微裂纹以及不同裂纹长度的三点弯曲试样断裂力学有限元模型,计算裂纹前缘最大应力和最大应力强度因子,结果发现:裂纹前缘有微裂纹时,裂纹前缘最大应力和最大应力强度因子都要比裂纹前缘无微裂纹时要大的多;随着裂纹长度的增加,裂纹前缘最大应力和最大应力强度因子也会变大。所以材料要是在高温时效处理时微观组织发生损伤,那么其抵抗裂纹扩展的能力就会变差,即断裂韧性会发生劣化。
【关键词】：制氢转化炉炉管 高温 断裂韧性 应力强度因子
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ116.2;TQ054
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 引言10-11
• 1.2 制氢转化炉简介及炉管材料的发展11-13
• 1.2.1 制氢转化炉简介11-12
• 1.2.2 炉管材料的发展12-13
• 1.3 炉管材料的损伤及失效研究现状13-19
• 1.3.1 炉管材料的损伤形式13-15
• 1.3.2 炉管材料的检测方法及剩余寿命评估15-18
• 1.3.3 炉管材料失效研究现状18-19
• 1.4 本文的工程背景、研究内容及研究意义19-22
• 1.4.1 工程背景19
• 1.4.2 研究内容19-20
• 1.4.3 研究意义20-22
• 第2章 炉管材料高温时效实验及拉伸试验22-34
• 2.1 引言22
• 2.2 炉管材料高温时效实验过程22-28
• 2.2.1 实验方案22-25
• 2.2.2 高温时效实验的炉管试样尺寸25
• 2.2.3 炉管试样放入和取出加热炉的过程25-28
• 2.3 高温时效处理后炉管材料拉伸力学试验28-32
• 2.4 本章小结32-34
• 第3章 炉管材料断裂韧性试验及断口宏观分析34-48
• 3.1 引言34-35
• 3.2 炉管材料断裂韧性试验35-45
• 3.2.1 试样尺寸设计与取样方法35-36
• 3.2.2 试验原理36-37
• 3.2.3 试验过程37-41
• 3.2.4 试验结果分析41-45
• 3.3 炉管材料断裂韧性试样断口宏观分析45-46
• 3.4 本章小结46-48
• 第4章 炉管材料断裂韧性三点弯曲试样有限元分析48-64
• 4.1 引言48-50
• 4.2 有限元分析方法简介50-53
• 4.2.1 有限元分析方法基本理论50-51
• 4.2.2 ANSYS有限元软件简介51-52
• 4.2.3 有限元方法在断裂力学分析中的应用52-53
• 4.3 三点弯曲试样裂纹尖端应力强度因子计算53-62
• 4.3.1 应力强度因子53-54
• 4.3.2 裂纹前缘无微裂纹时三点弯曲试样的应力强度因子54-57
• 4.3.3 裂纹前缘有微裂纹时三点弯曲试样的应力强度因子57-59
• 4.3.4 含不同长度裂纹三点弯曲试样的应力强度因子59-62
• 4.4 本章小结62-64
• 第5章 总结与展望64-68
• 5.1 总结64-65
• 5.2 展望65-68
• 参考文献68-73
• 攻读硕士期间已发表的论文73-74
• 致谢74

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本文编号：862799