钨铝合金化的改进型乙烯裂解炉管1150℃条件下的模拟渗碳行为研究

为探究钨铝合金化的改进型乙烯裂解炉管27Cr44Ni5W3Al+MA在1150℃条件下的渗碳损伤情况,采用粒径1.5~3 mm的固体渗碳剂,针对27Cr44Ni5W3Al+MA炉管开展1150℃条件下50,100,150,200 h的固体渗碳试验。采用C-S分析仪和OM,SEM,EDS,XRD及维氏硬度计等对渗碳前后炉管进行成分、组织及性能分析,研究炉管渗碳行为。结果表明:从铸态至渗碳200 h时,炉管内壁1 mm范围内平均碳浓度由约0.5%增长至饱和碳浓度2.2%左右;渗碳时间由50 h增至200 h,炉管内壁渗碳层厚度由800μm增至2860μm,渗碳层由内向外依次为严重渗碳区、中度渗碳区及轻微渗碳区,其宽度分别由400μm增至1920μm、100μm增至140μm、300μm增至800μm。从铸态至渗碳200 h,碳化物平均宽度由2.0μm增至3.5~13.0μm,面积分数由5.6%增至13.6%~34.9%;原始铸态复相碳化物外部的小块状M_(23) C_(6)逐渐粗化呈链块状,然后转变为岛块状M_(7)C_(3)及岛块中间的颗粒状WC,内部片层状M_(7)C_(3)部分转变为小块状M_(23) C_(6),并与外部M_(23) C_(6)聚集连接后转变为M_(7)C_(3),剩余部分片层状M_(7)C_(3)逐渐粗化聚集成块状M_(7)C_(3)。原始铸态炉管硬度值约为304.0HV10,渗碳200 h后,由距内壁4 mm处至1 mm处,硬度值由386.7HV10增至504.0HV10。本文还就27Cr44Ni5W3Al+MA合金炉管的渗碳行为和渗碳过程中碳化物演变机理进行了讨论。

乙烯裂解炉管的渗碳与抗渗碳

介绍了乙烯裂解炉管的渗碳过程及其危害性。从炉管材料的成分设计、炉管的表面处理、乙烯裂解工艺的控制等方面讨论了炉管的抗渗碳措施及其研究进展。

含静态混合元件乙烯裂解炉管内流场的数值模拟

采用计算流体动力学(computationalfluiddynamics,CFD)的方法,计算了含静态混合元件炉管内的流场.数值模拟结果表明,采用静态混合元件的乙烯炉管中流体的混合被强化,从而强化了传热.根据其数值模拟的速度场,提出了一种基于速度分析的CFD结果评价方法,定性和近似定量地演绎了工程测试的数据,使计算模型和数值模拟结果在实验中得到了验证.该方法可望在同类流体的研究中推广应用.

国产乙烯裂解炉管抽样检测状况

总结了两年多来中国石化炉管质量检测检验与评估中心对乙烯裂解炉管抽样检测的状况。对国产乙烯裂解炉141根离心铸造炉管、24根炉管焊接件以及27根静态铸造管件开展了化学成分、室温拉伸性能、高温持久性能试验和低倍组织酸蚀试验,给出了当前国产离心铸造炉管行业对杂质元素含量的控制情况、国产离心铸造炉管和静态铸造管件的室温拉伸性能与高温持久寿命状况,以及柱状晶与等轴晶比例。结果表明,当前国产乙烯裂解炉管合格率在80%~90%左右,炉管焊接件和静态铸造管件的高温持久寿命基本不合格,凸显出了国产乙烯裂解炉管行业存在的严峻问题。还就离心铸造炉管和管件杂质元素、新制造炉管性能与服役炉管失效模式的关系等问题开展了讨论。

渗碳、蠕变共同作用下HK40和HP钢乙烯裂解炉管损伤过程模拟

通过对乙烯裂解炉管典型工况的分析,建立了炉管在渗碳、蠕变共同作用下的时变应力场的计算模型,并模拟计算了HK40和HP材料炉管在1 173 K工况下服役时的碳浓度分布、应力分布及蠕变损伤分数。结果表明:炉管外壁开裂主要是渗碳诱发应力所致;计算得到的炉管失效方式、位置和寿命均与实际情况基本吻合;该模型可以用来计算炉管损伤程度,还可以预测任意给定工况下炉管的剩余寿命。

服役5年后乙烯裂解炉管的组织与性能研究

采用场发射扫描电子显微镜、维氏硬度计和高温持久试验机等对服役5年后25Cr35NiNb＋微合金和35Cr45NiNb＋微合金炉管的组织与性能进行了研究。结果表明：经过5年的高温服役，25Cr35NiNb＋微合金炉管外壁时效区组织为G相（Ni16Nb6si7）和M23C6型碳化物，内壁渗碳区组织为颗粒状NbC和M7C3型碳化物；35Cr45NiNb＋微合金炉管外壁时效区组织为G相和M7C3型碳化物，内壁渗碳区组织为颗粒状、块状NbC、G相和M7C3型碳化物。相较于外壁时效区，两种材料内壁渗碳区硬度值升高约10％～15％，内壁渗碳后的炉管材料高温持久性能显著下降。

乙烯裂解炉管HP40合金的蠕变性能

在900,℃不同应力条件下,对HP40合金高温下的蠕变性能进行研究,观察试验前后显微组织的转变,并得到其蠕变本构方程.同时借助SEM+EDX对组织转变及相成分变化进行深入分析.HP40合金在高温下,随着应力的增加蠕变速率增大.其原始组织骨架状的共晶碳化物(r+M7C3+少量M23C6),经过长时蠕变试验后,逐渐变成条状和块状的M23C6,且有一定量的二次碳化物析出.HP40合金中骨架状共晶碳化物的消失会造成蠕变强度的下降.同时由于蠕变孔洞的出现,导致蠕变性能的下降,加速其蠕变变形的过程.

含扭曲片乙烯裂解炉管内流场的数值模拟

基于网格生成法,采用计算流体力学对含扭曲片的乙烯裂解炉管内强化传热的流场(流速、压降和阻力损失)进行了数值模拟,并分析了扭曲片的扭曲比对流场的影响。结果表明,流体流经扭曲片的切向速度迅速增大;流出构件后,切向速度沿轴向逐渐变小,而沿径向逐渐增大。在管径方向存在1个轴向速度等于整个截面平均轴向速度的点。管内总压降及扭曲片局部压降均随雷诺数增大而增大,不随管径变化而变化。管内平均阻力系数与雷诺数呈线性关系,随着雷诺数增大而变小;扭曲片局部阻力损失随着雷诺数的增大而迅速增大,随管径减小而增加。扭曲比对管内流场有影响,较佳的取值范围为2.4～2.6。

乙烯裂解炉管抗结焦氧化物的研究

采用速热分解法制备了多种氧化物,并考察了氧化物催化焦炭和水蒸气发生气化反应的能力。采用热重分析仪、红外分析仪和湿式流量计,得到了反应过程中试样的质量变化和反应的焦炭量,筛选出具有良好的催化焦炭和水蒸气发生气化反应的氧化物BaCe_(0.8)Y_(0.2)O_3,并对其进行了XRD和XPS表征。多次循环实验结果表明,BaCe_(0.8)Y_(0.2)O_3具有良好的稳定性,且多次反应后BaCe_(0.8)Y_(0.2)O_3的晶型和元素价态变化不大。在以乙烷为原料的压片结焦评价实验中,BaCe_(0.8)Y_(0.2)O_3氧化物压片只有少量结焦,抗结焦性能较好。

乙烯裂解炉管渗碳应力的计算

研究表明,裂解炉的开裂腐蚀剥落和热疲劳等各种损伤均与管壁渗碳有关。但对于渗碳引起的损伤程度大小,目前尚无令人满意的理论计算公式。针对此问题,将给出渗碳应力的推导过程及其计算公式,同时建立蠕变应力场的计算模型。

乙烯裂解炉管服役前后材料组织分析

观察分析了服役前后Fe-Cr-Ni耐热钢乙烯裂解炉管横截面组织。由管外壁向内,树枝晶的垂直管外壁沿径向生长的特征逐渐减弱,直至消失。服役前组织为含过饱和碳的奥氏体和沿晶界分布的碳化物。炉管服役过程的时效与渗碳导致大量碳化物的析出,其数量、大小与形态取决于服役温度和时间。析出碳化物影响炉管的性能。

提高乙烯裂解炉管抗渗碳性能的表面改性技术

针对乙烯裂解炉管的渗碳过程,指出了采用表面改性技术提高乙烯裂解炉管抗渗碳性能的基本思路。介绍了运用表面化学热处理、气相沉积、表面喷涂和表面复合改性技术提高乙烯裂解炉管抗渗碳性能的各种工艺技术特点、效果、研究进展与发展方向。

乙烯裂解炉管中时变应力场和蠕变损伤分数数值模拟

通过对乙烯裂解炉管典型工况分析 ,建立了炉管在温度、内压、渗碳和蠕变等交互作用下的有限元计算模型 ,并对 HK4 0奥氏体耐热钢制成的乙烯裂解炉管在 1 1 73 K下的应力场和蠕变损伤分数进行了模拟 ;结果表明渗碳是引起炉管失效的主要原因 .通过计算得到的炉管失效方式。

乙烯裂解炉管渗碳蠕变复合损伤的剩余寿命评价方法

提出了一种乙烯裂解炉管渗碳蠕变复合损伤剩余寿命的工程评价方法,结合炉管壁厚及渗碳检测、有限元应力分析及蠕变累积损伤计算,实现了炉管剩余寿命的工程评价。用该方法对服役乙烯裂解炉管进行了寿命评价,利用金相观察确定炉管渗碳层厚度,通过有限元计算渗碳应力,应用LarsonMiller参数法计算了炉管的蠕变累积损伤及剩余寿命,得到了炉管的剩余寿命为2.7年。该方法为乙烯裂解炉管的安全服役及稳定运行提供了依据。

多因素耦合下Cr35Ni45Nb钢乙烯裂解炉管损伤数值模拟

基于连续损伤力学理论,利用FORTRAN语言开发了多因素耦合下材料损伤发展的ABAQUS用户子程序,模拟了1050℃温度下,蠕变-渗碳耦合作用的Cr35Ni45Nb钢损伤发展过程。结果表明:承受单一蠕变损伤的炉管外壁最先失效,而承受蠕变-渗碳耦合作用下的炉管内壁最先开裂。单一蠕变因素下Cr35Ni45Nb钢的内壁Von-mises应力和最大主应力随着服役时间的延长出现先降低后增长的趋势。外壁的Von-mises值和最大主应力随着服役时间的延长而增大,从而导致炉管外壁的损伤发展速率高于内壁。蠕变-渗碳耦合作用下Cr35Ni45Nb钢的内壁Von-mises应力和最大主应力随着服役时间的延长而降低,而外壁则相反。

乙烯裂解炉管运行失效研究及焊接修复

乙烯裂解炉管由于服役环境恶劣,长时间运行后容易产生破损需要进行修复,但在焊接修复时极易开裂,为了找出其易开裂的原因,本文用扫描电镜和金相显微镜观察分析了HP40Nb乙烯裂解炉管服役前后的组织性能变化,并通过热力学计算对试验结果进行分析,找出了焊接性能恶化的原因,并制定热处理工艺改善其焊接性.结果表明:长时间服役后,炉管析出相为M23C6、M7C3和MC相,析出相严重长大粗化,沿晶界呈链状分布,使材料塑性几乎为0,这是导致焊接易开裂的主要原因;通过热处理改善碳化物的分布形态,可以有效提高旧管的塑性和焊接性;通过热力学计算得出,当基体中固溶的Cr质量分数大于10%时,为M23C6的析出过程,基体固溶的Cr质量分数小于10%时,为M7C3的析出过程.

电子束焊乙烯裂解炉管焊缝开裂失效分析

采用金相分析、扫描电镜观察等方法对电子束焊接的乙烯裂解炉管焊缝开裂原因进行了失效分析。结果表明:裂纹的产生原因是在电子束焊接过程中形成了垂直于焊缝中心的柱状晶交汇线及焊缝中心线处贫铌导致大量碳化物析出,使焊缝中心明显脆化;设备停车冷速过快导致产生很大的应力,造成焊缝中心线处形成裂纹并扩展导致了开裂。

乙烯裂解炉管材料高温渗碳行为研究

研究了乙烯裂解炉管常用材料的渗碳行为及对其力学性能的影响。试验表明，提高镍含量对抗渗碳有益，另外Ｎｂ、Ｗ、Ｓｉ等微量元素的加入亦有益于抗渗碳；炉管材料渗碳后，其拉伸、持久性能未明显恶化，但热疲劳性能大大降低。渗碳降低材料热疲劳抗力可能是炉管早期失效的主要原因。

乙烯裂解炉管渗碳损伤磁滞检测方法的影响因素研究

针对乙烯裂解炉管渗碳损伤的磁滞无损检测方法开展试验研究,主要分析渗碳层厚度、裂纹缺陷、微观组织及结焦等因素对磁滞检测结果的影响规律。通过开展渗碳、金相观察、矫顽力检测及高温力学性能测试等试验研究和对比分析,建立了渗碳层厚度、碳化物宽度、材料高温力学性能等与矫顽力的关系。研究结果显示,磁滞检测方法可以有效检测渗碳层厚度,并反映炉管材料的脆化程度。

乙烯裂解炉管内部结构研究的发展状况分析

乙烯裂解炉管是乙烯生产的重要设备,主要失效形式为氧化、渗碳及结焦。目前,主要从化学成分、组织结构及机械结构等方面进行改善。本文论述了裂解炉管主要机械结构及发展趋势。目前主要有扭曲片管、梅花管、MERT管等内部添加扰流因子改变反应气的流动方式,从而抑制渗碳及结焦问题。另外,乙烯裂解炉管内部机械结构改变的主要趋势是降低炉管内壁的表面粗糙度。在保证内壁尺寸的基础上,通过等离子辅助加热的方法在炉管内壁焊接抗渗碳和结焦的扰流因子。