超高压反应器的安全评定与检测Word格式文档下载.docx
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29.4mm
28.9mm
29.6mm
90o
29.2mm
29.1mm
180o
29.8mm
29.3mm
270o
29.5mm
29.7mm
平均值
注:
测量方向以管子从左到右看,进水口法兰朝上,最上为
,逆时针依次为
,
。
表2.2冷却管壁厚的测量数据
夹套开口位置编号2#
夹套开口位置编号3#
夹套开口位置编号4#
11.3mm
10.4mm
10.6mm
11.4mm
11.7mm
11.5mm
11.6mm
11.2mm
2.1.3表面硬度测量
硬度计型号为HLN-11,测量数据见表2.3~2.4。
表2.3反应管外表面硬度(HL)测量数据
测量位置
测量次数
2#
3#
4#
1
613
610
2
607
581
571
3
611
597
622
4
618
602
621
5
604
614
6
582
606
598
换算HB
327
316
332
表2.4冷却管外表面硬度(HL)测量数据
539
556
576
497
567
564
561
522
527
512
532
516
534
533
540
292
299
2.1.4表面金相检验
现场分别取超高压反应管和冷却管各一根,每根超高压管各取二点,进行表面金相检验,表面金相检验采用复膜法进行。
检验的超高压管。
对超高压管外壁进行打磨、抛光并用4%硝酸酒精浸蚀,清洗后采用醋酸纤维复膜,固化后取下,在光学显微镜下进行观察。
图2.9反应管表面金相组织(点2)
图2.10反应管表面金相组织(点1)
图2.11冷却器管表面金相组织(点1)
图2.12冷却器管表面金相组织(点2)
检验结果显示,反应管和冷却管外表面金相组织均为回火索氏体+铁素体。
2.1.5压力试验
根据“聚乙烯装置超高压容器及管道安全技术规程”的要求,对冷却器管进行压力试验,试验压力为200MPa。
在冷却管压力试验过中,采用电阻应变测试技术,对冷却管外壁应力进行测试。
测试在现场进行。
在试验管外壁选择二点,用502快干胶贴上直角应变花,二应变片的轴向分别为冷却管的轴向和环向,见图2.13。
另选一段4333M4钢管贴温度补偿片,连接导线至电阻应变仪,见图2.14。
试验在现场进行,压力源由厂里提供,见图2.15。
测试过程为每加压50MPa,保压5分钟后进行应变测试,直至200MPa。
试验结果见表2.5。
表2.5应力测试结果
试验
压力
MPa
测点一
测点二
轴向
应变
με
环向
应力
50
40
128
17.4
32.3
39
138
17.8
34.6
100
79
282
36.1
70.7
77
295
36.5
73.6
150
117
436
54.7
108.9
455
55.9
113.4
200
158
588
73.8
146.9
156
612
74.8
152.4
图2.17应变测试结果
图2.18应力测试结果
由图2.17和图2.18可见,二测点测得的应力较为接近,应力随压力的增加线性增加,略低于理论计算值。
打压至表压200MPa(见图2.16),冷却管没有出现泄漏和明显变形,无异常现象发生。
2.2实验室检测
2.2.1材料理化性能
由于在用反应管和冷却管不能取样,于是选取了一根新的4333M4钢管进行理化性能检验,以获得可供参照的材料性能。
检测结果如下:
实测材料的化学成分分析结果见表2.6。
表2.6化学成分分析结果wt%
C
Mn
Si
Cr
Mo
Ni
P
S
Cu
Sn
As
Sb
Al
实测
0.34
0.85
0.29
0.79
0.39
1.86
0.008
0.005
0.11
0.006
0.001
0.025
规定
0.3~
0.38
0.70~
1.00
0.15~
0.35
0.90
0.35~
0.45
1.65~
2.00
《0.015
《0.005
《0.15
《0.02
《0.009
0.02~
0.04
按ASTMA370标准进行力学性能及冲击性能测试,试验结果见表2.7。
表2.7力学性能及冲击性能测试结果
试样编号
0.2(MPa)
b(MPa)
(﹪)
(﹪)
冲击功(J)
1005.9
1084.1
20.5
64
97.6
995.5
1065.2
19.4
63
95.2
1002.9
1073.6
22.8
91.1
平均
1001.4
1074.3
20.9
94.6
≥950
1030~1170
≥16
≥50
平均60
单个最小42
对钢管横截面进行硬度测试,测得的硬度值为329~335HB,平均为337HB,符合相关标准规定硬度为300~360HB的要求。
2.2.2断裂韧度测试
断裂韧度测试参照ASTME813-89标准,试验温度为室温,试验在INSTRON8032材料试验机上进行,测得的JR阻力曲线见图2.20。
试样采用拱形三点弯型式,直接从钢管上截取,尺寸为全厚度试样,见图2.19,试样尺寸见表2.8。
表2.8拱形三点弯试样的尺寸
R1,mm
R2,mm
H,mm
B,mm
39.8
17
28
12
图2.19拱形三点弯试样简图
图2.20JR阻力曲线
根据JR阻力曲线的特征值J1C,由式
估算材料的K1C值,结果见表2.9。
表2.9断裂韧度测试结果
JR阻力曲线方程
相关系数R
J1C,MPa.m
断裂韧度K1C,Mpa√m
JR=0.2869(△a)0.7758
0.9751
0.098
148.95
该结果表明,4333M4钢管具有较高的断裂韧性值。
2.2.3腐蚀产物分析
现场检验显示,反应管表面腐蚀轻微,可见红色防锈涂料,而冷却管外壁发生了较为明显的均匀腐蚀。
从冷却管外壁取腐蚀产物,进行X射线衍射分析,分析腐蚀产物的结构,并对冷却器水中的溶解氧和氯离子含量以及水的PH值进行分析。
腐蚀产物X射线衍射谱线图见图2.21。
测试结果表明,冷却器外壁腐蚀产物为Fe3O4即铁锈。
图2.21腐蚀产物结构分析谱线
质谱法测试水中氯离子含量,测得的谱线见图2.22。
测试结果表明,水中氯离子含量为93ppm。
依据GB6920-86和GB11913-89标准测试水的pH值和水中的溶解氧,测试结果见表2.10。
表2.10 pH值和溶解氧测试结果
检验项目
测试结果
分析方法
Ph
8.41
GB6920-86
DOmg/L
6.85
GB11913-89
图2.22质谱法测试结果
3计算结果
3.1应力分析和强度校核
采用理论分析、二维轴对称有限元分析和三维轴对称有限元分析相结合的方法,对不同载荷工况下超高压管式反应器和冷却器分别进行了详细的应力分析,并在此基础上进行了静强度校核,得到以下主要结论:
(1)在详细的应力分析之后,采用第三强度理论对超高压反应管进行了强度校核,结果表明:
无论内压载荷下的反应管,还是不考虑自增强残余应力时内压和温度同时作用下的反应管,均能满足强度校核条件,在工作载荷工况下超高压反应管是安全的。
(2)同样对高压管式冷却管在详细的应力分析之后,采用第三强度理论进行了强度校核,结果表明:
无论内压载荷下的高压管式冷却管,还是不考虑自增强残余应力时内压和温度同时作用下的冷却管,均能满足强度校核条件,在工作载荷工况下高压管式冷却管是安全的。
(3)对不同载荷工况下超高压反应管,无论采用二维轴对称有限元分析方法,还是采用三维轴对称有限元分析方法,计算得到的结果是一致的,表明所用有限元分析方法得到的计算结果是可靠的。
3.2反应管剩余寿命分析
目前尚未发现超高压管上存在裂纹类缺陷,考虑到装置已运行15年,根据对损伤累积的原理,假设超高压管已萌生裂纹,依据该类材料的疲劳裂纹扩展速率对反应管进行剩余寿命估算的结果如下。
根据同类材料的试验结果,对于4333M4这样的超高强度钢疲劳裂纹扩展速率取:
da/dN=8.34×
10-15ΔK4.51。
按照最保守的假使,即自增强残余应力已全部衰减,并取最苛刻的工况条件内压和外热温差应力联合作用。
计算中内压取实际的操作压力270MPa,外热温差取100℃,径比k=2.16。
同时假设存在一个深1.8mm表面长4mm的内表面裂纹,(作这样的裂纹尺寸假设是考虑到对这样尺寸的裂纹工程上是可检测出的),计算其疲劳裂纹扩展寿命的结果为:
按Newman式,N=9400次
按岩馆式,N=11700次
由此可见,即使是最小的计算值也达9000多次,取20倍的安全系数,可得允许的开停车次数为450次,即使每年开停车30次,也可使用15年。
上述估算假定残余应力全部衰减到零,而实际上残余应力虽会衰减,但在无特殊操作工况(如分解反应)的条件下会逐渐稳定在某一应力水平的。
因此反应管的疲劳裂纹扩展寿命将比上述的估算值长。
4综合分析
由现场检测可见,两种管子的内壁完好无损,反应管的外表面状况良好。
冷却管的外表面由于水质控制不如反应管,导致产生了均匀腐蚀和局部坑蚀,但深度≯1mm。
分析表明腐蚀产物是由水中的氧引起的Fe3O4即铁锈。
未发现裂纹类表面缺陷。
超声波测厚的结果表明反应管的最小壁厚28.9mm(标称壁厚29mm),冷却管的最小壁厚10.4mm(标称壁厚10.95mm)。
径比仍处于原设计的范围内。
材料表面硬度与新材料的硬度相当。
金相组织正常。
说明反应管和冷却管虽经长期运行,但材料本身组织、性能尚未发生变化。
只要材料的力学性能不发生明显变化,实际径比处于原设计的范围内,则不管残余应力是否衰减,对于爆破和全屈服的安全系数均能满足原设计要求。
应力分析和强度校核计算表明无论是在内压载荷下还是不考虑自增强残余应力时内压和温度同时作用下的反应管和冷却管,均能满足强度校核条件,在目前工作载荷工况下均是安全的。
另外,4333M4钢的韧性良好,其断裂韧性为148.95MPa
,由断裂力学分析所得的临界裂纹尺寸大于壁厚,所以反应管和冷却管的疲劳失效模式将是LBB(先漏后破)。
并且即使在内壁已存在小裂纹和残余应力衰减到零的情况下,对实际的起动——停止工况条件,仍有足够的疲劳扩展寿命。
参考文献
[1]《超高压管式反应器和管式冷却器应力分析和强度校核》.
[2]《工业金属管道设计规范》GB50316-2000.
[3]《在役超高压反应器安全分析和评定》汲寿广,大庆石油学院,2000.
[4]《超高压自增强反应器的安全评定方法》汲寿广,大庆石油学院.
[5]《超高压容器(化工设备设计全书)》邵国华,化学工业2002.8.
致谢
在论文完成之际,我要特别感谢我的指导老师秦玉尧教授的热情关怀和悉心指导。
在我撰写论文的过程中,秦教授倾注了大量的心血和汗水,无论在论文的选题、构思和资料的收集方面,还是在论文的成文定稿方面,我都得到了秦教授的悉心细致的教诲和无私的帮助,在此我表示真诚的感谢。
在论文的写作过程中,也得到了许多同学的宝贵意见,同时还得到了许多的同事、朋友的大力支持和帮助,在此一并致以诚挚的谢意。
感谢所有关心、支持、帮助我的良师益友。
最后,向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出意见的各位专家、教授表示衷地感谢。
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