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摘 要

本课题主要以“CO转化炉集气管的高温蠕变性能及剩余寿命预测”为研究中心，首先对CO转化炉进行简单描述，分析当今工业生产中CO转化炉的各个运用领域，从而体现出CO转化炉在工业生产中的重要地位，也突出本次课题研究的重要性。CO转化炉在工业上生产的工况十分复杂，而转化炉集气管部分其工况更是复杂至极，其在高温高压环境下极易形成蠕，从而导致集气管破裂降低其服役寿命。因此，本课题在以“CO转化炉集气管的高温蠕变性能及剩余寿命预测”为中心的同时以蠕变的寿命预测为重点来展开研究。

针对蠕变，首先对蠕变的机理与危害做了简单的陈述，然后对于目前工业上常用的蠕变剩余寿命预测方法做出简单的介绍，而本课题最终基于θ投影法及其修正模型对CO转化炉集气管高温蠕变及剩余寿命展开深度研究。对中石化南京设备失效与预防研究中心对集气管开裂原因进行分析，其研究对象为厂方送来两段破裂集气管，其主要材质为Cr20Ni33Nb离心铸造奥氏体不锈钢炉管。

对于Cr20Ni33Nb钢炉管材料蠕变分析与寿命预测，首先介绍了其工业研究背景，其次本课题主要采用方法θ投影法及其修正模型进行陈述，然后从Cr20Ni33Nb钢炉管材料蠕变试验研究、Cr20Ni33Nb钢蠕变行为研究与预测、基于θ投影法的蠕变寿命预测技术、三个方面对集气管蠕变失效寿命预测展开分析研究。对于Cr20Ni33Nb钢炉管材料蠕变试验研究主要从试验材料与试样准备与试验设备与操作两个方面开展，而对于Cr20Ni33Nb钢蠕变行为研究与预测则从蠕变试验结果与最小蠕变速率预测两个方面开展。通过基于θ投影法及其修正模型对破裂集气管展开研究，并且结合实际对整个Cr20Ni33Nb离心铸造奥氏体不锈钢炉管在实际工况下的高温蠕变进行寿命预测分析。

目录

摘 要

第一章 绪论

1.1 背景与意义

1.2 集气管的选材

1.3 高温蠕变的机理与危害

1.4 蠕变情况的寿命预测

1.4.1 蠕变、持久强度数据外推法

1.4.2 蠕变损伤诊断方法

1.5 基于θ投影法及其修正模型

1.6 本章小结

第二章 Cr20Ni35Nb炉管材料的蠕变分析

2.1 引言

2.2 θ投影法及其修正模型

2.3 Cr20Ni33Nb钢炉管材料蠕变试验研究

2.3.1 试验材料与试样准备

2.3.2 试验设备与操作

2.3.3 蠕变试验结果

2.4 本章小结

第三章 Cr20Ni35Nb炉管材料的蠕变寿命预测

3.1 最小蠕变速率预测

3.2 基于θ投影法的蠕变寿命预测技术

3.3 本章小结

第四章 结论与展望

4.1 总结

4.2 展望

参考文献

第一章 绪论

1.1 背景与意义

随着工业的快速发展，一氧化碳（CO）转化炉在化工及其各个领域运用十分广泛。无论是化学工程^[1]、石油与天然气^[2]还是冶金^[3]、机械工程^[4]等各个领域中CO转化炉的运用都起着至关重要的作用。由此可见对转化炉的研究至关重要，对CO转化炉性能的改善不仅能提高生产效率，还能推动工业的发展^[5]。

众所周知CO转化炉是化工生产装置转化反应的核心反应装置反应器，工业生产中，尤其是CO转化炉所涉及的化工生产行业，其工作环境十分复杂，因为其转化反应为强吸热反应，在反应过程中需要大量热能，而这些热能必须通过管壁进行传递，因此转化炉在受到高压时，还要承受极高的温度，所以说转化炉不仅是一个固定床管式反应器，还是一个为化学反应提供大量热量的加热及传热设备。随着工业生产规模的扩大及部分设备的老化和转化工艺技术的提高，CO转化炉的运行工况越来越复杂，其操作条件也愈加苛刻，因此在安装、检修、维护及检修等环节都必须合理设计，运用合适的方法及材料^[6]。

工业上常见的CO转化炉有顶烧炉、侧烧炉、底烧炉和梯台炉四中，本课题主要针对顶烧炉展开研究。在顶烧炉中其集气管的工况最为复杂，因其长期在高温高压的复杂工况下服役，尤其是下集气管在接管处因焊接而成导致其应力复杂，极易形成蠕变，从而使集气管开裂或者断裂，因此集气管的寿命十分短暂，所以对集气管的研究十分重要，本次研究课题主要围绕CO转化炉集气管高温蠕变及剩余寿命预测这一主题开展。

1.2 集气管的选材

总所周知工艺加热炉其工作环境十分复杂，由于长期在高温高压环境中服役，并且在工业生产中也起着核心作用，因此抓化炉一直被视为近代石油化工工业中蒸馏、预热、裂解等各个工艺的心脏。对于长期在高温、应力和腐蚀介质的作用下服役的加热炉炉管，其必须具有良好的耐腐蚀性能、抗渗碳性能、导热性能以及铸造和焊接性能、抗高温蠕变断裂性能、抗热疲劳性能抗氧化性能等。就目前工业上对集气管的选材而言，Cr-Ni 合金钢为高温炉管的主要选材对象，当Cr-Ni 合金钢加入多种合金元素后,其组织便会发生相应的改变,从而使炉管的高温使用性能大大提高。由此可见,研究材料组织变化与性能之间的关系十分重要,这对如何选择合适的炉管材料从而提高其性能具有重要意义。针对炉管的选材，目前我国主要以HK40 和HP40^[7-10]作为高温炉管的材料^]，而上集气管一般采用铬钼钢、304、321等材质；热壁下集气管的材质主要为AIncoloy 800H^[11]。

Incoloy 800H 是 Incoloy800合金的高碳型，我国相应的牌号为NS 1102 (1Cr20Ni32AlTi)［12],含碳量为0.05%～0.1%,并规定其热处理必须得到ASTM5级或更粗的粗晶粒［13]。晶粒度4级，屈服点强度330MPa,抗拉强度602MPa,延伸率31.5%。本课题所研究的集气管选材为Cr20Ni33Nb。

1.3 高温蠕变的机理与危害

目前化工生产中，高温构件极易失效,而在整个失效构件中，因焊缝的先行失效而导致构件失效的占有非常大的比例,因此焊接对整个构件的结构完整以及所受应力有着非常大的不利影响。为了确保高温构件能在日常生产中安全可靠的正常运行,对其构件的设计与维修必须足够优化,因此针对高温焊接构件的蠕变损伤发展及其断裂原因的研究与分析十分重要。

转化炉炉管作为烃类转化制氢的关键部件其工况十分复杂，不仅高温还高压。因此在炉管选材十分关键，期材料一般以离心铸造耐高温合金 HK40为主,而炉管机构一般由 3～ 4根短管焊接而成，因此其受应力十分复杂。 通过对长期在高温环境下服役的炉管进行研究分析得出HK40炉管损伤及寿命耗散主要是由于高温蠕变所导致。针对这一现象平日里主要以母材的组织劣化以及断裂的分析为研究中心^[15] ,但是 ,最近研究表明 ,通常在服役寿命的后期炉管焊缝具有最高的蠕变损伤 , 并且成为炉管最薄弱的部位一 。

此外由于材料劣化产生蠕变孔洞，也会导致在高温环境下服役的HK40炉管的断裂，因为在蠕变孔洞之间的连接会形成很多微观裂纹，这些裂纹通过长期的积累发展成宏观裂纹 ,最终便会穿透炉管^{[ 16]}。研究表明，炉管产生裂纹后依然还会继续服役，其服役时间接近炉管总寿命的50%^[17]。对于形成的进行分析发现其不仅有母材上的纵向裂纹 ,还有处在于热影响区和焊缝金属的环向裂纹^[18] 。由此可见 ,因蠕变裂纹扩展导致炉管服役寿命变短这一现象十分严重 ,因此，蠕变裂纹扩展是决定炉管剩余寿命的主要因素。

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