多因素耦合的大型乙烯裂解炉管损伤机理与损伤发展

Research on damage mechanism and damage evolution of core component of large-scale ethylene cracking furnace is a multi-level and multi-scale problem, which is involved with metallography, mechanics, mechanology and computational science. Damage of the structure component is close relationship with carburization dynamics, stress. this study focus on the damage mechanism analysis and life prediction of cracking furnace tube, as the core component of large-scale ethylene cracking furnace, with coupled multi-factor effects based on the theory of metallography, solid mechanics and computational science, numerical simulation and experimental tests are combined to study. Quantitative relation between temperature, stress and carburization dynamics was investigated by establishing mathematical model of carburization diffusion. Damage mechanism of ethylene cracking furnace tube was revealed under structure stress, strain variation as well as combined stress with carburization.Proposing macroscopical and microscopical damage analysis method under action of creep and carburization, deducing damage evolution of struture component at high temperature and complex stress, relizing damage evolution of ethylene cracking furnace tube under the coupled multi-factor effects is an imminent research study, which should propose the theoretical basis and scientific method for life prediction of large-scale ethylene craking furnace.

大型乙烯裂解炉的损伤机理与损伤演化研究涉及到金属学、力学、机械以及计算科学等不同领域，是一个多层次、多尺度的复杂问题。材料构件的损伤与渗碳动力学、应力以及其协同作用关系密切。本课题针对大型乙烯裂解炉关键构件-裂解炉管，综合运用金属学、固体力学、计算科学，结合数值模拟和试验测试等手段，开展多因素耦合作用下裂解炉管损伤机理与损伤演化的研究。通过建立渗碳扩散模型及其计算分析，研究温度、应力与金属构件渗碳动力学之间的定量关系；揭示乙烯裂解炉管结构应力、应变变化和应力－渗碳协同作用的损伤机理；发展蠕变和渗碳耦合作用下的宏观、细观损伤发展计算方法，演绎高温服役环境和复杂载荷作用影响下的材料损伤演化过程，为大型乙烯裂解炉炉管寿命预测提供理论基础和科学方法。

大型乙烯裂解炉的关键构件-裂解炉管因长期处于高碳势、低氧压和高温的服役环境而常常承受复杂的高温损伤，即蠕变损伤、渗碳损伤、氧化损伤、弯曲变形等。本课题以Cr25Ni35Nb（HP40Nb）和Cr35Ni45Nb（KHR45A）合金乙烯裂解炉管为研究对象，采用试验测试和数值模拟相结合的方式，开展了多因素耦合作用下裂解炉管损伤机理与损伤演化的研究工作。主要工作如下：.（1）利用有限元软件ABAQUS，开发了顺次耦合的热应力耦合程序，对已存在结焦层的HP40Nb合金炉管开车过程中温度场和应力场分布进行数值分析，并对乙烯裂解炉管采用停车检修时的临界结焦厚度值进行了预测。结果表明：结焦引起炉管局部径向“鼓胀”断裂。HP40Nb炉管需要采取清焦的临界结焦层厚度为2.3mm。（2）对于结焦层和渗碳层共存的Cr35Ni45Nb合金乙烯裂解炉管，对其开车过程中温度场以及应力场的分布进行了数值分析。讨论了结焦层和渗碳层尺寸、不同升温方式对于炉管力学性能和传热性能的影响。（3）基于渗碳试验所获得数据和Matlab软件，利用Fick’s第二定律和平衡常数法对不同服役温度和服役时间的炉管碳浓度分布规律和渗碳层厚度进行了模拟和验证，并对长期服役后的炉管渗碳层发展进行了预测。结果显示，Cr35Ni45Nb合金抗渗碳能力优于Cr25Ni35Nb，但是当服役温度从1000℃上升至1100℃，两种合金服役寿命急剧降低。（4）基于连续损伤力学理论，建立了渗碳-蠕变耦合作用下的损伤本构方程，开发了渗碳-蠕变耦合作用下裂解炉管损伤有限元分析子程序，模拟分析了渗碳-蠕变耦合作用下Cr25Ni35Nb和Cr35Ni45Nb钢炉管随服役时间变化的损伤发展规律。并讨论了服役温度、炉管厚度、炉管内径和内压对于炉管损伤的发展影响，并分析了内压、热应力和蠕变应力共同作用下的时变应力场随服役时间的变化情况.最后讨论了时变应力场与炉管损伤发展之间的对应关系。.本项目关于高温服役环境和复杂载荷共同作用影响下乙烯裂解炉管的损伤机理与损伤发展研究成果，为大型乙烯裂解炉炉管寿命预测提供了理论基础和科学方法。