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1、焦炭塔剩余寿命评估方法 朱街禄石瑛陈俊 江西蓝天学院建筑工程系江西南昌 延迟焦化设备是石油化工工业的重要高温设备 , 而其装 置的核心设备为焦炭塔 。 由于处于苛刻的高温环境中 , 受到 塔内介质的压力以及介质和环境的腐蚀 , 又同时承受温差及 开停车所引起的疲劳 、 热冲击等复杂的应力作用 , 服役过程 可能会发生蠕变 、 疲劳 、 渗碳 、 腐蚀等现象 , 这些因素使材 料性能劣化 。 一旦焦炭塔发生开裂 , 将会带来重大经济损失 。 为保证安全生产和提高经济性 , 有人提出了对焦炭塔剩余寿 命进行预测的要求 。 焦炭塔塔体材料的化学成分 、 组织结构 、 硬度是评估焦炭塔剩余使用寿命的重
2、要指标 。 焦炭塔塔体材料的选择 目前 , 国内焦炭塔所用的材质主要有两种 碳钢和铬钥 钢 。 绝大多数焦炭塔选用钢 , 但鲍钢的最高使用温度 为 , 耐热强度低 , 而焦炭塔内介质温度高达 一 。 此外 , 焦炭塔除在冷却循环条件下工作外 , 焦化原料 又是含硫化氢之类杂质最高的 , 塔体材质还要遭受硫化氢腐 蚀 。 经 一 年的使用后 , 有可能产生石墨化倾向 , 其结果将 直接导致材料韧性 、 塑性降低 , 造成塔体下部产生鼓凸变形 , 焊缝开裂 , 寿命缩短等现象 。 对苏制相当于国产 钢的常温和高温 性能实测显示高温下其屈服强 度和抗拉强度比常温 时分别下降和 。 材质 的劣化 ,
3、更促使热棘轮效应结构随热载荷而产生的不可逆 转的累积变形现象的产生 。 硒 钢属于耐热钢 , 综合力学性能优于钢 。 由 表可以看出 , 巧钢的高温韧性 、 强度和塑性比 钢高 , 即抗鼓凸性能比碳钢高 , 而发生蠕变的可能性则小得 多 。 从高温综合力学性能考虑 , 焦炭塔在长期高温及交变载 荷下运行 , 选用巧钢比飞 钢更加安全可靠 。 实验室试验 主要有以下试验检测塔体材料的化学成分 、 常规力学 试验 、 高温持久强度试验 、 裂纹张开位移试验 、 积分 阻力曲线试验 、 裂纹扩展速率试验 、 高温低循环应变疲劳试 验 、 热机疲劳试验 、 蠕变与疲劳交互作用试验等 。 目前国内对于焦
4、炭塔进行安全可靠性评定的主要依据 压力容器安全技术监察规程 、 在用压力容器检验规 程 、 一 压力容器无损检测 、 一 钢制压 力容器 、 一 压力容器缺陷评定规范 、 钢制压力 容器设计规范 、 劳动部颁发的在用压力容器检验与缺陷处 理的若干建议等 。 二常见的热炭塔翻 翻方法 时间 一 温度参数法 工程设计所要求的持久强度一般都是具有在几万至几十 万小时内发生蠕变断裂的应力 , 而这样长时间 的蠕变试验数 据直接通过试验获得是极为困难的 。 一般都采用提高应力或 温度的方法得到短期蠕变试验数据 , 然后根据持久方程预测 长期持久强度 。 时间 一 温度参数法是目前在蠕变持久寿命计 算中较
5、为流行的方法 , 它对参数的要求比较低 , 可以 比较容 易地根据蠕变 持久温度获得蠕变持久断裂寿命 。 时 间 一 温度参数法中应用较多的有拉森 一 米勒参数法 、 葛庭 遂 一 参数法 。 它的基本概念是提高试验温度可以缩短 试验时间 , 它把时间 一 温度表示成一个互相补偿的参数 二 , , 并把这参数表示成应力的函数 , , 二 。 葛庭遂 一 法持久强度外推模型 , ,、 , 九入叭下二 二 找 焦炭塔剩余寿命的评估 其中 仁为断裂时间 , 为绝对温度 , 为气体常数 , 、 为 与材料与应力有关的项 。 对式两边取对数 , 可得 一目,焦炭塔舟评估主典包括的内容 现场检测 主要有无
6、损检测 、 硬度检测 、 金相检验 、 焊接残余应力 测定 、 尺寸测量和内外部宏观检查 。 , , 命 葛庭遂 一 认为蠕变激活能是与材料有关的常数 , 常数是与应力有关的函数 , 将 转换为 【作者简介】朱街禄 一 , 男 , 江西余江人 , 江西蓝天学院建筑工程系硕士 , 研究方向板壳非线性力学 。 中小企业科技 么沁 尸口 基于式的运算简称为葛庭遂一法 。 葛庭遂 一 法用试验材料的持久数据整理出葛庭遂 一 法综合曲线 , 可通过曲线求出材料常数及所需的值 , 进 而可以估算出剩余寿命 。 】立此。 一 参数外推模型 高温材料的蠕变速率方程为 犷 斋 其中 为蠕变速度 , 为绝对温度
7、, 为蠕变激活能 , 为气 体常数 , 、 为与材料与应力有关的项 。 假设为材料破坏时的总变形量 , 仁为持久断裂时间 , 则态 。 联立以上两式得到 旦 盯 一 已 一占 一一 一东 式两边取对数 , , , 荟 一 二 艺 。 可得 为回归常数 。 叨 一 公式是一个经验表达式 , 对于有些金属材 料在 护疲劳寿命内描述得很好 , 对于有些金属材料则精度 较差 , 弹性线和塑性线都不是直线 。 基于神经网络寿命预测 人工神经网络采用物理可实现的系统来模仿人脑神经细 胞的结构和功能的系统 , 已被广泛应用于各个领域 。 根据母 材和焊缝的热机械疲劳试验结果 , 通过神经网络的学习 , 可
8、以较好地对焦炭塔的剩余寿命进行评估 。 无损检测法 对于焦炭塔缺陷的分析和寿命预测 , 国内外都开展了以 无损探伤和断裂力学为基础的缺陷分析和寿命预测的研究和 工程实践工作 。 例如美国早在年的法规中就制 订了缺陷的评定标准和方法 , 英国和日本也建立了允许有缺 陷的设计标准 , 我国则建立了一标准 。 但这些安全 评估的依据都是以材质在正常状态下的断裂韧性为依据的 , 而对特定条件下出现材质退化的性能包括断裂韧性却很 少涉及 。 一浦 理论认为式中的常数是与材料有关 的常数 , 令于 二 蠕变激活能是与应力有关的函数 , ”一” 一 、 占 一 一一一 ” 一 一一 一 一一 式化为 , 其
9、中是应力 的函数 。 由式可知 , 在一定应力下断裂 时 , 为一定的数值 。 换言之 , 在一定应力下任意两个温度 、 毛和断裂时间 了 ,、 了 之间 的关系 , 可以用下式 来表示 , 利用这个关系 , 可以用较高温度下的断裂时间 了 由试验得到 推算出较低温度爪下的断裂时间 了 。 表 , 材料在不同温度和应力下的断裂时间 结论 应应力 温温度度 从表可以看出 , 当温度提高时 , 断裂时间会急剧 缩短 , 从而大大加速了持久试验 。 采用这种方法可以大大缩 短试验时间 , 这是毫无疑问的 。 应变 一 寿命 一 曲线法 高温低周疲劳条件下的寿命估算 , 大多数是在常温低周 疲劳寿命的
10、估算上发展起来的 。 常温低周疲劳寿命的估算方 法很多 , 例如 一 公式 、 泊叮 方程 、 通用斜率法 等 。 目前常用的方法仍为 一 方法 。 应变 一 寿命曲线描述材料的应变于寿命之间 的关系 , 在 所有的 二一 曲线中 , 曼森 一 科芬 一 公式 使用最为广泛 。 一 公式为 归纳常用的焦炭塔剩余使用寿命预测方法主要还是根据 一段时间后焦炭塔的性能和状态如材料的显微组织 、 持久 强度 、 裂纹等 , 通过试验建立这些参数和寿命的关系 , 再确 定实际使用温度 、 应力下的使用寿命 。 高温部件的损坏主要 是由于热时效所引起的材料组织老化和高温长期应力作用下 的蠕变损伤所造成 。
11、 根据这一原理 , 美 、 英 、 德 、 等国着重 研究珠光体球化或碳化物颗粒粗化与剩余寿命的关系以及蠕变 损伤与剩余寿命的关系 。 与此同时 , 他们开发了一些无损检测 技术 、 蠕变损伤的定量评定方法 、 高温部件蠕变损伤的现场测 定技术等 。 另外 , 为了能对带裂纹或缺陷的高温部件进行剩余 寿命的高温评定 , 还研究了蠕变裂纹扩展速率 , 建立了 与力学参量之间的关系 , 从而可定量计算裂纹扩展寿 命 。 利用这些研究成果 , 并结合对焦炭塔的现场检测 , 可对 其剩余寿命进行综合评定 。 钮 八外玛 “ 一 式中 为塑性应变 , 参考文伙 【赵克勤 , 胡海龙焦炭塔热疲劳寿命佑算【 石 油化工设备 技术 , 一 【李一玮延迟焦化装笠焦炭塔的变形 、 开裂机理和安全分析【 压力容器 , 一 俞松柏 以 。 钥饭坏锥过渡段焦炭塔的制造压力容 器 , 一 冶金部钢铁研究总院压力容器技术服务部 长岭炼油化工厂焦化 车间焦炭塔塔体变形材质鉴定和分析报告 。 为塑性指数 , 为断裂次数 , 么扣 , 中小企业科技