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1、 收稿日期:2003211219 基金项目:中石油集团公司资助项目(0108062 07) 作者简介:史首宏(19672 ) , 男(汉族 ) , 河北秦皇岛人,高级工程师,在读工程硕士,从事炼油化工设备管理工作。 文章编号:100027466(2004)0220034203 焦炭塔剩余寿命的计算模型 史首宏,曾 超,宋天民,张国福,管建军,张瑞十,蔡志刚,沈书乾 (辽宁石油化工大学 机械学院,辽宁 抚顺 113001) 摘要:在Lifshitz与Wagner模型公式的基础上,得到了珠光体球化过程中的动力学方程,并且计算 出了在焦碳塔工况条件下20g材质达到不同老化程度所需要的时间,建立了焦炭
2、塔剩余寿命的计 算模型。 关 键 词:焦炭塔;剩余寿命;珠光体球化;计算模型 中图分类号:TQ052.5 文献标识码:B Calculationmodelontheresiduallifeofcokingtower SHIShou2hong,ZENGChao,SONGTian2min, ZHANGGuo2fu,GUANJian2jun,ZHANGRui2shi,CAIZhi2gang,SHENShu2qian (DepartmentofMechanicalEngineering,LiaoningUniversityofPetroleumresiduallife;spheroidizationo
3、fpearlite;calculationmodel 焦炭塔是延迟焦化反应的反应釜,是延迟焦化 装置中的重要设备,由于工作条件恶劣,焦炭塔普遍 存在着塔体变形、 裙座及塔体焊缝开裂等问题,严重 威胁着焦炭塔的安全运行。目前,很多工厂中的焦 炭塔都在超过其设计寿命的状态下使用,塔体腰部 鼓凸,变形严重。能否继续使用需进行剩余寿命评 估,复杂的评估工作要耗费大量的资金和时间。因 此,有必要研究1种合理、 简单而又可靠的焦炭塔剩 余寿命计算模型。 近年来,国外学者通过研究珠光体或碳化物颗 粒粗化与剩余寿命的关系来研究材质老化问题。文 中以Lifshitz与Wagner模型公式为基础,建立珠光体 球化
4、过程的动力学方程,并根据20g材质老化模型 与焦碳塔剩余寿命的关系,得到了焦碳塔的剩余寿 命计算模型。 1 20g材质老化的热力学原理 材质老化是个相当复杂的过程,20g在长期的 高温应力作用下,其老化过程主要表现为珠光体球 化。从热力学角度分析 1 ,奥氏体在进行共析分解 时应该析出铁素体和石墨碳。但实际上即使在 缓慢冷却条件下也只能发生铁素体和渗碳体的 共析反应,生成层、 片相间的珠光体。层、 片状的珠 光体是1种亚稳组织,其中的片状碳化物表面积大、 界面能高,当长期在高温下工作时,在界面能降低这 一驱动力的作用下,会自发地向颗粒状转变,形成球 状珠光体。完全球化的渗碳体在较高温度下保温时
5、 还会发生分解形成稳定的石墨碳。自由能的下降是 整个老化过程的驱动力。 2 计算模型 20g钢球化处理时,随着时间的增加,晶内碳化 物粒子会发生粗化,晶内碳化物粒子平均半径 ?r与 保温时间t的关系式如下 2 : ?r 3 -r0 3 =f(T)t(1) 式中,f(T)在温度和应力一定时为常数;?r0为球化 第33卷 第2期 2004年3月 石 油 化 工 设 备 PETRO2CHEMICALEQUIPMENT Vol133 No12 Mar12004 开始时碳化物粒子的平均半径;?r为经时间t球化后 碳化物粒子的平均半径。 Lifshitz与Wagner在GreenWood模型的基础上 推导
6、出以下公式 3 : ?r 3 -?r0 3 = 8DVBC() 9kT t(2) 式中,D=D0exp( - Q kT ) , 其中D0为扩散常数,材料 一定时是一个定值;k为玻尔兹曼常数;Q为扩散激 活能;、VB、C()均为与温度无关的量。当温度 和应力一定时,8 DVBC() 9kT 为常数,此时,式(2)和 式(1)相同。可将式(2)作为焦炭塔剩余寿命的计算 模型公式。式(2)可改写为: ?r 3 -?r0 3 =A exp( - B T ) T t=f(T)t(3) 式中,A= 8D0VBC() 9k ,B= Q k ,f(T)= A exp( - B T ) T 。 将式(3)两边同
7、除以t,则变为: ?r 3 -?r0 3 t =A exp( - B T ) T =f(T)(4) 由于20g钢的球化机制与12Cr1MoV钢的球化 机制相似,故文中采用12Cr1MoV钢在应力为0时的 f(958) = 7.7510 225 和f(978) = 1.12510 224 来求 解 2 ,将两数值分别代入式(4)得: A exp( - B 958) 958 =7.7510 225 A exp( - B 978) 978 =1.12510 224 解之,可得A=2.220110 214 ,B=16490.48982。利 用上述A、B值,在748K时有: f(748) = A exp
8、( 2 B 748) 748 =7.906190710 227 m 3 s 以上的分析未考虑应力对球化速度的影响,根 据文献2,应力对球化速度影响很大。有应力作用 时珠光体完全球化所需的时间比无应力作用时减少 13 4 。考虑应力的影响,式(3)变为: ?r 3 -?r0 3 =ZA exp( - B T ) T t=Zf(T)t(5) 式中,Z为考虑应力时的修正系数,对完全球化阶 段,Z= 1.5 ;对中度球化阶段,Z= 1.2 ;对轻度球化 和倾向性球化阶段,Z=1。 从对各个球化级别的试样所做的力学性能试验 来看,球化级别越高,材料的屈服强度越低,材料越 容易产生塑性变形,塑性变形所引起
9、的各种晶体缺 陷会加速扩散过程的进行,促使球化过程加速。所 以,材料在达到完全球化的过程中,由于应力的影 响,球化速度将比没有应力时快得多。而在达到中 度球化的过程中,因应力不容易使材料发生塑性变 形或材料塑性变形后很容易加工硬化,从而使球化 的速度增加较慢。在轻度球化和倾向性球化时,片 状珠光体很多,球状珠光体的颗粒也较小,对位错运 动的阻力较大,此时,材质的加工硬化速率较高,能 很快抑制塑性变形,使得缺陷增加较少,扩散基本不 受应力影响。 3 应用 焦炭塔壳体材质20g在748K时的粒子粗化动 力学方程为: ?r 3 -?r0 3 =Zf(748)t 则:t= ?r 3 -?r0 3 Zf
10、(748) (6) 利用20钢球化标准中各个球化级别与球状碳 化物定量分析数据中的球状碳化物平均尺寸(表 1) 分别计算在748K时片状珠光体达到各种球化级别 所需的时间为 5 :达到完全球化所需时间为t= 54.2 a,达到中度球化所需时间为t= 15.7 a,达到轻度球 化所需时间为t= 3.1 a,达到倾向性球化所需时间 为t=0.73 a。 表1 各球化级别下球状碳化物平均尺寸 球化级别1级2级3级4级5级 球状碳化物 平均尺寸 m 1.03911.09231.24321.79062.7916 对于实际生产中的焦炭塔而言,其在748K工 作的时间,主要是结焦阶段以及预热后的进料时间。
11、因此,在1个周期中塔体有23的时间处于748K。 所以应将上面计算得到的时间折合成焦炭塔的实际 运行时间,则焦炭塔塔体材质20g达到各球化级别 时所需的时间为:片状珠光体达到完全球化所需时 间为t=81.3 a,片状珠光体达到中度球化所需时间 为t= 23.55 a,片状珠光体达到轻度球化所需时间 为t=4.65 a,片状珠光体达到倾向性球化所需时间 为t=1.095 a。 以上计算利用珠光体耐热钢12Cr1MoV的实验 53第2期 史首宏,等:焦炭塔剩余寿命的计算模型 数据及20钢球状碳化物平均尺寸进行 2 ,所以只是 提供计算思路。若使用20g材质的实验数据最理 想,但由于其与20钢的化学
12、成分相同,故上述计算 也有实际意义,其结果也较合理。 综上所述,可以得出焦炭塔剩余寿命的计算模 型公式: t= 3 2 (?r3-?r03)T ZA exp( B T )(7) 式(7)是在无应力状态只考虑温度变化的情况下 通过模拟实验得到的拟合公式。对实验及生产实践 有一定的指导作用。但是由于对应力因素缺乏考虑, 故难免有所不足。式(7)对应的每个球化级别是1个 范围,没有具体到某1个量上,因球化级别不易把握, 所以不仅计算误差较大,而且在计算从1个球化级别 到更高的球化级别所需的时间时也有明显不足。 4 结语 文中所得焦炭塔剩余寿命计算模型主要考虑了 温度及应力对珠光体球化速度的影响,并没
13、有考虑 钢的实际晶粒度、 渗碳体片的大小、 塑性变形程度和 残余应力等因素对球化速度的影响。此模型将焦炭 塔的寿命与材质金相组织中碳化物颗粒尺寸联系起 来,使得从材质老化的角度计算焦炭塔寿命变得更 为精确,为焦炭塔剩余寿命评估带来了方便,可作为 相关塔器剩余寿命评定的借鉴。将该模型用于炼油 厂焦炭塔剩余寿命的实际评定工作,既可保证材料 充分发挥作用,又可保证焦炭塔安全运行。评定时 只需做塔体关键部位金属材料的金相检验,就可根 据相关计算得出焦炭塔的剩余寿命,简单有效,方便 实用。 参考文献: 1 赵登志,鞠占英,宋 静.温度对12Cr1MoV钢管珠光体球化 及力学性能的影响J.电站系统工程,2002,18 (3) :58259. 2 谢国胜.耐热钢珠光体球化过程中碳化物粒子粗化动力学研 究J.发电设备,1997,4:9211. 3 戚正风.固态金属中的扩散与相变M.北京:机械工业出版 社,1998. 4 胡华勇,万 虎.10CrMo910原始组织异常原因分析及安全性 评价J.广西电力技术,2001,2:13215. 5 DLT674-1999,火电厂用20号钢珠光体球化评级标准S. (杜编) 63 石 油 化 工 设 备 2004年 第33卷