制氫轉(zhuǎn)化爐管材料(ZG40Cr25Ni20)斷裂韌性變化研究.pdf

1、高溫爐管常用于石油化工行業(yè)的制氫裝置的制氫轉(zhuǎn)化爐中，是內(nèi)部介質(zhì)（原油、氫氣等）反應(yīng)的核心載體部件，并采用燃氣火焰直接對其加熱。在這樣的工作狀況下，爐管會產(chǎn)生高溫氧化、高溫蠕變、氫腐蝕等多重損傷，一旦發(fā)生事故會造成巨大的經(jīng)濟損失并威脅人民生命財產(chǎn)安全，因此其安全運行相當(dāng)重要。
　　 為了有效降低資源的消耗，合理地規(guī)劃工業(yè)裝置的維修更換，最大限度的延長爐管的使用壽命，發(fā)達國家投入了大量的人力物力，著力研究高溫設(shè)備材質(zhì)劣化的原因，盡可

2、能挖掘設(shè)備的潛力。而在我國目前的石化工業(yè)中，也存在著對高溫高壓臨氫環(huán)境下投產(chǎn)設(shè)備的安全評估和現(xiàn)有設(shè)備國產(chǎn)化等問題，進一步分析高溫設(shè)備材質(zhì)劣化的原因，研究爐管材料的性能劣化（韌脆轉(zhuǎn)變），對提高材料性能和指導(dǎo)實際生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。
　　 爐管材料的韌脆轉(zhuǎn)變表現(xiàn)為斷裂時由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗔褧r為脆性斷裂，從目前研究的關(guān)于材料韌脆轉(zhuǎn)變的文獻可知：材料發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的主要原因可以由微觀組織來說明，從某種意義上說，微觀組織的變化可以反映爐

3、管材料宏觀斷裂力學(xué)性能的改變。韌性與脆性的定義沒有一個嚴格界限，材料發(fā)生脆性斷裂的主要原因是金屬不能通過局部塑性變形來松弛裂紋尖端的應(yīng)力阻止裂紋擴展，如果應(yīng)力松弛的時間不足，裂紋就會迅速擴展，從而導(dǎo)致脆性斷裂失效。
　　 本文采用試驗的方法對服役前后的爐管材料進行了斷裂力學(xué)斷裂韌性試驗，定量地分析研究了爐管材料的劣化情況，在試驗的同時，采用數(shù)值模擬的方法對含裂紋爐管進行了應(yīng)力強度因子計算，并與試驗得出的材料斷裂韌性進行對比，分析

4、影響爐管安全使用的主要因素。
　　 本文通過采用國際最先進的MTS810疲勞試驗機、掃描電鏡、能譜分析儀以及國際通用大型有限元分析軟件ANSYS，分別進行了斷裂韌性試驗、微觀組織觀察和含表面環(huán)向橢圓表面裂紋的數(shù)值模擬研究，得到的主要研究成果如下：
　　 （1）采用國際最先進的MTS810疲勞試驗機，進行了平面斷裂韌性、延性斷裂韌性試驗，試驗情況說明了服役5.3萬小時爐管材料已由未服役時的塑性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆鄶啵琙G40C

5、r25Ni材料的斷裂韌性已經(jīng)發(fā)生了較大程度的下降。
　　 （2）通過使用掃描電鏡和能譜儀對進行了斷裂試驗的斷口進行了宏微觀分析，未服役和服役過爐管的微觀組織發(fā)生了很大的變化，未服役爐管斷口表現(xiàn)為纖維狀，有較強的抵抗裂紋擴展能力，而使用過的爐管斷口則表現(xiàn)為朽木狀，層與層之間已經(jīng)剝離，基本沒有抵抗裂紋擴展的能力。
　　 （3）以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，采用有限元方法，建立了表面環(huán)向橢圓裂紋爐管的應(yīng)力強度因子計算模型，計算了受內(nèi)壓時隨