2.25cr1mov钢加氢反应设备蠕变疲劳寿命设计方法

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1、发表论文和参加科研情况说明..........................................................................75致谢..................................................................................................................76III万方数据第一章绪论第一章绪论1.1加氢反应设备发展概况近年来，石油化工和煤化工行业快速发展，加氢裂

2、化和加氢脱硫等工艺有了[1]巨大的进步，这些工艺都需要在高温、高压、含氢介质的装置中进行。加氢反应器作为加氢工艺中的重要设备，是原料油、氢气和催化剂在高温高压条件下的反应场所。近四十年来，随着国际加氢技术迅速发展，特别是裂化和脱硫等工艺飞速发展，人们对加氢反应设备的结构和材料有了越来越高的要求。热壁式加氢反应器具有容积利用率高，制造维修方便，经济性高等优点，逐渐成为主要的加[2]氢反应器形式，并且向大型化发展。[3]加氢反应器大体上分四个发展阶段，第一阶段为引进期，1963年日本制钢所生产出第一台加氢反应器，这一

3、时期加氢反应器筒体一般为CrMo钢板卷制，部分结构采用锻件，壳体的强度不容易保证。第二阶段为改良期，随着研究的深入，人们发现CrMo钢的回火脆化对结构强度造成了较大影响，于是开始控制CrMo钢的含硅量，对于J系数以及回火性能也提出了相应的约束，此阶段J系数的约束为≤180%，同时此阶段冶金和容器制造技术也有了飞速发展。第三阶段为成熟期，此时加氢反应器的设计和制造已经基本成熟，反应器用钢的回火脆性、J积分和冲击性能得到了很好的控制，各发达国家建立了自己的生产检验体系，对于生产环节进行控制，保证设备的安全运行，基本满

4、足了当时石化行业的技术要求。第四阶段为改良期，随着加氢技术的发展和设备大型化的要求，对于加氢设备的操作温度和压力也提出了更高的要求，加氢反应器的用钢和设计标准的研究也得到了极大的重视。各国也相继开发出很多新的钢材，如2.25Cr1MoV，3Mo1MoVTiB，3Cr1MoVNbCa，3Cr1Mo0.25V，2.25Cr1MoV等。在传统CrMo钢的基础上加入V元素，V元素可与C元素形成稳定化合物，从而提高钢材抗氢腐蚀的能力。根据相关资料统计，我国目前石化系统中加氢反应器数量已达数百台，它们的安全性和剩余寿命预测是

5、需要重点关注的问题。我国的加氢反应设备正从国外引进向完全独立自主设计制造过渡，所以需要对于加氢反应设备的材料性能和设计方法进行全面的研究，保证加氢反应设备设计的合理性和运行的安全性。1万方数据第一章绪论1.2加氢反应设备设计技术问题加氢反应器是加氢装置的关键设备，高温高压氢腐蚀环境下的高压容器设计[4]逐渐成为一个重点研究课题。加氢反应设备的失效模式包括氢腐蚀、氢脆以及回火脆性、高温蠕变等，同时部分加氢反应设备间歇工作，在服役过程中会受到循环载荷的影响，蠕变和疲劳交互作用会大大影响加氢反应设备的使用寿命，造成设备

6、快速失效。研究表明，在蠕变疲劳交互作用下的寿命远低于单一载荷下的[5]寿命。近年来，材料在蠕变疲劳共同作用下的失效行为和寿命预测方法已经成[6]为一个新的研究热点。图1-1加氢反应设备应力集中区当前加氢反应设备的设计和制造主要集中在安全性和经济性两方面，而安全性则是重中之重。高压容器在设计过程中对整体结构进行应力分析和强度评定是必不可少的。热壁加氢反应器在高温高压临氢的恶劣工作环境中进行，所以在校2万方数据第一章绪论核过程中需要考虑温差应力的影响。通过应力分析发现设计不合理的局部结构，[7,8]进行重新设计，保证

7、加氢反应设备的结构形式的最优化。结构中的应力大小对于蠕变损伤和疲劳损伤都起着至关重要的作用，所以需要通过合理设计结构，使局部的应力分布得到改善，尽可能减小应力集中系数。研究表明，加氢反应设备存在几个典型的高应力区：1、封头与接管过渡区；2、封头与筒体之间厚度变化的连接处；3、物料接管与壳体相连处；4、裙座与筒体相接处。这些区域由于结构不连续产生了局部的应力集中，同时会因存在轴向或径向的温差产生较大的[9]温差应力，所以在加氢反应设备设计过程中应重点关注这些区域。图1-1给出了一个典型的加氢反应设备结构，标号处为加

8、氢反应设备容易产生应力集中的区域。1.3蠕变疲劳1.3.1蠕变疲劳交互作用机理疲劳是材料在低于抗拉强度的循环载荷作用下，在材料内部或表面出现裂纹、位错或空洞等缺陷，形成局部应力集中。经过一段时间循环后在应力集中处产生微裂纹，随后微裂纹合并长大形成主裂纹，最终主裂纹逐渐扩展导致试样断裂失效。疲劳多为由表及里的断裂过程。疲劳寿命其主要与温度、应力水平以及加载速率有关。蠕变是材