陳燁鵬，陸曉峰，朱曉磊

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 211816)

0 引言

近年來(lái)，石化、電力、能源等行業(yè)不斷地發(fā)展，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中已經(jīng)占據(jù)著十分重要的地位[1]，在這些行業(yè)中，爐管主要承擔(dān)著輸送、傳遞能量的職責(zé)。但是，在長(zhǎng)期高溫服役過(guò)程中，爐管材料組織逐漸發(fā)生變化，受到一定的損傷作用，其金屬性能逐漸降低，爐管服役壽命也隨之降低。高溫爐管的剩余壽命研究一直以來(lái)都是科研工作者關(guān)注的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)剩余壽命評(píng)估進(jìn)行了大量的研究。陳舜青等[2]通過(guò)研究?jī)?nèi)氧化層與爐管剩余壽命的相關(guān)關(guān)系，利用內(nèi)氧化層厚度實(shí)際評(píng)價(jià)爐管剩余壽命；Lee[3]通過(guò)對(duì)Cr-Mo合金鋼進(jìn)行超聲測(cè)量，建立了定量超聲測(cè)量材料蠕變損傷程度的測(cè)量方法，發(fā)現(xiàn)超聲波噪聲與蠕變劣化的增加成比例地線性增加；王亮等[4]研究了T92鋼高溫時(shí)效后的硬度變化，根據(jù)硬度法外推了T92鋼的蠕變壽命；邵建雄等[5-6]通過(guò)試驗(yàn)分析Cr5Mo鋼爐管高溫服役后的組織性能，并采用Larson-Miller方法對(duì)爐管剩余壽命進(jìn)行評(píng)估。然而，學(xué)者們?cè)谘芯繝t管剩余壽命時(shí)所用參數(shù)大多來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量和理論計(jì)算，但由于服役設(shè)備的大型化，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的難度和成本都在不斷提高，因而結(jié)合有限元計(jì)算和試驗(yàn)，對(duì)爐管剩余壽命進(jìn)行評(píng)估，可有效降低壽命評(píng)估成本。本文針對(duì)某石化企業(yè)歧化反應(yīng)進(jìn)料加熱爐四級(jí)球化10CrMo910鋼爐管，采用ABAQUS軟件對(duì)其服役條件下的應(yīng)力分布進(jìn)行模擬計(jì)算，確定試驗(yàn)應(yīng)力水平；而后應(yīng)用蠕變?cè)囼?yàn)，研究四級(jí)球化10CrMo910爐管的蠕變特性，并基于蠕變斷裂應(yīng)變法，獲得服役條件下四級(jí)球化10CrMo910爐管的剩余壽命，為裝置安全運(yùn)行提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立

加熱爐幾何模型如圖1所示。加熱爐的爐管分成8組，每組獨(dú)立工作，且每組爐管的支吊架獨(dú)立分布，不相互干擾。因此，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，采用單組爐管進(jìn)行分析，其幾何模型如圖2(a)所示。

圖1 加熱爐三維幾何模型

采用ABAQUS Standard求解器，對(duì)爐管應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行線彈性應(yīng)力分析計(jì)算，材料彈性模量173 GPa，泊松比0.33，介質(zhì)內(nèi)壓5 MPa。物料進(jìn)口溫度330 ℃，進(jìn)口流速0.234 2 m/s，物料出口溫度340 ℃，出口壓力0.1 MPa，爐管溫度600 ℃。由于爐管的進(jìn)口和出口均與外部接管相連，故在進(jìn)、出口采用固支約束，即U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0。為了避免固支約束對(duì)管道應(yīng)力分析的影響，根據(jù)圣維南原理[7]，對(duì)爐管進(jìn)、出口端進(jìn)行加長(zhǎng)。爐管應(yīng)力分析的網(wǎng)格模型如圖2(b)所示，網(wǎng)格類型為C3D8R，網(wǎng)格數(shù)量66.16萬(wàn)。

(a)幾何模型 (b)網(wǎng)格模型圖2 單組爐管幾何模型及網(wǎng)格模型

1.2 計(jì)算結(jié)果

服役爐管的Mises應(yīng)力分布云圖如圖3所示。爐管直管段的應(yīng)力為32 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在180°彎管內(nèi)彎曲面上，達(dá)55 MPa，其原因是加熱爐中的爐管在高溫中服役時(shí)，有膨脹伸長(zhǎng)變形的趨勢(shì)，而180°彎管的內(nèi)彎曲面拘束度最大，從而導(dǎo)致該處應(yīng)力達(dá)到最大值。

圖3 爐管應(yīng)力分布

2 蠕變?cè)囼?yàn)

2.1 試驗(yàn)方法及試樣

2.1.1 試樣金相分析

應(yīng)用Olympus DX510顯微鏡對(duì)爐管軸向截面和徑向截面進(jìn)行了金相分析，金相圖像如圖4所示?？梢钥闯觯?0CrMo910鋼爐管金相組織為鐵素體，且鐵素體內(nèi)分布著第二相增強(qiáng)相，分布較為均勻，但碳化物在晶界處聚集長(zhǎng)大，發(fā)生了珠光體球化現(xiàn)象，參照標(biāo)準(zhǔn)DL/T 999—2006《電站用2.25Cr-1Mo鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[8]，判定爐管球化等級(jí)為4級(jí)。

(a)軸向截面 750×

2.1.2 試驗(yàn)

參照GB/T 2039—2012《金屬材料 單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》[9]對(duì)四級(jí)球化爐管進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)。蠕變拉伸試樣采用線切割法制備，采用600#～1200#砂紙進(jìn)行打磨，用丙酮清洗，冷風(fēng)吹干放置于真空干燥箱中備用。蠕變測(cè)試試驗(yàn)采用RD-50蠕變性能測(cè)試機(jī)，如圖5所示。

圖5 RD-50蠕變性能測(cè)試機(jī)

根據(jù)加熱爐溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析結(jié)果，制定蠕變?cè)囼?yàn)組次，本文在試驗(yàn)溫度600 ℃下，對(duì)爐管材料分別進(jìn)行55,70,100,150 MPa不同應(yīng)力水平下的蠕變拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間不超過(guò)3 000 h。每種工況至少重復(fù)3次，試樣數(shù)量為12件。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

600 ℃不同應(yīng)力水平下的四級(jí)球化10CrMo910鋼爐管蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果見圖6。典型的蠕變曲線可分為3個(gè)階段，即減速蠕變階段、穩(wěn)態(tài)蠕變階段、加速蠕變階段[10]。從圖6(a)(b)可以看出，55 MPa和70 MPa兩個(gè)應(yīng)力等級(jí)下，經(jīng)過(guò)3 000 h的蠕變?cè)囼?yàn)，蠕變曲線仍呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)蠕變現(xiàn)象，處于穩(wěn)態(tài)蠕變階段，平均極限蠕變應(yīng)變分別達(dá)到0.94%和14.7%，皆未發(fā)生斷裂。在100 MPa和150 MPa兩個(gè)應(yīng)力等級(jí)下(見圖6(c)(d))，蠕變曲線很快進(jìn)入了蠕變變形的第三階段，即加速蠕變階段;600 ℃時(shí)100 MPa和150 MPa條件下，四級(jí)球化10CrMo910鋼爐管平均極限斷裂蠕變應(yīng)變分別為25.2%和26%，對(duì)應(yīng)斷裂時(shí)間分別為334.2 h和9.8 h。

(a)55 MPa

3 剩余壽命評(píng)價(jià)

根據(jù)流場(chǎng)和應(yīng)力分布分析可知，爐管的最大應(yīng)力水平為55 MPa，出現(xiàn)在180°彎管內(nèi)彎曲面上。采用蠕變斷裂應(yīng)變法，對(duì)600 ℃,55 MPa的蠕變曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，蠕變應(yīng)變擬合方程見式(1)，擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 600 ℃,55 MPa蠕變應(yīng)變擬合結(jié)果對(duì)比

εc(t)=0.0829+4.1765×10-4t-1.59517×10-7t2

+3.77536×10-11t3

(1)

由于600 ℃時(shí)，100 MPa和150 MPa條件下的蠕變應(yīng)變分別為25.2%和26%，在低應(yīng)力條件下，材料的應(yīng)變不會(huì)發(fā)生較大變化，因此，文中選取斷裂應(yīng)變?yōu)?5%來(lái)評(píng)估剩余壽命，即蠕變應(yīng)變達(dá)到25%，蠕變斷裂時(shí)間為9 300 h?？紤]到擬合過(guò)程不包含蠕變的第三階段，此外推結(jié)果與真實(shí)結(jié)果存在較大誤差，取折減系數(shù)為1.6[11-12]，則600 ℃，55 MPa工況條件下，四級(jí)球化10CrMo910鋼爐管剩余壽命約為5 812.5 h。

4 結(jié)論

以四級(jí)球化10CrMo910鋼爐管為研究對(duì)象，采用數(shù)值分析、試驗(yàn)以及理論分析相結(jié)合的手段對(duì)該爐管在服役條件下的剩余壽命進(jìn)行研究，得到結(jié)論如下。

(1)爐管在服役工況下，最大應(yīng)力水平為55 MPa，出現(xiàn)在180°彎管內(nèi)彎曲面上。

(2)四級(jí)球化的10CrMo910鋼爐管在600 ℃時(shí),55 MPa和70 MPa條件下基本處于蠕變穩(wěn)態(tài)階段;100 MPa和150 MPa條件下處于加速蠕變階段。

(3)四級(jí)球化的10CrMo910爐管在服役條件下的剩余壽命約為5 812.5 h。