郭金泉，劉海林，張經(jīng)偉，劉康林，黃齊飛，郭帥

(1.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 福建 福州 350108；2.福建省力值計(jì)量測(cè)試重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建省計(jì)量科學(xué)研究院), 福建 福州 350003；3.福州大學(xué)石油化工學(xué)院, 福建 福州 350108; 4.福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院, 福建 福州 350028)

0 引言

某廠一臺(tái)在役催化裂化再生器，筒體材料為Q245R鋼，其內(nèi)部介質(zhì)工作最高溫度達(dá)720 ℃.由于服役環(huán)境的惡劣性，其內(nèi)襯發(fā)生破損，導(dǎo)致局部區(qū)域筒體與高溫介質(zhì)直接接觸.而Q245R鋼不適宜長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下使用，且目前也無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道該材料在高溫下的蠕變性能，所以為保證該設(shè)備的安全服役，需對(duì)筒體材料進(jìn)行高溫蠕變行為研究.材料蠕變是高溫構(gòu)件最常見(jiàn)的失效方式[1-3]，如長(zhǎng)期受到高溫蠕變的影響，重油催化劣化裝置出現(xiàn)筒體鼓包、 鍋爐壓力容器煙管變形及反應(yīng)堆壓力容器封頭斷裂[4]等情形.這些在惡劣環(huán)境下服役的設(shè)備，一旦發(fā)生事故，即會(huì)對(duì)生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅，所以對(duì)再生器筒體蠕變性能進(jìn)行分析和研究，對(duì)設(shè)備的安全生產(chǎn)和人身安全有著重大的意義.

高溫下金屬的蠕變性能是衡量金屬材料強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)，其常用的研究手段是單軸蠕變?cè)囼?yàn)并建立蠕變本構(gòu)模型進(jìn)行描述[5-6].目前已有大量學(xué)者提出不同的單軸蠕變本構(gòu)關(guān)系，而其中較為常用的有Norton冪律方程及Norton-Bailey本構(gòu)方程，它們被廣泛應(yīng)用于描述大部分的金屬材料的本構(gòu)關(guān)系[7].徐鴻等[8]基于Norton-Bailey模型對(duì)P92鋼進(jìn)行了蠕變分析，并結(jié)合Norton方程，得到能夠同時(shí)描述蠕變第一及第二階段的蠕變方程.BRANDO等[9]基于Norton冪律方程對(duì)航空用材7050鋁合金進(jìn)行蠕變時(shí)效成形研究與有限元計(jì)算，結(jié)果表明基于Norton冪律的簡(jiǎn)化模型可有效地應(yīng)用于7050鋁合金的蠕變時(shí)效研究中.Zhao等[10]提出一種鋯合金高溫氧化的相場(chǎng)模型，并利用理想彈塑性模型和Norton冪律蠕變方程預(yù)測(cè)鋯合金彈塑性形變和使用一維氧化情況驗(yàn)證相場(chǎng)模型結(jié)果，表明其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好.本研究對(duì)再生器筒體材料Q245R鋼在其現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到壁溫550 ℃時(shí)，對(duì)不同應(yīng)力水平進(jìn)行單軸蠕變?cè)囼?yàn)，建立550 ℃下該材料的Norton冪律方程，并將得到的蠕變本構(gòu)方程代入ABAQUS中對(duì)再生器出現(xiàn)鼓包的局部區(qū)域進(jìn)行有限元分析，為安全評(píng)定提供依據(jù).

1 筒體參數(shù)及試驗(yàn)方法

再生器筒體在實(shí)際服役工況下其所受到的內(nèi)壓p為0.24 MPa，筒體壁厚δ1為24 mm，內(nèi)徑Di為5 800 mm； 在鼓包區(qū)域附近有一接管，壁厚δ2為12 mm，內(nèi)徑di為1 400 mm.根據(jù)其實(shí)際的服役工況，可以得到筒體的環(huán)向薄膜應(yīng)力σθ為：

(1)

筒體的軸向薄膜應(yīng)力σm1為：

(2)

接管所受到的軸向薄膜應(yīng)力σm2為：

(3)

蠕變?cè)囼?yàn)試樣根據(jù)《金屬材料 單軸拉伸試驗(yàn)蠕變方法(GB/T 2039—2012)》[11]加工成標(biāo)距為50 mm，直徑為10 mm的試樣，具體試樣尺寸如圖1所示.因?yàn)樵趪?guó)標(biāo)與已有的文獻(xiàn)中，只能查到Q245R鋼最高450 ℃時(shí)的力學(xué)性能參數(shù)，所以需要對(duì)該材料進(jìn)行高溫力學(xué)性能研究，其拉伸試樣與單軸蠕變?cè)嚇酉嗤?，高溫拉伸試?yàn)溫度為550和600 ℃，根據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)： 高溫試驗(yàn)方法(GB/T 228.2—2015)》[12]安裝好試樣后，保溫30 min后開(kāi)始高溫拉伸試驗(yàn)，預(yù)載荷為200 N.蠕變?cè)囼?yàn)采用CTM-105B1高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)，試驗(yàn)過(guò)程中保持載荷不變，試驗(yàn)為位移加載，加載速率為0.2 mm·min-1，溫度為上中下三點(diǎn)控溫，溫度誤差為±1℃.試驗(yàn)條件為550 ℃下，加載載荷分別取筒體環(huán)向薄膜應(yīng)力σθ的1.50、 2.25、 2.50、 2.75和3.00倍，即43.50、 65.25、 72.50、 79.75和87.00 MPa.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)Q245R鋼材料在550和600 ℃下進(jìn)行高溫單軸拉伸試驗(yàn)，得到的高溫拉伸曲線如圖2所示.表1給出Q245R鋼不同溫度下的基本力學(xué)性能參數(shù)，其中常溫和450 ℃時(shí)的力學(xué)性能為《鍋爐和壓力容器用鋼(GB/T 713—2014)》[13]的數(shù)據(jù).表1中：σb為抗拉強(qiáng)度；σs(σ0.2)為屈服極限；δ為延伸率.

表1 Q245R鋼高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，常溫下與高溫下該材料的力學(xué)性能差別較大，說(shuō)明其高溫力學(xué)性能較差； Q245R鋼隨著溫度的增加，其抗拉強(qiáng)度、 屈服極限和彈性模量都呈明顯降低； 且高溫下的延伸率是常溫下的2倍，說(shuō)明高溫軟化了材料，導(dǎo)致延伸率增加.

2.2 高溫單軸蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

根據(jù)CTM-105B1高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到Q245R鋼時(shí)間-應(yīng)變曲線，如圖3所示.表2為單軸蠕變?cè)囼?yàn)得到的最小蠕變率.從圖3可看出，在550 ℃下Q245R鋼的蠕變第一階段并不明顯.而由表2可看出，550 ℃下Q245R鋼隨著應(yīng)力的增加，其最小蠕變速率增大，表明隨著應(yīng)力的增加，Q245R鋼的抗蠕變性能降低.由于本文未進(jìn)行不同溫度、 相同應(yīng)力的蠕變?cè)囼?yàn)，所以Q245R鋼隨溫度改變的時(shí)間-應(yīng)變規(guī)律并未給出，但是由金屬蠕變的大致規(guī)律可以得到在相同應(yīng)力下，溫度越大，蠕變速率越快，材料的抗蠕變性能越低[14].

表2 Q245R鋼550 ℃單軸蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

3 本構(gòu)方程與有限元分析

3.1 本構(gòu)方程

在恒溫恒載荷的情況下，金屬的蠕變應(yīng)變不僅與溫度和應(yīng)力相關(guān)，還與時(shí)間相關(guān)，所以蠕變應(yīng)變?chǔ)與可寫(xiě)成與時(shí)間t、 溫度T和應(yīng)力σ的函數(shù)關(guān)系式[15]：

εc=f1(σ)f2(t)f3(T)

(4)

一般應(yīng)力水平與蠕變速率在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中呈現(xiàn)線性關(guān)系，下式為蠕變和應(yīng)力的關(guān)系式； 而時(shí)間對(duì)于蠕變來(lái)說(shuō)存在相關(guān)性，一般是由試驗(yàn)結(jié)果擬合得到； 受試驗(yàn)條件限制，本文只考慮550 ℃溫度下材料的蠕變，因此不考慮不同溫度的影響[16].

f1(σ)=Aσn

(5)

式中：A為與溫度、 材料特性相關(guān)的常數(shù)；n為應(yīng)力指數(shù).

在恒應(yīng)力下的蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明，蠕變第二階段的蠕變率為恒定值，可得到Norton冪律方程：

(6)

3.2 Q245R鋼本構(gòu)模型參數(shù)的確定

從圖3的蠕變曲線可知，Q245R鋼的蠕變第一階段時(shí)間短，可以忽略不計(jì).所以使用下式來(lái)描述Q245R鋼的蠕變性能，對(duì)式(6)取對(duì)數(shù)得：

(7)

由圖4可獲得A2與n2的值，其中A2=9.41×10-17，n2=6.57.在常用的蠕變研究方法中，可通過(guò)應(yīng)力指數(shù)n2來(lái)表征材料的蠕變變形機(jī)制[17-19].當(dāng)n2=1時(shí)，金屬材料的變形機(jī)制主要為擴(kuò)散蠕變； 當(dāng)n2=2時(shí)，金屬材料的變形機(jī)制主要為位錯(cuò)滑移； 當(dāng)n2=4～7內(nèi)時(shí)，金屬材料的變形機(jī)制主要為位錯(cuò)攀移； 當(dāng)n2>7時(shí)，此時(shí)無(wú)法預(yù)測(cè)金屬材料的蠕變機(jī)制.根據(jù)試驗(yàn)蠕變曲線數(shù)據(jù)得到n2的擬合值為6.57，其在4～7內(nèi)，因此，Q245R鋼在550 ℃下的蠕變機(jī)制主要以位錯(cuò)攀移為主.

3.3 有限元分析

根據(jù)再生器筒體接管鼓包區(qū)域?qū)嶋H情況，借助ABAQUS有限元軟件，對(duì)再生器在550 ℃時(shí)的高溫蠕變行為進(jìn)行模擬研究.由于整個(gè)筒體為對(duì)稱模型且此次內(nèi)襯失效出現(xiàn)在筒體接管上方處，因此取該局部區(qū)域二分之一進(jìn)行建模，有限元模型如圖5所示.該模型采用C3D8R六面體單元?jiǎng)澐?，共劃?02 136個(gè)單元，129 485個(gè)節(jié)點(diǎn).在筒體內(nèi)壁施加內(nèi)壓0.24 MPa，模型上端面施加筒體軸向等效應(yīng)力σm1=14.5 MPa，接管端面上施加接管軸向等效應(yīng)力σm2=7.0 MPa； 在模型下端施加Y向約束uY=0，在接管與筒體的對(duì)稱面上施加對(duì)稱性約束.

對(duì)該模型進(jìn)行蠕變有限元計(jì)算，本構(gòu)模型采用式(6)的Norton冪律模型，模擬結(jié)果如圖6所示.由圖6可知，最大Mises應(yīng)力為65.3 MPa, 發(fā)生在筒體和接管相貫處附近區(qū)域，通過(guò)應(yīng)力分析與評(píng)定，可知一次局部薄膜應(yīng)力為54.3 MPa，一次+二次應(yīng)力為64.8 MPa，其值均小于設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度許用極限，說(shuō)明該區(qū)域在不考慮高溫引起材料劣化和溫度梯度對(duì)筒體影響的情況下是滿足強(qiáng)度要求的.從圖6(b)中可以看出筒體受到內(nèi)壓和高溫影響后，最大變形量為91.3 mm與現(xiàn)場(chǎng)筒體襯里破壞后筒體超溫部分變形量90 mm相近，最大變形位置主要分布在筒體與接管相貫處上方600 mm處，該最大變形量位置與現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)位置基本吻合，說(shuō)明用該方法來(lái)預(yù)測(cè)再生器短期的蠕變行為是可行有效的.圖6(c)為等效蠕變率的分布圖，其分布趨勢(shì)與Mises應(yīng)力分布基本一致，說(shuō)明應(yīng)力的分布與材料的蠕變損傷及擴(kuò)展有著密切的聯(lián)系，這與文獻(xiàn)[20]結(jié)論一致.

為確定Mises應(yīng)力、 蠕變變形量及等效蠕變率的分布區(qū)域，本文以對(duì)稱面上的筒體與接管相貫處為起點(diǎn)，分別沿筒體軸向和接管環(huán)向建立兩條路徑，如圖6(d)所示，將相關(guān)力學(xué)量映射到路徑上，得到結(jié)果如圖7所示.從圖7可看出，等效蠕變率與Mises應(yīng)力沿筒體軸向和接管環(huán)向的曲線趨勢(shì)基本一致； 從圖7(a)知，等效蠕變率與Mises應(yīng)力值隨著遠(yuǎn)離相貫處呈先減小后保持不變或略微增大，蠕變變形量隨著遠(yuǎn)離相貫處呈先增大后減小，最大蠕變變形發(fā)生在離筒體與接管相貫點(diǎn)600 mm處.由圖7(b)可知，等效蠕變率與Mises應(yīng)力在接管正下方和正上方處值最大，而蠕變變形則呈相反的趨勢(shì).因此，為保證再生器的安全服役，需在該區(qū)域進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)和加固.

4 結(jié)語(yǔ)

1) 通過(guò)高溫單軸拉伸試驗(yàn)可知，該材料的力學(xué)性能隨著溫度增加呈明顯下降，并與常溫差別較大； 由高溫蠕變?cè)囼?yàn)可知，該材料在550 ℃下的蠕變曲線第一階段不明顯，且隨著應(yīng)力的增大Q245R鋼的蠕變速率明顯增大，即材料的抗蠕變性能隨應(yīng)力增加而降低.

3) 由有限元仿真分析可知，最大蠕變變形量為91.3 mm，最大蠕變變形發(fā)生在接管相貫處上方600 mm處，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相近，說(shuō)明本文建立的Q245R材料蠕變本構(gòu)模型和有限元仿真計(jì)算是有效的，可為定期監(jiān)測(cè)和加固提供依據(jù).后續(xù)將繼續(xù)完善蠕變?cè)囼?yàn)，得到完整的蠕變曲線，并對(duì)該材料的蠕變規(guī)律進(jìn)一步深入研究，為筒體的安全運(yùn)行提供更加可靠的參考.