何家勝，李 超，朱曉明，陳 偉，路遠(yuǎn)明，楊 峰

(1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2. 中國(guó)石油化工股份有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430082)

0 引 言

某石化公司檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)催化裂化工段中換熱器的筒體發(fā)生氫腐蝕分層現(xiàn)象(筒體材料為16MnR，殼層介質(zhì)中含有濕硫化氫).在筒體內(nèi)表面上發(fā)現(xiàn)有多處存在呈放射狀的交叉裂紋，并在交叉點(diǎn)中間有輕微鼓起現(xiàn)象，如圖1所示.在該部位取樣并沿厚度方向切割后，發(fā)現(xiàn)筒體在沿厚度方向中面處發(fā)生了嚴(yán)重的分層，如圖2所示.前期已經(jīng)對(duì)該氫腐蝕分層的橢圓裂紋進(jìn)行了應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律的計(jì)算[1].本文通過(guò)化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、拉伸試驗(yàn)以及夏比V口沖擊韌性試驗(yàn)，對(duì)腐蝕分層后的筒體材料進(jìn)行綜合分析.并對(duì)分層的筒體進(jìn)行有限元計(jì)算.討論氫腐蝕分層對(duì)換熱器筒體承載能力的影響.

圖1 換熱器筒體內(nèi)表面交叉裂紋Fig.1 The crack developed on the inner on surface of heat exchanger

圖2 筒體分層處沿厚度方向的剖面圖Fig.2 The section of inner surface crack in thickness-direction

1 材料性能分析

1.1 化學(xué)成分分析

對(duì)氫腐蝕分層區(qū)域取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果如表1所示.根據(jù)GB6654-1996《壓力容器用鋼板》[2]對(duì)16MnR鋼板成分的要求，從表1可知，在筒體分層處的Si、P、C、S含量均在正常范圍之內(nèi)，但Mn元素的含量嚴(yán)重的低于國(guó)標(biāo)中的規(guī)定.

表1 試樣成分檢測(cè)結(jié)果Table 1 Test results of chemical constituents (mass fraction) %

1.2 硬度測(cè)試

圖3 切割取樣示意圖Fig.3 Diagram of Curing test specimens

圖4 試樣1與試樣2上測(cè)試點(diǎn)示意圖Fig.4 Diagram of test points on test specimens 1 and 2

(a)側(cè)面1測(cè)試點(diǎn) (b)側(cè)面2測(cè)試點(diǎn) 圖5 試樣3上測(cè)試點(diǎn)位置示意圖Fig.5 Diagram of test points on test specimens 3

HB

表3 試樣3側(cè)面1上的測(cè)試點(diǎn)布氏硬度Table 3 Brinell hardness of test points on side 3 on test specimens 3 HB

根據(jù)GB/T 231.2-2002《金屬布氏硬度試驗(yàn)》[3]中要求16MnR材料的布氏硬度應(yīng)在120～180 HB之間.從表2～3可知，符合GB/T 231.2-2002中對(duì)16MnR材料的硬度要求.

1.3 拉伸試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》[4]對(duì)分層部位進(jìn)行線(xiàn)切割取3個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試材料的屈服強(qiáng)度σs、拉伸強(qiáng)度σb力學(xué)性能指標(biāo).試樣尺寸如圖6所示.根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制出試樣的力-位移曲線(xiàn)圖，如圖7所示.

圖6 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣示意圖Fig.6 Diagram of tensile test pieces

圖7 試樣的力-位移曲線(xiàn)圖Fig.7 Force-Displacement Curve of Specimens

試驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)是材料的Fs(屈服拉力)和Fb(最大拉力)，最終材料的σs和σb通過(guò)式(1)確定.

(1)

式(1)中，A為拉伸試樣標(biāo)定部位的橫截面積.

試樣拉斷后，從曲線(xiàn)可得試樣的Fs上(上屈服極限拉力)、Fs下(下屈服極限拉力)和Fb，由于下屈服極限拉應(yīng)力較為穩(wěn)定且保險(xiǎn)，因此取Fs下作為材料屈服拉應(yīng)力σs的指標(biāo)，如表4所示.計(jì)算得出的屈服強(qiáng)度σs和拉伸強(qiáng)度σb，如表5所示.

表4 材料的Fs下和FbTable 4 Fs下 and Fb of specimens kN

表5 試樣的σs和σbTable 5 σs and σb of specimens MPa

16MnR鋼料[5]屈服強(qiáng)度σs為355 MPa，拉伸強(qiáng)度σb為510 MPa.從表3中可以看出，試樣1與試樣3的σs略有升高，σb有所降低，屈強(qiáng)比增大，而試樣2的σs和σb則明顯降低.試樣2的中間位置上有一條沿長(zhǎng)度方向擴(kuò)展的裂紋，且沿厚度方向有輕微的分層，說(shuō)明氫腐蝕導(dǎo)致了該試樣測(cè)試結(jié)果的明顯降低.對(duì)比試樣1與試樣3說(shuō)明氫腐蝕分層致使換熱器筒體材料的力學(xué)性能下降，材質(zhì)性能明顯劣化.

1.4 夏比沖擊韌性試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 229-2007[6]中的要求對(duì)筒體分層部位取樣，其中一個(gè)是未使用過(guò)的16MnR鋼板對(duì)比試樣.試樣及尺寸如圖8所示，在長(zhǎng)度方向中間開(kāi)2 mm深的V型缺口，缺口張開(kāi)角度為45°，缺口所在面的表面粗糙度Ra≤1.6 μm，其它面的表面粗糙度Ra≤3.2 μm.

圖8 夏比沖擊試驗(yàn)試樣及尺寸Fig.8 Specimens and its dimensions of sharpy impact test

試驗(yàn)后的試樣形貌如圖9所示.圖9(a)中斷口平齊，斷面與長(zhǎng)度方向垂直，斷口狀態(tài)為結(jié)晶狀，呈現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征；圖9(b)中斷面不平齊，斷口呈鋸齒狀，是典型的韌性斷裂.測(cè)得試樣的沖擊功AK值和計(jì)算得出的沖擊韌性αK值如表6所示.

(2)

通過(guò)公式(2)將沖擊功轉(zhuǎn)換成沖擊韌性，其中F為V型缺口處的橫截面積.

(a)筒體分層處試樣 (b)對(duì)比試樣 圖9 試樣斷口形貌Fig.9 Fracture mode of specimens

性能試樣筒體試樣對(duì)比試樣沖擊功AK/J80．1185．5沖擊韌性αK/J·cm-2100．13231．88

2 筒體分層處有限元分析

氫腐蝕使換熱器筒體局部出現(xiàn)分層現(xiàn)象，并產(chǎn)生屈服變形(見(jiàn)圖2).這說(shuō)明分層處腔壓很大，到底多大的腔壓能使分層邊緣發(fā)生屈服以及此時(shí)分層處應(yīng)力的分布情況，將通過(guò)有限元方法進(jìn)一步計(jì)算與討論.

2.1 分層筒體有限元模型的建立

圖10 筒體模型幾何尺寸示意圖 model diagram of heat exchanger shell

圖11 換熱器筒體對(duì)稱(chēng)模型圖 finite element diagram of heat exchanger shell

2.2 筒體分層處應(yīng)力計(jì)算及分析

對(duì)有限元模型施加邊界條件，坐標(biāo)方向如圖10所示，位移邊界條件：面1和面2的Y向位移為零，面3的Z向位移為零；力邊界條件：筒體內(nèi)表面施加工作內(nèi)壓1.6 MPa，筒體端面施加24 MPa拉應(yīng)力，在分層腔體的上下表面分別施加P為8 MPa、8.5 MPa、9 MPa、9.5 MPa、10 MPa和10.5 MPa的腔壓.計(jì)算6種腔壓情況下筒體的應(yīng)力分布情況.圖12為分層處在腔壓為9.68 MPa時(shí)的應(yīng)力分布情況.

圖12 分層處的應(yīng)力分布情況Fig.12 Stress distributions of layered region

圖13 分層邊緣應(yīng)力隨腔壓變化曲線(xiàn)Fig.13 Curve for edge stress as the pressure increased

2.3 應(yīng)力強(qiáng)度因子的確定

圖14 文獻(xiàn)1中應(yīng)力強(qiáng)度因子變化曲線(xiàn)Fig.14 The variation curve of stress intensity factor in document [1]

圖15 應(yīng)力強(qiáng)度因子變化曲線(xiàn)Fig.15 The variation curve of stress intensity factor

在已知腔壓的情況下，通過(guò)圖13中的曲線(xiàn)，可以快速得出最大的應(yīng)力強(qiáng)度因子的值，對(duì)此時(shí)裂紋是否擴(kuò)展能快速地做出定量的判斷，對(duì)發(fā)生腐蝕分層換熱器筒體的安全評(píng)定具有參考和指導(dǎo)意義.

3 結(jié) 語(yǔ)

氫腐蝕分層使筒體材料局部劣化，破壞了材料的均勻性和連續(xù)性，材料的強(qiáng)度極限降低，屈強(qiáng)比上升，材料韌性下降，抵抗裂紋擴(kuò)展能力下降.材料變形及應(yīng)力分析表明，分層處應(yīng)力狀態(tài)為非薄膜應(yīng)力狀態(tài)，有較大的局部應(yīng)力產(chǎn)生；并有進(jìn)一步擴(kuò)大分層的趨勢(shì).以上情況說(shuō)明氫腐蝕分層使換熱器筒體的承載能力下降.

致謝

在論文前期調(diào)研取樣過(guò)程中，武漢石化公司領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員給予的大力支持和幫助；實(shí)驗(yàn)檢測(cè)中，武漢工程大學(xué)的石大力和劉春暉兩位老師的辛勤指導(dǎo)與協(xié)助；論文后期的建模計(jì)算中，謝飛和魏衛(wèi)等同學(xué)的積極參與和付出等，在此一并表示由衷的感謝和敬意.

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