自增强超高压反应管残余应力动态衰减规律及实验研究

摘要

超高压反应器是高压聚乙烯装置的关键设备，由于其操作压力高达230-360MPa、操作温度达360℃，介质为易燃易爆的乙烯，一旦设备发生泄漏爆炸等事故，将严重威胁到安全生产，造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此对超高压反应器运行状况进行监测对确保设备的运行安全、保护人员的生命安全十分必要。
　　 聚乙烯超高压反应器属自增强容器，反应器经自增强处理后器壁的残余应力能降低工作条件下的峰值应力、提高反应器的疲劳寿命，在器壁上保持适当水平的残余应力对设备的安全运行非常重要，但由于残余应力在运行工况下会逐渐衰减，其衰减的规律至今尚未完全得到认识，这将对设备的安全运行构成极大的威胁，对残余应力衰减的监测是反应器应力监测的难点及核心。
　　 本文以自增强超高压反应管残余应力动态衰减规律及实验为选题，对反应管在交变载荷作用下管壁内部残余应力衰减状况进行实测，并通过理论计算与对比分析，寻求管壁内部各层残余应力的衰减规律，建立各层残余应力衰减规律与外壁应力之间的关系。通过聚乙烯超高压反应器外表面应力的测量，揭示其内部残余应力衰减状况及规律，为现场反应器运行风险的监测开展基础研究。本文的研究工作重点包括：
　　 （1）通过查阅大量国内外文献及资料，系统总结了前人所做的工作，对自增强超高压反应器残余应力衰减的成因进行了系统分析，提出了进行残余应力动态衰减规律研究的新思路。
　　 （2）应用线弹性理想塑性模型、通用模型对反应器在不同自增强压力下外壁应力与内部初始残余应力关系式进行了推导。借助有限元分析方法对用解析法计算的环向残余应力沿壁厚分布进行了对比计算，表明对采用4333M4材料制造的反应器，用解析法推导出的外壁残余应力与内部初始残余应力衰减关系式能够准确表达两者间的关系。
　　 （3）以残余应力产生机理为基础，建立了反应器外壁应力与内部残余应力衰减关系的数学模型，获得了反应器外壁应力与内部残余应力衰减关系的解析式。
　　 （4）设计并制作了开展反应器残余应力衰减规律研究的实验装置。对实验装置的结构进行了改进，消除了由于试件封头结构不合理对实验结果产生的影响，应用电液转换执行机构自动实现对实验简体连续加卸载，使残余应力能快速衰减，应用先进测量仪器保证了实验数据测量及记录的实时性和准确性。
　　 （5）对反应器材料进行了微观分析并对承载结构进行了应力分析。通过对反应器结构主应力及局部应力分布等分析计算，明确了现场条件下最佳应力测量部位。
　　 （6）选用金相分析法、硬度测量法、X光衍射残余应力测量法，结合数据统计分析对如何快速准确的测量出反应器弹塑性区分界面及残余应力进行了研究。
　　 （7）模拟现场操作条件对反应管残余应力衰减进行了试验研究。通过对试件施加交变载荷使残余应力快速衰减，寻找出残余应力衰减与循环次数之间的关系。
　　 （8）根据残余应力衰减与循环次数的总体衰减规律，选择代表一定残余应力衰减度的试件，对反应管内部残余应力及外壁残余应力衰减进行了实溅，建立了它们两者对应关系曲线，与理论关系进行比较分析，结果表明理论关系与实测关系总体趋势一致，为通过对外壁残余应力的检测来推断内部残余应力衰减状况提供依据。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.1.1 高压聚乙烯生产

1.1.2 聚乙烯超高压反应器系统

1.1.3 自增强技术及其应用

1.1.4 自增强聚乙烯管式反应器面临的问题

1.2 自增强聚乙烯管式反应器的研究现状

1.2.1 自增强容器的应力分析

1.2.2 自增强压力及最佳超应变度的研究

1.2.3 自增强圆筒再屈服压力

1.2.4 自增强残余应力衰减规律

1.3 本文主要研究内容

本章小结

第二章 自增强简体初始残余应力与外壁应力的解析关系

2.1. 线弹性理想塑性模型关系式的理论推导

2.1.1 自增强压力

2.1.2 自增强处理后的残余应力分布

2.1.3 操作压力下的应力分布

2.1.4 操作压力下外壁环向应力与内部自增强环向残余应力的关系

2.2 基于通用曲线的应力应变模型

2.2.1 部分屈服(自增强)压力

2.2.2 自增强处理后的残余应力分布

2.2.3 操作压力下的应力分布

2.2.4 操作压力下外壁环向应力与内部初始环向残余应力的关系

2.2.5 反应管在630MPa自增强压力作用下初始环向残余应力沿壁厚分布情况

2.2.6 线弹性理想塑性模型模型

2.2.7 基于通用曲线拟合的应力应变模型

本章小结

第三章 自增强简壁内部残余应力与外壁应力关系的有限元分析

3.1 超高压管式反应器有限元计算分析

3.1.1 建立模型并划分网格

3.1.2 约束条件及载荷

3.1.3 材料属性

3.1.4 有限元分析结果处理

3.2 有限元计算与解析法计算结果对比

本章小结

第四章 外壁应办与内部残余应力衰减变化理论关系

4.1 理论模型的建立前提

4.2 残余应力衰减变化关系数学模型的建立

本章小结

第五章 实验装置的设计研制

5.1 引言

5.2 实验原理

5.3 装置设计及结构

5.3.1 油泵

5.3.2 增压器

5.3.3 端盖法兰及连接螺栓的设计

5.3.4 电器控制系统

5.3.5 试件承压能力与应力分析

5.3.6 应力测试及记录

本章小结

第六章 内部残余应力衰减与外壁应力关系的实验研究

6.1 弹塑性交界面的确定

6.1.1 反应管实验材料的加工过程

6.1.2 金相法确定弹塑性界面

6.1.3 硬度测定法确定弹塑性交界面

6.1.4 X射线衍射应力测量确定弹塑性交界面

6.2 筒体残余应力交变载荷衰减试验

6.2.1 电阻应变片的布点

6.2.2 反应管残余应力衰减试验

6.2.3 反应管截面残余应力衰减试验

本章小结

结论与展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢