热壁加氢反应器堆焊层裂纹扩展的研究

摘要

热壁加氢反应器是石化生产中关键设备之一，它处于高温、高压、临氢条件下工作，一旦发生失效其后果是不堪设想的，因此热壁加氢反应器的安全运行至关重要。热壁加氢反应器出现的不锈钢堆焊层的氢鼓泡以及堆焊层的开裂损伤现象，已成为当代工程技术人员最为关注的重要研究课题。
　　 本文主要针对热壁加氢反应器简体材料进行拉伸和疲劳性能试验，测定筒体材料的机械性能和疲劳裂纹扩展性能，并对热壁加氢反应器堆焊层表面裂纹的扩展规律进行研究。主要研究内容与结论如下：
　　 (1)母材和堆焊层材料的化学成分分析表明基本满足标准要求，其中母材C含量偏低，而S、P的含量较低，并添加了Cr、Ni、Mo等合金元素，这有利于提高材料的抗腐蚀能力。
　　 (2)对热壁加氢反应器母材及堆焊层材料的常温机械性能进行了测试，得到母材及堆焊层材料拉伸强度、延伸率以及断面收缩率等性能，结果表明：母材和堆焊层经过堆焊后强度性能有所下降，而仍保持较高的延性。
　　 (3)在疲劳试验机MTS-880上对热壁反应器母材及堆焊层材料进行常温疲劳裂纹扩展速率的测试，得到母材及堆焊层材料的疲劳裂纹扩展速率。
　　 (4)用有限元分析法模拟疲劳裂纹裂纹扩展速率，结果表明，在相同加载和边界条件下，有限元模拟方法得出的裂纹扩展速率与试验结果基本吻合，误差在5％以内。
　　 (5)在疲劳试验机MTS-880上对热壁加氢反应器堆焊层表面裂纹进行常温疲劳裂纹扩展速率的测试，得到了堆焊层表面裂纹的形貌变化规律和疲劳裂纹扩展速率。试验表明：在堆焊层与基材交界面完整的条件下，不锈钢堆焊层表面裂纹在疲劳载荷的作用下会穿过堆焊层与基体材料的交界面而进入基体材料，最终导致整个试件断裂。