HP40Nb乙烯裂解炉管焊接残余应力有限元分析

摘要

乙烯裂解炉是乙烯裂解装置中的核心设备，乙烯裂解炉管作为乙烯裂解炉的关键构件则为重中之重。HP40Nb合金由于具有良好的抗高温性能、抗渗碳、耐氧化以及耐疲劳而广泛用于制造乙烯裂解炉管。然而乙烯裂解炉管长期在裂解性气体环境中服役，承受渗碳、渗碳开裂、弯曲、鼓胀、蠕变开裂、热疲劳开裂及氧化等失效。并且裂解炉管焊接接头部位作为炉管的薄弱环节经常在裂解炉运行过程中产生开裂失效，往往会引起较大的经济损失。焊接残余应力是炉管开裂失效的主要原因之一，因此研究炉管的残余应力分布对其损伤分析与寿命预测研究等具有重要意义。
　　本文以φ63mm×6.4mm的HP40Nb裂解炉管为研究对象，运用大型有限元分析软件ABAQUS，编写基于“生死”单元技术的焊接过程有限元程序，实现焊接温度场的模拟，再将得到的焊接温度场结果文件作为应力应变场的预定义场，实现应力应变场的模拟。模拟过程中考虑材料物理力学性能随温度的变化，得到了焊接温度场和残余应力场的大小及分布规律。结果表明：焊缝及热影响区具有较高的残余应力值；除起焊点及其附近位置之外，轴向应力和环向应力沿焊缝焊接方向是分布均匀的；环向残余应力沿内外表面分布趋势一致，而轴向残余应力沿内外表面的分布规律相反。
　　炉管开裂失效往往需要进行焊接修复，延长其服役周期。本文在原焊接残余应力状态下研究了焊缝区补焊和热影响区补焊的残余应力分布规律，结果表明补焊后的残余应力值较原焊态初始应力值增加，径向和轴向应力的增加幅值略有不同。其次本文研究了不同补焊长度、补焊宽度、补焊深度对残余应力分布的影响。结果表明：补焊长度越短，最大残余应力值越高，随补焊长度的增加，应力幅值降低；补焊宽度越窄，残余应力值也越高，随补焊宽度的增加，应力值降低，且对内表面残余应力分布影响增大。不同补焊深度对外表面残余应力分布影响较小，内表面残余应力随补焊深度增加而增大。

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变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景（Background）

1.2 研究现状（Status of Research）

1.3 研究内容和研究意义（Contents and Significance of Research）

1.4 本章小结（Chapter Summary）

2 焊接有限元理论分析

2.1 焊接温度场理论（Theory of Welding Temperature Field）

2.2 焊接热弹塑性应力分析（Welding Thermal Elastic-Plastic Stress Analysis）

2.3 本章小结（Chapter Summary）

3 炉管焊接过程有限元分析

3.1 研究对象（Research Object）

3.2 有限元模型（3D Finite Element Model）

3.3 有限元计算程序的验证（Verification of Finite Element Calculation Procedures）

3.4 焊接温度场结果分析(Result Analysis of Welding Temperature Field）

3.5 焊接应力应变结果分析（Result Analysis of Welding Stress and Strain Fields）

3.6 本章小结（Chapter Summary）

4 炉管补焊过程有限元分析

4.1补焊区域对残余应力分布的影响（Effect ofRepair Welding Zone on Residual Stresses Distribution）

4.2 补焊长度对补焊残余应力的影响（Effect of Repair Length on Residual Stresses）

4.3 补焊宽度对补焊残余应力的影响（Effect of Repair Width on Residual Stresses）

4.4 补焊深度对补焊残余应力的影响（Effect of Repair Depth on Residual Stresses）

4.5 本章小结（Chapter Summary）

5 结论

参考文献

作者简历

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