高温高压换热器法兰开裂失效研究

摘要

本文主要是对榆林炼油厂的一台换热设备上的法兰开裂缺陷进行研究，找出高温高压换热器法兰开裂失效的原因，提出应对措施，以期防止法兰类似的开裂失效再次发生。
　　开裂失效法兰内径为φ1200mm，外径为φ1495mm，密封槽为梯形槽，材料为16MnR的对焊法兰，密封垫片采用八角环垫。经渗透(PT)检测发现，法兰密封槽内距法兰内壁28-38mm范围发现裂纹，其中裂纹最宽处达4mm，裂纹分布整圈密封槽。超声(UT)检查发现，裂纹最深处约150mm（裂纹长度约2200mm左右）。从检测结果可以得出，法兰裂纹几乎贯穿整个法兰厚度，属于比较严重的开裂失效。
　　法兰失效分析涉及到法兰原始设计、法兰制造、使用环境以及所用原材料的制造等诸多环节。为了清楚法兰失效原因，本文从以上方面——入手，对每个环节进行细致分析，注意甄别找出失效的原因。通过材料机械性能测试、化学成分分析、断口分析等试验，得出:法兰的化学成分符合国家标准;法兰材料不存在强度储备不足的问题;法兰材料的冲击功小于标准规定值。
　　通过法兰设计理论，计算出预紧状态下和工作状态下法兰的受力情况，并通过法兰强度校核计算出法兰的相关应力，法兰强度校核主要是通过计算法兰锥颈上与法兰连接处的轴向弯曲应力σz，法兰环上的径向应力σr和法兰环上的切向应力σt，将得到的σz、σr、σt分别与法兰在设计温度下的许用应力[σ]tf做比较，得出法兰强度符合要求，原法兰设计合理。
　　通过采用有限元分析方法，对法兰进行建模、网格划分、施加载荷、确定边界条件，进而求解法兰预紧状态、工作状态下和螺栓屈服时的等效应力云图，应变云图，得出当预紧载荷太大时而使螺栓出现屈服时，法兰密封槽处的应力远远大于法兰材料的抗拉强度，而使密封槽出现开裂，这是法兰开裂失效的主要原因。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 失效的概念

1．2 失效的危害

1．3 常见失效形式分类

1．3．1 过度变形失效

1．3．2 断裂失效

1．3．3 表面损伤失效

1．4 失效分析工作的内容

1．4．1 失效现场处理和调查

1．4．2 失效状况的整体外观检查取证

1．4．3 材料的检验与鉴定

1．4．4 断口形貌的检验与鉴定

1．4．5 失效分析中的验证性试验与计算分析

1．4．6 失效分析中的综合分析

1．5 本课题研究拟进行的方法和思路

1．6 本课题研究工作存在问题和难点

第二章 换热器法兰的工作条件和现场裂纹调查

2．1 换热器使用历史

2．2 法兰工作环境(即换热器工况)

2．3 法兰相关参数

2．4 法兰的检测

2．4．1 表面检测

2．4．2 无损检测

2．4．3 检测结果

第三章 材料机械性能测试

3．1 力学性能主要指标

3．2 实验所需设备和仪器

3．3 试验试样制备

3．3．1 试样取样部位确定

3．3．2 试样形状及尺寸

3．3．3 试样加工

3．4 拉伸试验过程

3．5 拉伸试验结果

3．6 冲击试验

3．7 硬度测试

3．8 本章研究结论

第四章 化学成分分析和断口分析

4．1 化学分析

4．2 断口分析

4．2．1 宏观观察

4．2．2 微观观察

4．2．3 剖面观察

4．3 本章研究结论

第五章 法兰强度校核计算

5．1 基本假设和简化

5．2 法兰相关参数

5．3 螺栓载荷计算

5．3．1 垫片有效密封宽度计算

5．3．2 螺栓载荷计算

5．4 法兰总力矩计算

5．4．1 法兰外力计算

5．4．2 法兰外力力臂计算

5．4．3 法兰力矩计算

5．5 法兰应力计算

5．6 本章研究结论

第六章 法兰应力的有限元分析

6．1 有限元的基本概念

6．2 有限元分析

6．2．1 有限元模型建立

6．2．2 单元选择和网格划分

6．2．3 法兰预紧状态下应力计算

6．2．4 工作状态下的法兰应力计算

6．2．5 螺栓屈服时法兰的应力状态分析

6．2．6 本章研究结论

第七章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文