乙烯裂解爐爐管滲碳過程數值模擬

鞠易甫

乙烯裂解爐爐管滲碳過程數值模擬

鞠易甫

（上海海事大學物流工程學院，上海201306）

乙烯裂解爐管是石化生產的核心部件，其過早的失效會引起安全問題。因此有必要研究爐管在滲碳環境中的壽命情況，為其延長壽命提供依據。乙烯裂解爐管主要的失效原因是滲碳。爐管在長期的使用中，由于滲碳會導致其在不同的位置有不同的熱膨脹系數和密度。建立了二維有限元模型解決碳在金屬中的擴散問題，由于傳熱方程與擴散方程具有相似性，利用有限元分析軟件中的熱分析單元對滲碳模型進行分析求解。

乙烯裂解爐管；滲碳；有限元模擬；擴散系數

1 滲碳擴散模型的建立

高溫下裂解爐管內產物的焓ΔG0均為很大的正值，容易分解為氫和碳，生成的碳與爐管的金屬原子相互作用，則引起裂解爐管內壁滲碳[1]。

圖1為裂解爐管CAD模型。爐管的材料為25Cr35NiNb奧氏體耐熱鋼。爐管設計壓力為0.34 MPa，爐管設計溫度為1 093℃，實際溫度為980℃，爐管尺寸：外徑Φ56.6mm，壁厚6.35AW，長度12 040 mm，爐管總長：13 089 mm，爐管的設計標稱尺寸：外徑公差Φ56.6±0.3 mm.

圖1 裂解爐管CAD模型

由對稱性，取截面的1/20建立二維有限元模型，整個管件使用四邊形單元劃分。假設初始基體的碳濃度為0.5%.總時間為1.463×108s（約為4.6年）。對滲碳后最高滲碳量和原始含碳量比較，滲碳樣原始厚度為8 mm，去掉磨損量及氧化層，統一從7.75 mm算起。

2 有限元矩形單元公式推導

對系統在笛卡爾坐標系下使用能量守恒，得到熱擴散方程為：

其中q·表示單位體產生的熱量，單位體高度為1.

如圖2表示一個典型的矩形單元，以此為例，節點溫度和形函數表示的矩形單元表達式為：

圖2 典型的矩形單元

其中Si、Sj、Sm、Sn分別為

對熱擴散方程（1）使用Galerkin法并寫成緊湊的矩陣形式

其中

（3）式改寫為

令C1=KX、C2=KY、C3=q·得：

對于其他類似問題，只需要微分方程形式類似即可使用（5）進行計算。

由熱傳導方程與擴散方程的相似性可知，對非穩態質量擴散方程的求解可以采用瞬態熱傳導方程的求解方法。本文采用的是有限元熱分析的方法進行質量擴散方程的數值模擬計算。熱傳導計算物理量與質量擴散計算物理量的單位量綱對照見表1.

表1 熱傳導計算物理量與質量擴散計算物理量的單位量綱對照

3 使用ANSYS模擬爐管的含碳量分布曲線

由彈性力學這可以簡化為一個平面應變問題，本文用有限元軟件的熱分析模塊進行二維有限元模擬，單元使用四節點的四邊形單元。根據表1，使用導熱系數來替換碳的擴散系數，密度和比熱容分別設置為1.初始時刻模型由于滲碳最右邊邊界的節點設置為2，模型最左邊界由于脫碳[2]，節點設置為0.5，其余節點也設為0.5，先進行很小時間量穩態分析，然后進行瞬態計算，計算時長1.463×108s（約為4.6年）。

此處通過有限元軟件模擬研究乙烯裂解爐管的擴散系數D，改變擴散系數的值，觀察ab線均布的51個點的碳濃度，于實際測得的含碳量進行比對，選擇與其相近的值作為結果。圖4為假設乙烯裂解爐管在擴散系數D為1.0×10-7mm2/s時沿ab線（圖3所示）上的含碳量分布曲線。

圖3 爐管1/20形狀圖

圖4 擴散系數為1.0×10-7mm2/s時爐管滲碳不同時間后的含碳量分布曲線

3.1 各點滲碳情況的模擬

由圖4可知爐管滲碳的時間越長，碳擴散得越深，不同位置的含碳量都在增加，最后爐管內部各處的碳濃度變化情況幾乎趨于一條直線，而爐管外壁邊界始終保持2%的初始碳濃度。在爐管長時間滲碳后，其曲線趨于平緩，內壁附近的總含碳量由于脫碳始終保持在0.5%，當滲碳時間一定時，含碳量隨著擴散深度增加而減小[3]。隨著滲碳時間的延長，不同位置處的總含碳量都在不斷增加。滲碳1.463×108s后，距離內壁7.75mm以內的碳濃度都發生了變化，且碳的濃度呈階梯狀分布，距離內表面比較近的地方碳濃度較高[4]。圖像呈明顯的凹形，滲碳7.802 7×107s（約2.5年）時，圖4中距離內表面比較近的地方碳濃度較低，之后1.463×108s時曲線近于直線的分布情況與實際情況較為符合。

滲碳會使爐管在厚度方向上各項物理性能不均勻[5]。由圖4可以預測在某一時刻滲碳管中任意點的含碳量，可以盡早規劃爐管的使用年限，具有指導意義。

4 結束語

因為25Cr35NiNb奧氏體耐熱鋼的可擴散系數D未知，只能通過文獻來推測其數值。由于碳在一般鋼中的擴散系數大約為1.0×10-6～1.0×10-5mm2/s.本文考慮到其他因素的影響，假設擴散系數D的范圍為1.0×10-7～1.0×10-5mm2/s.軟件模擬的滲碳云圖和實際測量值的對比，得出擴散系數D為1.0×10-7mm2/s與實驗結果比較相近的結論。

[1]李琦.HPM裂解爐管的滲碳損傷研究[D].大連：大連理工大學，2014.

[2]宋廣勝，劉相華，王國棟，等.齒輪滲碳過程的有限元分析[J].重型機械，2006（06）：26-30.

[3]耿魯陽，鞏建鳴，姜勇.對多起乙烯裂解爐HP型爐管失效原因的分析總結[J].壓力容器，2011（12）：48-53.

[4]張禮敬，涂善東，顏世華.乙烯裂解爐爐管滲碳損傷分析[J].機械工程材料，2008（09）：75-78.

[5]李平，李奇安，雷榮孝，等.乙烯裂解爐先進控制系統開發與應用[J].化工學報，2011（08）：2216-2220.

Numerical Simulation of Carburizing Process of Ethylene Cracking Tubes

JU Yi-fu
（School of Logistics Engineering，Shanghai Maritime Univeristy，Shanghai 201306，China）

Ethylene cracking tubes（CFT）are the important parts in petrochemical industry.Premature failures of CFT which cause security incidents.Therefore，it is necessary to carry out the study of the premature failure of the CFT，and provides the maintenance of CFT.It is reported that carburization is the main element.In the long period of using CFT，the thermal expansion and density changes of CFT are caused by carburizing.In the paper，the two-dimensional finite element model had been established to research for the problem of carbon diffusion in metals.Based on the similarity of the heat transfer equation and diffusion equation，the software’s thermal analysis module was applied to carry on the solution to the carbon diffusion model.

ethylene cracking tubes；carburizing；finite element simulation；diffusion coefficient

TG156.81

A

1672-545X（2017）01-0187-02

2016-10-26

作者介紹：鞠易甫（1992-），男，遼寧大連人，在讀碩士研究生，研究方向：機械動態性能分析。