熱沖擊下自增強(qiáng)反應(yīng)器殘余應(yīng)力松弛研究

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(福州大學(xué) 石油化工學(xué)院，福建 福州 350116)

超高壓管式反應(yīng)器是石化裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一，反應(yīng)器內(nèi)的工作壓力屬于超高壓，而且操作溫度一般超過200 ℃。為確保超高壓聚乙烯反應(yīng)器的安全運(yùn)行，一般在投用前對(duì)其進(jìn)行自增強(qiáng)處理，以提高設(shè)備的彈性承載能力和疲勞壽命[1-2]。然而，在反應(yīng)器工作期間，超高壓聚乙烯發(fā)生熱分解反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)超溫會(huì)引起冷料系統(tǒng)通入冷料降低反應(yīng)器溫度，超溫-降溫的溫度急劇變化過程會(huì)對(duì)反應(yīng)器產(chǎn)生循環(huán)熱沖擊，造成原有反應(yīng)器自增強(qiáng)處理后的殘余應(yīng)力發(fā)生松弛，甚至可能會(huì)使內(nèi)壁殘余應(yīng)力由壓縮態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞈B(tài)，導(dǎo)致反應(yīng)器應(yīng)力分布更加不均勻，使得反應(yīng)器承載能力大幅下降，設(shè)備壽命縮短[3-6]。針對(duì)熱沖擊次數(shù)對(duì)反應(yīng)器自增強(qiáng)殘余應(yīng)力的影響機(jī)理及規(guī)律，不同學(xué)者得到了不同結(jié)果，如日本三菱油化公司對(duì)發(fā)生超溫分解反應(yīng)的聚乙烯反應(yīng)器的測(cè)試認(rèn)為[7]，超溫次數(shù)越多，殘余應(yīng)力衰減越大。但大慶石化公司與德國(guó)伍德公司的聯(lián)合檢測(cè)卻表明[8]，自增強(qiáng)殘余應(yīng)力的衰減量與超溫分解的次數(shù)并無(wú)明顯規(guī)律可循，在整個(gè)反應(yīng)器中，甚至出現(xiàn)超溫次數(shù)越多處自增強(qiáng)殘余應(yīng)力衰減越少的情況。

目前針對(duì)瞬時(shí)超溫引起的熱沖擊及沖擊次數(shù)對(duì)設(shè)備自增強(qiáng)殘余應(yīng)力的影響機(jī)理還不夠明確，且沒有統(tǒng)一的定論。因此，對(duì)于瞬時(shí)超溫引起的熱沖擊對(duì)聚乙烯反應(yīng)器自增強(qiáng)殘余應(yīng)力松弛影響機(jī)理及規(guī)律的研究顯得至關(guān)重要。筆者采用有限元軟件ABAQUS，系統(tǒng)研究了超高壓聚乙烯反應(yīng)器瞬時(shí)超溫引起的熱沖擊及沖擊次數(shù)對(duì)自增強(qiáng)殘余應(yīng)力松弛的影響規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)了解超溫影響殘余應(yīng)力的衰減機(jī)理及設(shè)備安全運(yùn)行有重要意義。

1 反應(yīng)器有限元模型及模擬方法

1.1 有限元模型

高壓聚乙烯是以乙烯為原料，以氧氣為引發(fā)劑，以丙烯、丙烷、丁烯-l為分子量調(diào)整劑，在管式反應(yīng)器內(nèi)通過聚合反應(yīng)得到的聚合物。筆者研究的高壓聚乙烯管式反應(yīng)器屬水平套管式反應(yīng)器，反應(yīng)器細(xì)而長(zhǎng)(長(zhǎng)徑比達(dá)10 000～100 000)，外有一水夾套，結(jié)構(gòu)上不具備敞開檢驗(yàn)條件。該反應(yīng)器的設(shè)計(jì)壓力為320.0 MPa、設(shè)計(jì)溫度為340 ℃，厚壁圓筒的材質(zhì)為30CrNiMo8鋼，其密度ρ=7 820 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)λ=37.2 W/(m2·K)、泊松比μ=0.296、比定壓熱容cp=517 J/(kg·K)、熱膨脹系數(shù)α=1.32×10-5/K、彈性模量E=1.88×105MPa、拉伸屈服強(qiáng)度σs=804 MPa、切線模量ET=4 533 MPa。反應(yīng)器1/4截面尺寸見圖1a。

圖1 反應(yīng)器1/4截面尺寸及有限元模型

厚壁圓筒結(jié)構(gòu)和所受壓力、溫度載荷均對(duì)稱于反應(yīng)器軸線，故按反應(yīng)器橫截面的1/4建立有限元模型。根據(jù)30CrNiMo8鋼的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型作為材料的本構(gòu)關(guān)系。模型選用八節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變熱-位移耦合減縮積分CPE8R單元。反應(yīng)器1/4截面有限元模型見圖1b。

1.2 模擬方法

反應(yīng)器邊界條件包括內(nèi)壁分解乙烯氣體的壓力、內(nèi)壁溫度。

反應(yīng)器發(fā)生瞬時(shí)超溫后，會(huì)往管內(nèi)注入冷料并打開緊急泄壓閥。針對(duì)乙烯自分解特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)，給出了可用于指導(dǎo)聚乙烯裝置泄壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化方法，相應(yīng)的杜邦經(jīng)驗(yàn)公式為[9]：

dp/dt=2.3K′p

(1)

dp/dt=2.3K′p-0.147p1.5S

(2)

其中

S=A/V

(3)

式(1)～(3)中，K′為反應(yīng)指數(shù)，根據(jù)初始?jí)毫蜏囟炔槲墨I(xiàn)[10]，取K′=7；p為容器內(nèi)壓力，MPa；t為時(shí)間，s；A為泄壓裝置截面積，mm2；V為容器體積，m3。泄壓裝置的公稱直徑為38 mm，則S=0.1。

式(1)是聚乙烯分解時(shí)的壓力上升速率計(jì)算式，式(2)是泄壓閥打開后的泄壓速率計(jì)算式。利用MATLAB軟件對(duì)式(1)和式(2)進(jìn)行擬合可得反應(yīng)器緊急泄壓曲線，見圖2。

圖2 反應(yīng)器緊急泄壓曲線

對(duì)于管式反應(yīng)器內(nèi)壁受熱沖擊過程的溫度變化尚無(wú)文獻(xiàn)提及，文中以熱沖擊作用下的厚壁圓筒溫度場(chǎng)分布情況為參考[11-12]，給出了熱沖擊過程反應(yīng)器內(nèi)壁溫度T的變化曲線，見圖3。

超高壓管式反應(yīng)器的最佳自緊度區(qū)間為30%～50%[13]，為了研究熱沖擊影響自增強(qiáng)殘余應(yīng)力松弛的規(guī)律，文中只取較為常見的30%自緊度，利用文獻(xiàn)[14]中的公式計(jì)算得到30%自緊度條件下相應(yīng)的自增強(qiáng)壓力為578 MPa。整個(gè)計(jì)算模擬過程為，首先對(duì)模型內(nèi)表面施加壓力載荷使其產(chǎn)生塑性變形，然后進(jìn)行卸載以獲得殘余應(yīng)力，接著通過重啟動(dòng)的方法將殘余應(yīng)力分析結(jié)果作為預(yù)應(yīng)力場(chǎng)施加給模型，最后采用完全耦合熱應(yīng)力分析方法對(duì)熱沖擊過程進(jìn)行模擬。完全耦合熱應(yīng)力分析方法考慮了應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)和溫度場(chǎng)之間強(qiáng)烈的相互作用，可同時(shí)求解出應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)和溫度場(chǎng)[15]。

圖3 熱沖擊過程反應(yīng)器內(nèi)壁溫度變化曲線

2 熱沖擊對(duì)反應(yīng)器溫度和應(yīng)力的影響

2.1 熱沖擊下反應(yīng)器溫度場(chǎng)

模擬熱沖擊過程中4個(gè)時(shí)間點(diǎn)下反應(yīng)器溫度沿壁厚的分布情況，見圖4。

圖4 不同熱沖擊時(shí)間下反應(yīng)器溫度沿壁厚分布曲線

從圖4看出，熱沖擊發(fā)生1 s內(nèi)，內(nèi)壁處的溫度迅速增大，最高溫度可達(dá)到980 K。在距內(nèi)壁8 mm左右處，溫度迅速降為600 K，降幅達(dá)380 K。在距內(nèi)壁距離大于8 mm后，溫度大致穩(wěn)定在600 K左右，幾乎不受壁厚影響。當(dāng)熱沖擊發(fā)生3 s時(shí)，內(nèi)壁溫度降至700 K左右，在距內(nèi)壁2～12 mm區(qū)域，溫度較熱沖擊發(fā)生1 s時(shí)的溫度有所上升。距內(nèi)壁距離大于12 mm后，溫度基本穩(wěn)定在590 K。當(dāng)熱沖擊發(fā)生5 s時(shí)，整體溫度較熱沖擊發(fā)生3 s時(shí)的溫度有所下降，內(nèi)壁溫度已經(jīng)降至590 K。在壁厚大于18 mm后，溫度穩(wěn)定在573 K。當(dāng)熱沖擊發(fā)生20 s時(shí)，內(nèi)外壁溫度幾乎趨于穩(wěn)定。

這是因?yàn)榫垡蚁┏瑴胤纸獍l(fā)生后會(huì)產(chǎn)生大量熱量，這些熱量在短時(shí)間內(nèi)會(huì)引起內(nèi)壁溫度急劇升高，且溫度主要集中在距內(nèi)壁8 mm范圍內(nèi)，隨著壁厚的增加溫度急劇下降。隨著泄壓閥的打開、冷料的注入以及反應(yīng)器內(nèi)部導(dǎo)熱程度的加強(qiáng)，反應(yīng)器溫度不斷降低并最終趨于穩(wěn)定。從整個(gè)過程看，短時(shí)超溫會(huì)對(duì)內(nèi)壁造成一定影響，對(duì)外壁影響最小。

2.2 熱沖擊下反應(yīng)器應(yīng)力場(chǎng)

模擬熱沖擊過程中4個(gè)時(shí)間點(diǎn)下反應(yīng)器等效應(yīng)力沿壁厚的分布情況，見圖5。

圖5 不同熱沖擊時(shí)間下反應(yīng)器等效應(yīng)力沿壁厚分布曲線

從圖5看出，熱沖擊發(fā)生1 s內(nèi)，反應(yīng)器應(yīng)力迅速增大，第1個(gè)峰值出現(xiàn)在內(nèi)壁處，可達(dá)到810 MPa；第2個(gè)峰值出現(xiàn)在距內(nèi)壁5～10 mm內(nèi)，可以達(dá)到620 MPa。熱沖擊發(fā)生3 s時(shí)，反應(yīng)器的整體應(yīng)力下降，特別是第2個(gè)峰值處降幅最大。熱沖擊發(fā)生5 s時(shí)，反應(yīng)器應(yīng)力進(jìn)一步下降。熱沖擊發(fā)生20 s時(shí)，反應(yīng)器等效應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

這是因?yàn)槌瑴胤纸馑a(chǎn)生的大量熱量引起內(nèi)壁溫度急劇升高，進(jìn)而使得內(nèi)壁處等效應(yīng)力迅速增大，第2個(gè)應(yīng)力峰值主要是由內(nèi)壓和殘余應(yīng)力疊加所致，之后隨著冷卻過程的進(jìn)行，反應(yīng)器的等效應(yīng)力不斷降低，并最終趨于穩(wěn)定。

3 熱沖擊下自增強(qiáng)殘余應(yīng)力松弛情況

3.1 熱沖擊次數(shù)對(duì)自增強(qiáng)殘余應(yīng)力影響

通過重復(fù)重啟動(dòng)操作分別模擬了進(jìn)行1次、3次、5次以及10次熱沖擊后反應(yīng)器殘余應(yīng)力的分布情況，結(jié)果見圖6。

從圖6可以看出，在距內(nèi)壁2 mm內(nèi)，熱沖擊作用下自增強(qiáng)殘余應(yīng)力發(fā)生松弛且松弛量隨著熱沖擊次數(shù)增多而增大，內(nèi)壁處松弛最嚴(yán)重，但在5次熱沖擊后，殘余應(yīng)力不再發(fā)生繼續(xù)松弛。經(jīng)計(jì)算得到了不同熱沖擊次數(shù)下內(nèi)壁殘余應(yīng)力的松弛率(表1)，可以看出，內(nèi)壁殘余應(yīng)力松弛率最大可達(dá)25%。

圖6 熱沖擊前后反應(yīng)器等效殘余應(yīng)力分布曲線

表1 不同熱沖擊次數(shù)下反應(yīng)器內(nèi)壁殘余應(yīng)力松弛率

3.2 熱沖擊下各向殘余應(yīng)力松弛規(guī)律

熱沖擊前后反應(yīng)器徑向殘余應(yīng)力與切向殘余應(yīng)力對(duì)比見圖7。

圖7 熱沖擊前后反應(yīng)器徑向和切向殘余應(yīng)力對(duì)比

從圖7看出，熱沖擊過程使距內(nèi)壁12 mm區(qū)域內(nèi)的壓縮徑向殘余應(yīng)力減小，內(nèi)壁處甚至轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞖堄鄳?yīng)力，距內(nèi)壁12 mm以外區(qū)域的壓縮徑向殘余應(yīng)力增大。靠近內(nèi)壁2 mm區(qū)域內(nèi)壓縮切向殘余應(yīng)力減小，并隨著熱沖擊次數(shù)的增加減小程度越大，越靠近內(nèi)壁處變化越發(fā)明顯，5次熱沖擊之后不再有變化。

熱沖擊前后徑向塑性應(yīng)變與切向塑性應(yīng)變對(duì)比見圖8。

圖8 熱沖擊前后徑向和切向塑性應(yīng)變對(duì)比

從圖8看出，熱沖擊下反應(yīng)器塑性變形主要發(fā)生變化的區(qū)域在距內(nèi)壁2 mm范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)壓縮徑向塑性應(yīng)變和拉伸切向塑性應(yīng)變?cè)跓釠_擊后均減小，并隨熱沖擊次數(shù)的增加減小程度越大，越靠近內(nèi)壁處變化越明顯，可知熱沖擊過程使反應(yīng)器近內(nèi)壁處在徑向和切向均發(fā)生了反向屈服。由此判斷，自增強(qiáng)殘余應(yīng)力首先抵消了部分內(nèi)壓，反應(yīng)器不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，隨著溫度升高熱應(yīng)力逐漸增大，并與自增強(qiáng)殘余應(yīng)力疊加，使靠近內(nèi)壁2 mm區(qū)域內(nèi)發(fā)生壓縮切向塑性應(yīng)變，從而使切向殘余應(yīng)力發(fā)生變化。當(dāng)殘余應(yīng)力衰減量達(dá)到一定值時(shí)，熱應(yīng)力與殘余應(yīng)力的疊加值不足以使反應(yīng)器近內(nèi)壁區(qū)域繼續(xù)發(fā)生切向塑性應(yīng)變，殘余應(yīng)力不會(huì)繼續(xù)衰減。

4 結(jié)論

(1)超溫過程使超高壓聚乙烯反應(yīng)器近內(nèi)壁處產(chǎn)生了較大的熱應(yīng)力，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)壁處，因此內(nèi)壁面是重點(diǎn)監(jiān)檢區(qū)域。

(2)自增強(qiáng)殘余應(yīng)力在熱沖擊作用下的松弛規(guī)律為，主要在靠近內(nèi)壁2 mm區(qū)域內(nèi)殘余應(yīng)力發(fā)生了松弛，內(nèi)壁的應(yīng)力松弛率最大。熱沖擊過程使反應(yīng)器在徑向和切向均發(fā)生了反向屈服，熱沖擊后反應(yīng)器壓縮徑向殘余應(yīng)力增大，內(nèi)壁處甚至轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞖堄鄳?yīng)力，壓縮切向殘余應(yīng)力減小。

(3)在熱沖擊作用下，若不考慮反應(yīng)器材質(zhì)的組織應(yīng)力與相變應(yīng)力，則自增強(qiáng)殘余應(yīng)力松弛的原因主要源于內(nèi)壁的屈服變形，即自增強(qiáng)殘余應(yīng)力首先抵消了部分內(nèi)壓，反應(yīng)器不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，隨著溫度的升高熱應(yīng)力也逐漸增大，并與自增強(qiáng)殘余應(yīng)力相疊加，使靠近內(nèi)壁區(qū)域發(fā)生壓縮切向塑性應(yīng)變，導(dǎo)致反應(yīng)器殘余應(yīng)力進(jìn)行重新分布。當(dāng)殘余應(yīng)力衰減量達(dá)到一定值時(shí)，熱應(yīng)力與殘余應(yīng)力的疊加值不足以使反應(yīng)器繼續(xù)發(fā)生切向塑性應(yīng)變，此時(shí)反應(yīng)器在熱沖擊作用下的殘余應(yīng)力不會(huì)繼續(xù)衰減。