超高压反应器夹套失效行为及其机理研究

论文摘要

某石化厂超高压反应器夹套系统在使用过程中出现管壁减薄穿孔现象，造成大量脱盐水泄漏，影响了反应器的正常运行。本文基于材料损伤模型理论，对夹套管开展了失效行为分析。通过采用理化检验与CFD数值模拟方法，系统地从失效模式、磨损表面形貌特征、服役条件、材质性能和相关流体动力学影响因素等方面出发，综合研究了夹套管减薄失效的原因和机理。通过理化检验，发现夹套管沿壁厚从外到内的硬度逐渐降低，内壁表面光洁度变差，且内壁侧金相组织晶粒度比外壁侧粗大，带状组织和魏氏组织严重。夹套管内垢污物相分析及水质常规数据检测结果表明，夹套流动环境中存在大量的氧化物，脱盐水中溶解氧含量最高达到了7.31mg/L。通过对夹套管内脱盐水进行流场分析，得到了管内速度场、剪应力场、温度场、静压场和湍流系数分布。在夹套直管入口处，水流冲击夹套两侧管壁产生最大剪应力；在跨管入口，水流方向突然90°转向，造成脱盐水对跨管壁面内侧的集中冲击，也形成了局部剪应力极值区。当水流携带固体颗粒时，壁面剪应力显著增大，并且在重力作用下，其中一侧剪应力局部集中，受力面积更大；随着颗粒粒径和体积浓度的增大，剪应力水平大幅度提升。此外，夹套管入水口与收缩环之前间形成了流动死区，脱盐水温度持续上升，达到了沸点而汽化；两管相贯出现截面突变，湍流强度和湍动能均为最大，从而引起流体流向的变化和二次涡流的产生，造成局部压力降低，出现汽蚀。当气泡进入下游区时发生爆破，形成了冲击波和微射流的机械作用。最后，综合分析了夹套失效的复杂机理。结果表明夹套受到了冲蚀、汽蚀以及氧和氯环境腐蚀的多重影响，承受力学与电化学的交互作用，使得材料不断剥落，随着服役时间的增加，导致夹套直管与跨管相贯附近区域穿孔失效，造成脱盐水大量泄漏。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 相关研究现状及技术理论
• 1.2.1 超高压反应器概述及其研究现状
• 1.2.3 失效分析理论及技术
• 1.3 研究目的及意义
• 1.4 研究内容及方法
• 第二章 基于夹套材料损伤的基本理论
• 2.1 冲蚀磨损
• 2.1.1 冲蚀磨损的特点及表现形式
• 2.1.2 冲蚀磨损影响因素
• 2.2 汽蚀磨损
• 2.2.1 汽蚀形成及特征
• 2.2.2 汽蚀破坏机制
• 2.2.3 汽蚀一般规律及其影响因素
• 2.3 氧和氯环境腐蚀
• 2.3.1 溶解氧腐蚀
• 2.3.2 氯离子腐蚀
• 2.3.3 氧和氯腐蚀交互作用
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于理化检验的夹套系统失效分析
• 3.1 失效夹套的基本情况
• 3.2 理化检验方法与设备
• 3.2.1 试验方法
• 3.2.2 试验设备
• 3.3 磨损表面形貌分析
• 3.3.1 宏观形貌分析
• 3.3.2 微观形貌分析
• 3.4 化学成分分析
• 3.5 力学性能检验
• 3.5.1 常温拉伸试验
• 3.5.2 常温冲击试验
• 3.5.3 硬度试验
• 3.6 金相组织分析
• 3.7 夹套管内部残留物及水质分析
• 3.8 本章小结
• 第四章 基于 CFD 的夹套内部流场数值模拟
• 4.1 计算动力学及应用软件
• 4.1.1 计算动力学概述
• 4.1.2 选用软件及平台
• 4.2 基本控制方程
• 4.2.1 质量守恒方程（连续性方程）
• 4.2.2 动量守恒方程（运动方程、N-S 方程）
• 4.2.3 能量守恒方程
• 4.3 建模及网格划分
• 4.3.1 计算模型的建立
• 4.3.2 网格划分及边界类型设定
• 4.4 纯清水单相流数值模拟及结果分析
• 4.4.1 流体物性、边界条件及求解方法设置
• 4.4.2 收敛判据
• 4.4.3 速度分布
• 4.4.4 剪切力分布
• 4.4.5 温度分布
• 4.4.6 静压分布
• 4.4.7 湍流参数分布
• 4.5 固液两相流数值模拟及结果分析
• 4.5.1 求解假设及模型选择
• 4.5.2 不同颗粒直径下剪切应力分析
• 4.5.3 不同体积浓度下剪切应力分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 夹套系统失效原因综合分析
• 5.1 冲蚀磨损主导失效过程
• 5.2 汽蚀磨损加速材料损伤
• 5.3 材质差异及性能变化
• 5.4 水质及环境劣化造成腐蚀
• 5.5 结构改进
• 5.6 本章小结
• 结论与建议
• 结论
• 建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件