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减压塔波纹填料应力腐蚀破裂研究

作者:user 来源:  日期:2019-10-20 21:45
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波纹填料结构在工作过程中常发生残缺、碎裂的现象,对减压塔高效、持续的工作造成严重影响。研究表明,流体的流动特性及介质的化学性质对填料结构失效影响显著;针对波纹填料的流体诱发振动现象及填料的腐蚀疲芳,通过理论分析,推导出了反映各因素对波纹填料失效影响的理论公式。研究结果表明,流体诱劣:振动和腐蚀疲劳导致了填料结构碎裂的发生,通过优化填料的结构尺寸,能够有效地延长填料的用寿命。

某石化公司减压塔的波纹填料腐蚀严重,装置投产不到2年,第一次大修;检修并更换填料后,又不到2年,装置小修,发现减压塔波纹填料压板变形脱落,不锈钢规整填料出现大面积的减薄、发黑、残缺和碎裂¨。
通过对填料失效的分析,发现流体诱发振动和应力腐蚀疲劳是导致波纹填料失效的主要原因。研究表明,流体诱发振动在波纹填料表面形成高频循环载荷,塔内腐蚀性流体使填料材料的力学性能降低,两者共同作用导致填料发生应力腐蚀疲劳破坏。通过推导,得到填料结构应力腐蚀疲劳寿命与其结构、流体参数之间的函数表达式,反映了各因素对填料失效的影响。

1填料应力腐蚀疲劳研究
1.1填料物理模型
减压塔内流体的流动能够引起填料结构的振
动,且填料的振动响应大部分由基波共振造成。当填料表面发生共振现象时,将在结构表面形成循环的疲劳应力,导致结构发生疲劳失效。
郭长清等在针对反应堆叠层板型堆芯元件流体诱发振动及稳定性的研究中,通过理论计算和试验测量,发现对于薄板叠层结构的振动特性可采用梁的力学模型进行分析。因此,基于上述结论和填料的受力特点,将填料简化为按照一定规律分布的、两端受支、长度为的薄壁圆管,
如图1所示。

根据上述假设,流体诱发填料振动的情况简化为平行于湍流的薄壁圆管的响应[4]。薄壁圆管共振的位移均方值响应及其表面应力的计算,
可分别通过式(1),(2)求得。

薄壁圆管发生基波共振的频率与其固有频率相等,且圆管固有频率与其结构有关。因此对于薄壁圆管,其基波频率计算公式为:

保证薄壁圆管与填料具有相同的变形,要求两者具有相同的抗弯模量。根据截面抗弯模量计算公式J,得到薄壁圆管内、外直径分别为D=17.65mm和D。=20.23mm。经计算,薄壁圆管的基波频率/=663.0Hz。取填料寿命为2年,则圆管承受的疲劳载荷次数No=4.182×10加次。
相应地,圆管发生基波共振时结构表面位移响应的脉动频率可通过下式求得:
w=2,rrf 
1.2共振响应推导
在填料模型的共振位移均方根响应的计算公式,即式(1)中,包含多个未知函数。为了得到式(1)的完整表达,通过推导和查表逐步确定上述未知函数的表达式。
·减压塔填料段内规整填料的层数N=11,气相流体进、出填料段的速度分别为6.350,4.995m/s,根据质量守恒及能量守恒定律,可以求得气相流体的速度与

 
振型耦合度函数是自变量21TD和o~L/U(U=0.7U)的函数,子函缈是无量纲自变量0.275wD/U,的函数恨据自变量∞/和0.275~oD/[1,f的变化范围,i_j}到函数J,的表达式,最终得到振型耦合度函数为D,UL和的函数:


交叉功率谱S,()可表示为量纲自变量H/u的函数。在0.1<~fd/U≤10j勺范围内,交叉功率谱接近于常数,并可以由下式来近似表达:

该问题中自变量~d/U的变化区间为[2.281,2.899],因此可以应用式(7)进行交叉功率谱函数的计算。
薄壁圆管的质量可分为两大封:分:(1)圆管的质量,包括圆管本身和圆管表面液相质量;(2)圆管表面气相流体的质量。已知薄壁圆管的截面尺寸、气液相的流量及其进口处的流速,可确定单位长度薄壁圆管的质量为:m=2.242km。
阻尼系数是结构阻尼系数和流体阻尼系数,两者之和。结构阻尼系数主要与结构的材质有关,而流体阻尼系数与流体的流速、密度等因素有关。查阻尼系数表,并考虑填料表面加工精度等因素,取填料材料的结构圈l尼系数=0.002。轴向流动中圆柱体内的流体阻尼系数满
足如下关系:

综合式(1)一(9),得到薄壁圆管共振位移均方根响应的函数表达式:

通过计算,得到各层规整填料中流体诱发结构振动的位移均方根响应最大值。结果表明,共振位移均方根响应最大值发生在填料高度的中间位置处;该数值以最底层填料为最大,规整填料层越高该数值也就越小;最大的响应值为1.383
×10~m,相应点的结构应力值为7.637kPa。这样大小的循环应力载荷显然是不能导致填料结构发生疲劳失效的,但是在腐蚀环境下,同样大小和频次的循环应力将会导致结构发生应力腐蚀疲劳失效。
1.3应力腐蚀疲劳分析
应力腐蚀疲劳寿命可以依据现有的腐蚀疲劳曲线进行计算。通过对介质肖蚀特性的计算,减压塔内310℃温度下质量分数为0.5mgKOH/g的工作流体和25cC温度条件下质量分数为5%的H:S0溶液与铁元素发生化学反应的速率是相同的。因此,可以依据铁元素在质量分数为5%的H,SO (定性温度为25℃)溶液中的腐蚀疲劳曲线预测填料的应力腐蚀疲劳寿命。
316I不锈钢与19Crl2Ni不锈钢的物理成分、化学性质相似,计算填料的应力腐蚀疲劳寿命可参考后者在质量分数为5%硫酸溶液中的腐蚀疲劳曲线。。19Crl2Ni不锈钢材料在100,80MPa应力载荷下的疲劳寿命分别为N,=10和N2=5×10,且材料在高周疲劳区域(N>10)的腐蚀疲劳曲线斜率在对数坐标系中为定值,因此,
町以确定316L不锈钢材料的腐蚀疲劳曲线表达式为:
o-=~28.61logN+300.27(11)
将填料发生基波共振产生的最大表面应力
o-⋯=7.637kPa代入式(11),
求得结构的理论寿命为Ⅳ:3.126×10m即T=1.7l6年,约为20.6个月。
根据大港石化减压装置的检修周期,表明填料结构的寿命为18~23个』]。显然,理论研究较好地预测了填料结构的腐蚀疲劳寿命,说明上述的假设是合理的,模型的简化足正确的。
1.4影响因素分析
分析式(3),(4)和(10),得到填料模型发生共振位移响应的函数与模型结构及流体参数有关,其中以模型的长度和流体速度的影响最大。
针对文中所研究的减压塔填料段,保持其他参数不变,改变规整填料的高度研究填料的应力腐蚀疲劳问题。取规整填料层数Ⅳ的数值分别为1,3,5,7和9,经过理论推导和计算,得到不同型号规整填料的腐蚀疲劳寿命曲线。由于不同型号规整填料的应力腐蚀疲劳寿命相差较大,取其自然对数得到规整填料的对数应力腐蚀疲劳曲线,见图2。分析图2中的曲线,从理论上说明,
增加规整填料的厚度,即减少填料段内规整填料的堆积层数,能够提高减压塔填料段的使用寿命,从而保证减压塔在更长的使用时间里具有较高的工作性能。

减压塔内部的工作介质在高温下具有较强的腐蚀性,同时流体诱发填料振动从而在结构上形成循环应力载荷,两因素共同作用导致填料发生应力腐蚀疲劳成为必然,最终导致填料塔结构失效。通过理论推导,得到了流体诱发振动导致填料发生共振位移响应的理论公式,气相流体的流速及规整填料的结构尺寸是影响填料失效的重要

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