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1、河北工业大学 硕士学位论文 轴向移动温差作用下带环焊缝筒体的循环塑性分析材料棘 轮效应的研究及模型参数的确定 姓名：孙宇鹏 申请学位级别：硕士 专业：化工过程机械 指导教师：高炳军 2011-06 河北工业大学硕士论文 i 轴向移动温差作用下带环焊缝筒体的循环塑性分析轴向移动温差作用下带环焊缝筒体的循环塑性分析 材料棘轮效应的研究及模型参数的确定材料棘轮效应的研究及模型参数的确定 摘摘 要要 焦炭塔是焦炭化工艺中的核心设备和使用环境最恶劣的设备之一，长期在多相环境中 经受严厉的压力循环和热循环，会产生焊缝开裂及筒体塔节的鼓胀变形。为了建立能够对 结构棘轮效应进行较为精确和全面的估计的本构模型，
2、有必要对材料在不同温度下的循环 塑性行为进行深入系统的研究。 实验母材材料选用国内外焦炭塔常用的典型材料 1.25Cr0.5Mo 合金钢，利用 MTS 810 电液伺服试验机对母材区、焊缝区及热影响区的材料在 20、200、300及 480等温 度条件下进行了一系列的单轴循环棘轮实验。试验结果表明：1.25Cr0.5Mo 合金钢是一种 循环稳定材料，且是率无关的；焊缝及热影响区金属则表现出弱的循环弱化行为，但总体 可视为循环稳定。在单轴循环棘轮效应试验中，随着平均应力、应力峰值及应力幅值的增 加，棘轮应变增加；棘轮变形依赖于加载历史，先前较大的循环应力对后继较小的循环应 力下的棘轮变形起抑制作
3、用。 根据拉伸实验及棘轮实验的数据进一步确定了Chaboche模型、O-W模型及双线性随动 强化模型（BKH）等有限元分析模型的模型参数，O-W II模型能够对材料的单轴棘轮应变进 行较好的预测。利用自行设计的移动温差加载装置，采用电阻应变法，在试验机上对轴向 移动温差作用下带环焊缝筒体进行尝试性的循环棘轮效应试验研究，对实验装置及测试系 统提出了一些合理性的改进意见。 关键词关键词：焦炭塔，棘轮效应，循环塑性，有限元法，轴向温差, 鼓胀 河北工业大学硕士论文 iii THERMAL RATCHETTING STUDY OF CYLINDER WITH CIRCUMFERENTIAL WELD
4、ED STRUCTURE SUBJECTED TO A MOVING AXIAL TEMPERATURE FRONT RATCHET EFFECT STUDY OF MATERIALS AND DETERMINATION OF MODEL PARAMETERS ABSTRACT Coke tower is the core equipment coke process and use one of the worst equipment environment in multiphase environment, long-term experience severe pressure cir
5、culation and thermal circulation, can produce weld cracking and cylinder tower festival bouffant deformation. In order to establish to ratchet effect on comparatively accurate structure and comprehensive estimate of constitutive model, it is necessary to materials in different temperature cyclic pla
6、stic behavior of in-depth system. Experimental mother materials at home and abroad material selection of coke tower typical material 1.25Cr0.5Mo alloy steel, Through the MTS 810 electro-hydraulic servo tester materials in 20 , 200 , 300 and 480 temperature conditions such as a series of uniaxial cyc
7、lic ratchet experiment. Test results show that: 1.25Cr0.5Mo alloy steel is a kind of circulation stabilization materials, and is the rate-independent; Weld and heat affected zone metal exhibited weak circulation weakening behavior, but overall as circulation stabilization. Uniaxial cyclic ratchet ef
8、fect in experiments, with the increase of average stress, peak stress and stress amplitude, ratchet strain increases; Ratchet deformation is dependent upon loading history, previously large cyclic stress on subsequent smaller cyclic stress deformation under ratchet up the inhibition. According to th
9、e tensile experiments and ratchet experiment data further identified Chaboche model, O- W model and double linear servo improved model (BKH) finite element analysis model of model parameters, O - W II model can of material uniaxial ratchet strain preferable forecasting. Using the self-designed mobil
10、e temperature loading devices in resistance 轴向移动的温差作用下带环焊缝筒体的循环塑性分析 iv strain gauge, experiment on the temperature of axial movement under the action of weld cylinder with rings are tentative circulation ratchet effect experimental research, and put forward some reasonable suggestion for improvement
11、. KEY WORDS: Coke drum , ratcheting, cyclic plasticity ,finite element method , Axial temperature gradient ,bulging 河北工业大学硕士论文 1 第一章 绪论第一章 绪论 1-1 引言引言 焦炭塔是延迟焦化装置的核心设备,长期在多相环境中经受严厉的压力循环和热循环，其典型的操 作温度约在 480 C，典型操作压力为 200303 KPa,操作总的循环时间为 24-48 小时左右，操作时间越 短操作条件也就越苛刻。焦碳塔的热循环过程主要包括：蒸气预热、进料、汽冷及水冷和除焦等几个步 骤
12、，典型的焦碳塔热循环及压力循环见图 1.1 1。 图 1.1 典型的生产周期壁温变化曲线 Fig1.1 Curve of temperature change in typical production cycle 由于焦炭塔的操作条件十分苛刻， 筒体长期在常温到 480左右的周期交变温度环境和循环载荷的 作用下操作，用不了多久其焊道附近的壁板就会出现鼓胀（图 1.2） ，当鼓胀达到一定程度后会使结构 的变形超过限制，而不能正常工作。而且有些鼓胀产生了不能接受的应力导致了焦碳塔的失效，开裂发 生在鼓胀最为严重的地方， 最常见的开裂出现在焊接金属和基础金属热影响区。 目前随着焦碳塔的不断 大型化
13、及和焦化周期的不断缩短， 导致循环过程中的热梯度的大大增加， 也进一步提高了过程中的热应 力，使得塔体的鼓胀、开裂问题变的更加突出，对塔体的疲劳寿命产生了严重影响。随着计算机技术以 及计算力学的快速发展，出现了很多大型的功能强大的有限元结构分析软件，并且广泛地应用于化工、 机械、电子及航空航天等各大领域。因此，若能利用有限元软件来模拟焦炭塔焊缝区的鼓胀变形，并对 其失效寿命进行预测， 不仅对研究焦炭塔焊道区域的鼓胀及开裂机理具有理论意义， 而且对设计更可靠 轴向移动的温差作用下带环焊缝筒体的循环塑性分析 2 的焦炭塔和更合理的使用焦炭塔， 进而提高延迟焦化装置的经济性具有很重要的应用价值。 有
14、限元分析 的结果同样也可以应用到焦炭塔的寿命评估和结构设计当中。 图 1.2 焦炭塔典型的鼓胀和壳体长开裂的位置 Fig 1.2 The Transgiguration of Coke Drum 引起鼓胀及开裂的原因有很多， 也很复杂， 许多学者以依据现场数据及冶金分析尝试从不同角度和 不同学科对焦炭塔鼓胀及开裂机理进行研究，进而得出了一些很有价值的结论。对于壁板的鼓胀现象， 有些人认为局部冷斑、 热斑是其中原因之一。 这是因为通过大量现场测量发现焦炭塔在操作过程中塔壁 存在一定的温度梯度,引发了很大的热应力使得材料产生了屈服， 在高温区会出现鼓胀,而在相邻的区域 （焊道）则出现瓶颈现象。但是
15、局部的冷、热斑只会在局部区域内引起变形，所以它并不能解释一些鼓 胀变形会扩展到整个塔体圆周的现象。 由于塔体的工作温度在室温480之间， 并且在高温区要保持一 定的时间，因而部分学者认为蠕变也有可能引发鼓胀。然而实际的测量结果 2表明,在高温保持阶段时 塔壁处的应力水平并不高(约为69 MPa) ,因而其产生的蠕变变形并不明显。从塔壁鼓胀变形的最严重处 进行取样， 然后进行金相分析发现材料几乎没有蠕变孔洞存在， 这说明了塔体的鼓胀变形不是由蠕变所 引起的 3,4。目前对于焦炭塔焊道区产生鼓胀的原因，能够普遍接受的解释是焊道金属的强度与基础金 属的强度的不匹配， 从而在焊道附近出现了循环塑性应变
16、的不断累积。 一些学者对焊道金属及基础金属 分别进行了力学性能的测试（硬度分析），从而证实了强度不匹配的存在。Boswell 等 5 认为：焊道 区壁板的鼓胀现象是由环焊道金属的强度比较高（相对于强度较低的相邻基础金属）所引起的。因为在 轴向温差的作用下, 若焊道区金属的屈服点高于基础金属的屈服点， 则基础金属的变形相对会更大， 但 是受到相邻更坚固的焊道的约束。因此随着循环次数的不断增加，在焊道上下附近筒体逐渐向外鼓凸， 导致了鼓胀变形。这种当结构所承受的载荷或温度发生循环变化时,塑性应变不断地积累的现象称之为 河北工业大学硕士论文 3 棘轮效应（ratcheting）。焊道区金属与基础金属两者之间的强度的不匹配造成棘轮效应在高强度的焊 道与低强度的基础金属之间不断发展。 我们经常在焊道区附近发现有较大的鼓胀变形和较深的开裂， 这 也在一定程度上支持了应变棘轮是由强度不匹配所引起的的假设。 由于焊道区的鼓胀变形是焊道区塑性应变不断积累的结果，而1%的塑性应变的增加将使材料的塑 性-脆性的转变温度提高约1520
