一种考虑氢影响的加氢反应器母材蠕变寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑氢影响的加氢反应器母材蠕变寿命预测方法，包括以下步骤：S1：输入加氢反应器母材和内壁堆焊层的几何参数和运行参数；S2、输入氢在母材和第j层堆焊层中的扩散指前因子D0、扩散激活能ED、溶解热ΔHs和常数S0；S3、根据运行温度T计算该温度下氢在母材、第j层堆焊层的扩散系数D和溶解度S；S4、计算在母材与第1层堆焊层界面处的氢压Pb；S5、根据运行温度T时甲烷压力与氢压关系曲线，确定出压力为Pb的氢气在加氢反应器母材中产生的甲烷压力Pm；计算出蠕变空洞总内压PV；S6、建立考虑氢影响的加氢反应器母材蠕变本构模型，计算出加氢反应器母材的蠕变寿命tf。该发明专利技术的优点在于：有效确定出高温氢对加氢反应器母材蠕变寿命的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑氢影响的加氢反应器母材蠕变寿命预测方法
本专利技术涉及材料本构模型与力学行为领域，尤其是一种考虑氢影响的加氢反应器母材蠕变寿命预测方法。
技术介绍
加氢反应器是炼油、石油化工中的核心设备，通常在高温、高压和临氢的恶劣环境下工作，所以它要求材料具有良好的高温强度和优良的抗蠕变变形、抗蠕变脆化、抗回火脆性、抗氢脆的能力等，其首选母材为低合金铁素体钢12Cr2Mo1V。同时为降低母材中的氢浓度，往往在母材表面堆焊一层TP309L(过渡层)和一层TP347奥氏体不锈钢，防止产生氢腐蚀和氢致剥离。伴随原油品质重质化和超重质化、重质油裂化和煤液化等新工艺的出现，加氢反应器的介质环境和操作工况变得更为苛刻，也出现了超大直径、超大壁厚的加氢反应器，目前最大的加氢反应器壳体质量达2400吨，直径为4.85米，其壁厚超过300毫米。由于在高温高压下运行，蠕变是加氢反应器设计需要考虑的重要失效模式之一。在高温条件下氢能以氢原子的形式进入材料中，并与不稳定碳化物发生所谓的甲烷反应，由此产生的甲烷气体会聚集在材料缺陷或空洞处，从而对蠕变变形与损伤产生加速作用。但是，以往的加氢反应器母材蠕变寿命预测并没有考虑高温氢对蠕变变形与损伤的影响，难以准确预测加氢反应器母材的蠕变寿命。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，为此，本专利技术提供一种考虑氢影响的加氢反应器母材蠕变寿命预测方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种考虑氢影响的加氢反应器母材蠕变寿命预测方法，包括以下步骤：S1、输入加氢反应器母材和内壁堆焊层的几何参数和运行参数，所述内壁堆焊层为n层，几何参数和运行参数包括：母材壁厚tb、第j层堆焊层厚度tcj、运行温度T和运行氢分压P0，其中j＝1,2,…,n；S2、输入氢在母材中的扩散指前因子D0b、扩散激活能EDb、溶解热ΔHsb和常数S0b；输入氢在第j层堆焊层中的扩散指前因子D0cj、扩散激活能EDcj、溶解热ΔHscj和常数S0cj；S3、根据运行温度T，计算该温度下氢在母材、第j层堆焊层的扩散系数和溶解度：式中，R为理想气体常数，Db、Dcj分别表示氢在母材中的扩散系数、第j层堆焊层的扩散系数，Sb、Scj分别表示氢在母材中的溶解度、第j层堆焊层的溶解度，D0b、EDb、ΔHsb、S0b分别表示氢在母材中的扩散指前因子、扩散激活能、溶解热和常数，D0cj、EDcj、ΔHscj、S0cj分别表示氢在第j层堆焊层中的扩散指前因子、扩散激活能、溶解热和常数；S4、根据运行氢分压P0，计算在母材与第1层堆焊层界面处的氢压PbS5、根据运行温度T时甲烷压力与氢压关系曲线，确定出压力大小为Pb的氢气在加氢反应器母材中所产生的甲烷压力Pm；计算出蠕变空洞总内压PVPV＝Pb+Pm(4)S6、通过引入蠕变空洞总内压PV，建立考虑氢影响的加氢反应器母材蠕变本构模型：式中，A、B、C、h、H*和Kc为蠕变本构模型的六个材料常数，σ和ε分别为应力水平和蠕变应变，H、φ和ω分别为描述应变硬化、第二相粒子粗化和蠕变损伤演化的状态变量，和分别为蠕变应变速率、H随时间t的变化速率、φ随时间t的变化速率和ω随时间t的变化速率；根据运行温度T，输入式(5)所列蠕变本构模型中六个材料常数A、B、C、h、H*和Kc的数值和应力水平σ的数值；对式(5)所列蠕变本构模型进行积分，当ω＝1时，即得在运行温度T和应力水平σ下，加氢反应器母材的蠕变寿命tf。详细地说，堆焊层包括第1层堆焊层和第2层堆焊层。详细地说，加氢反应器母材为12Cr2Mo1V钢，第1层堆焊层的材料为TP309L，第2层堆焊层材料为TP347。本专利技术的优点在于：本专利技术提出了一种考虑氢影响的加氢反应器母材蠕变寿命预测方法，根据高温氢在母材和堆焊层中的扩散规律，得到母材与堆焊层界面处的氢压，进而确定出在该氢压下由甲烷反应所产生的甲烷压力，由此得到蠕变空洞总内压。通过将该内压引入到加氢反应器母材蠕变本构模型中，综合扩散理论、甲烷反应热力学和连续损伤力学理论确定出高温氢对加氢反应器母材蠕变寿命的影响。附图说明图1为本专利技术中加氢反应器母材和双层堆焊几何尺寸示意图。图2为不同温度下氢压与所产生的甲烷压力的关系曲线。图3为T＝454℃、P0＝6.86MPa、σ＝170MPa条件下加氢反应器母材的蠕变变形曲线与蠕变寿命。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作更详细的说明。本实施例仅说明本专利技术实施的一种具体情况，并不限定本专利技术的其他实施情况。本实施例中堆焊层的层数n为2。S1：输入加氢反应器母材和内壁堆焊层(共含n层堆焊层)的几何参数和运行参数，包括：母材壁厚tb、第j层堆焊层厚度tcj、运行温度T和运行氢分压P0，如图1所示。在本实施例中，加氢反应器母材为12Cr2Mo1V钢，壁厚tb为296mm；内壁的第1层堆焊层为过渡层，材料为TP309L，厚度tc1为3mm；第2层堆焊层材料为TP347，厚度tc2为4.5mm。加氢反应器运行温度T等于454℃，运行氢分压P0等于6.86MPa，其中j＝1,2。S2：输入氢在母材中的扩散指前因子D0b、扩散激活能EDb、溶解热ΔHsb和常数S0b；输入氢在第j层堆焊层中的扩散指前因子D0cj、扩散激活能EDcj、溶解热ΔHscj和常数S0cj。在本实施例中，氢在母材中的扩散指前因子D0b为6.70×10-7m2/s，扩散激活能EDb为30034J/mol，溶解热ΔHsb为6943J/mol，常数S0b为36mol/(m2MPa1/2)；氢在第1层堆焊层中的扩散指前因子D0c1为7.69×10-7m2/s，扩散激活能EDc1为53300J/mol，溶解热ΔHsc1为4500J/mol，常数S0c1为151mol/(m2MPa1/2)；氢在第2层堆焊层中的扩散指前因子D0c2为2.55×10-6m2/s，扩散激活能EDc2为61900J/mol，溶解热ΔHsc2为7100J/mol，常数S0c2为141mol/(m2MPa1/2)。S3：根据运行温度T，计算该温度下氢在母材、第1层堆焊层、第2层堆焊层中的扩散系数D和溶解度S：式中，R为理想气体常数，R等于8.314J/(mol·K)。详细地说，该温度下氢在母材中的扩散系数Db和溶解度Sb分别为该温度下氢在第1层堆焊层中的扩散系数Dc1和溶解度Sc1：该温度下氢在第2层堆焊层中的扩散系数Dc2和溶解度Sc2：在本实施例中，运行温度T等于454℃，由此计算得到的扩散系数Db和溶解度Sb分别等于4.6566×10-9m2/s和11.4139mol/(m2MPa1/2)；扩散系数Dc1和溶解度Sc1分别等于1.1382×10-10m2/s和71.7203mol/(m2MPa1/2)；扩散系数Dc2和溶解度Sc2分别等于9.0968×10-11m2/s和43.5581mol/(m2MPa1/2)。S4：根据运行氢分压P0，计算在母材与第1层堆焊层界面处的氢压Pb：在本实施例中，加氢反应器运行氢分压P0等于6.86MPa，根据S3计算得到的扩散系数和溶解度，计算得到的氢压Pb等于5.03MPa。S5：根据运行温度T，在图2中选择对应的甲烷压力与氢压关系曲线(PH2-PCH4)；根据该曲线确定出压力大小为Pb本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑氢影响的加氢反应器母材蠕变寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、输入加氢反应器母材和内壁堆焊层的几何参数和运行参数，所述内壁堆焊层为n层，几何参数和运行参数包括母材壁厚tb、第j层堆焊层厚度tcj、运行温度T和运行氢分压P0，其中j＝1,2,…,n；S2、输入氢在母材中的扩散指前因子D0b、扩散激活能EDb、溶解热ΔHsb和常数S0b；输入氢在第j层堆焊层中的扩散指前因子D0cj、扩散激活能EDcj、溶解热ΔHscj和常数S0cj；S3、根据运行温度T，计算该温度下氢在母材、第j层堆焊层的扩散系数和溶解度：

【技术特征摘要】
1.一种考虑氢影响的加氢反应器母材蠕变寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、输入加氢反应器母材和内壁堆焊层的几何参数和运行参数，所述内壁堆焊层为n层，几何参数和运行参数包括母材壁厚tb、第j层堆焊层厚度tcj、运行温度T和运行氢分压P0，其中j＝1,2,…,n；S2、输入氢在母材中的扩散指前因子D0b、扩散激活能EDb、溶解热ΔHsb和常数S0b；输入氢在第j层堆焊层中的扩散指前因子D0cj、扩散激活能EDcj、溶解热ΔHscj和常数S0cj；S3、根据运行温度T，计算该温度下氢在母材、第j层堆焊层的扩散系数和溶解度：式中，R为理想气体常数，Db、Dcj分别表示氢在母材中的扩散系数、第j层堆焊层的扩散系数，Sb、Scj分别表示氢在母材中的溶解度、第j层堆焊层的溶解度，D0b、EDb、ΔHsb、S0b分别表示氢在母材中的扩散指前因子、扩散激活能、溶解热和常数，D0cj、EDcj、ΔHscj、S0cj分别表示氢在第j层堆焊层中的扩散指前因子、扩散激活能、溶解热和常数；S4、根据运行氢分压P0，计算在母材与第1层堆焊层界面处的氢压PbS5、根据运行温度T时甲烷压力与...

【专利技术属性】
技术研发人员：周煜，范志超，陈学东，徐鹏，江慧丰，郑成思，刘孝亮，
申请(专利权)人：合肥通用机械研究院有限公司，合肥通用机械研究院特种设备检验站有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34