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2024-02-01

EOEG装置不锈钢T型三通热疲劳开裂失效分析

目

录

CONTENCT

装置背景及失效概述

材料性质与制造工艺

热疲劳开裂机理研究

失效分析与实验验证

预防措施与建议

总结与展望

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装置背景及失效概述

EOEG装置是一种重要的化工生产设备，主要用于生产乙烯氧化生成环氧乙烷（EO）和乙二醇（EG）。

该装置通常包含反应器、冷却器、吸收塔等多个部分，工艺流程复杂，操作条件苛刻。

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其具有耐高温、耐腐蚀等特性，能够保证装置在恶劣环境下的正常运行。

不锈钢T型三通是EOEG装置中的一种重要管道连接件，用于实现流体的分流或合流。

热疲劳开裂是指不锈钢T型三通在交变热应力作用下，由于材料疲劳而产生的裂纹。

裂纹通常从三通的应力集中部位开始萌生，并随着交变应力的循环而逐渐扩展，最终导致三通的失效。

不锈钢T型三通的失效会导致装置流体泄漏，影响生产过程的连续性和稳定性。

泄漏的流体可能引发火灾、爆炸等安全事故，对人员和设备造成严重威胁。

此外，三通的更换和维修成本高，时间长，会给企业带来较大的经济损失。

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材料性质与制造工艺

耐腐蚀性

高温强度

加工性能

不锈钢具有出色的耐腐蚀性，能够抵御多种化学物质的侵蚀。

在高温环境下，不锈钢仍能保持较高的强度和稳定性。

不锈钢具有良好的加工性能，易于进行切割、焊接和成型等操作。

80%

80%

100%

采用激光切割或等离子切割技术，对不锈钢板材进行精确切割和成型。

采用氩弧焊或熔化极气体保护焊等焊接工艺，确保焊缝质量和密封性能。

对焊接后的T型三通进行热处理，消除内应力和改善材料性能。

切割与成型

焊接工艺

热处理

材料选择影响制造工艺

制造工艺影响材料性能

不锈钢的种类和规格直接影响切割、成型和焊接等工艺的选择和实施。

焊接工艺和热处理等制造工艺会对不锈钢的力学性能和耐腐蚀性能产生影响。

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焊接缺陷

热处理不当

应力集中

腐蚀环境

T型三通结构存在应力集中现象，可能导致在热疲劳过程中产生开裂失效。

热处理温度和时间控制不当可能导致材料性能下降或产生变形等问题。

焊接过程中可能产生气孔、夹渣、未熔合等缺陷，影响焊缝质量和密封性能。

在腐蚀性介质中使用时，不锈钢T型三通可能受到化学腐蚀和电化学腐蚀的作用，导致开裂失效。

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热疲劳开裂机理研究

热疲劳开裂是指材料在循环热应力作用下，由于塑性应变累积而导致的开裂现象。

定义

根据热应力来源和开裂特征，热疲劳开裂可分为低周热疲劳和高周热疲劳两类。

分类

裂纹萌生

裂纹扩展

开裂失效

随着循环次数的增加，微裂纹逐渐扩展并相互连接，形成宏观裂纹。

当裂纹扩展到一定程度时，不锈钢T型三通发生开裂失效。

在循环热应力作用下，不锈钢T型三通表面或内部缺陷处开始萌生微裂纹。

不锈钢的化学成分、组织结构和力学性能对热疲劳开裂具有重要影响。

材料因素

高温、氧化和腐蚀等环境因素会加速热疲劳开裂过程。

环境因素

循环热应力的幅值、频率和波形对热疲劳开裂具有显著影响。

应力因素

基于断裂力学的模型

通过断裂力学理论，建立描述不锈钢T型三通热疲劳开裂过程的数学模型。

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失效分析与实验验证

记录EOEG装置操作温度、压力及介质等参数，评估其对T型三通热疲劳开裂的影响。

现场环境

开裂形态

材质检测

详细观察并记录T型三通开裂位置、裂纹走向及扩展情况，收集开裂部件照片及尺寸信息。

对失效T型三通进行材质分析，确认其化学成分、金相组织及力学性能是否符合设计要求。

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01

根据现场勘查情况，设计实验室模拟试验方案，包括试样制备、加载方式、温度循环等。

试验方案

按照T型三通实际尺寸和材质制备试样，保证试样的代表性和可比性。

试样制备

选择适当的试验设备，如高温疲劳试验机、温度控制系统等，确保试验条件的准确性和可重复性。

试验设备

03

影响因素分析

综合考虑温度、压力、介质等因素对T型三通热疲劳开裂的影响，分析各因素的作用机理。

01

裂纹扩展速率

对比实验室模拟试验与现场实际开裂情况，分析裂纹扩展速率的差异及原因。

02

断口形貌观察

利用扫描电镜等手段观察实验室模拟试样的断口形貌，与现场开裂部件的断口形貌进行对比分析。

材质因素

结构因素

工艺因素

环境因素

根据材质检测结果，分析不锈钢材质在热疲劳环境下的性能变化及开裂敏感性。

评估T型三通结构设计对热疲劳开裂的影响，如应力集中、结构突变等不利因素。

分析制造工艺对T型三通热疲劳性能的影响，如焊接工艺、热处理工艺等。

综合考虑现场环境因素对T型三通热疲劳开裂的影响，提出针对性的改进措施和建议。

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预防措施与建议

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采用有限元分析等方法对T型三通进行结构优化，减少应力集中。

优化热交换器整体布局，降低温度梯度和热应力。

考虑增加