乙烯裂解炉炉管渗碳过程数值模拟

鞠易甫

乙烯裂解炉炉管渗碳过程数值模拟

鞠易甫

（上海海事大学物流工程学院，上海201306）

乙烯裂解炉管是石化生产的核心部件，其过早的失效会引起安全问题。因此有必要研究炉管在渗碳环境中的寿命情况，为其延长寿命提供依据。乙烯裂解炉管主要的失效原因是渗碳。炉管在长期的使用中，由于渗碳会导致其在不同的位置有不同的热膨胀系数和密度。建立了二维有限元模型解决碳在金属中的扩散问题，由于传热方程与扩散方程具有相似性，利用有限元分析软件中的热分析单元对渗碳模型进行分析求解。

乙烯裂解炉管；渗碳；有限元模拟；扩散系数

1 渗碳扩散模型的建立

高温下裂解炉管内产物的焓ΔG0均为很大的正值，容易分解为氢和碳，生成的碳与炉管的金属原子相互作用，则引起裂解炉管内壁渗碳[1]。

图1为裂解炉管CAD模型。炉管的材料为25Cr35NiNb奥氏体耐热钢。炉管设计压力为0.34 MPa，炉管设计温度为1 093℃，实际温度为980℃，炉管尺寸：外径Φ56.6mm，壁厚6.35AW，长度12 040 mm，炉管总长：13 089 mm，炉管的设计标称尺寸：外径公差Φ56.6±0.3 mm.

图1 裂解炉管CAD模型

由对称性，取截面的1/20建立二维有限元模型，整个管件使用四边形单元划分。假设初始基体的碳浓度为0.5%.总时间为1.463×108s（约为4.6年）。对渗碳后最高渗碳量和原始含碳量比较，渗碳样原始厚度为8 mm，去掉磨损量及氧化层，统一从7.75 mm算起。

2 有限元矩形单元公式推导

对系统在笛卡尔坐标系下使用能量守恒，得到热扩散方程为：

其中q·表示单位体产生的热量，单位……