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超高压聚乙烯反应器失效模式研究

李小红  
【摘要】:在高压聚乙烯反应管服役期间,由聚乙烯发生热分解时的瞬时超温过程会使反应器的应力状态变得十分复杂并造成自增强残余应力松弛现象,使得反应器疲劳强度明显降低。反应管外壁在工作应力和腐蚀介质共同作用下的应力腐蚀现象也严重影响到反应器的安全。研究反应器的失效模式,对确保LDPE管式反应器的安全生产和提高其使用寿命具有重要意义。本文通过有限元方法和应力腐蚀电化学试验,完成的工作主要如下:(1)运用ABAQUS有限元软件建立反应管截面的平面有限元模型,模拟了反应器在压力-温度耦合冲击下的温度场和应力场,并对有无自增强下高压聚乙烯反应管的温度场及应力场进行了对比分析。结果表明,聚乙烯超温分解发生后会产生大量热量,该热量在短时间内会引起内壁温度和应力急剧升高,随着泄压阀的打开、冷料的注入以及反应器内部导热程度的加强,反应器温度和应力不断降低并最终在20 s左右趋于稳定。在承受热冲击时,自增强反应管比未经过自增强反应管所受到的最大等效应力更低。(2)通过对热冲击前后的应力及应变变化情况的分析,得到了自增强残余应力的松弛原因及规律,并分析了热冲击次数、自紧度和阀门开启时间对反应管自增强残余应力松弛的影响。结果表明,在距内壁2mm范围内残余应力发生松弛,内壁处松弛最严重,残余应力发生松弛的原因是随温度升高的热应力与自增强残余应力相叠加,使近内壁区域发生了压缩切向塑性应变,导致残余应力进行了重新分布。自紧度越大,近内壁区域处残余应力松弛率也越大,内壁最大松弛率可达到50%左右。阀门开启时间越长,近内壁区域残余应力的松弛率就越大。(3)对加载完应力后的C型环试样进行应力腐蚀电化学试验,分析了工作介质的水质对反应管材料应力腐蚀性能的影响情况。结果表明,酸度的增大以及氯离子浓度的增加都会使腐蚀电流密度及其增加速率增大。(4)针对某超高压聚乙烯装置的试验研究与理论计算,并结合国内有关装置的事故情况,探讨了反应管的失效机理及模式。反应管内壁的失效主要源于短时超温与冷料瞬间冷却的热冲击作用,反应管外壁的失效则主要源于应力腐蚀和腐蚀疲劳的复合作用。


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