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摘 要

NiAl是一种规则的金属化合物，具有较高的导热率、良好的抗氧化及抗渗碳性能。本文对在HK40基底上对NiAl涂层建立了不同热冲击条件下（水冷、空冷和炉冷）的二维有限元模型，并计算得到了HK40炉管材料表面NiAl涂层不同部位随温度的冷却曲线以及残余应力场的模拟分析结果。本文主要的研究内容和结论如下：

(1) 查找了HK40和NiAl在不同温度条件下的比热、导热系数、密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数，编写了HK40炉管材料表面NiAl涂层热应力计算的Ansys 自身ADPL程序，并进行了调试。

(2) 在NiAl涂层，x方向上的热应力数值分布大于y方向上的结果，但HK40基体内x方向的应力小于y方向，且为压应力。NiAl涂层与HK40基体的交界面处x方向应力较大，y方向应力较小。同时，可以得出不同的冷却条件不能改变NiAl涂层和HK40基体界面处最大应力幅值，但可以改变应力的降低速率。

(3) 在三种冷却条件下涂层内Mises stress应力均为2000MPa，所以在1173K条件下涂层内Mises stress应力最大，而NiAl涂层与HK40基体的交界面处的Mises stress应力的最大值出现在炉冷情况下，达到2200MPa。

Thermal stress analysis of NiAl coating on HK40 stainless steel substrate at different thermal shock conditions

Abstract

NiAl is a kind of regular metal compounds which owns high-melting-point，low density，high thermal conductivity，good inoxidizability and resistance to carburizing. Therefore, a two-dimensional finite element model from experiments basing on HK40 in order to get different cooling curves(water-cooling、air-cooling、furnace-cooling) and residual stress on different sites at different temperatures were built and calculated. The main research contends and conclusions are follows:

(1) The elasticity modulus, poisson'ratio, thermal expansion coefficient, specific heat, thermal conductivity and density in the range of 293K-1173K were look up, and the programs of thermal stress at different temperatures were programmed and debugged according to Ansys software.

(2) In NiAl coating, thermal stress in x direction value is greater than that in the y direction, but the stress in HK40 in x direction is the compressive stress which is less than that in y-direction. The x-direction stress at the interface between coating and substrate is greater than that in HK40, but the y direction stress is smaller. Meanwhile, the different cooling conditions can not change the highest stress value between coating and substrate, but can be changed the declining rate of stress.

(3) Mises stress in NiAl coating are all 2000MPa under three cooling conditions, so the maximum Mises stress in the coating is at 900℃, and the highest Mises stress is up to 2200MPa under the condition of furnace cooling.

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 热裂解反应生产乙烯的工艺特点及发展趋势 2

1.2.1 热裂解反应生产乙烯工艺特点 2

1.2.2 乙烯生产发展趋势 2

1.3 乙烯裂解炉炉管结焦及其抑制方法 3

1.3.1 结焦机理 3

1.3.2 影响炉管结焦的因素 4

1.3.3 抑制结焦方法 5

1.4 表面涂层技术抑制结焦的研究与发展 6

1.5 本文研究目的及主要内容 .............................................................................................8

第2章 Ansys软件及有限元模型建立 9

2.1 Ansys软件介绍 9

2.1.1 软件组成 9

2.1.2 软件优势 9

2.1.3 软件分析类型 10

2.2 模型建立 11

第3章 数值模拟结果及分析 15

3.1 空冷条件下数值模拟分析 15

3.2 炉冷条件下数值模拟分析 18

3.3 水冷条件下数值模拟分析 22

第4章 结论 27

参考文献 28

附录 30

致谢 33

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

二十世纪初，随着石油加工工业、核工业和煤气产业的兴起，世界经济飞速发展，人们的物质生活水平也得到了极大地提高，但同时也带来了能耗和安全问题，其中由碳源气体（如：CO、CH4、C3H8及各种石油裂解原料气等）及其载气（如：氢气和水蒸气）的碳气氛引起材料表面结焦（coking）和渗碳（carburizing）的腐蚀问题越来越引起人们的高度重视^[1,2]。

乙烯是石化工业产品的主要产品之一，其生产能力标志着一个国家石油化工技术的发展水平，乙烯裂解工业则是国民经济持续发展的重要支柱。乙烯裂解装置室石化工业中能耗最大的装置^[3]，而其中以裂解炉管的能耗为最大（图1-1为简化的工业乙烯裂解炉示意图）。裂解炉管的持续、长久使用具有重要的经济意义^[4]。

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