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摘 要

本文简述了蒸汽转化炉及其炉管的发展与运用，并详细介绍了H1201蒸汽转化炉的结构关系、炉管材料及运行现状。由于材料在高温下的剩余寿命受到温度和应力的共同影响，为了准确预测H1201蒸汽转化炉服役炉管的剩余寿命，本文利用ABAQUS有限元分析软件建立了转化炉一排炉管的有限元模型，对管系的热应力和热变形以及蠕变应力和蠕变变形行为进行模拟，获得长期服役后转化炉 H1201管系的受力和变形情况。

数值模拟的分析结果表明：距炉管顶部约8-9米处的位置，炉管服役温度最高，损伤最大；蠕变过程中，会发生Mises应力和Tresca应力再分布；集中力和支反力的集中分布情况明显；最大真应变的位置一直位于炉管的中下段。

关键词：蒸汽转化炉 炉管 蠕变 热应力 有限元分析

Analysis of thermal stress in the tube system of H1201 steam reformer

ABSTRACT

This paper briefly describes the development and application of steam reformer and its tube, and introduces the structural relationship of H1201 steam reformer, the material and operation status of the tube in detail. The remaining life of a material at high temperature is affected by both temperature and stress. In order to accurately predict the remaining life of the tube in service of H1201 steam reformer, the finite element model of a row of tube in the reformer was established by ABAQUS, and the thermal stress and thermal deformation of the tube system as well as the creep stress and creep deformation behavior were simulated, so as to obtain the stress and deformation of the tube system in the reformer H1201 after long service.

The results of numerical simulation show that: at the position about 8-9 meters from the top of the furnace tube, the service temperature of the furnace tube is the highest and the damage is the greatest. The redistribution of Mises stress and Tresca stress occurred during the creep process. The concentrated distribution of concentrated force and reaction force is obvious. The position of maximum true strain is always located in the lower and middle section of the furnace tube.

Key words: steam reformer; furnace tube; creep; the thermal stress; finite element analysis

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景 1

1.2 蒸汽转化炉 1

1.2.1 蒸汽转化炉原理 1

1.2.2 转化炉的炉型及其选择 2

1.2.3 炉管及其材料的发展 2

1.3 管系热应力的有限元分析 3

1.3.1有限元分析的简述 3

1.3.2 有限元分析的软件工具 4

1.4 本文研究内容 4

第二章 H1201蒸汽转化炉的设计及其有限元模型的建立 5

2.1 H1201蒸汽转化炉的设备关系结构 5

2.1.1 H1201蒸汽转化炉的设计参数 5

2.1.2 H1201蒸汽转化炉的炉型 5

2.1.3 H1201蒸汽转化炉的内部结构 6

2.1.4 H1201蒸汽转化炉的运行情况 8

2.2 H1201蒸汽转化炉的炉管材料 8

2.2.1 25Cr35NiNb-Ma和20Cr32Ni1Nb材料的成分 8

2.2.2 25Cr35NiNb-Ma的材料性能 9

2.2.3 20Cr32Ni1Nb的材料性能 10

2.3 H1201蒸汽转化炉炉管系模型的建立 10

2.3.1 H1201蒸汽转化炉装置的基本情况 10

2.3.2 H1201整齐转化炉的基本组成单元 10

2.3.3 模型的建立以及单元的划分 10

2.3.4 编辑25Cr35NiNb-Ma和20Cr32Ni1Nb的材料行为 12

2.3.5 温度场的施加 12

2.3.6 边界条件与载荷的施加 14

第三章 计算结果分析 17

3.1炉管各个方向的应力分布 17

3.1.1 平面最大主应力分布 17

3.1.2 Mises应力分布 17

3.1.3 Tresca应力分布 19

3.1.4 轴向应力分布 20

3.2 力的分布 22

3.2.1 支反力(RF)的分布 22

3.2.2 集中力(CF)的分布 23

3.3 真实应变(LE)的分布 23

第四章 H1201蒸汽转化炉炉管造价及维护费用 25

第五章 结论 26

参考文献 27

致谢 30

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景

处理重质和高硫原油、中级馏分油的需求的增长以及日益严格的环境法规等各种因素持续给炼油企业施加压力，这就要求炼油企业需要更多地使用氢。在过去的20年里，炼油业对氢的需要不断增长，这使得许多专业的制氢装置被建造出来。正因如此，制氢技术必须不断提升才能满足持续增长的氢需求量，这样炼油商才可以使用大量的氢气来获取更高的利益。

上世纪三十年代，一种高效的制氢催化剂被一些工厂使用，但并未大规模投入使用，到了五十年代，转化炉的制氢水平只有170 ~ 180m³/ h。^[1]再往后，人们成功研制离心式压缩机，制氢技术也得到了相当大的发展。2006年，转化炉的制氢水平已达到230000m³ / h。在发展了几十年后，制氢转化炉的规模已经越来越大，这也使它成为整个制氢业中投入和能耗最大的设备。

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