焦炭塔裂纹萌生寿命及裂纹扩展寿命的预测方法技术

本发明专利技术公开了一种焦炭塔裂纹萌生寿命的预测方法，其包括步骤：建立焦炭塔壁应变幅的概率分布模型；基于所述模型，进行蒙特卡罗随机方法抽样应变幅数据循环样本，并计算给定循环周期的每个应变幅相应的疲劳寿命和疲劳损伤；对给定循环周期下的所述疲劳损伤在给定迭代次数下进行累积达到或超过1.0认为裂纹萌生；所述裂纹萌生累计次数与给定迭代次数的比值获得裂纹萌生概率；对于所述给定循环周期，所述裂纹萌生概率和给定置信度，计算预测焦炭塔壁裂纹萌生概率与剩余寿命之间的关系。本发明专利技术还公开了一种焦炭塔裂纹扩展寿命的预测方法，建立应力幅的概率分布模型来预测现役焦炭塔的裂纹扩展寿命。所述方法成本低，可评估焦炭塔服役的风险。

【技术实现步骤摘要】
焦炭塔裂纹萌生寿命及裂纹扩展寿命的预测方法
本专利技术涉及石油化工领域，尤其涉及一种焦炭塔裂纹萌生寿命及裂纹扩展寿命的预测方法。
技术介绍
焦炭塔又称焦化塔或热裂化反应器，是炼油工业中延迟焦化的关键设备。它把价值低的劣质油转化为价值高的汽油和中馏分油，产生着巨大的经济效益。由于延迟焦化工艺的特点，使焦炭塔经历循环的升温、降温过程，16至48小时内在室温与495℃之间循环变化，同时容器承载的介质由气态到液态至固态，工作环境复杂、恶劣，致使焦炭塔在运行若干年后普遍存在筒体鼓胀，筒体、焊缝和裙座等开裂。任随这些变形和损伤的发展将最终导致停产，严重时甚至发生严重的安全事故。美国石油协会(API)分别于1968、1979和1996年开展了大规模的焦炭塔调查，根据调查结果，众多的研究者认为焦炭塔的问题是由多种原因造成的。但由于数据的分散性，即使许多用户公司都强烈要求API能够出台一个焦炭塔的设计及操作的规范，API认为仍无法出台这样的规范。虽然延迟焦化工艺保持不变，但现场实测显示，塔壁的应变/应力随着循环而变化。原因有可能是多方面的，比如波动的内压、温度。但最主要的原因是：在水冷阶段，冷水可能会通过焦床内的通道直接冷却塔壁，导致严重的热梯度。一般情况下，焦床上的通道位置时随机的。因此焦炭塔的循环并不是恒幅循环。在塔壁上安装耐高温应变片是焦炭塔在线监测常用的措施，但长期的监测成本非常高。现场实测的数据显示，焦炭塔塔壁的峰值应力高于材料的屈服极限。焦炭塔的循环周期是24-36小时，总的循环寿命是20-30年。因此许多研究者认为焦炭塔的失效模式为低周疲劳。疲劳寿命预测有两种方法，一种是应力寿命法，另一种是应变寿命法。而应变被证实是表征低周疲劳的极佳参量。鉴于当前研究目的，本文采用应变法来对裂纹萌生进行预测，以及采用应力法来对裂纹扩展失稳的进行预测，帮助焦炭塔用户制定将来维护和检修的策略，对他们来说裂纹萌生及裂纹扩展失稳的预测非常重要。而且，实践经验表明，由于焦炭塔结构及操作工艺的复杂性，要想依靠理论分析的结果对焦炭塔进行疲劳损伤预测是非常困难的。因此现场实测以及在实测的基础上去认识焦炭塔的问题，对焦炭塔低周疲劳分析以及安全评估显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的任务之一提供一种焦炭塔裂纹萌生寿命的预测方法，该方法基于实测应变数据建立预测方法模型来预测的现役焦炭塔裂纹萌生寿命，避免长期监测的高成本。采用的技术方案如下：建立焦炭塔壁应变幅的概率分布模型；对给定循环周期N下，根据应变幅的所述概率分布模型，对所述应变幅进行蒙特卡罗随机方法抽样，产生应变幅数据样本，并计算每个应变幅相应的疲劳寿命和疲劳损伤；所述疲劳损伤在给定迭代次数下进行累积，若疲劳损伤达到或超过1.0，则出现裂纹萌生；裂纹萌生累计次数与给定迭代次数的比值获得所述给定循环周期N下裂纹萌生概率；根据所述给定循环周期N，所述裂纹萌生概率和给定置信度，计算预测焦炭塔壁裂纹萌生概率与剩余寿命之间的关系。对上述技术方案的进一步改进：所述建立焦炭塔壁应变幅的概率分布模型具体包括如下步骤：通过耐高温应变片采集焦炭塔壁危险点的循环周期样本容量的应变数据；计算每个所述循环周期的应变幅；对所述应变幅取对数，获得应变幅服从对数正态分布的所述概率分布模型。所述计算每个循环周期的应变幅步骤中，所述应变幅通过公式(1)计算获得，其中，分别为每个循环中的最大和最小的VonMises当量应变，当量应变的计算表达式如下：式中εz，εθ分别为轴向应变和环向应变的所述应变数据，μ为材料泊松比。所述计算每个应变幅相应的疲劳寿命和疲劳损伤步骤中，具体采用Manson-Coffin低周应变疲劳公式或塑性应变能密度法计算抽样所述应变幅样本中每个应变幅对应的疲劳寿命和疲劳损伤。所述疲劳损伤在给定迭代次数下进行累积步骤中，具体利用Miner损伤法则对所述给定循环周期N下应变幅产生的疲劳损伤进行累积。本专利技术的任务之二提供一种焦炭塔裂纹萌生寿命的预测方法，该方法基于实测应力数据建立预测方法模型来预测现役焦炭塔的裂纹扩展寿命，避免长期监测的高成本。采用的技术方案如下，焦炭塔裂纹扩展寿命的预测方法，包括如下步骤：建立焦炭塔壁应力幅的概率分布模型；对给定循环周期N下，根据所述应力幅的概率分布模型，对应力幅进行蒙特卡罗随机方法抽样，产生应力幅数据样本，并计算每个应力幅相应的裂纹沿深度/长度方向的应力强度因子；利用母材的所述应力强度因子阈值判断对给定循环周期N下每个应力幅是否裂纹扩展失稳，对给定迭代次数下的所述裂纹扩展失稳进行累积；裂纹扩展失稳累计次数与所述给定迭代次数的比值获得给定循环周期N下裂纹扩展失稳概率；根据所述给定循环周期N，所述裂纹扩展失稳概率和给定置信度，计算预测焦炭塔壁裂纹扩展失稳概率与剩余寿命之间的关系。对上述方案的进一步改进：所述建立焦炭塔壁应力幅的概率分布模型包括如下步骤：获取焦炭塔壁危险点的循环周期样本容量的应力数据；计算每个所述循环样本的应力幅；对所述应力幅取对数，获得应力幅服从对数正态分布的所述概率分布模型。所述计算每个循环样本的应力幅步骤中，所述应力幅通过公式(2)计算获得，ΔσZ＝σzmax-σzmin(2)其中，σzmax，σzmin分别为每个循环的轴向应力最大、最小值。所述利用母材的所述应力强度因子阈值判断对给定循环周期N下每个应力幅是否裂纹扩展失稳步骤，其具体步骤为：给定裂纹初始尺寸，给定裂纹扩展临界尺寸；所述应力强度因子小于应力强度因子阈值时，则认为当前应力幅下的裂纹扩展达到失稳状态；或者，根据Paris定律计算在给定循环周期N下每个应力幅对应的裂纹尺寸，若所述应力幅的裂纹尺寸大于裂纹扩展临界尺寸，则认为当前应力幅下的裂纹扩展达到失稳状态。有益效果：(1)本专利技术焦炭塔裂纹萌生寿命的预测方法提出了一种低成本的、基于蒙特卡洛随机模拟的裂纹萌生寿命预测方法，通过现场实测采集塔壁危险点的应变数据，然后对应变数据对数进行统计分析，建立起应变幅的概率分布模型，进而基于概率模型产生大容量的应变数据，最后，对在役的焦炭塔实施了裂纹萌生寿命概率预测，预测结果对于焦炭塔用户来说更可靠，可用于评估今后焦炭塔服役的风险并制定今后维修和检测的策略。(2)本专利技术焦炭塔裂纹扩展寿命的预测方法提出了一种低成本的、基于蒙特卡洛随机模拟的裂纹扩展寿命预测方法，通过现场实测采集塔壁危险点的应力数据，然后对力变数据进行统计分析，建立起应力幅的概率分布模型，进而基于概率模型产生大容量的应力数据，最后，对在役的焦炭塔实施了裂纹扩展寿命概率预测，预测结果对于焦炭塔用户来说更可靠，可用于评估今后焦炭塔服役的风险并制定今后维修和检测的策略。(3)本专利技术提供的一种焦炭塔裂纹萌生寿命及裂纹扩展寿命的预测方法，不需要在塔壁安装测温热电偶，对塔壁无损伤，并且根据循环应力/应变的统计规律性对焦炭塔进行疲劳损伤预测，与以往的预测方法相比更为科学和有效。附图说明图1是本专利技术提供实施例1的焦炭塔裂纹萌生的概率预测方法的流程示意图；图2是本专利技术提供实施例2的焦炭塔裂纹萌生寿命的预测方法的步骤S101的流程示意图；图3是本专利技术提供实施例2的焦炭塔裂纹萌生寿命的预测方法的步骤S102-S105的流程示意图；图4是本专利技术提供实施例3的焦炭塔裂纹萌生寿本文档来自技高网...

【技术保护点】
焦炭塔裂纹萌生寿命的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：建立焦炭塔壁应变幅的概率分布模型；对给定循环周期N下，根据应变幅的所述概率分布模型，对所述应变幅进行蒙特卡罗随机方法抽样，产生应变幅数据样本，并计算每个应变幅相应的疲劳寿命和疲劳损伤；所述疲劳损伤在给定迭代次数下进行累积，若疲劳损伤达到或超过1.0，则出现裂纹萌生；裂纹萌生累计次数与给定迭代次数的比值获得所述给定循环周期N下裂纹萌生概率；根据所述给定循环周期N，所述裂纹萌生概率和给定置信度，计算预测焦炭塔壁裂纹萌生概率与剩余寿命之间的关系。

【技术特征摘要】
1.焦炭塔裂纹萌生寿命的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：建立焦炭塔壁应变幅的概率分布模型；对给定循环周期N下，根据应变幅的所述概率分布模型，对所述应变幅进行蒙特卡罗随机方法抽样，产生应变幅数据样本，并计算每个应变幅相应的疲劳寿命和疲劳损伤；所述疲劳损伤在给定迭代次数下进行累积，若疲劳损伤达到或超过1.0，则出现裂纹萌生；裂纹萌生累计次数与给定迭代次数的比值获得所述给定循环周期N下裂纹萌生概率；根据所述给定循环周期N，所述裂纹萌生概率和给定置信度，计算预测焦炭塔壁裂纹萌生概率与剩余寿命之间的关系。2.如权利要求1所述的焦炭塔裂纹萌生寿命的预测方法，其特征在于，所述建立焦炭塔壁应变幅的概率分布模型具体包括如下步骤：通过耐高温应变片采集焦炭塔壁危险点的循环周期样本容量的应变数据；计算每个所述循环周期的应变幅；对所述应变幅取对数，获得应变幅服从对数正态分布的所述概率分布模型。3.如权利要求2所述的焦炭塔裂纹萌生寿命的预测方法，其特征在于，所述计算每个循环周期的应变幅步骤中，所述应变幅通过公式(1)计算获得，其中，分别为每个循环中的最大和最小的VonMises当量应变，当量应变的计算表达式如下：式中εz，εθ分别为轴向应变和环向应变，μ为材料泊松比。4.如权利要求1所述的焦炭塔裂纹萌生寿命的预测方法，其特征在于，所述计算每个应变幅相应的疲劳寿命和疲劳损伤步骤中，具体采用Manson-Coffin低周应变疲劳公式或塑性应变能密度法计算抽样所述应变幅样本中每个应变幅对应的疲劳寿命和疲劳损伤。5.如权利要求1所述的焦炭塔裂纹萌生寿命的预测方法，其特征在于，所述疲劳损伤在给定迭代次数下进行累积步骤中，具体利用Min...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶伟文，宁志华，刘人怀，王璠，汪文锋，李茂东，杜南胜，杨波，董雪林，梁自生，
申请(专利权)人：广州特种承压设备检测研究院，暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44