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新聞詳情
循環(huán)水管道溫度測量的雙金屬溫度計保護套管斷裂的原由概述： 某循環(huán)水管道雙金屬溫度計保護套管短期使用后即發(fā)生了斷裂,通過宏觀、斷口檢測及計算等方法進(jìn)行斷裂原因分析,結(jié)果表明保護套管斷裂主要原因是由于管道中兩相流的作用,引起套管共振,產(chǎn)生超高周疲勞斷裂,并提出了套管安裝使用的建議。 某石化裝置循環(huán)水管道為準(zhǔn)備中交而引入循環(huán)水進(jìn)行裝置運行調(diào)試，裝置循環(huán)水管道雙金屬溫度計保護管運行5天即發(fā)生保護管斷裂，影響了裝置開工。 該循環(huán)水管道為廠區(qū)總管進(jìn)入裝置的一級支管，埋地鋪設(shè)，運行過程中震動較大，伴有較大的噪聲，管道閥門為緩開、緩閉操作方式。該管道溫度測點于總閥后6m處，雙金屬溫度計安裝在管道上部的套管座上，保護套管與法蘭采用角焊縫連接，安裝及斷裂部位見圖1。循環(huán)水操作溫度為28℃，操作壓力為0.4Mpa，水管規(guī)格為Ф500*10mm。溫度計套管采用316不銹鋼材質(zhì)及焊接，套管實際插入長度為418mm（設(shè)計資料要求套管插入長度為400mm），直徑為20mm，孔徑為11mm，制造質(zhì)量和無損探傷檢測均合格。  1檢測與分析 對溫度計保護套管斷裂樣品進(jìn)行了宏觀檢查、成分分析、硬度測定、金相組織、掃描電鏡等檢測。 1.1宏觀檢查與分析 溫度計套管斷裂與套管與法蘭連接角焊縫的套管側(cè)熔合線上，斷口宏觀形貌見圖2。套管外觀無明顯缺陷，整體無塑性變形，無腐蝕痕跡和裂紋。斷口邊緣外側(cè)直徑方向有多處放射狀的棱線，長1~2mm，均指向套管中部的非常后瞬斷區(qū)。斷口中裂紋擴展區(qū)基本以非常后瞬斷區(qū)為中心，呈現(xiàn)基本對稱形態(tài)，這部分表面呈細(xì)磁狀，無金屬光澤。瞬斷區(qū)有明顯塑性變形痕跡，呈帶狀，寬1~2mm，并穿過套管軸心，與循環(huán)水流垂直。裂紋擴展區(qū)范圍較大，瞬斷區(qū)較小。檢測結(jié)果表明，熱電偶套管斷裂不是應(yīng)力越限造成的，但角焊縫的套管側(cè)熔合線是流體作用在套管上的彎矩非常大處和焊接接頭的非常薄弱處。  1.2硬度、成分、金相檢測與分析 套管、法蘭、焊縫成分分析結(jié)果符合材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)成分要求。套管、法蘭、焊縫及熱影響區(qū)的維氏硬度值均小于200HV30，符合316SS材料標(biāo)準(zhǔn)要求。套管、法蘭、和焊縫金相組織分析結(jié)果為：焊縫為柱狀奧氏體組織，焊縫熔合線輪廓清晰；法蘭均為奧氏體組織，晶粒度3級；套管為奧氏體（部分孿晶）+少量條狀鐵素體+碳化物。金相組織分析結(jié)果未見異常。以上檢查結(jié)果說明套管的制造、安裝均無質(zhì)量問題。 1.3斷口微觀分析 采用掃描電鏡對斷口金相微觀檢查。斷口表面無腐蝕級微裂紋，斷口擴展區(qū)呈現(xiàn)明顯脆性準(zhǔn)解理形貌。斷口邊緣有多處微觀夾雜缺陷，典型的一處夾雜物見圖3，斷口形貌特征表明，裂紋源萌生于套管外側(cè)表面的微觀夾雜物處，但裂紋源并不明顯。這些夾雜物缺陷造成了應(yīng)力集中，有利于裂紋萌生，形成裂紋源。  從圖4可以看出，裂紋擴展區(qū)有眾多排列較有規(guī)律的疲勞條帶，表明該斷口為疲勞斷口。疲勞條帶間距很窄，僅有1~2mm，斷口中裂紋擴展區(qū)范圍較大，瞬斷區(qū)較小，均表明套管承受載荷頻率很高，應(yīng)力處于較低水平，遠(yuǎn)低于疲勞極限。由于裂紋源數(shù)目較多，套管表面又受到多方向彎曲應(yīng)力的作用，使斷口表面又較多的裂紋源，擴展平面相交而形成棱線。 利用能譜儀對套管斷口處成分進(jìn)行分析，未見腐蝕產(chǎn)物。 2分析與結(jié)論 通過現(xiàn)場調(diào)查和檢測發(fā)現(xiàn)，該溫度計保護套管除長度增加了18mm，其他均符合設(shè)計要求和雙金屬溫度計保護套管的安裝要求，檢測結(jié)果也表明，套管的制造、安裝無質(zhì)量問題。但該該保護套管仍然發(fā)生了高周疲勞斷裂，表明該循環(huán)水管道工況安裝這種保護套管并不能滿足使用要求。下面就此問題進(jìn)行分析。  2.1 雙金屬溫度計保護管套管斷裂原因分析 1）流體作用形成共振 共振是造成溫度計套管斷裂的主要原因。由于圓柱形成保護管處于流體中，會在套管下游產(chǎn)生漩渦脫落效應(yīng)；由于漩渦的產(chǎn)生是以一定的頻率交替脫落的，因此在圓柱面上產(chǎn)生交變的橫向力。當(dāng)這個交變橫向力與圓柱的固有頻率相等時，就會引發(fā)套管震動，當(dāng)套管固有頻率和流體漩渦脫落頻率接近或一致時，可產(chǎn)生共振現(xiàn)象。此時，套管圓柱面產(chǎn)生流體方向的反復(fù)彎曲應(yīng)力，套管表面的微觀缺陷可成為疲勞裂紋源，裂紋將垂直于流體方向的套管中部軸線擴展。這種共振可導(dǎo)致熱電偶套管的加速損壞斷裂。 2）工況條件 該循環(huán)水管道有振動并伴有較大的噪聲，而在附近地面的二級支管振動更大，部分雙金屬溫度計表殼已碎裂，同事發(fā)出較大的噪聲。這是由于管道原為空管，運行初期時管道中存有一定量的氣相，與循環(huán)水混合后形成氣液兩相流，引起振動和噪聲，而套管原設(shè)計條件是在單項條件下運行。在管道工藝操作流速下，經(jīng)過支管三通和閥門時的紊流作用，可將管道中氣液流體形成細(xì)泡狀流型，由于管道直徑較大受重力影響，這種水平管道中，含細(xì)泡的兩相流主要位于管道上部，含氣率較低。該溫度計安裝在一級支管總閥后6m處，使溫度計套管受到支管三通和閥門的紊流作用。氣液兩相流和流體的紊流作用均加劇了套管的振動。 3）熱電偶保護套管振動計算 上述斷裂原因分析表明，避免共振可防止套管的疲勞損壞，應(yīng)使溫度計套管的固有頻率?n與流體的漩渦脫落頻率?w滿足一定的關(guān)系，文獻(xiàn)中規(guī)定：?w/?n≤0.8。下面對溫度計套管的固有頻率?n與漩渦脫落頻率?w進(jìn)行計算。 套管固有頻率的計算見公式（1）  式中：?n------套管的固有頻率，Hz； λ------套管插入深度，m； E-------套管材料在使用溫度下的彈性模量，Pa； ρ------套管材料的密度，kg/m3； As------套管根部的橫截面積，m2。 套管的固有頻率與套管材質(zhì)、厚度和插入深度密切相關(guān)。該溫度計套管的固有頻率?n=75.3Hz。 流體漩渦脫落產(chǎn)生的頻率?w的計算見公式。  式中：?w------漩渦振動頻率，Hz; StTP------氣液兩相斯特羅哈數(shù)； ν--------流體流速，m/s； DA-------圓柱體平均直徑，m 流體漩渦脫落產(chǎn)生的頻率?w與圓柱體的直徑DA和流速ν有關(guān)，根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)不同部分取不同的流速，一般一級支管流速可取2.5m/s。該管道循環(huán)水的雷諾數(shù)經(jīng)計算可達(dá)到1.4*106屬于超臨界區(qū)范圍。 這里需要說明的是：如何對氣液兩相斯特羅哈數(shù)StTP進(jìn)行取值。對于單向流體，一般通過流體雷諾數(shù)Re和紊流強度來獲取斯特羅哈數(shù)StTP，一般情況下，該管道的循環(huán)水的斯特羅哈數(shù)StTP可取值0.45。此外，氣液兩相斯特羅哈數(shù)StTP還與流體截面含氣率呈線性關(guān)系，直線的斜率與雷諾數(shù)有關(guān)，一依據(jù)文獻(xiàn)計算，氣液兩相流斯特羅哈數(shù)StTP與單向流體斯特羅哈數(shù)StTP比值可以達(dá)到1.2左右，故該循環(huán)水管道的氣液兩相流體的斯特羅哈數(shù)StTP=0.45*1.2=0.54。 因此該管道中兩相流體狀態(tài)的漩渦脫落頻率為?w為67.5Hz。 故斷裂工況條件下，?w/?n=67.5/75.3=0.9＞0.8。不符合?w/?n＜0.8的標(biāo)準(zhǔn)要求。所以該 套管不能滿足斷裂工況條件，將會造成溫度計套管的疲勞斷裂。按照套管進(jìn)行5天發(fā)生斷裂產(chǎn)生的頻率，斷裂工況條件屬于超高周疲勞工況。 此外，當(dāng)套管中流體狀態(tài)為單相流時，基于當(dāng)前套管的工作條件，漩渦脫落頻率?w降為56.3Hz，與溫度計套管固有頻率比值降為0.75＜0.8，基本能滿足?w/?n≤0.8的標(biāo)準(zhǔn)要求。 4）應(yīng)力分析 套管與法蘭連接角焊縫表面存在一定的焊接殘余拉應(yīng)力，該處角焊縫截面發(fā)生變化存在輕微的應(yīng)力集中現(xiàn)象，以套管側(cè)熔合線處（即斷裂處）非常高。焊接殘余拉應(yīng)力與流體產(chǎn)生的振動應(yīng)力疊加，在套管根部形成流體方向的交變應(yīng)力，作用在微觀缺陷處形成疲勞源導(dǎo)致開裂。 5）材料特性分析 套管為316不銹鋼材料，屬于面心立方不銹鋼材料，位錯激活能較小，材料表面和微觀缺陷處容易在疲勞過程中出現(xiàn)晶?；茙В坠芙呛缚p熔合線區(qū)表面存在著較多的夾雜物，在超高周疲勞條件下，微觀夾雜物處更易萌生出疲勞裂紋。通過分析，溫度計保護套管插入流體中可引發(fā)套管振動。在現(xiàn)有套管規(guī)格條件下，實際套管長度的增加與管道中的兩相流的作用，使得原套管固有頻率與套管漩渦脫落頻率接近，引起套管共振，達(dá)到超高周疲勞條件，交變應(yīng)力作用在套管懸臂梁根部即角焊縫套管側(cè)融合線的薄弱部位上，非常終產(chǎn)生超高周疲勞斷裂。
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