摘要:某循環(huán)水管道雙金屬溫度計(jì)保護(hù)套管短期使用后即發(fā)生了斷裂,通過宏觀、斷口檢測(cè)及計(jì)算等方法進(jìn)行斷裂原因分析,結(jié)果表明保護(hù)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)生很高周疲勞斷裂,并提出了套管安裝使用的建議。 4jG壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
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(yùn)行調(diào)試,裝置循環(huán)水管道雙金屬溫度計(jì)保護(hù)管運(yùn)行5天即發(fā)生保護(hù)管斷裂,影響了裝置開工。4jG壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
該循環(huán)水管道為廠區(qū)總管進(jìn)入裝置的一級(jí)支管,埋地鋪設(shè),運(yùn)行過程中震動(dòng)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(cè)點(diǎn)于總閥后6m處,
雙金屬溫度計(jì)安裝在管道上部的套管座上,保護(hù)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(jì)套管采用316不銹鋼材質(zhì)及焊接,套管實(shí)際插入長(zhǎng)度為418mm(設(shè)計(jì)資料要求套管插入長(zhǎng)度為400mm),直徑為20mm,孔徑為11mm,制造質(zhì)量和無損探傷檢測(cè)均合格。
1檢測(cè)與分析
對(duì)溫度計(jì)保護(hù)套管斷裂樣品進(jìn)行了宏觀檢查、成分分析、硬度測(cè)定、金相組織、掃描電鏡等檢測(cè)。
1.1宏觀檢查與分析
溫度計(jì)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(zhǎng)1~2mm,均指向套管中部的#后瞬斷區(qū)。斷口中裂紋擴(kuò)展區(qū)基本以#后瞬斷區(qū)為中心,呈現(xiàn)基本對(duì)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(kuò)展區(qū)范圍較大,瞬斷區(qū)較小。檢測(cè)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#大處和焊接接頭的#薄弱處。
1.2硬度、成分、金相檢測(cè)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?yuàn)W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(jí);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(duì)斷口金相微觀檢查。斷口表面無腐蝕級(jí)微裂紋,斷口擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(kuò)展平面相交而形成棱線。
利用能譜儀對(duì)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(chǎng)調(diào)查和檢測(cè)發(fā)現(xiàn),該溫度計(jì)保護(hù)套管除長(zhǎng)度增加了18mm,其他均符合設(shè)計(jì)要求和雙金屬溫度計(jì)保護(hù)套管的安裝要求,檢測(cè)結(jié)果也表明,套管的制造、安裝無質(zhì)量問題。但該該保護(hù)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(hù)套管并不能滿足使用要求。下面就此問題進(jìn)行分析。
2.1 熱電偶保護(hù)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(jì)套管斷裂的主要原因。由于圓柱形成保護(hù)管處于流體中,會(huì)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(gè)交變橫向力與圓柱的固有頻率相等時(shí),就會(huì)引發(fā)套管震動(dòng),當(dāng)套管固有頻率和流體漩渦脫落頻率接近或一致時(shí),可產(chǎn)生共振現(xiàn)象。此時(shí),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(kuò)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(dòng)并伴有較大的噪聲,而在附近地面的二級(jí)支管振動(dòng)更大,部分雙金屬溫度計(jì)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(yùn)行初期時(shí)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(dòng)和噪聲,而套管原設(shè)計(jì)條件是在單項(xiàng)條件下運(yùn)行。在管道工藝操作流速下,經(jīng)過支管三通和閥門時(shí)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(jì)安裝在一級(jí)支管總閥后6m處,使溫度計(jì)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(dòng)。
3)熱電偶保護(hù)套管振動(dòng)計(jì)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(jì)套管的固有頻率ƒn與流體的漩渦脫落頻率ƒw滿足一定的關(guān)系,文獻(xiàn)中規(guī)定:ƒw/ƒn≤0.8。下面對(duì)溫度計(jì)套管的固有頻率ƒn與漩渦脫落頻率ƒw進(jìn)行計(jì)算。
套管固有頻率的計(jì)算見公式(1)
式中:ƒn------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(jì)套管的固有頻率ƒn=75.3Hz。
流體漩渦脫落產(chǎn)生的頻率ƒw的計(jì)算見公式。
式中:ƒw------漩渦振動(dòng)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ƒw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(jí)支管流速可取2.5m/s。該管道循環(huán)水的雷諾數(shù)經(jīng)計(jì)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(duì)氣液兩相斯特羅哈數(shù)StTP進(jìn)行取值。對(duì)于單向流體,一般通過流體雷諾數(shù)Re和紊流強(qiáng)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(jì)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ƒw為67.5Hz。
故斷裂工況條件下,ƒw/ƒn=67.5/75.3=0.9>0.8。不符合ƒw/ƒn<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(huì)造成溫度計(jì)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,斷裂工況條件屬于很高周疲勞工況。
此外,當(dāng)套管中流體狀態(tài)為單相流時(shí),基于當(dāng)前套管的工作條件,漩渦脫落頻率ƒw降為56.3Hz,與溫度計(jì)套管固有頻率比值降為0.75<0.8,基本能滿足ƒw/ƒn≤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)#高。焊接殘余拉應(yīng)力與流體產(chǎn)生的振動(dòng)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(cuò)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)晶粒滑移帶,而套管角焊縫熔合線區(qū)表面存在著較多的夾雜物,在很高周疲勞條件下,微觀夾雜物處更易萌生出疲勞裂紋。通過分析,溫度計(jì)保護(hù)套管插入流體中可引發(fā)套管振動(dòng)。在現(xiàn)有套管規(guī)格條件下,實(shí)際套管長(zhǎng)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)到很高周疲勞條件,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,#終產(chǎn)生很高周疲勞斷裂。
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