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循环水管道双金属温度计保护套管断裂原因分析

作时间:2017-09-15 15:26:22  来源:  作者:
   

        摘要:某循环水管道双金属温度计保护套管短期使用后即发生了断裂,通过宏观、断口检测及计算等方法进行断裂原因分析,结果表明保护套管断裂主要原因是由于管道中两相流的作用,引起套管共振,产生超高周疲劳断裂,并提出了套管安装使用的建议。 

        某石化装置循环水管道为准备中交而引入循环水进行装置运行调试,装置循环水管道双金属温度计保护管运行5天即发生保护管断裂,影响了装置开工。

        该循环水管道为厂区总管进入装置的一级支管,埋地铺设,运行过程中震动较大,伴有较大的噪声,管道阀门为缓开、缓闭操作方式。该管道温度测点于总阀后6m处,双金属温度计安装在管道上部的套管座上,保护套管与法兰采用角焊缝连接,安装及断裂部位见图1。循环水操作温度为28℃,操作压力为0.4Mpa,水管规格为Ф500*10mm。温度计套管采用316不锈钢材质及焊接,套管实际插入长度为418mm(设计资料要求套管插入长度为400mm),直径为20mm,孔径为11mm,制造质量和无损探伤检测均合格。
双金属温度计安装及断裂部位示意图
1检测与分析
   对温度计保护套管断裂样品进行了宏观检查、成分分析、硬度测定、金相组织、扫描电镜等检测。
1.1宏观检查与分析
    温度计套管断裂与套管与法兰连接角焊缝的套管侧熔合线上,断口宏观形貌见图2。套管外观无明显缺陷,整体无塑性变形,无腐蚀痕迹和裂纹。断口边缘外侧直径方向有多处放射状的棱线,长1~2mm,均指向套管中部的最后瞬断区。断口中裂纹扩展区基本以最后瞬断区为中心,呈现基本对称形态,这部分表面呈细磁状,无金属光泽。瞬断区有明显塑性变形痕迹,呈带状,宽1~2mm,并穿过套管轴心,与循环水流垂直。裂纹扩展区范围较大,瞬断区较小。检测结果表明,热电偶套管断裂不是应力越限造成的,但角焊缝的套管侧熔合线是流体作用在套管上的弯矩最大处和焊接接头的最薄弱处。
套管的断口宏观形貌
1.2硬度、成分、金相检测与分析
    套管、法兰、焊缝成分分析结果符合材料相关标准成分要求。套管、法兰、焊缝及热影响区的维氏硬度值均小于200HV30,符合316SS材料标准要求。套管、法兰、和焊缝金相组织分析结果为:焊缝为柱状奥氏体组织,焊缝熔合线轮廓清晰;法兰均为奥氏体组织,晶粒度3级;套管为奥氏体(部分孪晶)+少量条状铁素体+碳化物。金相组织分析结果未见异常。以上检查结果说明套管的制造、安装均无质量问题。
1.3断口微观分析
    采用扫描电镜对断口金相微观检查。断口表面无腐蚀级微裂纹,断口扩展区呈现明显脆性准解理形貌。断口边缘有多处微观夹杂缺陷,典型的一处夹杂物见图3,断口形貌特征表明,裂纹源萌生于套管外侧表面的微观夹杂物处,但裂纹源并不明显。这些夹杂物缺陷造成了应力集中,有利于裂纹萌生,形成裂纹源。
断口边缘的杂物和校线
    从图4可以看出,裂纹扩展区有众多排列较有规律的疲劳条带,表明该断口为疲劳断口。疲劳条带间距很窄,仅有1~2mm,断口中裂纹扩展区范围较大,瞬断区较小,均表明套管承受载荷频率很高,应力处于较低水平,远低于疲劳极限。由于裂纹源数目较多,套管表面又受到多方向弯曲应力的作用,使断口表面又较多的裂纹源,扩展平面相交而形成棱线。
    利用能谱仪对套管断口处成分进行分析,未见腐蚀产物。
 
2分析与结论
    通过现场调查和检测发现,该温度计保护套管除长度增加了18mm,其他均符合设计要求和双金属温度计保护套管的安装要求,检测结果也表明,套管的制造、安装无质量问题。但该该保护套管仍然发生了高周疲劳断裂,表明该循环水管道工况安装这种保护套管并不能满足使用要求。下面就此问题进行分析。
裂纹扩散区疲劳条带
2.1 热电偶保护管套管断裂原因分析
1)流体作用形成共振
   共振是造成温度计套管断裂的主要原因。由于圆柱形成保护管处于流体中,会在套管下游产生漩涡脱落效应;由于漩涡的产生是以一定的频率交替脱落的,因此在圆柱面上产生交变的横向力。当这个交变横向力与圆柱的固有频率相等时,就会引发套管震动,当套管固有频率和流体漩涡脱落频率接近或一致时,可产生共振现象。此时,套管圆柱面产生流体方向的反复弯曲应力,套管表面的微观缺陷可成为疲劳裂纹源,裂纹将垂直于流体方向的套管中部轴线扩展。这种共振可导致热电偶套管的加速损坏断裂。
2)工况条件
    该循环水管道有振动并伴有较大的噪声,而在附近地面的二级支管振动更大,部分双金属温度计表壳已碎裂,同事发出较大的噪声。这是由于管道原为空管,运行初期时管道中存有一定量的气相,与循环水混合后形成气液两相流,引起振动和噪声,而套管原设计条件是在单项条件下运行。在管道工艺操作流速下,经过支管三通和阀门时的紊流作用,可将管道中气液流体形成细泡状流型,由于管道直径较大受重力影响,这种水平管道中,含细泡的两相流主要位于管道上部,含气率较低。该温度计安装在一级支管总阀后6m处,使温度计套管受到支管三通和阀门的紊流作用。气液两相流和流体的紊流作用均加剧了套管的振动。
3)热电偶保护套管振动计算
   上述断裂原因分析表明,避免共振可防止套管的疲劳损坏,应使温度计套管的固有频率ƒn与流体的漩涡脱落频率ƒw满足一定的关系,文献中规定:ƒw/ƒn≤0.8。下面对温度计套管的固有频率ƒn与漩涡脱落频率ƒw进行计算。
  套管固有频率的计算见公式(1)
20170912113535.jpg
式中:ƒn------套管的固有频率,Hz;
      λ------套管插入深度,m;
      E-------套管材料在使用温度下的弹性模量,Pa;
      ρ------套管材料的密度,kg/m³;
      As------套管根部的横截面积,m²。
套管的固有频率与套管材质、厚度和插入深度密切相关。该温度计套管的固有频率ƒn=75.3Hz。
流体漩涡脱落产生的频率ƒw的计算见公式。
20170912113552.jpg
式中:ƒw------漩涡振动频率,Hz;
      StTP------气液两相斯特罗哈数;
      ν--------流体流速,m/s;
      DA-------圆柱体平均直径,m
    流体漩涡脱落产生的频率ƒw与圆柱体的直径DA和流速ν有关,根据循环水系统不同部分取不同的流速,一般一级支管流速可取2.5m/s。该管道循环水的雷诺数经计算可达到1.4*106属于超临界区范围。
    这里需要说明的是:如何对气液两相斯特罗哈数StTP进行取值。对于单向流体,一般通过流体雷诺数Re和紊流强度来获取斯特罗哈数StTP,一般情况下,该管道的循环水的斯特罗哈数StTP可取值0.45。此外,气液两相斯特罗哈数StTP还与流体截面含气率呈线性关系,直线的斜率与雷诺数有关,一依据文献计算,气液两相流斯特罗哈数StTP与单向流体斯特罗哈数StTP比值可以达到1.2左右,故该循环水管道的气液两相流体的斯特罗哈数StTP=0.45*1.2=0.54。
    因此该管道中两相流体状态的漩涡脱落频率为ƒw为67.5Hz。
        故断裂工况条件下,ƒw/ƒn=67.5/75.3=0.9>0.8。不符合ƒw/ƒn<0.8的标准要求。所以该 套管不能满足断裂工况条件,将会造成温度计套管的疲劳断裂。按照套管进行5天发生断裂产生的频率,断裂工况条件属于超高周疲劳工况。
        此外,当套管中流体状态为单相流时,基于当前套管的工作条件,漩涡脱落频率ƒw降为56.3Hz,与温度计套管固有频率比值降为0.75<0.8,基本能满足ƒw/ƒn≤0.8的标准要求。
4)应力分析
        套管与法兰连接角焊缝表面存在一定的焊接残余拉应力,该处角焊缝截面发生变化存在轻微的应力集中现象,以套管侧熔合线处(即断裂处)最高。焊接残余拉应力与流体产生的振动应力叠加,在套管根部形成流体方向的交变应力,作用在微观缺陷处形成疲劳源导致开裂。
5)材料特性分析
        套管为316不锈钢材料,属于面心立方不锈钢材料,位错激活能较小,材料表面和微观缺陷处容易在疲劳过程中出现晶粒滑移带,而套管角焊缝熔合线区表面存在着较多的夹杂物,在超高周疲劳条件下,微观夹杂物处更易萌生出疲劳裂纹。通过分析,温度计保护套管插入流体中可引发套管振动。在现有套管规格条件下,实际套管长度的增加与管道中的两相流的作用,使得原套管固有频率与套管漩涡脱落频率接近,引起套管共振,达到超高周疲劳条件,交变应力作用在套管悬臂梁根部即角焊缝套管侧融合线的薄弱部位上,最终产生超高周疲劳断裂。

 

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