循环水管道双金属温度计保护套管断裂原因分析.pdf

综述
石油化工设备技术,2013,34(5)?64?
Petro-chemical Equipment Technology
循环水管道双金属温度计
保护套管断裂原因分析
李建宏,雷儉良,周あ
(中国石油独山子石化公司,新疆克拉玛依833600)
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
关键词:温度计保护套管两相流共振超高周疲劳
某石化装置循环水管道为准备中交而引入循1.1宏观检查与分析
环水进行装置运行调试,装置循环水管道双金属
温度计套管断裂于套管与法兰连接角焊缝的
温度计保护套管运行5天即发生保护套管断裂,套管侧熔合线上,断口宏观形貌见图2。套管外
影响了装置开工。
观无明显缺陷,整体无塑性变形,无腐蚀痕迹和裂
该循环水管道为厂区总管进入装置的一级支纹。断口边缘外侧直径方向有多处放射状的棱
管,埋地铺设,运行过程中振动较大,伴有较大的线,长1~2mm,均指向套管中部的最后瞬断区。
噪声,管道门为缓开、缓闭操作方式。该管道温断口中裂纹扩展区基本以最后瞬断区为中心,呈
度测点位于总阀后6m处,双金属温度计安装在现基本对称形态,这部分表面呈细瓷状,无金属光
管道上部的套管座上,保护套管与法兰采用角焊泽。瞬断区有明显塑性变形痕迹,呈带状,宽1~
缝连接,安装及断裂部位见图1。循环水操作温2mm,并穿过套管轴心,与循环水流向垂直。裂
度为28C,操作压力为0.4MPa,水管规格为纹扩展区范围较大,瞬断区较小。检査结果表明,
500mm×10mm。温度计套管采用316不锈钢热电偶套管断裂不是应力越限造成的,但角焊缝
材质及焊接,套管实际插人长度为418mm(设计资的套管侧熔合线是流体作用在套管上的弯矩最大
料要求套管插入长度为400mm),直径为20mm,处和焊接接头的最薄弱处。
孔径为11mm,制造质量和无损探伤检测均合格。
指向套管中部的棱
套管与法
兰角焊缝
裂纹扩展区
角焊缝套管
侧熔合线
套管座
断裂部位
管道
最后带状区
套管
保护套管
图2套管的断口宏观形貌
图1双金属温度计安装及断裂部位示意
检测与分析
收稿日期:2012-09-18。
对温度计保护套管断裂样品进行了宏观检
作者简介;李建宏,男,192年毕业于西安石油学院焊接专
业,长期从事特种设备的检验分析工作,已发表论文8篇,高
查、成分分析、硬度测定、金相组织、扫描电镜等
级工程师
检测。
Email:jacki(@sohu.com
第34卷第5期
李建宏等.循环水管道双金属温度计保护套管断裂原因分析
1.2硬度、成分、金相检测与分析
道工况安装这种保护套管并不能满足使用要求。
套管、法兰、焊缝成分分析结果符合材料相关下面就此问题进行分析。
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
为均匀奥氏体组织,晶粒度3级;套管为奥氏体
(部分孪晶)+少量条状铁素体十碳化物。金相组
织分析结果未见异常。以上检测结果说明套管的
制造、安装均无质量问题
1.3断口微观分析
图4裂纹扩散区疲劳条带
采用扫描电镜对断口进行微观检査。断口表2.1热电偶保护套管断裂原因分析
面无腐蚀及微裂纹,断口扩展区呈现明显的脆性
1)流体作用形成共振
准解理形貌。断口边缘有多处微观夹杂物缺陷,
共振是造成温度计套管断裂的主要原因。由
典型的一处夹杂物见图3,断口形貌特征表明,裂于圆柱形保护套管处于流体中,会在套管下游产
纹源萌生于套管外侧表面的微观夹杂物处,但裂生漩涡脱落效应;由于旋涡的产生是以一定的频
纹源并不明显。这些夹杂物缺陷造成了应力集率交替脱落的,因此在圆柱面上产生交变的横向
中,有利于裂纹萌生,形成裂纹源。
力。当这个交变横向力与圆柱的固有频率相等
时,就会引发套管振动,当套管固有频率和流体
旋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
向垂直于流体方向的套管中部轴线扩展。这种共
棱线
振可导致热电偶套管的加速损坏断裂。
如2
2)工况条件
该循环水管道有振动并伴有较大的噪声,而
图3断口边缘夹杂物和棱线
在附近地面的二级支管振动更大,部分双金属温
从图4可以看出,裂纹扩展区有众多排列较度计表壳已碎裂,同时发出较大的噪声。这是由
有规律的疲劳条带,表明该断口为疲劳断口。疲于管道原为空管,运行初期时管道中存有一定量
劳条带间距很窄,仅有1~2gm,断口中裂纹扩展的气相,与循环水混合后形成气液两相流,引起振
区范围较大,瞬断区较小,均表明套管承受载荷频动和噪声,而套管原设计条件是在单项条件下运
率很高,应力处于较低水平,远低于疲劳极限1。行。在管道工艺操作流速下,经过支管三通和阀
由于裂纹源数目较多,套管表面又受到多方向弯门时的紊流作用,可将管道中气液流体形成细泡
曲应力的作用,使断口表面有较多的裂纹源,扩展状流型,由于管道直径较大受重力影响,这种水平
平面相交而形成的棱线1。
管道中,含细泡的两相流主要位于管道上部,含气
利用能谱仪对套管断口处成分进行分析,未率较低。该温度计安装在一级支管总阀后6m
见腐蚀产物。
处,使温度计套管受到支管三通和阀门的紊流作
2分析讨论与结论
用。气液两相流和流体的紊流作用均加剧了套管
通过现场调查和检测发现,该温度计保护套的振动。
管除长度增加了18mm,其他均符合设计要求和
3)热电偶保护套管振动计算
双金属温度计保护套管的安装要求,检测结果
上述断裂原因分析表明,避免共振可防止套
也表明,套管的制造、安装无质量问题。但该保护管的疲劳损坏,应使温度计套管的固有频率f。与
套管仍然发生了高周疲劳断裂,表明该循环水管流体的旋涡脱落频率∫。满足一定的关系,文献