摘要：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)水管道為準備中交而引入循環(huán)水進行裝置運行調(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)總管進入裝置的一級支管，埋地鋪設，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，均指向套管中部的最后瞬斷區(qū)。斷口中裂紋擴展區(qū)基本以最后瞬斷區(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最大處和焊接接頭的最薄弱處。
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)標準成分要求。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材料標準要求。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，應力處于較低水平，遠低于疲勞極限。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。下面就此問題進行分析。
2.1 熱電偶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；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)生流體方向的反復彎曲應力，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，應使溫度計套管的固有頻率ƒn與流體的漩渦脫落頻率ƒw滿足一定的關(guān)系，文獻中規(guī)定：ƒw/ƒn≤0.8。下面對溫度計套管的固有頻率ƒn與漩渦脫落頻率ƒw進行計算。
套管固有頻率的計算見公式（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的計算見公式。
式中：ƒw------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的標準要求。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，當套管中流體狀態(tài)為單相流時，基于當前套管的工作條件，漩渦脫落頻率ƒw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ƒw/ƒn≤0.8的標準要求。
4）應力分析
套管與法蘭連接角焊縫表面存在一定的焊接殘余拉應力，該處角焊縫截面發(fā)生變化存在輕微的應力集中現(xiàn)象，以套管側(cè)熔合線處（即斷裂處）最高。焊接殘余拉應力與流體產(chǎn)生的振動應力疊加，在套管根部形成流體方向的交變應力，作用在微觀缺陷處形成疲勞源導致開裂。
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，達到超高周疲勞條件，交變應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，最終產(chǎn)生超高周疲勞斷裂。
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