淺析天然氣匯管開裂原因與預防

白金亮

中國石油長慶油田分公司 技術監測中心 （陜西 西安 710021）

淺析天然氣匯管開裂原因與預防

白金亮

中國石油長慶油田分公司 技術監測中心 （陜西 西安 710021）

通過對天然氣匯管截面應力場的探討，分析了匯管表面裂紋產生的原因并提出了相應預防措施。得出長慶油田第一采氣廠出現表面裂紋的7臺管匯是由于焊接和熱處理工藝不當使殘余應力過大所致。

匯管 表面裂紋 原因分析 預防措施

氣田天然氣管匯主要是把單井來的天然氣匯集到一起，再輸送到天然氣脫水撬。

近幾年，特種設備檢驗站在對長慶油田第一采氣廠壓力容器定期檢驗時，發現有7臺管匯上部和底部存在表面裂紋缺陷，裂紋深度在1～5mm之間。如果不及時消除，這些表面裂紋將會隨時間的推移不斷擴展，最終導致重大事故和不可估量損失。那么這些表面裂紋是怎樣形成的呢？

1 應力分布特征和裂紋原因分析

氣田匯氣管，直徑大都小于300mm，壁厚多為18～22mm，是由無縫鋼管與支管焊接而成，封頭多采用標準橢圓封頭，支管與匯管焊接是采用插入式角接頭，外加補強圈補強。主管和支管是采用主管開V型坡口的角接頭，補強圈和主管連接是角焊縫，補強圈和支管之間是補強圈開V形坡口的角接頭，這種結構使得主管外表面焊接熱輸入量遠遠大于內表面，在焊接過程中，隨著熱輸入量的不斷增加，主管表面自由變形量和內部變形量也逐漸升高，當溫度升高到金屬中所引起的內應力σ大于金屬的屈服極限σs時，則在主管外表面金屬中產生壓縮塑性變形，內表面產生拉伸變形，又因焊接順序一般為對稱同時施焊（為了減少匯管焊接變形），這樣在主管的外表面造成壓縮塑性變形的疊加，產生較高壓縮塑性變形（壓應力），而在內表面則產生拉應力，主管截面應力分布見圖1，當匯管焊完冷卻后，由于產生壓縮塑性變形的區域不能自由收縮，要受到兩側金屬的牽制，這樣冷卻后該區被拉伸，產生拉應力，由于兩側施焊造成拉應力的疊加以及外表面熱輸入量遠遠大于內表面，因此使得主管表面存在較高拉應力，匯管上半部外表面應力分布見圖2。匯管在投入使用后，由于工作壓力以及壓力波動的影響容易在匯管兩側產生縱向表面裂紋。

2 匯管的檢驗方法

由于匯管容積較小，沒有設置人孔、手孔和檢查孔，不能宏觀檢查其內表面，因此，在對氣田匯管進行定期檢驗時應根據匯管的制造和結構特點并結合使用狀況采取如下方法。

（1）外表面的宏觀檢查，檢查匯管外觀是否有變形，機械損傷，外表面腐蝕，接管焊縫以及受壓元件有無泄漏等缺陷。

（2）壁厚測定，利用超聲波測厚儀對匯管的底部、中部、頂部和封頭頂部、底部以及變形部位進行壁厚測定，如果有壁厚減薄，腐蝕和夾層等缺陷，應及時作相應處理。

（3）磁粉探傷，探傷前，應清理匯管角焊縫、封頭對接焊縫以及匯管上下兩側的表面的油漆，使之露出金屬光澤，采取正確的磁粉探傷工藝，檢查表面是否有裂紋，如有裂紋，采用超聲端點衍射法、6dB法以及TOFD檢測技術確定裂紋的深度，并及時作相應處理。

（4）超聲波探傷，對于匯管與封頭對接環焊縫，可采用超聲波探傷以檢查焊縫內部的埋藏缺陷和內表面裂紋。

（5）耐壓試驗，由于匯管結構等原因不能夠進行內部檢驗，檢驗完畢后應做耐壓試驗，以檢查匯管的整體強度。

3 預防措施

由于天然氣匯管體積小，焊縫集中，焊接接頭多為開V型坡口的角接頭，焊縫區、匯管的內外表面應力分布較為復雜，因此必須采取切實可行的措施來防止裂紋的產生。

（1）合理選擇本體材料，由于匯氣管承裝介質為含硫天然氣，因此制造選材時應選抗裂能力強、焊接性能好的20R、16MnR等鋼材。

（2）合理選擇焊接線能量，電流不宜過大，采用多道快速焊，減少過大的焊接熱輸入量。

（3）合理選擇焊接順序，避免強力組對，降低拘束度，以減少表面應力和應力集中。

（4）為了松弛焊接殘余應力，穩定結構的形狀和尺寸以及改善母材、焊接區的性能，焊接后的匯管應進行焊后整體爐內消應熱處理，即高溫回火，通過高溫回火熱處理，可以消除80%～90%的焊接應力。①按照標準規范制定科學的焊后熱處理工藝；②嚴格按工藝參數進行熱處理，避免分段熱處理，控制升溫、保溫、降溫的速度和時間，盡可能降低匯管的殘余應力。

（5）采用噴丸等工藝，使匯管表面形成壓應力層，以減小拉應力，避免產生表面裂紋。

（6）加強容器的使用管理，盡可能避免交變載荷的產生，以防應力疲勞，避免裂紋加速形成和擴展。

（7）加強匯管定期檢驗工作，確定合理的檢驗周期，如果發現裂紋，應徹底予以消除。

4 結束語

所產生裂紋的7臺匯管都是由同一制造廠同一時期制造，其焊接工藝和熱處理工藝基本相同，因此可以看出，該批匯管所產生的表面裂紋可能是由于焊接和熱處理工藝不當使殘余應力過大所致，因此匯管制造時必須制定符合規范的焊接、熱處理工藝并嚴格執行，另外還必須做好年度檢查和定期檢驗工作，做到缺陷早發現，早處理，避免因裂紋擴展而發生天然氣泄漏而導致的火災爆炸事故。

Based on the discussion on the stress field of natural gas manifold section,an analysis is carried out about the causes of cracks appearance on the surface of manifold,together with some presentation of some corresponding preventive measures.It is concluded that 7 manifolds with surfacial cracks appearing in No.1 oil gas factory of changqing oilfields are due to the mcorrect technology of welding and heat treatment,whith makes the left stress too big.

manifold/pipeline;surface crack;cause analysis;preventive measures

白金亮（1969-），男，現主要從事特種設備定期檢驗。

尉立崗

2011-10-08