芳烴裝置熱電偶保護(hù)套管斷裂分析及應(yīng)對(duì)措施

胡智翔

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

0 引言

某公司芳烴裝置測(cè)溫?zé)犭娕妓桨惭b在管道上，保護(hù)套管插入管道中的深度為450mm，管道內(nèi)的介質(zhì)自下而上地流動(dòng)。管道內(nèi)流體介質(zhì)：C8芳烴；操作溫度：175℃～200℃；操作壓力：1.9 MPa～2.12MPa；介質(zhì)pH值7.0。正常情況下只有保護(hù)套管外壁與管道內(nèi)介質(zhì)接觸，熱電偶不與管道內(nèi)介質(zhì)接觸（保護(hù)套管損壞時(shí)除外）。發(fā)生失效后，將熱電偶從裝置上拆卸下來，發(fā)現(xiàn)熱電偶保護(hù)套管在其根部與法蘭連接處斷裂，如圖1所示。斷裂的保護(hù)套管已經(jīng)丟失（估計(jì)掉入管道中），僅殘存與法蘭連接處的保護(hù)套管根部斷口。

保護(hù)套管的形式為整體棒料鉆孔錐形保護(hù)管，材質(zhì)為0Cr18Ni10Ti不銹鋼，外徑根部尺寸ф22mm，端部尺寸ф18mm。連接的法蘭規(guī)格PN5.0 DN40 RF HG20617-97，法蘭材質(zhì)也為0Cr18Ni10Ti不銹鋼。

圖1 保護(hù)套管斷裂位置示意圖Fig.1 Diagram of the position of the protective casing break

1 檢驗(yàn)分析

1.1 保護(hù)套管斷口的宏觀、低倍分析

熱電偶保護(hù)套管的斷口在保護(hù)套管根部與法蘭連接處斷口較為平坦，沒有明顯的塑性變形；裂紋起源于保護(hù)套管根部與法蘭連接處相互對(duì)應(yīng)的兩側(cè)，一側(cè)的裂紋擴(kuò)展較快，裂紋擴(kuò)展區(qū)的面積較大，為主裂紋，另一側(cè)的裂紋擴(kuò)展較慢，裂紋擴(kuò)展區(qū)的面積較小，為次裂紋；斷口上有裂紋擴(kuò)展后留下的“海灘狀”疲勞弧線；當(dāng)主、次裂紋擴(kuò)展相遇時(shí)形成的最后瞬斷區(qū)為一個(gè)直線條狀區(qū)域，如圖2所示。

圖2 保護(hù)套管斷口的宏觀形貌（套管根部-法蘭處）Fig.2 Macro profile of the protective sleeve opening (sleeve root - flange)

如圖3所示，使用體式顯微鏡觀察熱電偶保護(hù)套管斷口的裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。保護(hù)套管斷口的裂紋源區(qū)分別在其相向?qū)ΨQ的兩側(cè)邊緣，裂紋擴(kuò)展區(qū)較為平整、光滑，可見“海灘狀”的疲勞弧線，最后瞬斷區(qū)為一條直線條狀區(qū)，是兩側(cè)疲勞裂紋擴(kuò)展的最后相遇處，斷口表面沒有塑性變形的痕跡，考慮熱電偶長(zhǎng)周期運(yùn)行期間因管道內(nèi)物料流動(dòng)產(chǎn)生漩渦脫落所造成的交變應(yīng)力，根據(jù)瞬斷區(qū)占斷面的比例不到1／10，可以判斷該套管斷口屬于低應(yīng)力高周疲勞斷口[1]。由此初步判斷，熱電偶保護(hù)套管的斷裂性質(zhì)為雙向彎曲疲勞斷裂。

圖3 保護(hù)套管斷口的低倍形貌（裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)）Fig.3 Low-multiplier appearance of the protective sleeve opening (crack source, crack expansion area and transient zone)

1.2 保護(hù)套管的金相分析

將保護(hù)套管根部與法蘭連接處的斷口切開，取右側(cè)的縱向截面作為金相觀察面。樣品經(jīng)預(yù)磨、拋光、侵蝕后，在顯微鏡下觀察分析。保護(hù)套管與法蘭焊接為一體后，經(jīng)機(jī)加工構(gòu)成了法蘭密封面，如圖4所示。

圖4 保護(hù)套管斷口及金相磨面的低倍形貌Fig.4 Low-fold appearance of protective sleeve break and gold-phase grinding surface

選擇不同的部位對(duì)套管根部斷口處及套管與法蘭焊接部位進(jìn)行金相分析，如圖5所示。熱電偶保護(hù)套管的金相組織為單相固溶態(tài)奧氏體。圖5中的1、6處是套管與法蘭的焊接部位，焊縫與套筒及法蘭熔合良好，未見明顯焊接缺陷；但在焊縫的底部產(chǎn)生了一條裂紋，與法蘭密封面呈45°角，向焊縫中擴(kuò)展，但尚未貫穿法蘭密封面；該裂紋走向平直，裂紋尖端較為圓鈍，沒有分叉，具有疲勞裂紋擴(kuò)展的形態(tài)，裂紋是同一條裂紋，即一條環(huán)形裂紋，如圖6（a）和圖6（f）所示。

圖5 保護(hù)套管斷口及金相磨面Fig.5 Protective sleeve cut and gold-phase grinding surface

圖6中的2處是套管斷口的裂紋源1，裂紋起源于套管外壁表面，基本垂直于套管向內(nèi)擴(kuò)展，見圖6（b）。圖5中的3處是套管斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)，靠近套管中心的熱電偶孔，見圖6（c）。圖5中的4處也是套管斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)，靠近套管中心的熱電偶孔；但其斷口形態(tài)與3處差異很大，其原因是受到了主裂紋擴(kuò)展方向的影響。3處是主裂紋擴(kuò)展終止在套管熱電偶孔，而4處是主裂紋擴(kuò)展又重新起始在熱電偶孔，套管熱電偶孔邊緣的塑性變形是外力拉伸作用的結(jié)果，如圖6（d）所示。圖5中的5處是套管斷口的裂紋源2和最后瞬斷區(qū)。

圖6 套管斷口各處的金相組織Fig.6 Gold-phase organization spline around the tube break

1.3 保護(hù)套管斷口電鏡分析

使用掃描電鏡，對(duì)熱電偶保護(hù)套管斷口進(jìn)行微觀分析。在保護(hù)套管斷口裂紋源1及裂紋擴(kuò)展區(qū)上，可見疲勞裂紋擴(kuò)展后留下的“輝紋線”；能譜分析表明，保護(hù)套管斷口上沒有腐蝕性元素存在。因此，認(rèn)為保護(hù)套管斷口為單純的機(jī)械疲勞斷裂，如圖7所示。

圖7 保護(hù)套管斷口裂紋源1及裂紋擴(kuò)展區(qū)的SEM+EDS Fig.7 SEM+EDS of the protective sleeve break 1 and the crack expansion area

在保護(hù)套管斷口裂紋源2、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)上，可見平坦的裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)。瞬斷區(qū)為一個(gè)直線條狀區(qū)，是裂紋源1和裂紋源2擴(kuò)展最后的相遇處，可見保護(hù)套管最后斷裂時(shí)產(chǎn)生的斷裂韌窩，如圖8所示。保護(hù)套管的疲勞斷裂由套管外壁相對(duì)的兩側(cè)同時(shí)向內(nèi)擴(kuò)展，一側(cè)擴(kuò)展較快而另一側(cè)較慢，說明套管受到的雙向彎曲疲勞應(yīng)力是不對(duì)稱的，即一側(cè)較大，另一側(cè)較小。

1.4 分析與討論

通過對(duì)熱電偶保護(hù)套管斷口的多項(xiàng)理化分析，確認(rèn)保護(hù)套管的斷裂性質(zhì)是疲勞斷裂。保護(hù)套管水平安插在裝置管道中，呈懸臂梁狀態(tài)，其套管根部與法蘭連接處是最大的彎曲應(yīng)力處，如圖9所示。如圖10所示，當(dāng)管道內(nèi)的介質(zhì)流動(dòng)通過保護(hù)套管時(shí)， 則會(huì)在保護(hù)套管的背面產(chǎn)生漩渦，任何非流線型物體尾部存在足夠的拖跡邊緣都會(huì)產(chǎn)生漩渦脫落，這就是卡門渦列。當(dāng)旋渦從物體兩側(cè)周期性交替脫離時(shí)，便會(huì)在物體上產(chǎn)生周期的升力和阻力，從而導(dǎo)致了流體壓力的大小與方向的變化，最后引起物體振動(dòng)[2]。振動(dòng)的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致流體介質(zhì)作用在套管上的應(yīng)力超過套管上局部應(yīng)力集中處的承受極限而產(chǎn)生疲勞裂紋，疲勞裂紋一旦產(chǎn)生，則在此交變應(yīng)力的周期作用下，不斷地?cái)U(kuò)展直至造成保護(hù)套管的折斷。

圖8 保護(hù)套管斷口裂紋源2及裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)的SEM Fig. 8 SEM of the crack source of the protective sleeve break 2 and the crack expansion area and the transient zone

圖10 卡門渦列Fig.10 Carmen vortex

本案例中，保護(hù)套管根部及套管與法蘭焊縫底部均是應(yīng)力集中區(qū)域。因此，在交變應(yīng)力的作用下，上述地方均產(chǎn)生了疲勞裂紋。由于在保護(hù)套管根部產(chǎn)生的疲勞裂紋擴(kuò)展較快，使得保護(hù)套管先發(fā)生了斷裂。保護(hù)套管受到的交變應(yīng)力是雙向彎曲應(yīng)力，但不是完全對(duì)稱的，受力較大的一側(cè)（套管迎向流體介質(zhì)側(cè)），裂紋擴(kuò)展較快；而受力較小的一側(cè)（套管背向流體介質(zhì)側(cè)），裂紋擴(kuò)展較慢。這樣一來，套管的最后瞬斷區(qū)就沒有在套管的中心部位，而是偏向于套管受力較小的一側(cè)。

2 結(jié)論

1）熱電偶保護(hù)套管材質(zhì)為奧氏體不銹鋼，其金相組織為固溶態(tài)奧氏體。

2）熱電偶保護(hù)套管的斷裂性質(zhì)為雙向彎曲疲勞斷裂。

3）管道中介質(zhì)對(duì)熱電偶保護(hù)套管的流體沖擊、湍流而產(chǎn)生的振動(dòng)，交變應(yīng)力導(dǎo)致熱電偶保護(hù)套管根部即應(yīng)力集中處，首先產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著疲勞裂紋不斷地?cái)U(kuò)展，最終造成了熱電偶保護(hù)套管的疲勞斷裂。

圖9 保護(hù)套管安裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Diagram of the protective casing installation structure

3 應(yīng)對(duì)措施[2]

為防止熱電偶保護(hù)套管斷裂事故的經(jīng)常發(fā)生，提出以下幾種措施。

圖11 保護(hù)套管保護(hù)圖Fig.11 Protective casing protection diagram

1）如圖11所示，提高套管阻尼可以降低振動(dòng)幅值?？稍诒Ｗo(hù)套管的插入端增加一個(gè)保護(hù)圈，其外徑和套管安裝件的外徑相同，起到支撐作用。這樣縮短了懸臂的長(zhǎng)度，大大減小了套管尖端的振幅。

2）通過增大套管外徑，減小套管內(nèi)徑來提高截面慣性矩，以此增加結(jié)構(gòu)的固有頻率，錯(cuò)開共振危險(xiǎn)區(qū)。在不影響響應(yīng)時(shí)間的情況下，增加套管外徑和壁厚，可以達(dá)到很好的效果。

3）熱電偶安裝位置錯(cuò)開管道彎頭、閥門、節(jié)流孔板附近，以防止流體介質(zhì)速度的擾動(dòng)，引起異常振動(dòng)。

4）改變熱電偶保護(hù)套管的橫截面形狀，將保護(hù)套管表面加工成流線型，使流體不產(chǎn)生旋渦脫落現(xiàn)象。

5）減小保護(hù)套管的長(zhǎng)度能有效提高套管的固有頻率，并提高套管的強(qiáng)度。但縮短多少要看具體情況，原則上不能影響熱電偶的測(cè)量精度和響應(yīng)時(shí)間。

4 結(jié)束語

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是測(cè)量和控制的重要參數(shù)之一，所以熱電偶保持長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。從目前熱電偶發(fā)生故障的類型分析，套管斷裂仍是熱電偶應(yīng)用過程中最常見的失效形式[3]，而熱電偶保護(hù)套管斷裂的原因多種多樣。對(duì)熱電偶保護(hù)套管失效的案例進(jìn)行分析研究，能夠有針對(duì)性地通過科學(xué)選材，提高套管阻尼、提高截面慣性矩；合理選擇熱電偶的安裝位置和方式，改變套管橫截面形狀，在保證熱電偶的測(cè)量精度和響應(yīng)時(shí)間的前提下合理選擇伸出長(zhǎng)度等方法，有效避免熱電偶套管斷裂失效的頻繁發(fā)生。