導熱油壓力管道焊縫裂紋產生原因分析與分布規律研究

呂鐘杰，張子健，鐘軍平，林遠龍，徐無波，徐律行，包瑜婷

1.寧波市勞動安全技術服務有限公司，浙江 寧波 315048

2.寧波市特種設備檢驗研究院，浙江 寧波 315048

0 前言

導熱油壓力管道作為熱載體的主要傳輸設備之一，在工業生產中得到了廣泛地運用［1］。由于導熱油壓力管道運行溫度高，一般在300 ℃左右，熱應力大，在定期檢驗時，焊縫中經常會檢出裂紋，這類裂紋的存在是一種極大的安全隱患，一旦發生泄漏事故，300 ℃高溫的導熱油與空氣接觸即可燃燒，極易發生火災事故，嚴重時會造成人員傷亡和財產損失［2］。陸樹華［3］等人采用X 射線數字成像檢測（DR）技術對高溫在役導熱油管道焊縫進行了檢測，快速有效地識別了焊縫典型缺陷，并分析了缺陷產生原因。盧奪［4］等人針對導熱油系統的管道應力分析工作的難點，采用合理分段，并多次調整管道布置形式，增加必要的彈簧支撐等手段，完成了應力校核。逯云玲［5］等人通過在管廊上導熱油管道設置反向π彎，并采用CSII軟件對管道應力進行了分析，解決了高溫導熱油管道的應力問題。

以上研究工作均未對導熱油管道焊縫裂紋產生規律進行有效分析，無法預測裂紋可能產生部位，因此本文以定期檢驗實踐中發現的三條包含焊縫裂紋的導熱油壓力管道為研究對象，深入分析并總結了裂紋產生的原因，并對含裂紋的焊縫在管道中的分布規律進行了研究。同時給出了處理建議和預防措施，可為今后同類或類似工況的檢驗項目的開展提供一定的技術參考。

1 導熱油壓力管道概況

三條導熱油管道在某次定期檢驗時，采用射線檢測、相控陣超聲檢測和磁粉檢測發現存在裂紋缺陷，且裂紋存在位置較為典型，因此對這三條壓力管道的基本參數進行收集，具體見表1；通過相控陣超聲檢測方法對缺陷進行定量并定性，同時統計裂紋焊口數量、固定支座設置情況、走向連續改變、是否為中間管段以及支撐情況，具體見表2。

表1 導熱油管道基本參數Table 1 Basic parameters of thermal oil pipeline

表2 導熱油管道缺陷情況統計Table 2 Statistical of defects in thermal oil pipeline

通過表2 可知，三條管道含有裂紋缺陷的焊縫同時也伴有其他缺陷，且都未設置固定支座，均處在走向連續改變的部位，均為中間管段，均存在支撐不良的情況。因此三條管道存在較多的共性，可為后期裂紋產生原因的分析提供參考。

2 裂紋產生原因與分布規律

2.1 熱應力

對三條壓力管道的設計圖紙進行資料審查，發現設計單位未對上述管道進行熱應力計算，且未對固定支座設置情況提出具體要求。審查安裝竣工資料發現安裝單位也未進行固定支座設置。經現場檢查發現，除管道首尾兩端與固定設備相連接外，中間部位均未設置固定支座，如圖1～圖3所示。

圖1 甲管道走向Fig.1 Schematic Diagram of Pipeline Route A

圖2 乙管道走向Fig.2 Schematic diagram of pipeline route B

圖3 丙管道走向Fig.3 Schematic Diagram of Pipeline Route C

現以甲管道為例進行具體分析，該管道最高工作溫度為320 ℃，長度為348 m。宏觀檢查發現該管道設置了多處U形膨脹節或自然補償，管道除首尾兩端固定外，中間未設置固定支座。一般情況下，高溫工況管道根據設計計算，應在達到一定長度范圍的管段兩端設置固定支座，并在相鄰兩個固定支座之間設置膨脹節或自然補償，用以吸收該相鄰兩個固定支座之間管段的熱膨脹量，根據物體線性膨脹量計算公式［6］：

式中 ΔL為線性膨脹量；α為線性膨脹系數，與材料和溫度有關；L為兩個固定約束點之間的物體線性長度；ΔT為管道金屬運行溫度與室溫溫差。

通過式（1）可以看出，L越大，即相鄰兩個固定支座之間的距離越大，則該相鄰兩個固定支座之間管段的膨脹量越大。當管道僅有首尾兩端固定的情況下，該管道將以全長度348 m進行熱膨脹，取α=15×10-6/℃，L=348 m，ΔT=300 ℃，按照（1）式計算ΔL=1.566 m，這就造成了極大的管道線膨脹量，通常在熱力管道設計中，管道受熱后的膨脹量，均會通過在管路上設置膨脹節或膨脹彎以及管路本身走向改變來進行全部補償，管路上設置膨脹節的數量以及補償量是通過總膨脹量來確定的，但對于較長的熱力管道來講，固定支架的設置是否合理是管道膨脹量分段控制的關鍵，應避免整段管道的膨脹量集中到一起。但針對本條管道，由于僅首尾兩端受到固定支架約束，未進行膨脹量分段控制，大量過剩的線膨脹量集中到一起，使管道內部產生較大的應力。

熱應力是由于彈性體因溫度變化引起的自由膨脹或收縮受到約束而在內部產生的應力［7］，其次若彈性體內部溫度分布不均勻也會產生熱應力，若導熱油管道內壁溫度高于外壁溫度，內壁將產生壓縮熱應力，外壁將產生拉伸熱應力。導熱油管道在裝料和卸料的時候，溫度的分布會隨時間而變化，即處于非穩態溫度場，非穩態溫度場的熱應力水平要遠遠大于穩態溫度場的熱應力水平，這與溫度的變化速度有密切關系。根據三維熱應力理論計算公式，見式（2），可知熱應力水平和ΔT成正比，ΔT越大，熱應力越大。

通過對比表1、表2可知，ΔT甲＞ΔT乙＞ΔT丙，因此甲管道的熱應力最大，丙管道的熱應力最小，乙管道的熱應力居中，內部熱應力越大，產生缺陷的可能性就越大，由表2 可知，甲管道所含缺陷最多，丙管道所含缺陷最少，乙管道居中，這與熱應力分析的結果相吻合。

2.2 含裂紋焊縫分布規律

由圖1～圖3 可知，三條管道含裂紋焊縫均分布于管道柔性較大的管段，并且都具有如下特征：位于整條管線較中間、管道走向連續改變、存在支撐不良的現象。首先若焊縫位于相鄰兩固定約束點之間，且越接近整個管線的中間位置，離固定約束點越遠，則彈性越大；其次若管道走向連續改變并存在支撐不良的情況，管段的彈性也會較大，特別是大口徑、承載液體介質載荷、自身重力載荷較大的管段。這和平板應力分析中撓度理論［8］的相關結論是相吻合的。周邊固支時，最大撓度為：

周邊簡支時，最大撓度為：

對于鋼材，μ=0.3，所以。為周邊固支時最大撓度，為周邊簡支時最大撓度，p為均布載荷，R為兩個固支間距的一半，D'為抗彎剛度。

固定支座可以等效為周邊固支，導向支座可以等效為周邊簡支，周邊固支和周邊簡支的最大撓度都出現在靠近中心的位置，且周邊簡支的最大正應力要大于周邊固支的最大正應力［8］，這就是缺少固定支座時，管段中部的最大正應力要高于安裝固定支座的最大正應力。在工程上，為了減小管道撓度和最大正應力，通常是采用改變其周邊支撐的結構，使其更趨向于固支結構，也就是管道支吊架中的固定支架結構。

2.3 焊接缺陷的檢測

對含有表面裂紋的焊縫進行射線檢測，結果發現存在明顯的未焊透、未熔合等內部缺陷，如圖4～圖6 所示。未焊透缺陷減少了焊縫有效的截面積，同時未焊透的存在會嚴重降低焊縫的疲勞強度，是裂紋產生的根源所在，隨著導熱油管道的頻繁裝卸料，在交變疲勞載荷的共同作用下，極有可能產生疲勞裂紋［9］；未熔合缺陷也會減小焊縫的承載能力，應力集中也比較嚴重，造成較高的局部應力［10］，這些高水平的局部應力都是裂紋產生的根源。

圖4 未焊透引發的裂紋圖像Fig.4 Image of cracks caused by incomplete penetration

圖5 未熔合、未焊透引發的裂紋圖像Fig.5 Image of cracks caused by incomplete fusion and incomplete penetration

圖6 未焊透引發的裂紋Fig.6 Cracks caused by incomplete penetration

2.4 綜合分析

通過以上理論分析與實際檢測，可以總結出裂紋產生的主要原因如下：首先導熱油壓力管道在日常運行過程中會存在裝卸料以及導熱油溫度的變化，這就造成了管道壓力波動、溫度變化，進而造成管道中應力出現周期性變化，最終導致壓力管道出現疲勞應力，為管道疲勞失效埋下隱患；其次2.2小節中所述的管段，相比對兩端固定的管段，中間部位管段由于柔性大，變形量大，無固支結構，內部存在較大的撓度和應力，局部集中的應力為缺陷的產生提供一定的必要條件；最后由于在制造安裝時產生了未焊透、未熔合等內部缺陷，在缺陷處形成明顯的幾何不連續，造成了應力集中，上述疲勞應力的作用進一步被放大，從而有力促進了未焊透、未熔合焊接缺陷中夾雜的原始微小裂紋源擴展延伸，最終形成了焊縫裂紋，造成了管道開裂失效。

3 缺陷處理及預防措施

3.1 處理方案

首先，對存在裂紋的焊縫應進行返修，并采用原規定的檢測方法重新檢查；其次按要求合理設置固定支座，分段吸收管道的熱膨脹量；最后做好管道的支撐工作，特別是管徑較大、承載液體介質載荷、自身重力載荷較大的管段。

3.2 預防措施

導熱油壓力管道火災危險性大，風險等級高，在管道安裝過程中，焊口應嚴格按照標準及有關要求施焊，避免產生未熔合、未焊透等焊接缺陷，從而有效減少焊口中的幾何不連續及原始裂紋尖端。導熱油管道屬于高溫工況管道，設計階段應進行熱應力計算，并根據熱應力計算結果，合理設置膨脹節、自然補償及固定支座，相關設置原則可以參考GB/T 20801.3-2020《壓力管道規范 工業管道 第3部分：設計和計算》［9］，分段吸收管道的熱膨脹量，避免管道整體熱膨脹，造成熱應力過大，走向改變的管段，應做好支撐，提高管道的剛度。水平直管道的支吊架間距應按強度條件、剛度條件進行計算，取其中較小值，同時計算局部應力，在不滿足要求時，需設置加強板或采取其他加強措施，否則應減小管道的跨距。

3.3 定期檢驗注意事項

在導熱油壓力管道定期檢驗過程中，檢驗人員在選擇焊縫進行埋藏缺陷檢測前，首先應宏觀檢查其固定支座設置情況是否符合設計文件和相關技術標準要求。對固定支座設置不合理的管道，尤其是存在走向連續改變、支撐不良、位置大致處于兩相鄰固定支座的中心、壓力載荷較大、重力載荷較大的管段（以下簡稱危險管段），應重點對危險管段的焊縫進行表面和缺陷埋藏缺陷檢測，若檢測發現存在未焊透、未熔合、裂紋等危害性缺陷，還應增加抽檢比例，若還存在超標缺陷，則應對整條管段進行全部檢測。檢測方法和比例的選取原則如下：（1）針對危險管段，推薦采用磁粉檢測+相控陣超聲進行檢測，對于缺陷復驗可采用脈沖反射法超聲檢測進行驗證，檢測比例為100%；（2）針對非危險管段，推薦采用磁粉檢測+脈沖反射法超聲進行檢測，對于缺陷復驗可采用相控陣超聲進行驗證，檢測比例按照TSG D7005-2018《壓力管道定期檢驗規則工業管道》的要求進行。

4 結論

對某化工企業三條導熱油壓力管道進行定期檢驗，發現其危險管段的焊縫部位均存在未焊透、未熔合、裂紋等缺陷。通過理論分析和實踐檢測，歸納總結了裂紋產生的原因，具體如下：（1）導熱油壓力管道日常運行過程中的壓力和溫度波動會產生疲勞應力與熱應力；（2）中間部位管段柔性大、撓度大、內應力大；（3）焊縫缺陷的存在未裂紋產生提供了一定的必要條件。給出了處理建議和預防措施：（1）焊縫應嚴格按標準進行施焊；（2）設計過程中應進行熱應力計算，依據相關標準設計補償器和管道支座；（3）給出了針對危險管段的檢測方法和比例的選取原則，確保了導熱油壓力管道的安全運行，也可以給其余類似工況壓力管道的定期檢驗提供參考。