蒸汽凝液管彎頭泄漏失效分析

呂華亭 劉大偉 蔚道祥 司 俊

（1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 2.上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)工業(yè)氣體有限公司）

0 引言

某化工廠部分蒸汽凝液管彎頭發(fā)生泄漏，該管線的工藝流程圖如圖1所示。

圖1中圓圈標出的部位為發(fā)生泄漏的位置，管道內(nèi)介質(zhì)流向如流程圖箭頭標識，疏水器上游管線介質(zhì)為水蒸汽，壓力為4.5 MPa，溫度為270 ℃，疏水器下游管線為凝液管線，壓力為0.5 MPa。在實際操作過程中，常常打開旁路3來調(diào)節(jié)疏水器下游管線流出的凝液溫度，因此，在疏水器下游管線4之后，管內(nèi)流體通常處于汽液混合兩相的狀態(tài)。據(jù)不完全統(tǒng)計，疏水器下游管線由于汽水沖擊和沖刷作用導(dǎo)致管道泄漏失效的情況時有發(fā)生[1-4]。

圖1 泄漏彎頭所處的工藝流程圖

圖2為失效彎頭的宏觀形貌，彎頭采用承插焊，尺寸為DN20 mm，材料為20#鋼，內(nèi)部流體為冷凝水。失效部位位于管道彎頭的承插焊縫處，如圖2所示。為了查明彎頭泄漏的原因，對其進行失效分析。

圖2 泄漏的承插焊彎頭

1 宏觀檢查

將泄漏的彎頭縱向剖開，管道內(nèi)部的宏觀形貌如圖3所示。彎頭與管道連接的承插焊變徑處有明顯的沖刷痕跡，如圖3 a）所示，并且局部發(fā)生了明顯的腐蝕減薄，如圖3 b）所示。

圖3 泄漏彎頭剖開后圖

2 化學(xué)成分分析

對泄漏的凝液管彎頭材料進行化學(xué)成分分析，將分析結(jié)果與GB 9948—2013 《石油裂化用無縫鋼管》標準的要求進行比對，如表1所示。結(jié)果表明，該材料符合GB 9948—2013標準規(guī)定的20#鋼成分要求。

表1 試樣的化學(xué)成分檢測結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)） %

3 彎頭流場模擬

3.1 承插焊彎頭模擬

對采用承插焊連接的彎頭進行模擬，模擬介質(zhì)為水，流入速度為20 m/s。模擬結(jié)果如圖4所示，該結(jié)果表明，彎頭內(nèi)流速最大的位置與實際泄漏的部位基本吻合，如圖4 a）所示；承插焊彎頭內(nèi)中部流體出現(xiàn)湍流的情況最為嚴重，如圖4 b）所示。

圖4 承插焊彎頭流速和湍流分布模擬圖

流體內(nèi)部壓力、管壁所受剪切應(yīng)力以及壓力數(shù)值最大處均位于管道彎頭的承插焊處，如圖5所示。

圖5 承插焊彎頭及流體應(yīng)力分布圖

3.2 對接焊彎頭模擬

將原來的承插焊改為對接焊后，在同等工況條件下進行模擬，結(jié)果如圖6所示。兩種彎頭連接方式的模擬結(jié)果表明，對接焊彎頭內(nèi)流體流速的分布得到了較好的改善，但對接焊彎頭圓弧半徑對流體流速有較大的影響。

圖6 對接焊彎頭內(nèi)流速分布模擬圖

對不同的R/D進行數(shù)值模擬，當(dāng)R=D時，vmax=31.9 m/s；當(dāng)R=1.5D時，vmax=27.6 m/s；當(dāng)R=2.5D時，vmax=24.1 m/s；當(dāng)R=5D時，vmax=22.3 m/s。隨著彎頭半徑增大，彎頭內(nèi)流體的最大流速逐漸下降；但當(dāng)彎頭半徑增大到一定數(shù)值時，最大流速下降的幅度逐漸降低。當(dāng)R增大至2.5D以后，半徑對彎頭內(nèi)最大流速的影響作用逐漸放緩，如圖7所示。

圖7 R/D與vmax的關(guān)系圖

4 分析及討論

通過上述分析及模擬可知，蒸汽凝液管彎頭的泄漏是由介質(zhì)沖刷腐蝕導(dǎo)致的，其主要原因是管道承插焊彎頭內(nèi)壁不光滑，內(nèi)徑存在突變，使得管內(nèi)流體流經(jīng)該處后流速突增，管壁壓力增大，并且流體為汽液兩相，很容易對該處管壁造成沖擊，使管道產(chǎn)生沖刷腐蝕，最終發(fā)生泄漏。

5 結(jié)論

通過對泄漏蒸汽凝液管彎頭進行宏觀檢查、化學(xué)成分分析及數(shù)值模擬后可知，該彎頭泄漏是由汽液兩相狀態(tài)的介質(zhì)沖刷腐蝕造成的。建議新更換的彎頭改用對接焊焊接，并且彎頭半徑應(yīng)大于2.5倍的管道直徑。