空分高壓氧溫度計(jì)套管斷裂原因分析

武建朝 王龍權(quán) 左世飛 賈武軍 王波

摘要： 針對(duì)空分裝置24 mm的06Cr17Ni12Mo2雙金屬溫度計(jì)套管在吹掃時(shí)發(fā)生的焊縫根部斷裂現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)，重點(diǎn)分析了根部焊縫的化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能、斷口形貌、共振模擬試驗(yàn)等方面的內(nèi)容。結(jié)果表明，斷裂原因與焊接沒(méi)有太大關(guān)系；主要原因是在吹掃時(shí)，由于3支溫度計(jì)套管排列在同一條直線上，在吹掃流速不斷變化過(guò)程中溫度計(jì)套管產(chǎn)生橫向共振和縱向共振，從而誘發(fā)溫度計(jì)套管發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞脆斷。后期通過(guò)增加溫度計(jì)套管的直徑、嚴(yán)格控制吹掃流速來(lái)控制共振的發(fā)生，從而消除了斷裂現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞： 溫度計(jì)套管； 斷裂； 焊接； 共振

中圖分類(lèi)號(hào)： TG 47

Analysis on fracture of hyperbaric oxygen thermowells of air separation unit

Wu Jianchao1， Wang Longquan2， Zuo Shifei1， Jia Wujun1，Wang Bo1

（1.SHCCIG Yulin Chemical Co.， Ltd.， Yulin 719000， Shaanxi， China;

2.Harbin Welding Institute Limited Company， Harbin 150000， Heilongjiang， China）

Abstract： Test was carried out for the occurred weld root fracture phenomenon of 24 mm 06Cr17Ni12Mo2 bimetallic thermowells during purging， and chemical composition， microstructure， mechanical properties， fracture morphology， resonance simulation test and other aspects of root weld were analyzed. The results showed that the reason for fracture had little to do with welding. The main reason was that three thermowells were arranged in the same straight line during purging， and thermowells produced transverse resonance and longitudinal resonance during the constant change of purging flow rate， which induced torsional fatigue brittle fracture of thermowells. In the later stage， the resonance was controlled by increasing diameter of thermowells and strictly controlling purge flow rate， thus eliminating the fracture phenomenon.

Key words：? thermowells; fracture; welding; resonance

0 前言溫度作為化工裝置最重要的生產(chǎn)參數(shù)之一，對(duì)化工廠的平穩(wěn)安全運(yùn)行及物料反應(yīng)控制有著至關(guān)重要的作用，雙金屬溫度計(jì)因其測(cè)量溫度范圍廣（-200～700 ℃），可適用于蒸汽、氣體、液體等介質(zhì)的溫度測(cè)量，在化工生產(chǎn)裝置得到了廣泛應(yīng)用。雙金屬溫度計(jì)是將熱敏電阻金屬片制成溫度傳感裝置，安裝在保護(hù)套內(nèi)，一端固定在被測(cè)介質(zhì)的管路或裝置上，另一端與遠(yuǎn)距離的傳感系統(tǒng)相連接。當(dāng)溫度變化時(shí)，感溫裝置將溫度變化情況轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳導(dǎo)至DCS主柜上，由于感溫元件一般安裝在管道的內(nèi)部，所以測(cè)得的溫度值就是雙金屬溫度傳感器所在位置的管道內(nèi)部介質(zhì)溫度。但氧氣、高壓蒸汽及部分有毒有害氣體發(fā)生泄露，溫度計(jì)套管一般采用焊接連接，而溫度計(jì)套管焊縫處的斷裂事件也時(shí)有發(fā)生。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為24 mm的06Cr17Ni12Mo2金屬溫度計(jì)套管，焊接材料為與之相匹配的E316-16。焊接方法采用氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面，焊接形式為角接，焊接位置為3支溫度計(jì)套管垂直等距離并列，安裝在氧氣管道3點(diǎn)鐘位置，斷裂套管位于中間，斷裂位置在焊縫根部，斷面較為齊整。

1.2 試驗(yàn)方法

溫度計(jì)套管在試驗(yàn)前均采用滲透檢測(cè)和渦流檢測(cè)2種方法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)套管表面和近表面有裂紋瑕疵。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)斷裂的溫度計(jì)套管，對(duì)其化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織、斷口形貌及共振模擬計(jì)算進(jìn)行了分析試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分

為準(zhǔn)確地測(cè)出溫度計(jì)套管的化學(xué)成分，采用Spectro test txc35 sp-19008735便攜式全定量光譜儀對(duì)溫度計(jì)套管進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)環(huán)境溫度為24 ℃，空氣濕度為38%RH。表1所示為測(cè)得的套管材料元素含量。按照GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》［1］對(duì)比分析溫度計(jì)套管的化學(xué)成分，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，其含量全部在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，表明材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

2.2 沖擊試驗(yàn)

因受到溫度計(jì)套管本身尺寸限制，無(wú)法完成拉伸和彎曲試樣的制備，只能從套管上制作5 mm×10 mm×50 mm的沖擊試樣，為了真實(shí)還原焊縫斷裂情景，在溫度計(jì)套管上采用同樣焊接工藝進(jìn)行堆焊，確保在套管的焊縫根部熱輸入與現(xiàn)場(chǎng)焊縫相當(dāng)，該次試驗(yàn)共制備沖擊試樣1組6個(gè)，試驗(yàn)采用452D-2（301）型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)環(huán)境溫度-196 ℃，空氣濕度42%RH。根據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》［2］進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，得出表2的沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，最大沖擊吸收能量為105.43 J，最小沖擊吸收能量為97.36 J，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均大于GB 150.4—2011《壓力容器 第4部分 制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》［3］中第9.1.3.4 條規(guī)定：“除另有規(guī)定，奧氏體型鋼材的焊縫金屬?zèng)_擊試驗(yàn)合格指標(biāo)為沖擊吸收功不小于31 J”的要求。沖擊試樣殘片如圖1所示。

2.3 顯微組織

通過(guò)截取其中一斷裂套管斷口面并研磨拋光，按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》［4］中規(guī)定的“用5 mL硝酸+1 mL氫氟酸（48%）+44 mL水，侵蝕時(shí)間5 min”試驗(yàn)方法，利用Min100金相顯微鏡進(jìn)行觀察，金相顯微組織如圖2所示。晶粒均為等軸狀，晶粒內(nèi)有孿晶，個(gè)別晶粒內(nèi)有殘留，未發(fā)現(xiàn)其他異常組織。

2.4 斷口形貌

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，斷裂的套管位于3根套管的中間位置，為更好地分析斷裂原因，現(xiàn)場(chǎng)從氧氣管道上拆下另外2根未斷裂的溫度計(jì)套管進(jìn)行表面檢測(cè)，經(jīng)滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，焊縫根部也存在橫向裂縫，套管斷裂現(xiàn)場(chǎng)及未斷裂的套管表面檢測(cè)照片如圖3所示。

后續(xù)吹掃過(guò)程中，又發(fā)現(xiàn)2處溫度計(jì)套管斷裂。圖4為溫度計(jì)套管斷面的宏觀形貌。通過(guò)宏觀觀察現(xiàn)場(chǎng)斷裂的套管，端口面整體呈現(xiàn)梅花形斷口，且斷面較為齊平，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)斷裂的套管部位進(jìn)行綜合測(cè)量及對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)的疲勞斷裂形貌圖，初步確定該次套管斷裂屬于扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。

為更好地找出溫度計(jì)套管斷裂原因，使用掃描電鏡進(jìn)行對(duì)斷口進(jìn)行分析，圖5為溫度計(jì)套管斷面的微觀形貌。經(jīng)低倍放大觀察，發(fā)現(xiàn)斷口面存在高低差并伴有放射狀花紋。經(jīng)高倍電鏡掃描觀察，斷口屬于典型疲勞脆性斷裂解離形貌。進(jìn)一步證實(shí)該溫度計(jì)套管的斷裂屬于疲勞脆斷，非焊接應(yīng)力導(dǎo)致的脆斷。

2.5 共振分析

由于現(xiàn)場(chǎng)有3套空分裝置，斷裂的溫度計(jì)套管均位于中間位置，經(jīng)研究分析該斷裂可能與氧氣主管內(nèi)部流體流速過(guò)高或吹掃時(shí)同一直線排列的3支溫度計(jì)所產(chǎn)生的共振有關(guān)，所以根據(jù)SH/T 3005—2016《石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］中5.3.11 f條的規(guī)定：“在工藝流體溫度、壓力、流速較高或管徑較大場(chǎng)合，對(duì)溫度計(jì)套管應(yīng)依據(jù) ASME PTC 19.3 TW-2016《Thermowells performance test codes》［6］標(biāo)準(zhǔn)做振動(dòng)頻率及應(yīng)力符合性計(jì)算”的要求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的溫度計(jì)套管固有頻率、渦流脫落頻率及可能引起保護(hù)套管產(chǎn)生共振的情況進(jìn)行計(jì)算。

2.5.1 溫度計(jì)套管固有頻率fcn的計(jì)算方法

現(xiàn)場(chǎng)使用的溫度計(jì)套管為錐體溫度計(jì)套管，其根部外徑為A=24 mm，錐體端部外徑為B=12.5 mm，外徑平均為Da=18.25 mm，溫度計(jì)套管內(nèi)徑為d=7 mm，溫度計(jì)套管頂端最小厚度為t≈3 mm，吹掃時(shí)，氧氣主管道內(nèi)部流速在5～37 m/s之間，保護(hù)套管按照設(shè)計(jì)要求的焊接位置位于由直管變?yōu)殄F管的位置，即插入深度為L(zhǎng)≈100 mm。插入深度基本滿足SH/T 3005—2016中第5.3.11 e條的規(guī)定：“在管道內(nèi)安裝時(shí)，插入深度宜位于管道直徑的1/3～1/2處，并且應(yīng)至少插入管道內(nèi) 50 mm”的要求。以下計(jì)算需要根據(jù)相關(guān)參數(shù)和ASME PTC 19.3 TW-2016中規(guī)定的計(jì)算方法來(lái)完成。

fcn=Hc×fn（1）

Hc=1－0.61A/L1+1.5b/a2（2）

fn=Hf×Ha，f×Ha，s×fa（3）

式中：fcn為溫度計(jì)套管焊接完成后的固有頻率；Hc為溫度計(jì)套管的彈性修正系數(shù)；fn為溫度計(jì)套管自然頻率；Hf為實(shí)體梁理論偏差修正系數(shù)；Ha，f為流體的附加質(zhì)量修正系數(shù)；Ha，s為傳感器質(zhì)量修正系數(shù)；fa為溫度計(jì)套管的近似自然頻率。

當(dāng)套管與管道連接方式為焊接時(shí)，在式（2）中，一般設(shè)定b為0；A為溫度計(jì)套管根部外徑；L為插入主管深度；故計(jì)算可得出Ηc≈0.976 6。

當(dāng)套管為錐形套管時(shí)：

Hf=0.991+1－B/A+1－B/A21+1.1Da/L31－0.8d/Da（4）

式中：B為套管錐形端部外徑； Da為套管平均外徑；d為套管內(nèi)徑；故計(jì)算可得出Hf≈1.184 6。

Ha，f=1－ρρm（5）

式中： ρ為壓縮空氣密度，kg/m3。吹掃時(shí)管道溫度約為20 ℃，吹掃管道內(nèi)壓力約為6.0 MPa，此時(shí)管內(nèi)的空氣密度約為70.146 kg/m3。ρm為套管的密度，即06Cr17Ni12Mo2的密度約為7 908.8 kg/m3。故可計(jì)算得出Ha，f≈1.008 9。

Ha，s=1－ρsρm1Da/d2－1（6）

式中：ρs為測(cè)溫元件的密度。熱電阻或熱電偶ρs=2 700 kg/m3。故計(jì)算可得Ηa，s≈0.941 1。

fa=1.87522πEIm1L2（7）

式中：I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；m為溫度計(jì)套管單位長(zhǎng)度的質(zhì)量；E為使用溫度下溫度計(jì)套管的彈性模量，在ASME PTC 19.3 TW-2016中查閱可得約為195 GPa。

I=πD4a－d464（8）

m=ρmπD4a－d44（9）

故計(jì)算可得：

fa=1.87522πEIm1L2≈256 Hz（10）

故可得：

fcn=Hc×Hf×Ha，f×Ha，s×fa

=0.976 6×1.184 6×1.008 9×0.941 1×256

=281.2 Hz（11）

2.5.2 溫度計(jì)套管渦旋脫落頻率fs的計(jì)算方法

吹掃時(shí)管道內(nèi)空氣流速與溫度計(jì)套管渦旋脫落頻率有關(guān)，也就是：

fs=NsVB（12）

式中：Ns為斯特羅哈數(shù)，約為0.22左右；V為管道內(nèi)介質(zhì)流速，吹掃時(shí)管道內(nèi)流速在5～37 m/s之間變化；B為套管頭部直徑，即B=0.012 5 m。故計(jì)算可得 86 Hz≤fs≤651.2 Hz。

2.5.3 判斷共振現(xiàn)象產(chǎn)生的依據(jù)

溫度計(jì)套管自然頻率（fcn）與介質(zhì)渦旋脫落頻率（fs）的頻率比值（r）是判斷共振現(xiàn)象發(fā)生的依據(jù)。溫度計(jì)套管插入流體時(shí)阻礙流體流動(dòng)，造成套管兩側(cè)渦旋交替出現(xiàn)，稱為卡門(mén)渦街（Karman Vortex Street）。渦旋脫落在溫度計(jì)套管上產(chǎn)生橫向振動(dòng)升力和縱向振動(dòng)阻力2種力。兩者頻率分別為fs和2fs。當(dāng)fs或者2fs與f cn接近時(shí)，發(fā)生共振現(xiàn)象，即：fs=0.5f cn時(shí)，發(fā)生縱向共振；當(dāng)fs=f cn時(shí)，發(fā)生橫向共振。

通過(guò)以上2.5.1和2.5.2計(jì)算可看出：f cn=274 Hz，86 Hz≤fs≤651.2 Hz。在吹掃過(guò)程中，既有fs=0.5f cn，也有fs=f cn的情況發(fā)生，因此，根據(jù)共振現(xiàn)象發(fā)生的依據(jù)，可以得出該次吹掃過(guò)程中確實(shí)發(fā)生了縱向共振和橫向共振兩種共振現(xiàn)象，另外加上流體通過(guò)套管時(shí)產(chǎn)生的壓差，使得溫度計(jì)套管發(fā)生了斷裂，這也是斷口形貌呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)性疲勞脆斷的主要原因。

3 結(jié)論

根據(jù)該次試驗(yàn)數(shù)據(jù)及溫度計(jì)套管的斷裂原因分析，導(dǎo)致套管的斷裂主要原因是3支套管安裝在同一直線上，吹掃時(shí)由于介質(zhì)流速不斷變化，發(fā)生了橫向共振和縱向共振2種共振現(xiàn)象，加上流體通過(guò)套管時(shí)產(chǎn)生的壓差，從而造成了套管的扭轉(zhuǎn)疲勞脆斷，與焊接應(yīng)力無(wú)關(guān)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 全國(guó)鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 不銹鋼和耐熱鋼牌號(hào)及化學(xué)成分：GB/T 20878—2007［S］. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2007.

［2］ 全國(guó)鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法： GB/T 229—2020［S］. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2020.

［3］ 全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 壓力容器 第4部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收：GB 150.4—2011［S］. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2011.

［4］ 全國(guó)鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 金屬顯微組織檢驗(yàn)方法：GB/T 13298—2015［S］. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2015.

［5］ 中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司. 石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范： SH/T 3005—2016［S］. 北京： 中國(guó)石化出版社， 2016.

［6］ ASME.Thermowells performance test codes： ASME PTC 19.3 TW-2016［S］. New York， USA： The American Society of Mechanical Engineers， 2016.

收稿日期： 2023-02-17

武建朝簡(jiǎn)介： 學(xué)士，工程師；主要從事現(xiàn)場(chǎng)焊接技術(shù)質(zhì)量管理；wujc@shccig.com。