摘要：某循環水管道雙金屬溫度計保護套管短期使用后即發生了斷裂,通過宏觀、斷口檢測及計算等方法進行斷裂原因分析,結果表明保護套管斷裂主要原因是由于管道中兩相流的作用,引起套管共振,產生超高周疲勞斷裂,并提出了套管安裝使用的建議。
某石化裝置循環水管道為準備中交而引入循環水進行裝置運行調試，裝置循環水管道雙金屬溫度計保護管運行5天即發生保護管斷裂，影響了裝置開工。
該循環水管道為廠區總管進入裝置的一級支管，埋地鋪設，運行過程中震動較大，伴有較大的噪聲，管道閥門為緩開、緩閉操作方式。該管道溫度測點于總閥后6m處，
雙金屬溫度計安裝在管道上部的套管座上，保護套管與法蘭采用角焊縫連接，安裝及斷裂部位見圖1。循環水操作溫度為28℃，操作壓力為0.4Mpa，水管規格為Ф500*10mm。溫度計套管采用316不銹鋼材質及焊接，套管實際插入長度為418mm（設計資料要求套管插入長度為400mm），直徑為20mm，孔徑為11mm，制造質量和無損探傷檢測均合格。
1檢測與分析
對溫度計保護套管斷裂樣品進行了宏觀檢查、成分分析、硬度測定、金相組織、掃描電鏡等檢測。
1.1宏觀檢查與分析
溫度計套管斷裂與套管與法蘭連接角焊縫的套管側熔合線上，斷口宏觀形貌見圖2。套管外觀無明顯缺陷，整體無塑性變形，無腐蝕痕跡和裂紋。斷口邊緣外側直徑方向有多處放射狀的棱線，長1~2mm，均指向套管中部的最后瞬斷區。斷口中裂紋擴展區基本以最后瞬斷區為中心，呈現基本對稱形態，這部分表面呈細磁狀，無金屬光澤。瞬斷區有明顯塑性變形痕跡，呈帶狀，寬1~2mm，并穿過套管軸心，與循環水流垂直。裂紋擴展區范圍較大，瞬斷區較小。檢測結果表明，熱電偶套管斷裂不是應力越限造成的，但角焊縫的套管側熔合線是流體作用在套管上的彎矩最大處和焊接接頭的最薄弱處。
1.2硬度、成分、金相檢測與分析
套管、法蘭、焊縫成分分析結果符合材料相關標準成分要求。套管、法蘭、焊縫及熱影響區的維氏硬度值均小于200HV30，符合316SS材料標準要求。套管、法蘭、和焊縫金相組織分析結果為：焊縫為柱狀奧氏體組織，焊縫熔合線輪廓清晰；法蘭均為奧氏體組織，晶粒度3級；套管為奧氏體（部分孿晶）+少量條狀鐵素體+碳化物。金相組織分析結果未見異常。以上檢查結果說明套管的制造、安裝均無質量問題。
1.3斷口微觀分析
采用掃描電鏡對斷口金相微觀檢查。斷口表面無腐蝕級微裂紋，斷口擴展區呈現明顯脆性準解理形貌。斷口邊緣有多處微觀夾雜缺陷，典型的一處夾雜物見圖3，斷口形貌特征表明，裂紋源萌生于套管外側表面的微觀夾雜物處，但裂紋源并不明顯。這些夾雜物缺陷造成了應力集中，有利于裂紋萌生，形成裂紋源。
從圖4可以看出，裂紋擴展區有眾多排列較有規律的疲勞條帶，表明該斷口為疲勞斷口。疲勞條帶間距很窄，僅有1~2mm，斷口中裂紋擴展區范圍較大，瞬斷區較小，均表明套管承受載荷頻率很高，應力處于較低水平，遠低于疲勞極限。由于裂紋源數目較多，套管表面又受到多方向彎曲應力的作用，使斷口表面又較多的裂紋源，擴展平面相交而形成棱線。
利用能譜儀對套管斷口處成分進行分析，未見腐蝕產物。
2分析與結論
通過現場調查和檢測發現，該溫度計保護套管除長度增加了18mm，其他均符合設計要求和雙金屬溫度計保護套管的安裝要求，檢測結果也表明，套管的制造、安裝無質量問題。但該該保護套管仍然發生了高周疲勞斷裂，表明該循環水管道工況安裝這種保護套管并不能滿足使用要求。下面就此問題進行分析。
2.1 熱電偶保護管套管斷裂原因分析
1）流體作用形成共振
共振是造成溫度計套管斷裂的主要原因。由于圓柱形成保護管處于流體中，會在套管下游產生漩渦脫落效應；由于漩渦的產生是以一定的頻率交替脫落的，因此在圓柱面上產生交變的橫向力。當這個交變橫向力與圓柱的固有頻率相等時，就會引發套管震動，當套管固有頻率和流體漩渦脫落頻率接近或一致時，可產生共振現象。此時，套管圓柱面產生流體方向的反復彎曲應力，套管表面的微觀缺陷可成為疲勞裂紋源，裂紋將垂直于流體方向的套管中部軸線擴展。這種共振可導致熱電偶套管的加速損壞斷裂。
2）工況條件
該循環水管道有振動并伴有較大的噪聲，而在附近地面的二級支管振動更大，部分雙金屬溫度計表殼已碎裂，同事發出較大的噪聲。這是由于管道原為空管，運行初期時管道中存有一定量的氣相，與循環水混合后形成氣液兩相流，引起振動和噪聲，而套管原設計條件是在單項條件下運行。在管道工藝操作流速下，經過支管三通和閥門時的紊流作用，可將管道中氣液流體形成細泡狀流型，由于管道直徑較大受重力影響，這種水平管道中，含細泡的兩相流主要位于管道上部，含氣率較低。該溫度計安裝在一級支管總閥后6m處，使溫度計套管受到支管三通和閥門的紊流作用。氣液兩相流和流體的紊流作用均加劇了套管的振動。
3）熱電偶保護套管振動計算
上述斷裂原因分析表明，避免共振可防止套管的疲勞損壞，應使溫度計套管的固有頻率ƒn與流體的漩渦脫落頻率ƒw滿足一定的關系，文獻中規定：ƒw/ƒn≤0.8。下面對溫度計套管的固有頻率ƒn與漩渦脫落頻率ƒw進行計算。
套管固有頻率的計算見公式（1）
式中：ƒn------套管的固有頻率，Hz；
λ------套管插入深度，m；
E-------套管材料在使用溫度下的彈性模量，Pa；
ρ------套管材料的密度，kg/m³；
As------套管根部的橫截面積，m²。
套管的固有頻率與套管材質、厚度和插入深度密切相關。該溫度計套管的固有頻率ƒn=75.3Hz。
流體漩渦脫落產生的頻率ƒw的計算見公式。
式中：ƒw------漩渦振動頻率，Hz;
StTP------氣液兩相斯特羅哈數；
ν--------流體流速，m/s；
DA-------圓柱體平均直徑，m
流體漩渦脫落產生的頻率ƒw與圓柱體的直徑DA和流速ν有關，根據循環水系統不同部分取不同的流速，一般一級支管流速可取2.5m/s。該管道循環水的雷諾數經計算可達到1.4*106屬于超臨界區范圍。
這里需要說明的是：如何對氣液兩相斯特羅哈數StTP進行取值。對于單向流體，一般通過流體雷諾數Re和紊流強度來獲取斯特羅哈數StTP，一般情況下，該管道的循環水的斯特羅哈數StTP可取值0.45。此外，氣液兩相斯特羅哈數StTP還與流體截面含氣率呈線性關系，直線的斜率與雷諾數有關，一依據文獻計算，氣液兩相流斯特羅哈數StTP與單向流體斯特羅哈數StTP比值可以達到1.2左右，故該循環水管道的氣液兩相流體的斯特羅哈數StTP=0.45*1.2=0.54。
因此該管道中兩相流體狀態的漩渦脫落頻率為ƒw為67.5Hz。
故斷裂工況條件下，ƒw/ƒn=67.5/75.3=0.9＞0.8。不符合ƒw/ƒn＜0.8的標準要求。所以該 套管不能滿足斷裂工況條件，將會造成溫度計套管的疲勞斷裂。按照套管進行5天發生斷裂產生的頻率，斷裂工況條件屬于超高周疲勞工況。
此外，當套管中流體狀態為單相流時，基于當前套管的工作條件，漩渦脫落頻率ƒw降為56.3Hz，與溫度計套管固有頻率比值降為0.75＜0.8，基本能滿足ƒw/ƒn≤0.8的標準要求。
4）應力分析
套管與法蘭連接角焊縫表面存在一定的焊接殘余拉應力，該處角焊縫截面發生變化存在輕微的應力集中現象，以套管側熔合線處（即斷裂處）最高。焊接殘余拉應力與流體產生的振動應力疊加，在套管根部形成流體方向的交變應力，作用在微觀缺陷處形成疲勞源導致開裂。
5）材料特性分析
套管為316不銹鋼材料，屬于面心立方不銹鋼材料，位錯激活能較小，材料表面和微觀缺陷處容易在疲勞過程中出現晶粒滑移帶，而套管角焊縫熔合線區表面存在著較多的夾雜物，在超高周疲勞條件下，微觀夾雜物處更易萌生出疲勞裂紋。通過分析，溫度計保護套管插入流體中可引發套管振動。在現有套管規格條件下，實際套管長度的增加與管道中的兩相流的作用，使得原套管固有頻率與套管漩渦脫落頻率接近，引起套管共振，達到超高周疲勞條件，交變應力作用在套管懸臂梁根部即角焊縫套管側融合線的薄弱部位上，最終產生超高周疲勞斷裂。
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