胡 晨 丁曉瀅

（上海金藝檢測技術(shù)有限公司）

0 前言

在對某鋼廠內(nèi)的氧氣管道進行日常檢查時，發(fā)現(xiàn)一處管道泄漏，泄漏位置位于管道焊縫處。由于生產(chǎn)原因，可停機修復(fù)的時間較短，只能在泄漏處進行補焊，詳見圖1。

圖1 管道泄漏處補焊

受使用單位委托，對管道進行泄漏原因分析。該管道于2004年投用，管道介質(zhì)為氧氣，管道材質(zhì)為20鋼，最高工作壓力為2.80MPa，工作溫度為常溫，管道規(guī)格為?159 mm×6 mm/?108 mm×4 mm，管道長度約為30 m。在現(xiàn)場檢查時，發(fā)現(xiàn)該管道系統(tǒng)中連接了一臺壓縮機，用以將能源中心輸送過來的氧氣從2.6 MPa加壓至2.8 MPa后，再提供給生產(chǎn)線使用。泄漏的焊縫處距離該壓縮機大約為4 000 mm，此處管道規(guī)格為?159 mm×6 mm。壓縮機工作時噪音巨大，其連接管道振動非常嚴重。

1 管道質(zhì)量狀況檢查

1.1 宏觀檢查

該氧氣管道單線圖如圖2所示。泄漏的焊縫編號為D19，位于一個向上的直角彎頭與豎直管連接處，氧氣自上而下流經(jīng)該彎頭。該管道是壓縮機的進氣管。從現(xiàn)場宏觀檢查可見，圖2所示壓縮機及其連接管道振動非常明顯，所以決定將其作為重點檢查和分析的對象。

圖2 管道單線圖

1.2 管道壁厚測定

對壓縮機附近管道的彎頭、三通和直管段進行超聲測厚，測厚方法見圖3。

圖3 超聲測厚方法

在所選的彎頭上，選取WT1、WT2、WT3三個部位進行測厚，在彎頭附近的直管段上選取A、B兩個部位測厚；在三通上選取ST1、ST2、ST3、ST4四個部位進行測厚，在三通附近的直管段上選取A、B、C三個部位測厚。以上每個部位測4點，每個測點的位置平均分布在管道橫截面的周長上。管道規(guī)格為?159 mm×6 mm，管子/管件實測最小壁厚為5.02 mm/6.39 mm，?108 mm×4 mm規(guī)格的管子/管件實測最小壁厚為3.73 mm/3.62 mm。測厚數(shù)據(jù)表明，該管道壁厚未發(fā)現(xiàn)明顯減薄。

1.3 焊接缺陷檢測

對壓縮機附近的47條管道的對接焊縫進行了射線檢測，發(fā)現(xiàn)部分焊縫中存在氣孔、未焊透、咬邊以及內(nèi)凹缺陷等情況。這些缺陷為管道安裝時的遺留缺陷，且未見擴展跡象，按 《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程》 （國質(zhì)檢鍋 [2003]108號）的規(guī)定，管道安全狀況等級可定為2級，可繼續(xù)使用。

2 振動分析

振動對工業(yè)管道來講是一種交變動載荷，其危害程度取決于激振力的大小和管道自身的抗振性能強弱。管道激振力的來源通?？煞譃閮煞N：一是來自管道系統(tǒng)外的振動，包括地震載荷、風(fēng)載荷等；二是來自管道系統(tǒng)自身的振動，包括來自與管道相連的機器、設(shè)備引起的振動和來自管道內(nèi)部流體流動引起的振動。

由于該管道安裝在室內(nèi)，管道附近也未發(fā)生地震等重大自然災(zāi)害，所以可以判定振動來自管道系統(tǒng)自身。由于該管道系統(tǒng)中壓縮機的工作方式是間歇性地對管道內(nèi)介質(zhì)進行加壓，因此管道內(nèi)的壓力會在平均值上上下脈動，即產(chǎn)生壓力脈動。而在管道的彎曲部位、直徑變化部位或通過控制閥等處，壓力的脈動就會產(chǎn)生相應(yīng)的激振力，激發(fā)管道系統(tǒng)振動[1]。

壓力脈動通常用壓力不均勻度δ來描述。若以p0表示壓力的平均值，Δp表示工作壓力的最大值與最小值之差，則δ可表示為δ=（Δp/p0）×100%[2]。只要壓力不均勻度δ存在，管道就會發(fā)生振動。而且δ越大，由脈動氣流作用到管路上的激發(fā)振動力（即激振力）也就越大，管道振動也就越強烈。根據(jù)現(xiàn)場查詢到的管道運行參數(shù) （工作壓力為2.8 MPa，工作壓力最大值、最小值分別為2.94、2.60 MPa），以泄漏焊縫所在的直角彎頭為例，對其壓力不均勻度進行計算[3]：

其相應(yīng)的壓力脈動振幅值

相應(yīng)的激振力的振幅值

式中，A為管道彎頭的流通面積，A=πr2，r為管道內(nèi)半徑；當管道彎頭為直角彎時，β=90°。這樣大的力作用在管道上，引起的振動肯定是非常明顯的。

在現(xiàn)場檢查時還發(fā)現(xiàn)，壓縮機在工作時自身振動也非常明顯，直接帶動了其連接管道 （包括發(fā)生泄漏的焊縫）的振動。同時，有幾處管道支架也有明顯松動，加大了管道振動的幅度。由此可見，設(shè)備自身的振動和管道內(nèi)部流體的振動都是該管道發(fā)生劇烈振動的主要原因。

3 結(jié)論

從管道質(zhì)量狀況檢查和振動分析結(jié)果可見，該焊縫泄漏的主要原因是管道異常振動引起焊縫處材料的應(yīng)力疲勞，導(dǎo)致焊縫開裂。因此，在對工業(yè)管道進行定期檢驗時，要準確把握壓力管道的安全狀況，除了對焊接質(zhì)量、材料質(zhì)量和腐蝕狀況進行檢驗外，對管道進行受力分析也是十分重要的。若管道存在振動，應(yīng)采取必要的措施，降低管道的振動，從而避免管道泄漏事故的發(fā)生。

4 改進建議

針對管道振動異常的現(xiàn)狀，提出以下改進建議：

（1）加固松動的管道支架，恢復(fù)管道支架對管道的支撐和導(dǎo)向作用，通過限制管道可移動的方向減小管道的振動幅度。在支架與管道接觸的部位墊上10 mm左右厚的硬質(zhì)膠墊，增加管道振動的阻尼，并提高管道的抗扭性，以降低管道的振動。

（2）減少彎頭數(shù)量和管道轉(zhuǎn)彎角度。在存在壓縮機運行的管道系統(tǒng)中，激振力主要產(chǎn)生于彎頭和異徑管的接頭處，因此在管道的設(shè)計安裝過程中，應(yīng)該盡量減少彎頭的使用數(shù)量，管道的走向越是平直，激振力就越小。激振力還與管道的轉(zhuǎn)彎角度有關(guān)，管道轉(zhuǎn)彎的角度越小越能有效降低激振力，從而減輕管道的振動。

（3）針對管道壓力不均勻度較大的現(xiàn)狀，若能控制其最高工作壓力不超過2.8 MPa，則管道的壓力不均勻度可降為δ=[（2.8-2.6）/2.8]×100%=7.1%。若想進一步降低壓力不均勻度，可在壓縮機的出口處選擇合適的地方安裝緩沖器，以減小管道內(nèi)壓力的最大值與最小值之差，使減振效果更佳。

[1] 李奇.往復(fù)壓縮機管道振動的解決方法 [J].壓縮機技術(shù)，2011（1）：32-33.

[2] 郄殿華.壓力管道振動的解決實例 [J].石油和化工設(shè)備，2009，12（6）：25-26.

[3] 馮凱.活塞式壓縮機壓力脈動與管道振動的消減 [J].化工設(shè)計通訊，2000，26（1）：29-32.