張 良，王新生，李 超，武 萬，李 沫

(1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.中石油管道有限責任公司西部分公司 新疆 烏魯木齊 830000；3.中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司 四川 成都 610094)

0 引 言

法蘭是軸與軸之間相互連接的零件，法蘭連接或法蘭接頭是指由法蘭、墊片及螺栓三者相互連接作為一組組合密封結(jié)構(gòu)的可拆連接，在石油化工設(shè)備、管道和閥門連接中廣泛應(yīng)用[1]。隨著我國管道工程的不斷建設(shè)和發(fā)展，法蘭等管道附件的失效案例也逐漸增多。中國石油天然氣集團公司管材研究所楊鋒平對油氣管道失效頻率及失效案例的統(tǒng)計分析表明[2]，因法蘭材料質(zhì)量引起的法蘭失效比例為77%，其中62%的失效是環(huán)向開裂引起，53%的失效發(fā)生在法蘭與管道連接的環(huán)焊縫附近，說明法蘭失效的主要原因是材料質(zhì)量問題。

受壓縮機運行影響，壓氣站工藝管道及附件在生產(chǎn)運行時經(jīng)常發(fā)生振動，因管道設(shè)計原因或振動因素，管道中的附件容易產(chǎn)生疲勞裂紋甚至發(fā)生泄漏。西北工業(yè)大學姚起航教授在工程結(jié)構(gòu)的振動疲勞問題中指出[3]，振動疲勞是結(jié)構(gòu)所受動態(tài)交變載荷(如振動、沖擊、噪聲載荷等)的頻率分布與結(jié)構(gòu)固有頻率分布具有交集或相接近，從而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振所導致的疲勞破壞現(xiàn)象，即結(jié)構(gòu)受到重復載荷作用激起結(jié)構(gòu)共振所導致的疲勞破壞。振動疲勞屬于油氣管道四大失效原因[4]中的設(shè)備及其它原因，因此，在油氣管道中，振動疲勞導致失效的案例較少。分析油氣管道及附件的振動疲勞失效案例，能為預防類似事件發(fā)生、保障管道安全運行提供一定參考。

1 法蘭失效概況

某壓氣站內(nèi)一材質(zhì)為16MnD的法蘭發(fā)生泄漏[5]，泄漏裂紋位于計量撬流量計下游直管段溫度計的凸臺與法蘭焊接處，泄漏法蘭及泄漏位置宏觀形貌如圖1所示。該法蘭依據(jù)標準NB/T 47009—2010《低溫承壓設(shè)備用低合金鋼鍛件》制造，發(fā)生泄漏時管線運行壓力為8.87 MPa，該泄漏法蘭至失效發(fā)生時已使用了4年。另外，據(jù)氣站工作人員所介紹的氣站現(xiàn)場情況，計量撬流量計下游直管段運行時有明顯振動，振動來源不明。

圖1 泄漏法蘭及泄漏位置宏觀形貌

2 失效法蘭泄漏裂紋宏觀分析

磁粉探傷可有效檢測出鋼管及管件表面的裂紋[6]，為了確定泄漏裂紋的具體位置及尺寸，采用CJZ-212E型磁粉檢測儀，依據(jù)標準SY/T 4730—2005《承壓設(shè)備無損檢測》對失效法蘭連接焊縫進行磁粉檢測，結(jié)果表明：裂紋位于凸臺與法蘭之間的焊縫處，為環(huán)焊縫上的環(huán)向裂紋，裂紋外表面長度約為10 mm，如圖2所示。

將失效法蘭的裂紋部位沿凸臺鋼管縱向切割解剖，其剖面焊縫和裂紋形貌如圖3所示，凸臺鋼管內(nèi)表面焊縫和裂紋形貌如圖4所示。從圖3可見，裂紋沿焊接接頭貫穿了鋼管的管壁，裂紋垂直于壁厚方向并沿直線擴展；另外，該焊縫存在錯邊，裂紋從內(nèi)表面焊縫尖角處起源，隨后在交變應(yīng)力作用下在焊縫中沿直線向鋼管外表面擴展。從圖4可見，由于焊縫處特殊的尖角幾何形狀以及焊縫存在錯邊，焊縫部位存在較大的應(yīng)力集中[7]。

圖2 磁粉檢測顯示的裂紋形貌

圖3 剖面焊縫及裂紋低倍形貌

圖4 內(nèi)表面低倍形貌

3 失效法蘭理化性能分析

3.1 化學成分分析

根據(jù)標準GB/T 4336—2002《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法(常規(guī)法)》用ARL 4460直讀光譜儀對失效法蘭樣品母材進行了化學成分試驗分析，試驗結(jié)果見表1。從表1可見，失效法蘭樣品母材的化學成分符合標準要求。

表1 失效法蘭樣品母材化學成分(質(zhì)量分數(shù)) %

3.2 金相分析

在失效法蘭的焊縫部位取樣，用MeF4M金相顯微鏡和圖像分析系統(tǒng)及OLS 4100激光共聚焦顯微鏡，依據(jù)標準GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》對該樣品進行金相組織及裂紋形貌分析，金相組織及裂紋形貌如圖5所示。從圖5可見，焊縫金相組織為IAF+WF+B粒+PF(蓋面焊)和PF+P+少量B粒(根焊)，焊縫兩側(cè)壁厚分別為4.5 mm(法蘭側(cè))和5.4 mm(凸臺側(cè))，裂紋起裂于壁厚較薄的法蘭側(cè)。

圖5 焊縫金相組織及裂紋形貌

3.3 掃描電鏡分析

在失效法蘭的裂紋部位取樣，用TESCAN VEGA掃描電子顯微鏡及XFORD INCA350能譜分析儀對裂紋表面微觀形貌和表面物質(zhì)化學成分進行分析，裂紋表面低倍形貌如圖6所示，裂紋表面高倍下的微觀形貌如圖7所示，裂紋表面物質(zhì)化學成分能譜分析結(jié)果如圖8所示。從圖6可見，裂紋起源于內(nèi)表面，斷口上Ⅰ區(qū)為裂紋源區(qū)+擴展區(qū)，Ⅱ區(qū)為裂紋擴展區(qū)。從圖7可見，裂紋表面的微觀形貌呈現(xiàn)疲勞輝紋特征，即失效法蘭中的裂紋在交變應(yīng)力作用下疲勞擴展[8-10]。高倍觀察發(fā)現(xiàn)裂紋表面被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，該腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物。

圖6 裂紋表面低倍形貌

圖7 裂紋表面微觀形貌

圖8 裂紋表面物質(zhì)能譜分析結(jié)果

4 凸臺-法蘭結(jié)構(gòu)有限元分析

有限元分析的目的是為了查找在振動載荷下，凸臺-法蘭結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大位置。對凸臺-法蘭結(jié)構(gòu)進行建模，模型分為凸臺和法蘭兩個部分。法蘭直徑最大的部位簡化為圓柱體結(jié)構(gòu)，凸臺頂面與法蘭連接，底面與管體焊接，因此可將凸臺底面視為模型約束端。凸臺和法蘭材料均為16MnD。

采用SolidWorks軟件對凸臺-法蘭進行實體建模，其幾何模型如圖9所示。將模型導入ANSYS Workbench 14.5軟件劃分網(wǎng)格單元，共計117 103個單元。

圖9 凸臺-法蘭幾何模型圖

16MnD鋼的彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為345 MPa。為了計算管體振動作用下法蘭-凸臺結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，將機械振動載荷簡化為作用于法蘭外表面上的壓力，經(jīng)過計算，該壓力為2.7 kN。將凸臺與法蘭的連接橫截面設(shè)定為固定端，選取法蘭內(nèi)的氣體壓力為8.87 MPa及法蘭外表面上的壓力2.7 kN的載荷下，用有限元方法計算凸臺-法蘭幾何模型上的應(yīng)力。經(jīng)過計算，法蘭-凸臺模型應(yīng)力分布情況如圖10所示。圖10的應(yīng)力分布情況表明，在法蘭內(nèi)的氣體壓力8.87 MPa及法蘭外表面上的壓力2.7 kN載荷的共同作用下，法蘭所受最大應(yīng)力的位置位于法蘭與凸臺連接的焊縫處，即泄漏處，應(yīng)力為208.3 MPa。

圖10 應(yīng)力分布圖

5 綜合分析

根據(jù)以上試驗分析結(jié)果，失效法蘭泄漏處裂紋外表面長度為10 mm，裂紋起源于內(nèi)表面法蘭側(cè)焊趾處。法蘭的化學成分滿足標準要求。失效法蘭焊縫存在錯邊，焊縫兩側(cè)壁厚平均值分別為4.5 mm(法蘭)和5.4 mm(凸臺)，錯邊量為0.9 mm。另外，裂紋從內(nèi)表面焊趾處起裂并沿壁厚方向直線擴展，并未沿焊縫較薄弱的融合區(qū)擴展，說明裂紋擴展時法蘭所受應(yīng)力較大[8]。

據(jù)壓氣站內(nèi)工作人員介紹，計量撬流量計下游直管段運行時振動明顯，且振幅較大，說明法蘭在工作運行過程中所受的外部載荷為氣體壓力和振動載荷。圖4焊縫內(nèi)表面形貌表明，該焊縫內(nèi)表面光潔度不符合要求、焊趾處存在尖角及焊縫存在錯邊，這些因素使內(nèi)表面法蘭側(cè)焊趾處存在較大的應(yīng)力集中，從而使內(nèi)表面法蘭側(cè)焊趾處萌生了疲勞裂紋，隨后在振動載荷的作用下，疲勞裂紋逐漸擴展，最后貫穿焊縫部位的管壁，形成泄漏通道[9]。

有限元分析結(jié)果顯示，模擬管道振動對法蘭-凸臺對接結(jié)構(gòu)的影響，在氣體壓力和振動載荷共同作用下，法蘭所受最大應(yīng)力的位置位于法蘭與凸臺連接的焊縫處，即泄漏部位，應(yīng)力為208.3 MPa。由于泄漏處位于焊縫，是法蘭-凸臺對接結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，該部位存在較大的應(yīng)力集中，所以在受到振動載荷作用時，裂紋容易在此萌生并逐漸擴展[10]。

6 結(jié)論及建議

1)失效法蘭材料的化學成分滿足標準要求。凸臺與法蘭連接處的焊縫存在錯邊、凸臺與法蘭連接處的焊縫內(nèi)表面光潔度不符合要求、焊趾處存在尖角，即凸臺與法蘭連接處的焊縫內(nèi)表面法蘭側(cè)焊趾處存在較大的應(yīng)力集中。

2)失效法蘭在運行服役時所承受的外部載荷是氣體的內(nèi)壓及管道的振動載荷。

3)失效法蘭與凸臺連接處的焊縫產(chǎn)生疲勞裂紋的主要原因是：凸臺與法蘭連接處的焊縫存在錯邊、凸臺與法蘭連接處的焊縫內(nèi)表面光潔度不符合要求、焊趾處存在尖角。失效法蘭運行服役時所承受的管道的振動載荷是該裂紋在焊縫中疲勞擴展并穿透管壁的主要原因。

4)建議檢查失效法蘭所在管道上的振動原因，并對管線實施振動監(jiān)測，減少和消除管道上的振動，并評價振動對其余管件及設(shè)備的影響。

5)改進焊接工藝，提高焊接質(zhì)量，降低法蘭與凸臺連接處焊縫部位的應(yīng)力集中。