武建朝 王龍權(quán) 左世飛 賈武軍 王波

摘要： 針對空分裝置24 mm的06Cr17Ni12Mo2雙金屬溫度計套管在吹掃時發(fā)生的焊縫根部斷裂現(xiàn)象進行了試驗，重點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、共振模擬試驗等方面的內(nèi)容。結(jié)果表明，斷裂原因與焊接沒有太大關(guān)系；主要原因是在吹掃時，由于3支溫度計套管排列在同一條直線上，在吹掃流速不斷變化過程中溫度計套管產(chǎn)生橫向共振和縱向共振，從而誘發(fā)溫度計套管發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞脆斷。后期通過增加溫度計套管的直徑、嚴(yán)格控制吹掃流速來控制共振的發(fā)生，從而消除了斷裂現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞： 溫度計套管； 斷裂； 焊接； 共振

中圖分類號： 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，對化工廠的平穩(wěn)安全運行及物料反應(yīng)控制有著至關(guān)重要的作用，雙金屬溫度計因其測量溫度范圍廣（-200～700 ℃），可適用于蒸汽、氣體、液體等介質(zhì)的溫度測量，在化工生產(chǎn)裝置得到了廣泛應(yīng)用。雙金屬溫度計是將熱敏電阻金屬片制成溫度傳感裝置，安裝在保護套內(nèi)，一端固定在被測介質(zhì)的管路或裝置上，另一端與遠距離的傳感系統(tǒng)相連接。當(dāng)溫度變化時，感溫裝置將溫度變化情況轉(zhuǎn)化為電信號傳導(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，溫度計套管一般采用焊接連接，而溫度計套管焊縫處的斷裂事件也時有發(fā)生。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為24 mm的06Cr17Ni12Mo2金屬溫度計套管，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支溫度計套管垂直等距離并列，安裝在氧氣管道3點鐘位置，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 試驗方法

溫度計套管在試驗前均采用滲透檢測和渦流檢測2種方法進行無損檢測，經(jīng)檢測沒有發(fā)現(xiàn)套管表面和近表面有裂紋瑕疵。針對現(xiàn)場斷裂的溫度計套管，對其化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織、斷口形貌及共振模擬計算進行了分析試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分

為準(zhǔn)確地測出溫度計套管的化學(xué)成分，采用Spectro test txc35 sp-19008735便攜式全定量光譜儀對溫度計套管進行測量，檢測環(huán)境溫度為24 ℃，空氣濕度為38%RH。表1所示為測得的套管材料元素含量。按照GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學(xué)成分》［1］對比分析溫度計套管的化學(xué)成分，對比后發(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

因受到溫度計套管本身尺寸限制，無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，為了真實還原焊縫斷裂情景，在溫度計套管上采用同樣焊接工藝進行堆焊，確保在套管的焊縫根部熱輸入與現(xiàn)場焊縫相當(dāng)，該次試驗共制備沖擊試樣1組6個，試驗采用452D-2（301）型擺錘沖擊試驗機，試驗環(huán)境溫度-196 ℃，空氣濕度42%RH。根據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》［2］進行沖擊試驗，得出表2的沖擊試驗數(shù)據(jù)。從表2試驗數(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，所有試驗數(shù)據(jù)均大于GB 150.4—2011《壓力容器 第4部分 制造、檢驗和驗收》［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沖擊試驗合格指標(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，侵蝕時間5 min”試驗方法，利用Min100金相顯微鏡進行觀察，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)場從氧氣管道上拆下另外2根未斷裂的溫度計套管進行表面檢測，經(jīng)滲透檢測發(fā)現(xiàn)，焊縫根部也存在橫向裂縫，套管斷裂現(xiàn)場及未斷裂的套管表面檢測照片如圖3所示。

后續(xù)吹掃過程中，又發(fā)現(xiàn)2處溫度計套管斷裂。圖4為溫度計套管斷面的宏觀形貌。通過宏觀觀察現(xiàn)場斷裂的套管，端口面整體呈現(xiàn)梅花形斷口，且斷面較為齊平，通過對現(xiàn)場斷裂的套管部位進行綜合測量及對比標(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套管斷裂原因，使用掃描電鏡進行對斷口進行分析，圖5為溫度計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。進一步證實該溫度計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)場有3套空分裝置，斷裂的溫度計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)部流體流速過高或吹掃時同一直線排列的3支溫度計所產(chǎn)生的共振有關(guān)，所以根據(jù)SH/T 3005—2016《石油化工自動化儀表選型設(shè)計規(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合，對溫度計套管應(yīng)依據(jù) ASME PTC 19.3 TW-2016《Thermowells performance test codes》［6］標(biāo)準(zhǔn)做振動頻率及應(yīng)力符合性計算”的要求，對現(xiàn)場安裝的溫度計套管固有頻率、渦流脫落頻率及可能引起保護套管產(chǎn)生共振的情況進行計算。

2.5.1 溫度計套管固有頻率fcn的計算方法

現(xiàn)場使用的溫度計套管為錐體溫度計套管，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，溫度計套管內(nèi)徑為d=7 mm，溫度計套管頂端最小厚度為t≈3 mm，吹掃時，氧氣主管道內(nèi)部流速在5～37 m/s之間，保護套管按照設(shè)計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≈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，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)定的計算方法來完成。

fcn=Hc×fn（1）

Hc=1－0.61A/L1+1.5b/a2（2）

fn=Hf×Ha，f×Ha，s×fa（3）

式中：fcn為溫度計套管焊接完成后的固有頻率；Hc為溫度計套管的彈性修正系數(shù)；fn為溫度計套管自然頻率；Hf為實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為溫度計套管的近似自然頻率。

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

當(dāng)套管為錐形套管時：

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。吹掃時管道溫度約為20 ℃，吹掃管道內(nèi)壓力約為6.0 MPa，此時管內(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。故可計算得出Ha，f≈1.008 9。

Ha，s=1－ρsρm1Da/d2－1（6）

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

fa=1.87522πEIm1L2（7）

式中：I為轉(zhuǎn)動慣量；m為溫度計套管單位長度的質(zhì)量；E為使用溫度下溫度計套管的彈性模量，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 溫度計套管渦旋脫落頻率fs的計算方法

吹掃時管道內(nèi)空氣流速與溫度計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)。溫度計套管插入流體時阻礙流體流動，造成套管兩側(cè)渦旋交替出現(xiàn)，稱為卡門渦街（Karman Vortex Street）。渦旋脫落在溫度計套管上產(chǎn)生橫向振動升力和縱向振動阻力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，發(fā)生共振現(xiàn)象，即：fs=0.5f cn時，發(fā)生縱向共振；當(dāng)fs=f cn時，發(fā)生橫向共振。

通過以上2.5.1和2.5.2計算可看出：f cn=274 Hz，86 Hz≤fs≤651.2 Hz。在吹掃過程中，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程中確實發(fā)生了縱向共振和橫向共振兩種共振現(xiàn)象，另外加上流體通過套管時產(chǎn)生的壓差，使得溫度計套管發(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)該次試驗數(shù)據(jù)及溫度計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，加上流體通過套管時產(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)力無關(guān)。

參考文獻

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

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

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

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

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

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