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某石化裝置循環(huán)水管道為準(zhǔn)備中交而引人循環(huán)水進(jìn)行裝置運(yùn)行調(diào)試，裝置循環(huán)水管道雙金屬溫度計(jì)保護(hù)套管運(yùn)行5天即發(fā)生保護(hù)套管斷裂，影響了裝置開(kāi)工。
該循環(huán)水管道為廠區(qū)總管進(jìn)人裝置的一級(jí)支管，埋地鋪設(shè)，運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)較大，伴有較大的噪聲，管道閥門(mén)為緩開(kāi)、緩閉操作方式。該管道溫度測(cè)點(diǎn)位于總閥后6 m處，雙金屬溫度計(jì)安裝在管道上部的套管座上，保護(hù)套管與法蘭采用角焊縫連接，安裝及斷裂部位見(jiàn)圖1。循環(huán)水操作溫度為28 OC，操作壓力為0，4 MPa，水管規(guī)格為  00 mm><l() mmo溫度計(jì)套管采用316不銹鋼材質(zhì)及焊接，套管實(shí)際插人長(zhǎng)度為418 mm（設(shè)計(jì)資料要求套管插人長(zhǎng)度為400 (m)，直徑為20 mm, 孔徑為11 mm，制造質(zhì)量和無(wú)損探傷檢測(cè)均合格。
循環(huán)水管道雙金屬溫度計(jì)保護(hù)套管斷裂原因分析：
1檢測(cè)與分析
對(duì)溫度計(jì)保護(hù)套管斷裂樣品進(jìn)行了宏觀檢查、成分分析、硬度測(cè)定、金相組織、掃描電鏡等檢測(cè)。
1.1宏觀檢查與分析
溫度計(jì)套管斷裂于套管與法蘭連接角焊縫的套管側(cè)熔合線上，斷口宏觀形貌見(jiàn)圖2。套管外觀無(wú)明顯缺陷，整體無(wú)塑性變形，無(wú)腐蝕痕跡和裂紋。斷口邊緣外側(cè)直徑方向有多處放射狀的棱線，長(zhǎng)1一2 mm，均指向套管中部的后瞬斷區(qū)。斷口中裂紋擴(kuò)展區(qū)基本以后瞬斷區(qū)為中心，呈現(xiàn)基本對(duì)稱形態(tài)，這部分表面呈細(xì)瓷狀，無(wú)金屬光澤。瞬斷區(qū)有明顯塑性變形痕跡，呈帶狀，寬1、 2 mm，并穿過(guò)套管軸心，與循環(huán)水流向垂直。裂紋擴(kuò)展區(qū)范圍較大，瞬斷區(qū)較小。檢查結(jié)果表明，熱電偶套管斷裂不是應(yīng)力越限造成的，但角焊縫的套管側(cè)熔合線是流體作用在套管上的彎矩大處和焊接接頭的薄弱處。
1. 2硬度、成分、金相檢測(cè)與分析
套管、法蘭、焊縫成分分析結(jié)果符合材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)成分要求。套管、法蘭、焊縫及熱影響區(qū)的維氏硬度值均小于200HV30，符合316sS材料標(biāo)準(zhǔn)要求。套管、法蘭和焊縫金相組織分析結(jié)果為：焊縫為柱狀?yuàn)W氏體組織，焊縫熔合線輪廓清晰；法蘭為均勻奧氏體組織，晶粒度3級(jí)；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(jié)果未見(jiàn)異常。以上檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明套管的制造、安裝均無(wú)質(zhì)量問(wèn)題。
l . 3斷口微觀分析
采用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行微觀檢查。斷口表面無(wú)腐蝕及微裂紋，斷口擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)明顯的脆性準(zhǔn)解理形貌。斷口邊緣有多處微觀夾雜物缺陷，典型的一處夾雜物見(jiàn)圖3，斷口形貌特征表明，裂紋源萌生于套管外側(cè)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(yīng)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(kuò)展區(qū)有眾多排列較有規(guī)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、2，斷口中裂紋擴(kuò)展區(qū)范圍較大，瞬斷區(qū)較小，均表明套管承受載荷頻率很高，應(yīng)力處于較低水平，遠(yuǎn)低于疲勞極限。由于裂紋源數(shù)目較多，套管表面又受到多方向彎曲應(yīng)力的作用，使斷口表面有較多的裂紋源，擴(kuò)展平面相交而形成的棱線〖2〗。
利用能譜儀對(duì)套管斷口處成分進(jìn)行分析，未見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物。
2分析討論與結(jié)論
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該溫度計(jì)保護(hù)套管除長(zhǎng)度增加了18 mm，其他均符合設(shè)計(jì)要求和雙金屬溫度計(jì)保護(hù)套管的安裝要求，檢測(cè)結(jié)果也表明，套管的制造、安裝無(wú)質(zhì)量問(wèn)題。但該保護(hù)套管仍然發(fā)生了高周疲勞斷裂，表明該循環(huán)水管道工況安裝這種保護(hù)套管并不能滿足使用要求。
下面就此問(wèn)題進(jìn)行分析。
2．1熱電偶保護(hù)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(jì)套管斷裂的主要原因。由于圓柱形保護(hù)套管處于流體中，會(huì)在套管下游產(chǎn)生漩渦脫落效應(yīng)；由于旋渦的產(chǎn)生是以一定的頻率交替脫落的，因此在圓柱面上產(chǎn)生交變的橫向力。當(dāng)這個(gè)交變橫向力與圓柱的固有頻率相等時(shí)，就會(huì)引發(fā)套管振動(dòng)，當(dāng)套管固有頻率和流體旋渦脫落頻率接近或一致時(shí)，可產(chǎn)生共振現(xiàn)象。此時(shí)，套管圓柱面產(chǎn)生流體方向的反復(fù)彎曲應(yīng)力，套管表面的微觀缺陷可成為疲勞裂紋源，裂紋將向垂直于流體方向的套管中部軸線擴(kuò)展。這種共振可導(dǎo)致熱電偶套管的加速損壞斷裂。
2）工況條件
該循環(huán)水管道有振動(dòng)并伴有較大的噪聲，而在附近地面的二級(jí)支管振動(dòng)更大，部分雙金屬溫度計(jì)表殼已碎裂，同時(shí)發(fā)出較大的噪聲。這是山于管道原為空管，運(yùn)行初期時(shí)管道中存有一定量的氣相，與循環(huán)水混合后形成氣液兩相流，引起振動(dòng)和噪聲，而套管原設(shè)計(jì)條件是在單項(xiàng)條件下運(yùn)行。在管道工藝操作流速下，經(jīng)過(guò)支管三通和閥門(mén)時(shí)的紊流作用，可將管道中氣液流體形成細(xì)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(xì)泡的兩相流主要位于管道上部，含氣率較低。該溫度計(jì)安裝在一級(jí)支管總閥后6 m 處，使溫度計(jì)套管受到支管三通和閥門(mén)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(dòng)。
3）熱電偶保護(hù)套管振動(dòng)計(jì)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(yīng)使溫度計(jì)套管的固有頻率與流體的旋渦脫落頻率人滿足一定的關(guān)系，文獻(xiàn)〖5〗中規(guī)定：不/六< 0，8。下面對(duì)溫度計(jì)套管的固有頻率與旋渦脫落頻率六進(jìn)行計(jì)算。
套管固有頻率的計(jì)算見(jiàn)公式（1)。
o）
式中： 套管的固有頻率，I-Iz；入 振動(dòng)系數(shù)，取L 875； L 套管插人深度，m；
E一一一套管材料在使用溫度下的彈性模量，
P 套管材料的密度，kg/ m； 套管根部的橫截面積，m
套管的固有頻率與套管材質(zhì)、厚度和插人深度密切相關(guān)。該溫度計(jì)套管的固有頻率一 75．3 Hzo
流體漩渦脫落產(chǎn)生的頻率不的計(jì)算見(jiàn)公式（2）。
     TP    （2）
式中：丆w 漩渦振動(dòng)頻率，Hz；
StTP 氣液兩相斯特羅哈數(shù)； 流體流速，m s；
DA 圓柱體平均直徑，m。
流體漩渦脫落產(chǎn)生的頻率不與圓柱體的直徑DA和流速有關(guān)，根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)不同部分取不同的流速，一般一級(jí)支管流速可取2．5 m/st6) 該管道循環(huán)水的雷諾數(shù)經(jīng)計(jì)算可達(dá)到1. 4 × 106，屬于超臨界區(qū)范圍。
這里需要說(shuō)明的是：如何對(duì)氣液兩相斯特羅哈數(shù)&進(jìn)行取值。對(duì)于單相流體，一般通過(guò)流體雷諾數(shù)和紊流強(qiáng)度來(lái)獲取斯特羅哈數(shù) &，一般情況下，該管道的循環(huán)水的斯特羅哈數(shù)
&“可取值0，45m。此外，氣液兩相斯特羅哈數(shù) &還與流體截面含氣率呈線性關(guān)系，直線的斜率與雷諾數(shù)有關(guān)，依據(jù)文獻(xiàn)計(jì)算，氣液兩相流體斯特羅哈數(shù)&與單相流體斯特羅哈數(shù)&比值可以達(dá)到1. 2左右，故該循環(huán)水管道的氣液兩相流體的斯特羅哈數(shù)& = 0 • 45 × 1，2 = 0，544
因此該管道中兩相流體狀態(tài)的漩渦脫落頻率人為67，5 Hzo
故斷裂工況條件下，六/六一67，5 / 75．3一 0．9 > 0，8。不符合不/不<上8的標(biāo)準(zhǔn)要求。所以該套管不能滿足斷裂工況條件，將會(huì)造成溫度計(jì)套管的疲勞斷裂。按照套管運(yùn)行5天發(fā)生斷裂及漩渦產(chǎn)生的頻率。
此外，當(dāng)管道中流體狀態(tài)為單相流時(shí)，基于當(dāng)前套管的工作條件，漩渦脫落頻率不降為56，3 Hz，與溫度計(jì)套管固有頻率比值降為0、75 <0，8，基本能滿足人/ < 0，8的標(biāo)準(zhǔn)要求。
4）    應(yīng)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(yīng)力，該處角焊縫截面發(fā)生變化存在輕微的應(yīng)力集中現(xiàn)象，以套管側(cè)熔合線處（即斷裂處）高。焊接殘余拉應(yīng)力與流體產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力疊加，在套管根部形成流體方向的交變應(yīng)力，作用在微觀缺陷處形成疲勞源導(dǎo)致開(kāi)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(cuò)激活能較小，材料表面和微觀缺陷處容易在疲勞過(guò)程中出現(xiàn)晶?；茙?，而套管角焊縫熔合線區(qū)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(guò)分析，溫度計(jì)保護(hù)套管插人流體中可
引發(fā)套管振動(dòng)。在現(xiàn)有套管規(guī)格條件下，實(shí)際套
管長(zhǎng)度的增加與管道中兩相流的作用，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(dá)到超高周疲勞條件，交變應(yīng)力作用在套管懸臂梁根部即角焊縫套管側(cè)熔合線的薄弱部位上，終產(chǎn)生超高周疲勞斷裂。