芳烃装置热电偶保护套管断裂分析及应对措施

胡智翔

（中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086）

0 引言

某公司芳烃装置测温热电偶水平安装在管道上，保护套管插入管道中的深度为450mm，管道内的介质自下而上地流动。管道内流体介质：C8芳烃；操作温度：175℃～200℃；操作压力：1.9 MPa～2.12MPa；介质pH值7.0。正常情况下只有保护套管外壁与管道内介质接触，热电偶不与管道内介质接触（保护套管损坏时除外）。发生失效后，将热电偶从装置上拆卸下来，发现热电偶保护套管在其根部与法兰连接处断裂，如图1所示。断裂的保护套管已经丢失（估计掉入管道中），仅残存与法兰连接处的保护套管根部断口。

保护套管的形式为整体棒料钻孔锥形保护管，材质为0Cr18Ni10Ti不锈钢，外径根部尺寸ф22mm，端部尺寸ф18mm。连接的法兰规格PN5.0 DN40 RF HG20617-97，法兰材质也为0Cr18Ni10Ti不锈钢。

图1 保护套管断裂位置示意图Fig.1 Diagram of the position of the protective casing break

1 检验分析

1.1 保护套管断口的宏观、低倍分析

热电偶保护套管的断口在保护套管根部与法兰连接处断口较为平坦，没有明显的塑性变形；裂纹起源于保护套管根部与法兰连接处相互对应的两侧，一侧的裂纹扩展较快，裂纹扩展区的面积较大，为主裂纹，另一侧的裂纹扩展较慢，裂纹扩展区的面积较小，为次裂纹；断口上有裂纹扩展后留下的“海滩状”疲劳弧线；当主、次裂纹扩展相遇时形成的最后瞬断区为一个直线条状区域，如图2所示。

图2 保护套管断口的宏观形貌（套管根部-法兰处）Fig.2 Macro profile of the protective sleeve opening (sleeve root - flange)

如图3所示，使用体式显微镜观察热电偶保护套管断口的裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区。保护套管断口的裂纹源区分别在其相向对称的两侧边缘，裂纹扩展区较为平整、光滑，可见“海滩状”的疲劳弧线，最后瞬断区为一条直线条状区，是两侧疲劳裂纹扩展的最后相遇处，断口表面没有塑性变形的痕迹，考虑热电偶长周期运行期间因管道内物料流动产生漩涡脱落所造成的交变应力，根据瞬断区占断面的比例不到1／10，可以判断该套管断口属于低应力高周疲劳断口[1]。由此初步判断，热电偶保护套管的断裂性质为双向弯曲疲劳断裂。

图3 保护套管断口的低倍形貌（裂纹源、裂纹扩展区及瞬断区）Fig.3 Low-multiplier appearance of the protective sleeve opening (crack source, crack expansion area and transient zone)

1.2 保护套管的金相分析

将保护套管根部与法兰连接处的断口切开，取右侧的纵向截面作为金相观察面。样品经预磨、抛光、侵蚀后，在显微镜下观察分析。保护套管与法兰焊接为一体后，经机加工构成了法兰密封面，如图4所示。

图4 保护套管断口及金相磨面的低倍形貌Fig.4 Low-fold appearance of protective sleeve break and gold-phase grinding surface

选择不同的部位对套管根部断口处及套管与法兰焊接部位进行金相分析，如图5所示。热电偶保护套管的金相组织为单相固溶态奥氏体。图5中的1、6处是套管与法兰的焊接部位，焊缝与套筒及法兰熔合良好，未见明显焊接缺陷；但在焊缝的底部产生了一条裂纹，与法兰密封面呈45°角，向焊缝中扩展，但尚未贯穿法兰密封面；该裂纹走向平直，裂纹尖端较为圆钝，没有分叉，具有疲劳裂纹扩展的形态，裂纹是同一条裂纹，即一条环形裂纹，如图6（a）和图6（f）所示。

图5 保护套管断口及金相磨面Fig.5 Protective sleeve cut and gold-phase grinding surface

图6中的2处是套管断口的裂纹源1，裂纹起源于套管外壁表面，基本垂直于套管向内扩展，见图6（b）。图5中的3处是套管断口的裂纹扩展区，靠近套管中心的热电偶孔，见图6（c）。图5中的4处也是套管断口的裂纹扩展区，靠近套管中心的热电偶孔；但其断口形态与3处差异很大，其原因是受到了主裂纹扩展方向的影响。3处是主裂纹扩展终止在套管热电偶孔，而4处是主裂纹扩展又重新起始在热电偶孔，套管热电偶孔边缘的塑性变形是外力拉伸作用的结果，如图6（d）所示。图5中的5处是套管断口的裂纹源2和最后瞬断区。

图6 套管断口各处的金相组织Fig.6 Gold-phase organization spline around the tube break

1.3 保护套管断口电镜分析

使用扫描电镜，对热电偶保护套管断口进行微观分析。在保护套管断口裂纹源1及裂纹扩展区上，可见疲劳裂纹扩展后留下的“辉纹线”；能谱分析表明，保护套管断口上没有腐蚀性元素存在。因此，认为保护套管断口为单纯的机械疲劳断裂，如图7所示。

图7 保护套管断口裂纹源1及裂纹扩展区的SEM+EDS Fig.7 SEM+EDS of the protective sleeve break 1 and the crack expansion area

在保护套管断口裂纹源2、裂纹扩展区及瞬断区上，可见平坦的裂纹源区和裂纹扩展区。瞬断区为一个直线条状区，是裂纹源1和裂纹源2扩展最后的相遇处，可见保护套管最后断裂时产生的断裂韧窝，如图8所示。保护套管的疲劳断裂由套管外壁相对的两侧同时向内扩展，一侧扩展较快而另一侧较慢，说明套管受到的双向弯曲疲劳应力是不对称的，即一侧较大，另一侧较小。

1.4 分析与讨论

通过对热电偶保护套管断口的多项理化分析，确认保护套管的断裂性质是疲劳断裂。保护套管水平安插在装置管道中，呈悬臂梁状态，其套管根部与法兰连接处是最大的弯曲应力处，如图9所示。如图10所示，当管道内的介质流动通过保护套管时， 则会在保护套管的背面产生漩涡，任何非流线型物体尾部存在足够的拖迹边缘都会产生漩涡脱落，这就是卡门涡列。当旋涡从物体两侧周期性交替脱离时，便会在物体上产生周期的升力和阻力，从而导致了流体压力的大小与方向的变化，最后引起物体振动[2]。振动的产生会导致流体介质作用在套管上的应力超过套管上局部应力集中处的承受极限而产生疲劳裂纹，疲劳裂纹一旦产生，则在此交变应力的周期作用下，不断地扩展直至造成保护套管的折断。

图8 保护套管断口裂纹源2及裂纹扩展区、瞬断区的SEM Fig. 8 SEM of the crack source of the protective sleeve break 2 and the crack expansion area and the transient zone

图10 卡门涡列Fig.10 Carmen vortex

本案例中，保护套管根部及套管与法兰焊缝底部均是应力集中区域。因此，在交变应力的作用下，上述地方均产生了疲劳裂纹。由于在保护套管根部产生的疲劳裂纹扩展较快，使得保护套管先发生了断裂。保护套管受到的交变应力是双向弯曲应力，但不是完全对称的，受力较大的一侧（套管迎向流体介质侧），裂纹扩展较快；而受力较小的一侧（套管背向流体介质侧），裂纹扩展较慢。这样一来，套管的最后瞬断区就没有在套管的中心部位，而是偏向于套管受力较小的一侧。

2 结论

1）热电偶保护套管材质为奥氏体不锈钢，其金相组织为固溶态奥氏体。

2）热电偶保护套管的断裂性质为双向弯曲疲劳断裂。

3）管道中介质对热电偶保护套管的流体冲击、湍流而产生的振动，交变应力导致热电偶保护套管根部即应力集中处，首先产生疲劳裂纹，随着疲劳裂纹不断地扩展，最终造成了热电偶保护套管的疲劳断裂。

图9 保护套管安装结构示意图Fig.9 Diagram of the protective casing installation structure

3 应对措施[2]

为防止热电偶保护套管断裂事故的经常发生，提出以下几种措施。

图11 保护套管保护图Fig.11 Protective casing protection diagram

1）如图11所示，提高套管阻尼可以降低振动幅值。可在保护套管的插入端增加一个保护圈，其外径和套管安装件的外径相同，起到支撑作用。这样缩短了悬臂的长度，大大减小了套管尖端的振幅。

2）通过增大套管外径，减小套管内径来提高截面惯性矩，以此增加结构的固有频率，错开共振危险区。在不影响响应时间的情况下，增加套管外径和壁厚，可以达到很好的效果。

3）热电偶安装位置错开管道弯头、阀门、节流孔板附近，以防止流体介质速度的扰动，引起异常振动。

4）改变热电偶保护套管的横截面形状，将保护套管表面加工成流线型，使流体不产生旋涡脱落现象。

5）减小保护套管的长度能有效提高套管的固有频率，并提高套管的强度。但缩短多少要看具体情况，原则上不能影响热电偶的测量精度和响应时间。

4 结束语

在工业生产过程中，温度是测量和控制的重要参数之一，所以热电偶保持长周期安全平稳运行至关重要。从目前热电偶发生故障的类型分析，套管断裂仍是热电偶应用过程中最常见的失效形式[3]，而热电偶保护套管断裂的原因多种多样。对热电偶保护套管失效的案例进行分析研究，能够有针对性地通过科学选材，提高套管阻尼、提高截面惯性矩；合理选择热电偶的安装位置和方式，改变套管横截面形状，在保证热电偶的测量精度和响应时间的前提下合理选择伸出长度等方法，有效避免热电偶套管断裂失效的频繁发生。