引言

       某公司芳烴裝置測溫熱電偶水平安裝在管道上，保護 套 管 插 入 管 道 中 的 深 度 為 450mm， 管 道 內 的 介 質 自下而上地流動。管道內流體介質 ：C8 芳烴 ；操作溫度 ：175℃～ 200℃ ；操作壓力 ：1.9 MPa ～ 2.12MPa ；介質 pH值 7.0。正常情況下只有保護套管外壁與管道內介質接觸，熱電偶不與管道內介質接觸（保護套管損壞時除外）。發生失效后，將熱電偶從裝置上拆卸下來，發現熱電偶保護套管在其根部與法蘭連接處斷裂，如圖 1 所示。斷裂的保護套管已經丟失（估計掉入管道中），僅殘存與法蘭連接處的保護套管根部斷口。

       保護套管的形式為整體棒料鉆孔錐形保護管，材質為 0Cr18Ni10Ti 不銹鋼，外徑根部尺寸 ф22mm，端部尺寸 ф18mm。連接的法蘭規格 PN5.0 DN40 RF HG20617-97，法蘭材質也為 0Cr18Ni10Ti 不銹鋼。

 

1 檢驗分析

1.1 保護套管斷口的宏觀、低倍分析

       熱電偶保護套管的斷口在保護套管根部與法蘭連接處斷口較為平坦，沒有明顯的塑性變形 ；裂紋起源于保護套管根部與法蘭連接處相互對應的兩側，一側的裂紋擴展較快，裂紋擴展區的面積較大，為主裂紋，另一側的裂紋擴展較慢，裂紋擴展區的面積較小，為次裂紋 ；斷口上有裂紋擴展后留下的“海灘狀”疲勞弧線 ；當主、次裂紋擴展相遇時形成的非常后瞬斷區為一個直線條狀區域，如圖 2 所示。如圖 3 所示，使用體式顯微鏡觀察熱電偶保護套管斷口的裂紋源區、裂紋擴展區和瞬斷區。保護套管斷口的裂紋源區分別在其相向對稱的兩側邊緣，裂紋擴展區較為平整、光滑，可見“海灘狀”的疲勞弧線，非常后瞬斷區為一條直線條狀區，是兩側疲勞裂紋擴展的非常后相遇處，斷口表面沒有塑性變形的痕跡，考慮熱電偶長周期運行期間因管道內物料流動產生漩渦脫落所造成的交變應力，根據瞬斷區占斷面的比例不到 1 ／ 10，可以判斷該套管斷口屬于低應力高周疲勞斷口 [1]。由此初步判斷，熱電偶保護套管的斷裂性質為雙向彎曲疲勞斷裂。

1.2 保護套管的金相分析

       將保護套管根部與法蘭連接處的斷口切開，取右側的縱向截面作為金相觀察面。樣品經預磨、拋光、侵蝕后，在顯微鏡下觀察分析。保護套管與法蘭焊接為一體后，經機加工構成了法蘭密封面，如圖 4 所示。

       選擇不同的部位對套管根部斷口處及套管與法蘭焊接部位進行金相分析，如圖 5 所示。熱電偶保護套管的金相組織為單相固溶態奧氏體。圖 5 中的 1、6 處是套管與法蘭的焊接部位，焊縫與套筒及法蘭熔合良好，未見明顯焊接缺陷 ；但在焊縫的底部產生了一條裂紋，與法蘭密封面呈45° 角，向焊縫中擴展，但尚未貫穿法蘭密封面 ；該裂紋走向平直，裂紋尖端較為圓鈍，沒有分叉，具有疲勞裂紋擴展的形態，裂紋是同一條裂紋，即一條環形裂紋，如圖 6（a）和圖 6（f）所示。

       圖 6 中的 2 處是套管斷口的裂紋源 1，裂紋起源于套管外壁表面，基本垂直于套管向內擴展，見圖 6（b）。圖 5中的 3 處是套管斷口的裂紋擴展區，靠近套管中心的熱電偶孔，見圖 6（c）。圖 5 中的 4 處也是套管斷口的裂紋擴展區，靠近套管中心的熱電偶孔 ；但其斷口形態與 3 處差異很大，其原因是受到了主裂紋擴展方向的影響。3 處是主裂紋擴展終止在套管熱電偶孔，而 4 處是主裂紋擴展又重新起始在熱電偶孔，套管熱電偶孔邊緣的塑性變形是外力拉伸作用的結果，如圖 6（d）所示。圖 5 中的 5 處是套管斷口的裂紋源 2 和非常后瞬斷區。

1.3 保護套管斷口電鏡分析

       使用掃描電鏡，對熱電偶保護套管斷口進行微觀分析。在保護套管斷口裂紋源 1 及裂紋擴展區上，可見疲勞裂紋擴展后留下的“輝紋線”；能譜分析表明，保護套管斷口上沒有腐蝕性元素存在。因此，認為保護套管斷口為單純的機械疲勞斷裂，如圖 7 所示。

       在保護套管斷口裂紋源 2、裂紋擴展區及瞬斷區上，可見平坦的裂紋源區和裂紋擴展區。瞬斷區為一個直線條狀區，是裂紋源 1 和裂紋源 2 擴展非常后的相遇處，可見保護套管非常后斷裂時產生的斷裂韌窩，如圖 8 所示。保護套管的疲勞斷裂由套管外壁相對的兩側同時向內擴展，一側擴展較快而另一側較慢，說明套管受到的雙向彎曲疲勞應力是不對稱的，即一側較大，另一側較小。

1.4 分析與討論

       通過對熱電偶保護套管斷口的多項理化分析，確認保護套管的斷裂性質是疲勞斷裂。保護套管水平安插在裝置管道中，呈懸臂梁狀態，其套管根部與法蘭連接處是非常大的彎曲應力處，如圖 9 所示。

       如圖 10 所示，當管道內的介質流動通過保護套管時， 則會在保護套管的背面產生漩渦，任何非流線型物體尾部存在足夠的拖跡邊緣都會產生漩渦脫落，這就是卡門渦列。

       當旋渦從物體兩側周期性交替脫離時，便會在物體上產生周期的升力和阻力，從而導致了流體壓力的大小與方向的變化，非常后引起物體振動 [2]。振動的產生會導致流體介質作用在套管上的應力超過套管上局部應力集中處的承受極限而產生疲勞裂紋，疲勞裂紋一旦產生，則在此交變應力的周期作用下，不斷地擴展直至造成保護套管的折斷。

 

       本案例中，保護套管根部及套管與法蘭焊縫底部均是應力集中區域。因此，在交變應力的作用下，上述地方均產生了疲勞裂紋。由于在保護套管根部產生的疲勞裂紋擴展較快，使得保護套管先發生了斷裂。保護套管受到的交變應力是雙向彎曲應力，但不是完全對稱的，受力較大的一側（套管迎向流體介質側），裂紋擴展較快 ；而受力較小的一側（套管背向流體介質側），裂紋擴展較慢。這樣一來，套管的非常后瞬斷區就沒有在套管的中心部位，而是偏向于套管受力較小的一側。

 

2 結論

       1）熱電偶保護套管材質為奧氏體不銹鋼，其金相組織為固溶態奧氏體。

       2）熱電偶保護套管的斷裂性質為雙向彎曲疲勞斷裂。 

       3）管道中介質對熱電偶保護套管的流體沖擊、湍流而產生的振動，交變應力導致熱電偶保護套管根部即應力集中處，首先產生疲勞裂紋，隨著疲勞裂紋不斷地擴展，非常終造成了熱電偶保護套管的疲勞斷裂。

3 應對措施[2]

為防止熱電偶保護套管斷裂事故的經常發生，提出以下幾種措施。

       1）如圖 11 所示，提高套管阻尼可以降低振動幅值。可在保護套管的插入端增加一個保護圈，其外徑和套管安裝件的外徑相同，起到支撐作用。這樣縮短了懸臂的長度，大大減小了套管尖端的振幅。

       2）通過增大套管外徑，減小套管內徑來提高截面慣性矩，以此增加結構的固有頻率，錯開共振危險區。在不影響響應時間的情況下，增加套管外徑和壁厚，可以達到很好的效果。

       3）熱電偶安裝位置錯開管道彎頭、閥門、節流孔板附近，以防止流體介質速度的擾動，引起異常振動。

       4）改變熱電偶保護套管的橫截面形狀，將保護套管表面加工成流線型，使流體不產生旋渦脫落現象。

       5）減小保護套管的長度能有效提高套管的固有頻率，并提高套管的強度。但縮短多少要看具體情況，原則上不能影響熱電偶的測量精度和響應時間。

 

4 結束語

       在工業生產過程中，溫度是測量和控制的重要參數之一，所以熱電偶保持長周期安全平穩運行至關重要。從目前熱電偶發生故障的類型分析，套管斷裂仍是熱電偶應用過程中非常常見的失效形式 [3]，而熱電偶保護套管斷裂的原因多種多樣。對熱電偶保護套管失效的案例進行分析研究，能夠有針對性地通過科學選材，提高套管阻尼、提高截面慣性矩 ；合理選擇熱電偶的安裝位置和方式，改變套管橫截面形狀，在保證熱電偶的測量精度和響應時間的前提下合理選擇伸出長度等方法，有效避免熱電偶套管斷裂失效的頻繁發生。