放空阀法兰焊缝断裂失效原因分析.pdf

２０１５ 年 第 ５ 期Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ２０１５ Ｎｏ畅 ５ 收稿日期２０１４－ １２－ １８ 收修改稿日期２０１５－ ０４－ ２９ 放空阀法兰焊缝断裂失效原因分析 蔡 克，马小芳，李金凤，王亚龙，任继承，黄呈帅 （中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西西安 710077） 摘要针对某压气站压缩机下游放空阀法兰焊缝断裂的情况，采用外观检测、无损检测、化学分析、 金相分析和有限元计算等方法，对该失效法兰进行了失效原因分析。 结果表明该焊缝断裂属于多源 断裂 ，焊缝上部放空装置较重，在较大风力的作用下，在立管焊缝附近产生很大弯曲载荷，内焊趾处产 生应力集中，最终导致裂纹扩展并发生断裂。 结合现场施工和设计情况，提出了防止发生类似事故的 建议。 关键词法兰；断裂；泄漏；金相分析；载荷 中图分类号ＴＥ８ 文献标识码Ｂ 文章编号１００４－ ９６１４（２０１５）０５－ ００２３－ ０４ Failure Analysis of Cracked Flange Welding of Venting Valve ＣＡＩ Ｋｅ，ＭＡ Ｘｉａｏ- ｆａｎｇ ， ＬＩ Ｊｉｎ- ｆｅｎｇ，ＷＡＮＧ Ｙａ- ｌｏｎｇ，ＲＥＮ Ｊｉ- ｃｈｅｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｃｈｅｎｇ- ｓｈｕａｉ （Research In st i t ute of Tubul arGoodso f C N PC， Xi’an 710077，China） Abstract Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｅｘｈａｕｓｔ ｖａｌｖｅ ｆｌａｎｇｅ ｗｅｌｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｓｔａｔｉｏｎ ， ｕｓｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｓｔｉｎｇ， ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ， ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ， ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ， ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌａｎｇｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｗａｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｏｕｒｃｅｓ ，ａｎｄ ｅｍｐｔｙｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ ｏｎ ｔｏｐ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｉｓ ｈｅａｖｙ． Ｇｒｅａｔ ｂｅｎｄｉｎｇ ｌｏａｄ ｉｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｓｔａｎｄ ｐｉｐｅ ｗｅｌｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗｉｎｄ ， ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏ- ｄｕｃｅｄ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｔｏｅ， ｔｈｕｓ ｅｖｅｎｔｕａｌｌｙ ｌｅａｄｉｎｇ ｔｏ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ． Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｏｎ- ｓｉｔｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅ- ｓｉｇｎ， ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｓｉｍｉｌａｒ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ． Key words ｆｌａｎｇｅ；ｃｒａｃｋｅｄ；ｌｅａｋ；ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｌｏａｄｉｎｇ 0 引言 站场与阀室是天然气储存、运输系统中必不可少 的组成部分，其可靠性在很大程度上影响整条管线系 统的安全。 天然气站场和阀室的设备繁多，流程复 杂，工况千差万别（如高温、高压、易燃易爆、强腐蚀和 有毒介质等），法兰连接多，规格杂，结构和制造标准 都有差别，上述各种因素导致法兰潜在失效因素繁 多，泄漏的概率大。 因而加强对法兰连接的密封状 态、应力状态、腐蚀缺陷和裂纹缺陷的检测评价，变事 后维修为事前预防处理，最大程度降低损失，对于管 道安全稳定长期运转，具有十分重要的意义。 1 失效事故概况 ２０１３ 年 １２ 月 ２５ 日中午，新疆某天然气压气站运 行人员在日常巡检过程中，听见异常气流声音并上 报，作业区立即安排值班人员进行全站放空，站场切 换至全越站流程，４０ ｍｉｎ 后，站场压力降低到 ０． ３ ＭＰａ。 经现场排查发现，３＃压缩机出口阀下游管段某 处放空立管与法兰连接焊缝断裂，放空阀和立管掉落 在附近地面，见图 １。 截至 １９００ 完成站场盲板封堵， 压缩机组正常运行。 图 1 掉落的放空阀装置 2 事故调研分析及取样情况 2． 1 事故调研 经调研，该法兰为长颈对焊法兰，连接在 ３＃压缩 机组出口管的放空立管上，规格为 ＮＰＳ１，Ｃｌａｓｓ９００，材 质为 １６Ｍｎ，密封形式为环连接面，制造标准为 ＡＮＳＩ Ｂ １６． ５－ ２００９枟管法兰与法兰管件枠 ［１］ ；放空立管规格为 Φ ３４． ６ ｍｍ ４． ６ ｍｍ，材质为 １６ Ｍｎ，制造标准为 ＧＢ／ Ｔ １５９１－ １９８８枟低合金高强度结构钢枠 ［２］ 。 l２４ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＳｅｐ畅 ２０１５ 发生事故之前，压缩机组均正常运行，天然气出站 压力８． ０～ １０． ０ ＭＰａ。 该天然气管道输送介质为干气，介 质中甲烷含量在 ９０％以上，Ｈ２Ｓ 含量为 １． ７４ ｍｇ／ ｍ ３。 2． 2 其他情况 断裂失效焊缝上部安装有 ｃｌａｓｓ９００ 球阀、节流截 止放空阀各 １ 台，总长约 １． ５ ｍ，质量约 ８５ ｋｇ，连接主 管道规格为 Φ ９１４ ｍｍ ２８ ｍｍ，材质 Ｘ７０，管道走向呈 南北方向。 该地区最高风力可达１１ 级，风向主要为东 西方向，断裂后放空装置掉落在管线东侧。 2． 3 取样情况 此次取样主要在两个部位，一个是断裂后的法兰 一侧，另一个是上部规格相同的法兰及连接管，该部 位下侧法兰颈部变径处有一道长度４９． ８ ｍｍ 的穿透裂 纹，为掉落时摔裂，将 ３ 片法兰及立管按图 ２ 进行编 号，１ 号试样为含断口试样，２ 号试样为上部摔裂法兰 盘，３ 号试样为上部完好法兰盘，４ 号试样为立管。 图 2 含断口法兰及上部连接法兰情况 3 检测与试验 3． 1 宏观检查 首先，对取样的法兰和立管进行了宏观观察，法 兰表面和密封面比较光滑，没有锻造伤痕、裂纹等缺 陷；机加工表面没有毛刺、有害划痕和撞伤；在法兰端 面和焊缝周围发现少量焊渣。 ３＃法兰变径处有穿透 裂纹，为掉落时摔裂。 由此得出宏观检查结论法兰 盘表面基本满足 ＡＮＳＩ Ｂ １６． ５－ ２００９枟管法兰与法兰管 件枠对法兰盘表面要求，焊缝周围发现少量焊渣，３＃法 兰颈部变径处有穿透裂纹，为掉落时摔裂。 3． 2 尺寸和壁厚测量 依据标准主要对法兰本体尺寸进行测量。 法兰 尺寸及短管壁厚测量结论参照 ＡＮＳＩ Ｂ １６． ５－ ２００９ 枟管法兰与法兰管件枠尺寸及公差要求，法兰本体和密 封面尺寸均符合要求；经测量短管壁厚 ４． ６ ｍｍ，内焊 缝高度为 ２． ５～ ３． ０ ｍｍ。 3． 3 无损检测 对３ 处法兰焊缝进行表面渗透检测。 依据标准为 ＪＢ／ Ｔ ４７３０． ４－ ２００５，检测试剂为渗透悬浊液。 对法兰 焊缝检测结果为经渗透悬浊液喷涂着色后，除由于 摔裂导致的穿透裂纹外未发现其他裂纹。 对法兰本体采用超声波检测法，未发现缺陷波显 示，根据 ＪＢ／ Ｔ４７３０． ３－ ２００５ 标准，判定结果为一级。 超 声检测仪为 ＵＳＭ－ ３５Ｘ，探头为单晶直探头，频率为 ５ ＭＨｚ，探头直径为 １４ ｍｍ；扫查灵敏度为二次底波的波 高，波高为满刻度的 ８０％；扫查方式为列线扫查。 3． 4 理化性能测试 对法兰母材、立管和焊缝取样进行化学成分分 析、金相分析、显微硬度分析、扫描电镜断口形貌观察 及能谱分析等试验 ［３］ 。 对法兰本体和立管取样进行 化学成分分析，对法兰焊缝断口进行金相组织分析和 扫描电镜分析，并对完好焊缝进行金相组织分析。 ３． ４． １ 化学成分分析 采用 ＡＲＬ ４４６０ 直读光谱仪，依据 ＧＢ／ Ｔ ４３３６－ ２００２枟碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析 方法枠 对法兰的本体和立管进行了化学成分分析，同 时对比了 ＧＢ／ Ｔ １５９１－ １９８８枟低合金高强度结构钢枠中 对该法兰和短管 １６Ｍｎ 钢的化学成分要求，结果表明， 法兰本体和立管化学成分中锰含量低于标准要求值， 其余元素含量符合标准规定。 ３． ４． ２ 焊缝金相分析 采用 ＭＥＦ４Ｍ 金相显微镜及图像分析系统对法兰 与直管焊缝试样１ 和试样 ３ 进行金相分析。 其中试样 １ 为断口附近焊缝试样，试样 ３ 为上部规格相同的法 兰及直管焊缝。 观察发现，１ 号试样内焊趾处有灰色非金属物质。 内焊趾处有裂纹，裂纹深度 ２． ２７ ｍｍ，裂纹为沿晶特征， 位于热影响区内，详见图 ３～ 图 ５，３ 号试样内焊趾处有 裂纹，靠内表面焊缝有缺陷，缺陷附近有裂纹，裂纹为沿 晶特征，见图 ６。 母材、焊缝、热影响区组织未见异常。 图 3 1 号试样内焊趾裂纹 金相分析表明１ 号试样内焊趾处存在裂纹，深度 ２． ２７ ｍｍ，接近管壁厚一半，怀疑为焊接热裂纹。 ３ 号 第 ５ 期蔡克等放空阀法兰焊缝断裂失效原因分析l２５ 图 4 1 号试样内焊趾裂纹及组织 图 5 1 号试样裂纹及附近组织放大 图 6 3 号试样内焊缝缺陷及裂纹 试样试样缺陷可能为气孔。 ３． ４． ３ 焊缝裂纹断口扫描电镜分析 为了进一步分析断口形貌，对法兰焊缝断口进行了形 貌观察和表面物质能谱分析 ［４］。 图７ 为裂纹源区形貌，图 ８为其他部位内焊趾起裂位置，可以发现该断裂为多源断 裂。 图 7 裂纹源区形貌 图 8 瞬断区内焊趾裂纹源 可以看出，断口表面有明显气流冲刷痕迹，内焊 趾部位为起裂初始位置，管壁中部发现部分韧窝，说 明起裂后裂纹扩展速度较快，在扩展区和瞬断区也发 现内焊趾有裂纹产生，分析应为多源断裂。 焊缝裂纹断面夹杂物能谱分析显示，结果表面夹 杂物含有一定量的 Ｓ 等元素，可能为输送介质引入。 4 有限元计算分析 为了建立有限元模型，对失效管样进行了测量和 称重。 由于阀门及法兰在整个泄压结构中相对于焊 管变形等情况较小，为了方便建模，将阀门和法兰按 照其质量等效为柱状后壁管。 其中该等效体的外径 与法兰盘面的对外径，内径与焊管的内径一致，建成 后的模型如图 ９ 所示。 图 9 有限元建模 实际使用中，整个结构承受了工作内压、重力及 风压。 工作压力为 ８ ＭＰａ。 风载主要作用于泄压系统 上，整个泄压系统均处在迎风面上。 现场最大风级达 到 １１ 级，即每 ｍ ２ 管壁受到近 ５１ ｋｇ 侧向载荷，该载荷 随风速的变化而变化，属于交变载荷 ［５］ 。 由于没有交 变频率及材料的疲劳参数，故该计算选择静载荷，风 向垂直于主管道纵向加载。 风速与风压的关系（以纬 度为 ４５ 的海平面气压及重力环境为参考）为 l２６ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＳｅｐ畅 ２０１５ p＝ ０畅 ５r v ２ ／ g（１） 式中p 为风压，ｋＮ／ ｍ ２；v 为风速，ｍ／ ｓ；g ＝ ９畅 ８ ｍ／ ｓ２；r 为空气重度，r＝ ０畅 ０１２ ２５ ｋＮ／ ｍ ３。 根据计算，若仅考虑泄压装置的受载大小，则在 此静态应力环境下是安全的 ［６］。 但由于侧风的作用， 可以看到泄压系统受到近似悬臂梁弯曲载荷作用。 由于受到侧风随气候、温度等情况变化，使得整个泄 压系统底部受到的是循环载荷的作用。 因此，在泄压 装置的底部，即与主管道连接的钢管受力较泄压装置 其他位置的钢管变形更集中，见图 １０。 若该处钢管存 在缺陷，则极易在缺陷处出现应力集中现象，最终导 致应力集中处出现材料疲劳断裂。 图 10 横向风载局部图 5 结论 综合以上分析，该放空立管与法兰焊缝处内焊趾 多处存在细裂纹。 焊缝上部放空装置较重，在较大风 力的作用下，在立管焊缝附近容易产生很大弯曲载 荷，且内焊缝高度较高，在内焊趾处产生应力集中，这 是法兰焊缝裂纹扩展并断裂的根本原因，此外出站工 作压力波动（８． ０～ １０． ０ ＭＰａ 之间）频繁，对焊缝裂纹的 扩展具有促进作用，最终导致法兰焊缝断裂。 6 结束语 （１）严格按照焊接工艺规程进行焊接，避免出现 内焊缝较高，避免焊接热裂纹、夹杂、未焊透等焊接缺 陷的产生，并保证焊缝各项力学性能满足制造标准要 求 ［７］ 。 （２）联系相关设计单位，对该管线所有站场出站 的放空立管进行应力分析计算，判断是否存在安全隐 患，另外分析是否必要在该处设置放空装置，可否只 保留第一道球阀并连接法兰盖密封。 （３）对该管线其他站场出站的放空立管进行射线 及渗透检测，排除隐患。 参考文献 ［１］ ＡＮＳＩ Ｂ １６． ５２００９ 管法兰与法兰管件． ［２］ ＧＢ／ Ｔ １５９１１９８８ 低合金高强度结构钢． ［３］ 沈轶，陆晓峰． 高温法兰连接系统的失效分析． 润滑与密 封， ２００６（４）１６４－ １６６． ［４］ 崔约贤，王长利． 金属断口分析． 哈尔滨哈尔滨工业大学 出版社，１９９８． ［５］ 吴兴华． 天然气管道法兰断流原因分析． 压力容器， ２０１１ （４）４７－ ５１． ［６］ 谷志刚，凌祥，涂善东，等． 空冷器 Ｃｒ５Ｍｏ 法兰焊缝开裂原 因分析． 物理测试，１９９９（２） ３０－ ３２． ［７］ 费继增． 蒸汽管道法兰泄漏原因分析及对策． 化工设备与 管道， ２０１４（１）４６－ ４８． 作者简介蔡克（１９８６），硕士研究生，工程师，主要研究方向 为油气输送管道风险评价与失效分析。 Ｅ- ｍａｉｌｃａｉｋｅ＠ｃｎｐｃ． ｃｏｍ． ｃｎ （上接第 ２２ 页） 4畅 3 实验结果及结论 通过实验得知温升响应时间为 １５ ｓ；温升稳定时 间为 １ ｍｉｎ１５ ｓ；实验前温度值为＋ ５ ℃；实验过程中温 度变化值为＋ １６ ℃；试验后实测温度值为＋ ２１ ℃。 实 验结果表明管线泄漏监测系统能够敏锐感知到泄漏 导致的温度变化，并且及时从软件中反映出来，达到 了预警的基本要求。 5 结束语 分布式光纤传感技术综合事先安全预警和事后 泄漏预警，提高了海底管道应急响应能力，进一步提 升海底管道完整性管理水平，有利于降低海底管道失 效的环境危害和经济损失。 光纤传感技术综合优势 明显，并具有进一步开发提升的潜力，可在新建海底 管道推广应用，实现全寿命周期监控。 参考文献 ［１］ 刘恩斌，李长俊，梁党国，等． 输油管道泄漏检测技术研究 与应用． 油气储运，２００６，２５（５）４３－ ４４；４８． ［２］ 张智． 负压波检漏技术在输气管线中的应用． 石油化工自 动化，２０１２，４８（２）２３－ ２５． ［３］ 刘毅，周绍骑，刘凯，等． 音波法气体管道泄漏定位影响因 素分析及算法改进． 后勤工程学院学报，２０１３（４）４０－ ４８． ［４］ 张东升，郭丹，罗裴，等． 基于匹配滤波解调的光纤光栅振 动传感器研究． 传感技术学报，２００７（２）３１１－ ３１３． ［５］ 薛军． 输油管道泄漏检测技术与系统设计研究． 中国科技 博览，２０１０，２０（１）６７． ［６］ 李朝阳，马贵阳，刘亮． 埋地输油管道泄漏油品扩散模拟． 油气储运，２０１１，３０（９）６７４－ ６７６。 作者简介只伟（１９８０－ ），工程师，硕士，从事海洋石油工程管 理及仪器仪表研究等工作。 Ｅ- ｍａｉｌｚｈｉｗｅｉ＠ｃｎｏｏｃ． ｃｏｍ． ｃｎ