案例K630蒸汽管道缺陷解剖與評(píng)定

1、案例K直縫大口徑蒸汽管道焊縫缺陷解剖及評(píng)估摘 要： 對(duì)某石化公司長(zhǎng)約4500m的直縫大口徑（直徑為630mm）蒸汽管道進(jìn)行缺陷解剖分析，結(jié)論為焊接冷裂紋。從“合乎使用”原則出發(fā)，采用壓力管道缺陷評(píng)定規(guī)范確定了管道環(huán)焊縫和軸向直焊縫中允許存在的最大缺陷尺寸，并對(duì)管道中的超標(biāo)缺陷進(jìn)行評(píng)定。關(guān)鍵詞：壓力管道 裂紋 缺陷評(píng)定 K1. 概述某石化公司由電廠至煉油廠的大直徑（630mm）蒸汽管道于1998年4月投用，2001年對(duì)該管道進(jìn)行保溫更換與支吊架調(diào)整時(shí)抽查了部分管道環(huán)焊縫，發(fā)現(xiàn)較嚴(yán)重的缺陷。為此，擴(kuò)大無(wú)損檢測(cè)比例，對(duì)184條環(huán)焊縫（約占整條管線環(huán)縫總數(shù)的9%），77條縱縫（約占縱縫總長(zhǎng)的4%）進(jìn)行

2、射線檢測(cè)。探傷結(jié)果表明，自動(dòng)焊的縱縫中缺陷很少，而手工焊固定焊口的環(huán)縫中幾乎均有超標(biāo)缺陷，彎頭兩端焊縫一般為固定焊口，又是應(yīng)力（尤其是彎曲應(yīng)力）集中處，因而對(duì)管道的安全運(yùn)行形成隱患，為此對(duì)帶有縱、環(huán)焊縫的編號(hào)為P19-3和P35-8的兩段管道進(jìn)行解剖。蒸汽管道技術(shù)參數(shù)為：管道材質(zhì)為20鋼直縫卷焊管，其尺寸為f630´10 mm、設(shè)計(jì)溫度350、設(shè)計(jì)壓力1.27MPa。K2. 焊縫缺陷檢測(cè)結(jié)果經(jīng)RT評(píng)片，含超標(biāo)缺陷環(huán)焊縫共159條，縱焊縫共11條。其中約有110條環(huán)縫缺陷嚴(yán)重，且7條環(huán)縫和2條縱縫中存在裂紋，如表K1所示。表K1 射線探傷評(píng)片結(jié)果為裂紋的底片及裂紋尺寸一覽表序號(hào)焊縫編號(hào)

3、底片號(hào)裂紋尺寸備注1P19-2(環(huán)縫)145-175130×3.5175-200-0-560×3.52P19-3(環(huán)縫)195-200-0-2550×2.5150-18045×2.0175-200-0-545×2.5、45×2.53P23-4(環(huán)縫)195-200-0-25弧坑裂紋4P28-3(環(huán)縫)190-200-0-2580×2.05P31-7(環(huán)縫)195-200-0-2565×3.5170-200-065×3.56P35-8(環(huán)縫)0-3030×4.522-5530×4.5、1

4、0×2.5175-200-0-590×2.57P42-3(環(huán)縫)200-0-30弧坑裂紋175-200-0-5弧坑裂紋8Z9-1-A1(縱縫)9-12010×0.5貼板角焊縫裂紋9P15-7A(縱縫)0-309×1.5本次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)最多的缺陷為未焊透，嚴(yán)重的至少半圈以上環(huán)縫含3.5mm深的未焊透，最嚴(yán)重的是2269-4焊縫，近似整圈為3.5mm深的未焊透，且有超過(guò)周長(zhǎng)40%的焊縫中未焊透的深度達(dá)56mm。K3. 含嚴(yán)重缺陷管道環(huán)焊縫解剖分析K3.1 解剖管道環(huán)焊縫缺陷總體概況編號(hào)為P19-3（A）和P35-8（B）兩段管道的環(huán)縫中大部分存在根部未焊透，局部

5、有裂紋，經(jīng)PT檢查，管道焊縫內(nèi)表面存在錯(cuò)邊、凹陷。經(jīng)著色滲透探傷檢察外表面沒(méi)有裂紋。表K2 P19-3和P35-8管道超標(biāo)缺陷焊縫編號(hào)底片編號(hào)缺陷性質(zhì)長(zhǎng)度×寬度mm級(jí)別P19-3195-200-0-25裂紋、未焊透裂紋50×2.5,未焊透310×3.520-50未焊透260×2.550-80未焊透360×2.580-110未焊透12×2.5100-130夾渣、凹130-160未焊透360×3.5150-180裂紋、未焊透裂紋45×2.0，未焊透310×3.5175-200-0-5裂紋、未焊透裂紋45

6、15;2.5，未焊透310×3.5P35-80-30未焊透+裂紋、未焊透裂紋30×4.5，未焊透360×2.525-55未焊透+裂紋、未焊透裂紋30×4.5、10×2.5、未焊透100×2.555-85未焊透150×2.085-115未焊透、凹140×1.5105-135凹130-160未焊透、凹45×2.5150-180未焊透180×2.0, 45×2.5175-200-0-5未焊透+裂紋、未焊透裂紋90×4.5未焊透360×2.5K3.2 管道環(huán)焊縫缺陷解剖結(jié)果

7、將兩道環(huán)縫沿圓周方向以50mm間距截取剖面，檢查發(fā)現(xiàn)焊接接頭上的凹陷加上未焊透幾乎遍及整條焊縫，其中裂紋都是在未熔合部位或由未焊透部位啟裂。焊縫處存在較嚴(yán)重的錯(cuò)邊，內(nèi)壁最大錯(cuò)邊量達(dá)6.0mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出GB50235-97工業(yè)金屬管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范的規(guī)定：“管道對(duì)接焊口應(yīng)做到內(nèi)壁齊平，鋼制管道內(nèi)壁錯(cuò)邊量不宜超過(guò)壁厚的10，且不大于2mm”。典型的缺陷宏觀形貌照片如圖K1。 (a). 內(nèi)壁錯(cuò)邊、內(nèi)凹、未焊透 (b). 未焊透引發(fā)的裂紋、氣孔圖K1 環(huán)焊縫中的錯(cuò)邊、未焊透、氣孔等缺陷裂紋從焊縫根部未焊透引發(fā)，垂直穿過(guò)焊縫向外壁擴(kuò)展。K3.3 焊縫缺陷微觀形貌分析圖K2為裂紋尖端的形貌，從圖中可以

8、看出，裂紋均呈穿晶擴(kuò)展，裂尖圓鈍，裂紋沒(méi)有明顯分叉特征。裂紋基本上沿垂直于壁厚的方向由內(nèi)側(cè)向外側(cè)擴(kuò)展。斷口表面凸凹不平，靠近內(nèi)表面處有銹蝕，壁厚沒(méi)有減薄，沒(méi)有明顯的塑性變形，呈脆性斷裂特征。圖K3是斷口形貌，從腐蝕較輕微處可看到解理斷裂特征，說(shuō)明是脆性斷裂。圖K2 焊縫裂尖形貌 100×圖K3 斷口表面的解理斷裂形 200× 圖K4 斷口表面腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果K3.4 斷口表面腐蝕產(chǎn)物分析圖K4為斷口能譜分析曲線，結(jié)果表明斷口腐蝕產(chǎn)物中含氧42.66%（體積百分比）、硅0.28%、錳1.04%、鐵56.02%。K3.5 焊縫中裂紋類(lèi)型判別從裂紋的擴(kuò)展和形貌來(lái)看，裂紋均啟

9、裂于焊縫根部未焊透或未熔合處，但其并未沿著焊縫熱影響區(qū)粗晶部位擴(kuò)展，且未發(fā)現(xiàn)疲勞擴(kuò)展的跡象。該蒸汽管線因?yàn)檩^長(zhǎng)（約4.5km），不發(fā)生明顯振動(dòng)。另外，管內(nèi)壓力較低，即使操作工況有波動(dòng)，但引起的交變應(yīng)力幅也較小，故排除在使用過(guò)程中裂紋疲勞擴(kuò)展的可能性。裂紋面上的腐蝕產(chǎn)物中也只發(fā)現(xiàn)了氧元素，根據(jù)分析推斷腐蝕產(chǎn)物為鐵銹層，因不存在堿元素等有害元素，故排除應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞引發(fā)裂紋的可能性，且碳鋼的氧腐蝕為均勻腐蝕加點(diǎn)蝕，也不引發(fā)裂紋。為此，可以認(rèn)為評(píng)定焊縫中的裂紋屬于制造裂紋。對(duì)照焊接接頭裂紋分布形態(tài)圖1，可以認(rèn)為本文分析的蒸汽管道對(duì)接焊縫中的裂紋為冷裂紋，即在焊接冷卻之后發(fā)生的開(kāi)裂，因而在管道安裝

10、施工進(jìn)行的焊縫質(zhì)量抽檢并不一定會(huì)發(fā)現(xiàn)這些裂紋，因?yàn)檫@些裂紋有可能在管道安裝全部完畢甚至投用之后才產(chǎn)生。產(chǎn)生焊接冷裂紋的原因來(lái)自三方面因素：焊條烘干不充分、管道系統(tǒng)應(yīng)力過(guò)大、焊縫根部未焊透和錯(cuò)邊缺陷引起過(guò)大的應(yīng)力集中。滿足這些條件后就有可能在焊縫根部未焊透處引發(fā)裂紋，并且裂紋沿?zé)嵊绊憛^(qū)擴(kuò)展后轉(zhuǎn)向焊縫內(nèi)部在與最大拉應(yīng)力垂直方向向管外壁擴(kuò)展。只是20號(hào)鋼的可焊性好，一般不會(huì)出現(xiàn)冷裂紋。圖K1所示管道對(duì)接焊縫裂紋形貌照片清楚地說(shuō)明，這些裂紋均始發(fā)于焊縫根部未焊透處，而且圖示的未焊透根部均較尖銳、應(yīng)力集中大。K4. 材料化學(xué)成份分析及力學(xué)性能測(cè)試化學(xué)成份分析及拉伸、沖擊、硬度及冷彎實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，管道母材

11、及焊縫的成分和力學(xué)性能均符合20鋼的標(biāo)準(zhǔn)，且焊縫材料無(wú)異常。K5. 管道缺陷評(píng)定K5.1 缺陷初級(jí)評(píng)定 對(duì)630蒸汽管道焊縫中存在的超標(biāo)缺陷，首先采用美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API STD 1104焊接管道及有關(guān)附件標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行篩選，170條焊縫中的超標(biāo)缺陷有約80條焊縫通過(guò)初級(jí)評(píng)定。余下的90條焊縫必須采用更高級(jí)的缺陷評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定，其中環(huán)焊縫88條，縱焊縫2條。K5.2 用ASME規(guī)范對(duì)630蒸汽管道缺陷進(jìn)行安全評(píng)定本次在評(píng)定時(shí)將焊縫中的未焊透缺陷處理成根部未焊透，且以焊縫中的最大缺陷自身高度作為該焊縫累計(jì)缺陷的自身高度，即使是非連續(xù)的未焊透也將它們合并為一連續(xù)的等自身高度的未焊透。 最嚴(yán)

12、重缺陷近似為整圈含3.5mm深的未焊透，其中累計(jì)長(zhǎng)度超過(guò)周長(zhǎng)40的焊縫中的未焊透深度達(dá)到56mm。從保守角度出發(fā)，將該缺陷簡(jiǎn)化成整圈、等深（自身高度a6mm）的面型缺陷進(jìn)行評(píng)定。K5.2.1 ASME管道缺陷評(píng)定規(guī)范簡(jiǎn)介美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ANSI/AMSE B31.1動(dòng)力管道和B31.3化工廠和煉油廠管道是國(guó)際上最有影響的管道設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)材料的許用應(yīng)力、安全系數(shù)、應(yīng)力校核方法、設(shè)計(jì)方法和施工驗(yàn)收等工作都作了詳細(xì)規(guī)定。在此基礎(chǔ)上ASME鍋爐壓力容器規(guī)范第XI卷及規(guī)范案例中給出了一些在役含缺陷管道的驗(yàn)收準(zhǔn)則和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。面型缺陷評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)有IWB-3650及附錄H、IWB-3640及附錄C、規(guī)范案例N-49

13、4及N-463-1。腐蝕凹坑減薄缺陷評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)有N-4804。K5.2.2 630管道允許環(huán)向缺陷尺寸 以該焊縫所在管段中最大可能應(yīng)力作為評(píng)定焊縫處的應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定。即評(píng)定的焊縫為最大應(yīng)力、最長(zhǎng)及最深缺陷的最苛刻組合狀態(tài)。(1). 評(píng)定時(shí)外加載荷估算及最大可能應(yīng)力分析 本次630蒸汽管線評(píng)定時(shí)，采用材料在350時(shí)的屈服應(yīng)力作為焊縫處的應(yīng)力。(2). 含超標(biāo)缺陷焊縫可能的失效模式判別 含缺陷管道焊縫可能有三種不同的失效模式： 脆性斷裂失效、撕裂失穩(wěn)擴(kuò)展失效、塑性失穩(wěn)失效。 由ASME規(guī)范IWB-3650附錄H，根據(jù)計(jì)算可以確定焊縫潛在的失效模式為韌性撕裂失穩(wěn)擴(kuò)展失效，應(yīng)采用彈塑性斷裂力學(xué)方法進(jìn)行分析

14、與安全評(píng)定。(3). 彈塑性斷裂分析評(píng)定根據(jù)ASME規(guī)范IWB-3650及附錄H的方法，將管道缺陷的彈塑性斷裂分析評(píng)定采用載荷因子的方法轉(zhuǎn)化為由極限載荷控制的塑性失穩(wěn)失效評(píng)定。采用ASME規(guī)范推薦的通用Z因子計(jì)算公式，得Z2.083。仍取評(píng)定時(shí)的應(yīng)力為sm+sb =sy（sm、sb分別為評(píng)定焊縫處的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力），外加荷載與許用應(yīng)力的比值為(sm+sb)/ s=1.761，結(jié)合載荷因子Z=2.083，并對(duì)外加載荷取1.0的安全系數(shù)，由ASME第XI卷的附錄H查得整圈未焊透時(shí)的許可缺陷深度為a/t<0.14，則許可最大缺陷深度為1.4mm。因而，深度為6.0mm的整圈未焊透缺陷是不允

15、許存在的。由于f630×10mm蒸汽管段R/t=31.0,類(lèi)似于壓力容器，故ASME規(guī)范IWB-3650的評(píng)定結(jié)果過(guò)于保守（該規(guī)范一般適用于R/t=520），為此改用英國(guó)R/H/R6有缺陷結(jié)構(gòu)完整性規(guī)程評(píng)定進(jìn)行評(píng)定，即采用失效評(píng)定圖（FAD）技術(shù)進(jìn)行含缺陷壓力管道的安全評(píng)定。K5.3 用失效評(píng)定圖技術(shù)（FAD）進(jìn)行630蒸汽管道的許可缺陷尺寸確定由射線探傷結(jié)果可以看出，除少數(shù)幾個(gè)環(huán)縫外，絕大多數(shù)焊縫的缺陷均為小于整圈3.5mm深的未焊透。為此，現(xiàn)對(duì)整圈3.5mm深的未焊透進(jìn)行評(píng)定。（1） 應(yīng)力估算環(huán)焊縫上載荷引起的最大應(yīng)力仍假設(shè)達(dá)到350下材料的屈服應(yīng)力，即，焊接殘余應(yīng)力取sr= 。

16、（2） 失效評(píng)定圖及評(píng)定曲線適用于管道的各種缺陷評(píng)定規(guī)范中的失效評(píng)定曲線（FAC）有多條，圖K5為適用于管道的各種缺陷評(píng)定規(guī)范中的失效評(píng)定曲線。該圖中共有7條不同的失效評(píng)定曲線，有些曲線橫坐標(biāo)計(jì)算公式完全相同，但也有曲線在定時(shí)需要采用不同的橫坐標(biāo)公式。 圖K5 各種管道缺陷評(píng)定規(guī)范中的失效評(píng)定曲線曲線1為1992年12月ASME code case N-494評(píng)定規(guī)范中給出的鐵素體材料管道軸向缺陷評(píng)定曲線；曲線2為1990年12月ASME code case N-494中鐵素體材料管道周向缺陷評(píng)定曲線；曲線3為英國(guó)中央電力局R6含缺陷結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（1986年第三版）中選擇1失效評(píng)定曲線；

17、曲線4為1986年10月EPRI NP-4824M中關(guān)于核管道缺陷評(píng)定曲線；曲線5為ASME鍋爐壓力容器規(guī)范第XI卷中IWB-3650的背景介紹,取自SMiRT11 VOL.G；曲線6為ASME code case N-494于94年擴(kuò)展的奧氏體材料管道分段FAC,取自95年ASME會(huì)議論文集 PVP-304（3）管道環(huán)焊縫最大允許缺陷尺寸評(píng)定結(jié)果表明焊縫中允許保留3.5mm深的整圈未焊透，安全系數(shù)取決于含缺陷焊縫處工作應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力的具體數(shù)值。（4）管道縱縫最大允許缺陷尺寸縱焊縫中的應(yīng)力為：焊接殘余應(yīng)力取運(yùn)行溫度下的材料的屈服應(yīng)力。在評(píng)定失效圖（FAD）上評(píng)定點(diǎn)的橫坐標(biāo)為：在FAD圖（圖

18、K5）上由此Lr值作垂直線向上交失效評(píng)定曲線處。根據(jù)規(guī)范N-494，縱焊縫中的臨界缺陷長(zhǎng)度為： 以缺陷長(zhǎng)度L=Lcr=443.86mm，缺陷深度a=5mm進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)失效評(píng)定圖技術(shù)，失效評(píng)定縱坐標(biāo)為： 因 1.0則 =0.093因子 在載荷p作用下含缺陷縱焊縫應(yīng)力強(qiáng)度因子為系數(shù)Q=1+=1.0028=7.107=1.03785=2.4533故 =97.877 N/mm3/2=409.348 N/mm3/2則 =0.2835即雖然缺陷深度仍可加深，但考慮到未焊透過(guò)深會(huì)引起較大的應(yīng)力集中，且也有可能存在內(nèi)壁錯(cuò)邊，故取縱焊縫中最大允許缺陷尺寸為：長(zhǎng)度 445 mm深度 5.0 mm當(dāng)缺陷超過(guò)此范圍

19、時(shí)需進(jìn)行具體分析。K5.4 含超標(biāo)缺陷630蒸汽管道安全評(píng)定結(jié)果采用上述失效評(píng)定圖評(píng)定技術(shù)對(duì)含超標(biāo)缺陷但未通過(guò)初級(jí)評(píng)定的90條焊縫進(jìn)行高級(jí)評(píng)定，二條未通過(guò)初級(jí)評(píng)定的縱焊縫中的缺陷通過(guò)了評(píng)定，但仍有9條環(huán)焊縫未能通過(guò)評(píng)定，其中5條環(huán)縫中存在長(zhǎng)度超過(guò)100mm、深度為2.04.5mm的裂紋。另有4條環(huán)焊縫中含有整圈或半圈未焊透缺陷，且缺陷深度達(dá)到4.56.0mm，也未通過(guò)評(píng)定。K5.5對(duì)未通過(guò)評(píng)定卻缺陷的處理對(duì)于未通過(guò)評(píng)定的9條焊縫中的缺陷處理結(jié)果如下：P19-3和P35-8兩條環(huán)縫已被割除更換，用于本文解剖用。2269-4焊縫中因所含未焊透最為嚴(yán)重，已當(dāng)即返修。另有6條缺陷比較嚴(yán)重的焊縫在正常檢修時(shí)也已返修。K6. 結(jié)論（1） 2條取樣環(huán)焊縫解剖結(jié)果表明，630蒸汽管道之環(huán)縫焊接質(zhì)量確實(shí)較