案例K630蒸汽管道缺陷解剖與評定

1、案例K直縫大口徑蒸汽管道焊縫缺陷解剖及評估摘 要： 對某石化公司長約4500m的直縫大口徑（直徑為630mm）蒸汽管道進行缺陷解剖分析，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，并對管道中的超標(biāo)缺陷進行評定。關(guān)鍵詞：壓力管道 裂紋 缺陷評定 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年對該管道進行保溫更換與支吊架調(diào)整時抽查了部分管道環(huán)焊縫，發(fā)現(xiàn)較嚴(yán)重的缺陷。為此，擴大無損檢測比例，對184條環(huán)焊縫（約占整條管線環(huán)縫總數(shù)的9%），77條縱縫（約占縱縫總長的4%）進行

2、射線檢測。探傷結(jié)果表明，自動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，因而對管道的安全運行形成隱患，為此對帶有縱、環(huán)焊縫的編號為P19-3和P35-8的兩段管道進行解剖。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)計溫度350、設(shè)計壓力1.27MPa。K2. 焊縫缺陷檢測結(jié)果經(jīng)RT評片，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 射線探傷評片結(jié)果為裂紋的底片及裂紋尺寸一覽表序號焊縫編號

3、底片號裂紋尺寸備注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，且有超過周長40%的焊縫中未焊透的深度達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)表面存在錯邊、凹陷。經(jīng)著色滲透探傷檢察外表面沒有裂紋。表K2 P19-3和P35-8管道超標(biāo)缺陷焊縫編號底片編號缺陷性質(zhì)長度×寬度mm級別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)重的錯邊，內(nèi)壁最大錯邊量達6.0mm，遠遠超出GB50235-97工業(yè)金屬管道工程施工及驗收規(guī)范的規(guī)定：“管道對接焊口應(yīng)做到內(nèi)壁齊平，鋼制管道內(nèi)壁錯邊量不宜超過壁厚的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)，垂直穿過焊縫向外壁擴展。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，裂紋均呈穿晶擴展，裂尖圓鈍，裂紋沒有明顯分叉特征。裂紋基本上沿垂直于壁厚的方向由內(nèi)側(cè)向外側(cè)擴展。斷口表面凸凹不平，靠近內(nèi)表面處有銹蝕，壁厚沒有減薄，沒有明顯的塑性變形，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 焊縫中裂紋類型判別從裂紋的擴展和形貌來看，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)粗晶部位擴展，且未發(fā)現(xiàn)疲勞擴展的跡象。該蒸汽管線因為較長（約4.5km），不發(fā)生明顯振動。另外，管內(nèi)壓力較低，即使操作工況有波動，但引起的交變應(yīng)力幅也較小，故排除在使用過程中裂紋疲勞擴展的可能性。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蝕，也不引發(fā)裂紋。為此，可以認為評定焊縫中的裂紋屬于制造裂紋。對照焊接接頭裂紋分布形態(tài)圖1，可以認為本文分析的蒸汽管道對接焊縫中的裂紋為冷裂紋，即在焊接冷卻之后發(fā)生的開裂，因而在管道安裝

10、施工進行的焊縫質(zhì)量抽檢并不一定會發(fā)現(xiàn)這些裂紋，因為這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自三方面因素：焊條烘干不充分、管道系統(tǒng)應(yīng)力過大、焊縫根部未焊透和錯邊缺陷引起過大的應(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展。只是20號鋼的可焊性好，一般不會出現(xiàn)冷裂紋。圖K1所示管道對接焊縫裂紋形貌照片清楚地說明，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)性能測試化學(xué)成份分析及拉伸、沖擊、硬度及冷彎實驗結(jié)果說明，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)，且焊縫材料無異常。K5. 管道缺陷評定K5.1 缺陷初級評定 對630蒸汽管道焊縫中存在的超標(biāo)缺陷，首先采用美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)API STD 1104焊接管道及有關(guān)附件標(biāo)準(zhǔn)對焊縫缺陷進行篩選，170條焊縫中的超標(biāo)缺陷有約80條焊縫通過初級評定。余下的90條焊縫必須采用更高級的缺陷評定方法進行評定，其中環(huán)焊縫88條，縱焊縫2條。K5.2 用ASME規(guī)范對630蒸汽管道缺陷進行安全評定本次在評定時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，其中累計長度超過周長40的焊縫中的未焊透深度達到56mm。從保守角度出發(fā)，將該缺陷簡化成整圈、等深（自身高度a6mm）的面型缺陷進行評定。K5.2.1 ASME管道缺陷評定規(guī)范簡介美國國家標(biāo)準(zhǔn)ANSI/AMSE B31.1動力管道和B31.3化工廠和煉油廠管道是國際上最有影響的管道設(shè)計規(guī)范，對材料的許用應(yīng)力、安全系數(shù)、應(yīng)力校核方法、設(shè)計方法和施工驗收等工作都作了詳細規(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收準(zhǔn)則和評定標(biāo)準(zhǔn)。面型缺陷評定標(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)力作為評定焊縫處的應(yīng)力進行評定。即評定的焊縫為最大應(yīng)力、最長及最深缺陷的最苛刻組合狀態(tài)。(1). 評定時外加載荷估算及最大可能應(yīng)力分析 本次630蒸汽管線評定時，采用材料在350時的屈服應(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)擴展失效、塑性失穩(wěn)失效。 由ASME規(guī)范IWB-3650附錄H，根據(jù)計算可以確定焊縫潛在的失效模式為韌性撕裂失穩(wěn)擴展失效，應(yīng)采用彈塑性斷裂力學(xué)方法進行分析

14、與安全評定。(3). 彈塑性斷裂分析評定根據(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)失效評定。采用ASME規(guī)范推薦的通用Z因子計算公式，得Z2.083。仍取評定時的應(yīng)力為sm+sb =sy（sm、sb分別為評定焊縫處的薄膜應(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,類似于壓力容器，故ASME規(guī)范IWB-3650的評定結(jié)果過于保守（該規(guī)范一般適用于R/t=520），為此改用英國R/H/R6有缺陷結(jié)構(gòu)完整性規(guī)程評定進行評定，即采用失效評定圖（FAD）技術(shù)進行含缺陷壓力管道的安全評定。K5.3 用失效評定圖技術(shù)（FAD）進行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)對整圈3.5mm深的未焊透進行評定。（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） 失效評定圖及評定曲線適用于管道的各種缺陷評定規(guī)范中的失效評定曲線（FAC）有多條，圖K5為適用于管道的各種缺陷評定規(guī)范中的失效評定曲線。該圖中共有7條不同的失效評定曲線，有些曲線橫坐標(biāo)計算公式完全相同，但也有曲線在定時需要采用不同的橫坐標(biāo)公式。 圖K5 各種管道缺陷評定規(guī)范中的失效評定曲線曲線1為1992年12月ASME code case N-494評定規(guī)范中給出的鐵素體材料管道軸向缺陷評定曲線；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定曲線；曲線3為英國中央電力局R6含缺陷結(jié)構(gòu)完整性評定標(biāo)準(zhǔn)（1986年第三版）中選擇1失效評定曲線；

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年擴展的奧氏體材料管道分段FAC,取自95年ASME會議論文集 PVP-304（3）管道環(huán)焊縫最大允許缺陷尺寸評定結(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)力取運行溫度下的材料的屈服應(yīng)力。在評定失效圖（FAD）上評定點的橫坐標(biāo)為：在FAD圖（圖

18、K5）上由此Lr值作垂直線向上交失效評定曲線處。根據(jù)規(guī)范N-494，縱焊縫中的臨界缺陷長度為： 以缺陷長度L=Lcr=443.86mm，缺陷深度a=5mm進行計算。根據(jù)失效評定圖技術(shù)，失效評定縱坐標(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，但考慮到未焊透過深會引起較大的應(yīng)力集中，且也有可能存在內(nèi)壁錯邊，故取縱焊縫中最大允許缺陷尺寸為：長度 445 mm深度 5.0 mm當(dāng)缺陷超過此范圍

19、時需進行具體分析。K5.4 含超標(biāo)缺陷630蒸汽管道安全評定結(jié)果采用上述失效評定圖評定技術(shù)對含超標(biāo)缺陷但未通過初級評定的90條焊縫進行高級評定，二條未通過初級評定的縱焊縫中的缺陷通過了評定，但仍有9條環(huán)焊縫未能通過評定，其中5條環(huán)縫中存在長度超過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，且缺陷深度達到4.56.0mm，也未通過評定。K5.5對未通過評定卻缺陷的處理對于未通過評定的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)量確實較