热电偶是用来监测压力容器内介质温度的重要安全附件,通常安装在套管内,套管本身承受压力容器介质外压。对于球罐而言,热电偶套管一般安装在球罐上极板顶部,与地面垂直,套管与罐体焊接连接,套管深入球罐内约400mm,见图1。

2010年6月, 笔者在对 某单位的1台在用1000m3天然气球罐进行全面检验过程中,发现该球罐热电偶套管开裂,开裂的宏观裂纹形态见图2。

该球罐以及热电偶套管的基本技术参数见表1。

热电偶套管裂纹的位置在套管下半部分,距套管底端60mm,呈纵向,开口较小,裂纹中间分叉,为倒“人”字形,开裂长度为117mm。开裂处套管局部有明显胀粗变形(包括裂纹尖端以外一段长度内)。从开裂处将套管切断后观察,裂纹两侧管壁厚有明显减薄。见图3 ~图5。

1)化学成分分析

从套管开裂处附近取样进行了化学成分分析,结果见表2:

套管化学成分符合JB 4727—2000中16Mn DⅢ要求。

2)力学性能试验

从套管上半部取一拉伸试样进行拉伸试验,结果见表3。

上述数值符合JB 4727—2000中16Mn DⅢ相关要求。

3)金相分析

从套管开裂处取样进行金相组织分析(观察面为横向)。开裂处金相组织为铁素体 + 珠光体(见附图6 ~图8)。珠光体中碳化物已球化,部分珠光体分布范围呈片状。铁素体和珠光体有明显的带状特征,珠光体带不是呈环状,而是呈直线状。开裂处金相组织形貌为穿晶(见图9、图10),断面基本垂直管壁,与珠光体带呈大约45°。可见套管开裂处有较大塑性变形。

1)根据宏观检查,可见套管下部有局部明显胀粗,裂纹中心部位距底端约100mm,由此可知,开裂是由套管的内部压力引起的,且此内压在套管内分布不均匀,上部内压较小或没有,下部内压较大,显然与球罐的工作压力无关。

2)采用福贝尔公式计算,导致套管开裂需要最小的爆破压力为:

pb——套管开裂需要最小爆破压力,单位MPa;

σs——套管屈服极限 ( 由表3中数值取380 MPa);

σb——套管强度极限 ( 由表3中数值取540 MPa);

K——套管外径与内径之比,取1.45;

将数值代入公式得pb=210MPa。

3)据有关资料介绍,水结成冰体积比膨胀为9% ~ 11%。在结冰过程中的体积膨胀如果受到限制所产生的应力十分巨大。若要将膨胀的冰压缩回原水的体积,最小需要790MPa ~ 960MPa的应力。因此可知,如热电偶套管内有水,由于套管容积较小,在冬季结冰后水的体积不能自由膨胀,结成冰后产生的膨胀力将会远大于套管的爆破压力210MPa。

综上所述,可以判断,套管开裂前,靠近底端存有约200mm左右高度的水,寒冷天气导致水全部结冰,冰体积膨胀将套管胀裂。

1)套管开裂与套管材质无关。

从金相分析看,套管是由板材(轧制或锻造)加工而成,从珠光体球化和部分珠光体呈片状判断,套管曾经较高温度回火或消应力退火,使珠光体球化,其力学性能虽低于轧制管材和锻造棒料加工管,但符合16Mn DIII要求。

2)套管开裂与球罐内介质压力无关。

3) 套管开裂的主要原因。

套管内部由于雨、雪、结露、缓霜等积水,加之套管结构细长,内部积水难以蒸发。寒冷天气温度降低后导致管内积水结冰,使套管局部承受冰水较大变形导致的应力,该应力远大于套管爆破压力,套管胀裂。

套管开裂会导致罐内天然气迅速释放,遇明火或静电发生着火、爆炸 , 是十分严重的安全隐患。为避免此类失效现象发生,根除事故隐患,首先应从设计上避免套管内积水,另外,使用管理和检验环节也应加以控制,笔者给出具体建议如下:

1)在不影响使用功能的情况下,设计应尽可能采用开口略下倾斜或垂直向下型式的热电偶套管布置。若使用条件不允许时,则套管应设计为防水结构。

2)在检修或校验热电偶期间,套管法兰面应采取加盲板等措施密封,防止雨、雪、结露、缓霜等水分进入。使用单位应制定相应的操作规程或注意事项,在醒目的部位张贴,起到警示作用。加强使用中巡检,一旦发现问题及时处理。

3)加强检验过程中,检验人员发现有类似情况设备时,需要重点检查,并应给用户提出相应的建议,防微杜渐。

根据笔者的建议,使用单位对原套管进行了更换,对热电偶的检定和巡检制定了相关的制度,并采取有效措施防止雨水进入套管。在2013年对球罐进行再次检验,未发现套管内有积水、变形、开裂等情况。

设计单位采纳笔者建议,对于该单位在2010年新安装的两台同样的球罐将热电偶套管设计安装在下极板处,避免套管再次发生类似失效情况(见图11)。2013年对这两台球罐进行了全面检验,未发现此类问题。