水壓試驗期間管道接頭的失效

水壓試驗期間管道接頭的失效

F、 艾哈邁德，L.阿里，J.伊克巴爾，F.哈桑

巴基斯坦拉合爾54890工程技術大學冶金與材料工程系

2007年6月4日收到；2007年6月4日接受

2007年6月30日在線提供

 

摘要

大直徑對焊三通接頭（30英寸?！じ邏狠敋夤艿涝谒畨涸囼炂陂g出現泄漏，水壓試驗是為了證明管道試運行后的完整性。泄漏失效包括在三通接頭頸部區域形成小裂紋。詳細檢查表明，開裂之前是塑性屈服，在這些位置，壁厚甚至低于規定的最小值。對從失效三通管中獲得的選定截面進行的進一步檢查表明，三通管實際上是通過對接焊（長度為18英寸）進行“制造”的。直徑為30英寸的部分成型頸部的管道。直徑管。同時，對該對接焊縫的焊縫填充進行打磨，以消除頸部區域的曲率，或者更可能掩蓋焊縫，從而導致“錯誤”的制造程序。該程序的結果是，頸部區域的壁厚低于（甚至開始時）低于規定的最小值，通過研磨焊縫填充物進一步減小。還得出結論，采用這種方法不可能生產出所需/規定設計和尺寸的三通接頭

“制造”。

2007愛思唯爾有限公司版權所有。

關鍵詞：水壓試驗；泄漏；焊縫填充；部分成形頸部；磨痕

 

1.   介紹

Sui Northern Gas Pipelines Limited（SNGPL）是巴基斯坦最大的天然氣公司。2003年，SNGPL進口了大直徑高壓管件，其中還包括“對焊異徑三通”接頭。由于國家間關系的神圣性，這些配件進口國的名稱不能透露。

安裝在30英寸的大直徑異徑三通接頭中的前兩個。直徑的管道，在水壓試驗中都失敗了?？梢灾赋?，在試運行后，必須強制進行水壓試驗，以證明氣體配件/管道的完整性。失敗的球座是30英寸。直徑為18英寸。出口。本文對這些失效的三通接頭進行了失效分析。

2.   故障描述

安裝在高壓輸氣管線上的兩（2）個尺寸為30·18的對焊異徑三通接頭，在進行水壓試驗以證明三通接頭和焊縫的完整性時“失敗”。在1400 psi的工作壓力下，目前的三通接頭的靜水壓試驗壓力為2200 psi。然而，據報道[1]：00 00

1.  # 1：這是第一批接受測試的產品，在達到1750 psi的靜水壓力時發生災難性破裂。

2. #2：在達到1500 psi的試驗壓力時出現小的泄漏裂紋，隨后試驗中斷。

兩個失效的三通都是通過氣割的方式從管道上取下的，這三個接頭都靠近焊縫，并送交作者進行了詳細的失效分析。

兩個失效三通的照片如圖1所示，而斷裂幾何結構的圖解如圖2所示。對這些三通接頭的初步檢查表明，破裂的三通（tee#1）中的斷裂是在頸部區域內開始的，而tee#2中的泄漏裂紋也在頸部區域形成。因此，有人認為，僅對Tee#2進行詳細檢查更為適當和充分。

3.   目視檢查“開裂”Tee

圖3顯示了水壓試驗期間在三通中形成的小泄漏裂紋的位置。為了更準確地定位裂紋，進行了“磁粉檢測”，結果表明，在該T形三通的頸部區域形成了兩條裂紋。裂紋的位置在圖3a和b中用箭頭表示，而其中一個裂紋的放大視圖如圖3c和d所示。對裂紋的詳細目視檢查揭示了兩個重要的事情：

 

圖1。從失敗的Tee上拍攝的照片。箭頭指向裂紋萌生的位置，位于兩個三通的頸部區域內。

 

圖2。兩個破裂三通的示意圖，說明破裂的幾何形狀。

 

圖3。（a） 水壓試驗過程中三通內形成泄漏裂紋的位置。（b） “磁粉檢驗”顯示的其中一個泄漏裂紋，（c和d）在b中看到的裂紋的放大視圖。d中也可以看到磨痕的存在。

 裂紋的位置（如圖3a所示）似乎與焊接在18英寸內的橫桿位置有關。（焊接在18英寸內的三根橫桿。出口旨在避免清管工具進入18英寸。在清潔/清掃管線時分支）。

 

圖4。根據ASME規范手冊[2]復制的三通墻“規定”剖面示意圖，顯示了ASME規定的頸部區域的額外鋼筋。

 當用丙酮從T形三通表面上清除一層薄薄的“黑色”油漆時，表面顯示出磨痕，如圖3d所示。

T恤領口上的磨痕是一個意外的觀察，也是一個神秘的發現。為了了解頸部的研磨是否影響了該位置三通的壁厚，使用“超聲波測厚儀”對三通的整個閥體進行了詳細的壁厚測量。這項工作的結果表明，三通閥體上大多數位置的壁厚約為14.5 mm，符合規范要求，但在“頸部”區域，壁厚通常約為11–11.5 mm，而在一個位置，壁厚僅為10.7 mm。此外，還觀察到近距離內的壁厚有很大的變化。

還對未使用的三通進行壁厚測量，即未安裝在管道上并進行水壓試驗的三通。觀察到所有的三通管在“頸部”區域的壁相對較薄。根據與氣體配件相關的ASME標準，此處應適當提及，擠壓出口（如所討論的三通）應在彎曲（頸部）區域[2]有額外的“加固”，以抵抗作用在支管開口區域的壓力和任何外部荷載產生的剪應力熱運動、重量、振動等。圖4給出了ASME規范手冊中三通接頭草圖的簡化復制圖。

4.   宏觀檢查

對失敗的三通在頸部及其周圍進行切片，準備進行宏觀檢查。圖5所示為穿過裂紋線（見圖3d）的宏觀截面之一。從圖5中可以得出一些重要的觀察結果是

 與塑性斷面形成相關的塑性折減的位置。

 裂紋朝向環向應力（管壁中的周向拉應力）方向約45°，表明其為斜剪裂紋。

 裂縫的位置似乎與橫桿的位置有關。

從上述觀察結果可以清楚地看出，破壞本質上是由于應力過大而導致的延性斷裂，即由于內部液壓壓力而施加的環向應力足以導致管壁塑性屈服。然而，從“縮頸”的位置來看，橫桿的存在（見圖。3a和5a）可能是造成該位置“過度應力”的一部分。

 

圖5。（a） 穿過圖3d裂紋線的宏觀截面，（b）沿橫桿焊縫的咬邊。T形管壁的拉伸縮頸（屈服）可在a中注明。

三通管頸部橫桿的存在導致的過度應力可能與以下一個或多個因素有關：

 焊縫熱影響區顯微組織的軟化/正火。

 在頸縮區建立了三軸應力系統。

 焊縫可能咬邊處的應力集中。

上述因素也可能是導致塑性屈服的應力過大的共同原因。然而，由于橫桿一直由SNGPL[1]焊接在T形接頭內，且從未造成任何現有類型的問題，因此，有理由認為，在目前情況下，過度應力的主要來源是三通頸部區域的壁厚值較低。

因此，在這個階段，集中注意力在頸部區域的減薄壁厚以及該區域的磨痕上。因此，對T形三通的整個表面進行了詳細的調查，結果表明，此類磨痕遍布頸部，而在T形三通表面的其他地方沒有。值得注意的是，在頸部區域的T形三通的內表面上也存在研磨痕跡。

 

圖6。（a） 三通的等距草圖，顯示了金相檢驗用截取樣品的位置和方向，（b）從三通#2取樣的宏觀截面圖（以a中所示的方式），顯示三通頸部周圍存在焊接接頭。

因此，為了探索為什么這些研磨痕跡出現在三通的頸部周圍，以圖6a所示的方式從頸部區域取樣，并準備進行宏觀檢查。圖6b示出了其中兩個樣品的宏觀結構。從圖6b中可以很容易地看出，頸部圓周圍有一條“焊縫”，這表明18英寸。T形三通的出口不是通過成型（或鍛造）操作制造的，而是通過焊接一個2英寸的“制造”出口。長件18英寸。管到部分成形的頸部。圖7示出了用于制作三通的方法。

從這一發現中還可以清楚地看出，對頸部區域進行研磨是為了平滑焊縫填充，或者更可能是為了掩蓋焊縫以及頸部的制作方法。然而，在試圖通過研磨隱藏焊縫的過程中，壁厚也出現了減少。

環向應力的計算[3]表明，壁厚為14.5 mm（標稱和測量壁厚為30 in。直徑三通），建議的2200 psi試驗壓力將產生約58000 psi的應力，即略低于X60級鋼的規定最小屈服強度（SMYS）[4]。另一方面，靜水壓試驗導致在三通的頸部區域（測得壁厚低至10.5–11.0 mm）達到1500 psi的液壓時，形成了第一個泄漏裂紋。利用這些數據，可以看出，在這一階段，在三通管壁上設置了大約54000 psi的環向應力，即大約90%的SMYS。對這些計算結果的分析表明，在發生頸縮的區域內，一定有促成因素（除了減少的壁厚之外），而且這些因素必須與頸縮發生的實際位置相聯系。有理由相信：

（a） 縮頸處（即橫桿焊縫的熱影響區）處的鋼材屈服強度必須通過對該部分熱影響區的微觀結構進行“回火”而降低。

（b） 沿橫桿焊縫的“咬邊”（如圖5b所示）可能導致應力集中。

 

圖7。T形三通的等距草圖，說明了通過焊接18英寸的T形三通的制造方式。直徑為30英寸的部分擠壓頸部上的環。直徑管。

因此，可以推斷三通的頸部區域確實存在過度應力。應力過大主要是由壁厚減小引起的，但熱影響區組織的“軟化”和沿橫桿焊縫的咬邊也起了一定作用。

5.   結論

1.   擠壓出口頸部的壁厚低于配件的標稱壁厚，這是水壓試驗期間產生應力過大和隨后形成泄漏裂紋的主要原因。

2.   失效的三通接頭是通過在部分擠壓的出口上焊接18個直徑的環，然后對焊縫填充物進行研磨，結果也出現了一些研磨以及由此導致的三通管壁變薄。顯然，用這種方法制造的三通接頭既不符合規范，也不足以承受水壓試驗。

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