【doc】螺旋埋弧焊管焊缝断裂失效分析

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。【doc】螺旋埋弧焊管焊缝断裂失效分析【doc】螺旋埋弧焊管焊缝断裂失效分析螺旋埋弧焊管焊缝断裂失效分析焊管.第30卷第6期.2007年】1月.试验与研究螺旋埋弧焊管焊缝断裂失效分析马小明,余娟(华南理工大学工业装备与控制工程学院,广州510640)摘要:针对某输送成品油管道的螺旋焊管焊缝断裂事故,进行了断口宏观形貌,金相组织,扫描电镜,能谱及硬度分析试验,并用有限元分析法比较了土压,含水量,地基对管道应力的影响.失效分析结果表明,螺旋焊管焊缝断裂主要是由于管道附近泥浆化趋势,较高的堆土以及焊缝缺陷造成

2、.关键词:螺旋焊管;焊接缺陷;堆土;泥浆化中图分类号:TE88文献标志码:A文章编号:10013938(2007)060031051基本情况某输送成品柴油的管道爆裂,爆裂部位距两端截止阀距离长,导致管内大量柴油泄漏.该管道采用b273mmx7mm螺旋埋弧焊钢管,材质为A3F,输送介质为常温柴油,设计压力为1.6MPa,操作压力为1.4MPa,投运时间为1984年,管道埋深约2m.为了查出该事故的原因,对送检样品进行了失效分析.据调查了解,2005年9月12日,高速公路修建队伍开始在管道附近堆土作为公路基础,致使管底基础发生变化.次日,管道正上方和管道旁边从地面起有6m左右高的堆土,当天下午管道

3、上方有油冒出.管道周边临近泥塘,周围泥土含水量极高,管道周围开挖后油水反向渗出,使管道周围的泥具有一定的流动性.当挖开管道后,发现有一段长约450ln/n钢管断裂扭曲,钢管两端水平和垂直错位最大达到150ln/n.图1是所送检测样品.2失效分析2.1断口宏观分析认真观察断口的宏观形貌,可以发现:(1)样品外表面没有明显的土壤腐蚀,外沥变得圆滑,于是应力集中系数变小.对比管壁内外两侧咬边的应力集中系数发现,内管壁的咬边引起的应力集中系数相对较大.这是因为环向应力在管壁厚度方向的分布是不均匀的,越接近内管壁环向应力值越大;其次,管壁内侧咬边表面承受着来自管道内部的水压,使咬边缺陷周围应力值进一步增

4、大.综上所述,咬边缺陷边缘区域将产生较高的应力集中,应力集中系数的大小与咬边的锐度,咬边的位置有关.3结论(1)咬边缺陷锐度越大,应力集中系数越大;(2)位于管壁内侧的咬边缺陷比管壁外侧的咬边缺陷引起的应力集中系数大;(3)咬边缺陷经打磨后,可以降低缺陷处的应力集中系数.参考文献:1博弈创作室.ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详解M.北京:中国水利水电出版社,2006.2陈伯蠡.焊接工程缺欠分析与对策M.北京:机械工业出版社,1998作者简介:徐磊(1983一),男,山东肥城人,在读硕士,主要从事工程结构安全评定的研究工作.收稿日期:20070413?32?焊管2007年11月图1两端剪

5、切断裂和螺旋焊缝断裂的送检样品青漆防腐层完整,样品内表面也没有明显的介质腐蚀迹象.钢管截面已变为椭圆状态,短轴方向外直径(即沿着压扁方向)最小尺寸为150mm.(2)断口总体共3处,即样品两端的短断口和沿焊缝的断口.样品两端短断口宏观呈剪切断裂形态,断口长度均大于300mm,超过钢管直径,断面与钢管轴线成45.,存在可观察到的塑性变形;焊缝断口总长度大于600mm,张开时没有明显撕裂母材的现象,内外焊缝材料呈现拉脱状态,断口存在明显的分层现象.断口表面存在大量的泥土污染物和油迹,焊缝断口两侧塑性变形迹象不明显,断口附近管壁减薄不明显(见图1).(a)焊缝断口上大量层状条纹17×2.2

6、断口的微观分析2.2.1扫描电镜分析将所送样品的断口制成微观分析样品,在超声波清洗器内反复清洗后,在扫描电镜上进行观察.观察发现,样品焊缝断口上存在大量的层状条纹,分层现象明显,而微观塑性不明显.两端断口存在明显的剪切滑移趋势,有大量剪切韧窝;同时断口表面存在轻微的介质污染,附有可见杂质(见图2).2.2.2能谱分析为鉴别材料的化学成分,对样品进行能谱分析.断口平均面能谱分析表明,材料的主要成分(b)焊缝断口明显的分层20×(C)环向断口明显的剪切滑移趋势500×(d)环向断口上有取向的韧窝500×图2扫描电镜照片第30卷第6期马小明等:螺旋埋弧焊管焊缝断裂失效分

7、析?33?为Fe与C两种元素,此结果基本与A3F材料的化学成分一致,即材料与设计一致.2.3材料的金相分析通过金相分析(图3)得出,母材晶体形貌为长条状铁素体与珠光体相间结构,内外壁表层晶体为等轴铁素体.材料为正常晶体形貌,但经历过瞬间高温的工况后,表面珠光体脱碳,使晶体形貌发生改变.(a)材料基体金相形貌500×(b)钢管外壁表层金相形貌200×(c)材料中夹杂分布集中500X(d)珠光体连成线状200×(e)焊缝区组织500X(f)焊缝区裂缝500X(g)裂缝沿晶界扩展(羽毛状上贝氏体白色板状魏氏组织)200图3金相组织照片基体中杂质较多,部分分布集中,呈现带

8、状组织分布,有可能使材料强度降低.焊缝区的金相组织存在正常的魏氏组织和上贝氏体,表明材料脆性较大.裂缝出现在焊缝区,并沿晶界方向(魏氏组织)扩展.2.4材料的硬度分析从样品中选取一些有代表性的地方进行布氏硬度检验,按照GB231-1984硬度试验的要求,在3000k的试验条件下进行测试,将3次测量结果平均,最终结果见表1.从测试的结果可知,钢管材料的硬度较低,说明材料的强度水平与GB700-1979标准中要求的3847kgf/ITIITI相当.表1布氏硬度测试结果3管道受力的有限元分析为了分析正常情况和管道旁边施工情况下管道的应力分布情况,现对管道进行有限元分析.焊管2007年11月3.1模型

9、建立为综合考虑堆土的压力和地基到对管道内部受力的影响,建立模型如图4所示.图4管土模型模型为二维平面模型.钢管的规格为担73mm×7mm,由于地基原来是水塘,故取敷设管的基础为软地基.各种材料的性质见表2.表2材料性质对模型进行手动划分网格,并施加如下合理的约束:地基的底部铰接;地基和回填土的两侧链接;管的内侧和覆土顶部为自由边界.3.2结果分析3.2.1不同载荷情况下的应力情况分析对所建模型进行两种不同情况下的应力一应变情况分析.(1)正常情况下(覆土为2m,土的含水量不大,地基为硬基)得到的应力和位移情况为:最大应力是管内壁的顶部和底部的环向应力,大小为37.167MPa(见图5

10、);最大位移是管内壁的顶部和底部的径向位移,大小为0.4998621'11111(见图6).(2)管道旁边施工情况下(覆土高度为8m,地基为软基)得到的应力和位移情况为:最大应力是管内壁的顶部和底部的环向应力,大小为77.672MPa(见图7);最大位移是管内壁的顶部和底部的径向位移,大小为4.006l-ilm(见图8).图5环向应力分布图图6位移分布图图7环向应力分布图图8位移分布图3.2.2不同地基情况下的应力情况在同样埋深为8m的情况下,地基的稀松程度对钢管应力的影响也很大,本研究用弹性模量大小来反映地基的稀松程度,进行有限元分析.第30卷第6期马小明等:螺旋埋弧焊管焊缝断裂失效

11、分析?35?E=80MPa为硬基;E=40MPa和E=l0MPa为软基;最大应力情况分别如下:(1)在土的高度相等,土为硬基情况下,地基对钢管的承载力比较大,故钢管的沉陷量较软基(a)硬基情况时小,最大综合应力为70.941MPa(见图9(a).(2)在软基的情况下,也就是土的含水量变大,地基对钢管的承载力变小,故钢管的沉陷量变大,钢管最大综合应力为90.851MPa(图9(b).图9综合应力分布图由以上的有限元分析可知,随着覆土高度的增加钢管的应力不断增加,位移也加大.故上面的土和下面地基的性质对钢管的应力都有很大的影响,规律为应力随土压的增大而增大,随地基的稀疏程度变大而变大.而该管道的失

12、效是由于管道的基础发生改变,致使钢管的应力和位移增大造成的.4结论综合以上各项分析结果和该管道的使用历史,判断此次螺旋埋弧焊管失效的原因如下:(1)管道附近泥浆化趋势以及较高的堆土为导致本次钢管压扁,从而发生爆裂事故的主要原因,也是导致本次事故的直接原因.(2)钢管焊缝内部存在明显的分层,未焊透以及微观条状组织等内部缺陷,是本次事故的重要原因之.建议加强管道安全管理与维护,尽管A3F材料在1984年符合使用规范,但目前已经不再使用,应根据实际情况选择更恰当的材料.参考文献:1廖景娱,刘正义.金属构件失效分析M.北京:化学工业出版社,2003.2任颂赞.钢铁金相图谱M.上海:上海科学技术文献出版

13、社.2003.3吴文峰.地下埋管的受力分析及结构优化研究D.南京:河海大学,2001.作者简介:马小明(1962一),男,工业装备与控制工程学院副院长,硕士研究生导师,主要从事设备安全检测与失效分析等方面的教学,科研工作.收稿日期:200706一l1黄志潜文集(第2卷)出版发行本刊讯经过焊管期刊社和陕西科技出版社的共同努力,继2006年7月黄志潜文集(第1卷)出版发行后,黄志潜文集(第2卷)已于2007年11月正式出版发行.黄志潜先生曾任中国石油物资装备(集团)总公司副总经理兼总工程师,现为中国石油物资装备(集团)总公司高级顾问,中国石油装备制造业着名专家.40多年来,黄志潜先生组织领导了多项国家级,部级大型研究项目,推广了多种重要石油装备与材料,为石油增产做出了重大贡献.近年来又为西气东输工程及其他管道工程做出了