焊接彎頭下游腐蝕穿孔有限元分析

孫海生

（甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070）

1 管道失效分析

在石油化工行業(yè)中，管道彎頭經(jīng)常發(fā)生腐蝕失效，而管道中的煤焦油在彎頭處堵塞，并誘發(fā)下游發(fā)生腐蝕穿孔的案例卻很少見(jiàn)。對(duì)某服役輸油管道宏觀檢查發(fā)現(xiàn)管道外表面有腐蝕孔，將發(fā)生泄漏的彎頭切下來(lái)，發(fā)現(xiàn)彎頭內(nèi)壁有14 mm厚的煤焦油附著，其主要集中在彎頭與管道連接的兩個(gè)環(huán)焊縫之間，附著的煤焦油有一定硬度和粘合力不易剝離，如圖1所示。圖2為失效管件示意圖，從圖中可以看出穿孔處位于靠近彎頭下游10 cm左右的位置。將管子剖開(kāi)可以觀察到內(nèi)壁附著的煤焦油層和光亮的沖刷表面，光亮的表面存在不同程度的 “馬蹄印”小凹坑，這是典型的沖刷腐蝕形貌，如圖3所示。

圖1 煤焦油附著形貌

圖2 失效管件示意圖

圖3 內(nèi)壁腐蝕形貌

管道發(fā)生腐蝕失效與管道的具體服役工況有必然聯(lián)系，管道現(xiàn)場(chǎng)服役工況的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 管道服役參數(shù)

2 彎頭內(nèi)流體初始流動(dòng)狀況模擬

2.1 管道流體流動(dòng)有限元分析

先分析焊接彎頭在最初投入使用時(shí)，管內(nèi)流體的流動(dòng)情況。發(fā)現(xiàn)不合格的焊接工藝會(huì)導(dǎo)致內(nèi)壁焊縫凸起，通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)凸起的焊縫有5 mm，如圖4所示。此焊縫的存在勢(shì)必影響流體的流動(dòng)狀態(tài)，因凸起的焊縫具有 “節(jié)流”作用，為了直觀地分析彎頭內(nèi)部流體流動(dòng)情況，對(duì)彎頭內(nèi)的流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，把焊縫近似看成半徑r3=5 mm的半圓，創(chuàng)建帶焊縫的管道流體流動(dòng)有限元模型，如圖5所示。

由于現(xiàn)場(chǎng)的煤焦油很不均勻，測(cè)定其動(dòng)力粘度值直接用于分析不夠準(zhǔn)確。不妨假設(shè)直管段的管道內(nèi)流體處于層流，一般情況下層流流動(dòng)雷諾數(shù)為2 300，通過(guò)雷諾數(shù)公式可以計(jì)算當(dāng)煤焦油粘度為0.031時(shí)，流體恰處于層流。在此條件下對(duì)管內(nèi)流體進(jìn)行模擬偏于保守，實(shí)際流體流動(dòng)更加劇烈。

圖4 管道內(nèi)壁焊縫凸起示意圖

圖5 管道流體流動(dòng)有限元模型

2.2 湍流動(dòng)能分布

由于凸起焊縫的存在，流體在流經(jīng)焊縫后，流速明顯加劇，速度是原來(lái)的1.49倍，然而只要此流速不隨時(shí)間發(fā)生劇烈的變化，管道還是具有一定的耐沖刷能力。因此，流體速度大小不是評(píng)定沖刷腐蝕程度的指標(biāo)，應(yīng)該獲得管內(nèi)不同部位流體的湍流動(dòng)能，它反映流體的湍流程度，湍流動(dòng)能越大，表明此區(qū)域湍流程度越劇烈。所以，需要對(duì)管內(nèi)流體湍流程度進(jìn)行分析，獲得反映流體湍流程度的湍流動(dòng)能，如圖6所示。

由于流體密度較大，在重力作用下，發(fā)生劇烈湍流的部位位于圖6中A區(qū)域，此區(qū)域位于焊縫下游100 mm左右。由于流體的流速在此區(qū)域發(fā)生劇烈的變化，對(duì)管壁產(chǎn)生間歇性的沖擊力，進(jìn)而加速管壁的沖刷腐蝕。

圖6 初態(tài)湍流動(dòng)能分布圖

3 彎頭失效時(shí)流體流動(dòng)狀況模擬

3.1 有限元模型

在彎頭失效后，發(fā)現(xiàn)彎頭處存在14 mm厚的煤焦油層，使彎頭區(qū)域管內(nèi)徑明顯減小，此煤焦油層的存在勢(shì)必會(huì)加速管道的沖刷腐蝕。出于簡(jiǎn)化，假設(shè)流體在流經(jīng)14 mm厚的煤焦油層時(shí)相當(dāng)于在直徑為22 mm的管道中流動(dòng)，用于分析的簡(jiǎn)化有限元模型如圖7所示。

圖7 管道失效的簡(jiǎn)化有限元模型

3.2 湍流動(dòng)能分布圖

由于煤焦油層的存在，流體在流經(jīng)窄徑的煤焦油附著的彎頭區(qū)域，流速明顯加劇，速度是原來(lái)的2.7倍，因煤焦油層有一定的硬度和粘度，穩(wěn)定的3.52 m/s流速?zèng)]有使煤焦油發(fā)生剝離，這從失效的彎頭內(nèi)發(fā)現(xiàn)14 mm厚的煤焦油可以證實(shí)。發(fā)生劇烈湍流的部位在圖8所示的危險(xiǎn)區(qū)域，此區(qū)域位于焊縫下游100 mm左右。

圖8 失效前流體湍流動(dòng)能分布圖

4 分析與討論

4.1 彎頭內(nèi)附著煤焦油的原因分析

煤焦油的粘度隨溫度的降低逐漸增大。該管道為非電伴熱管線，彎頭距離煤焦油加熱區(qū)域較遠(yuǎn)，輸送的煤焦油到彎頭位置時(shí)溫度已經(jīng)遠(yuǎn)小于180℃，因此煤焦油具備較大的黏性。當(dāng)停工或管道處于檢維修期，煤焦油遇冷會(huì)在焊縫凸起處凝結(jié)，附著的煤焦油使原本就凸出的焊縫余高不斷增加，當(dāng)管道恢復(fù)工作時(shí)，流體輸送到此處時(shí)的溫度不能將已凝結(jié)的煤焦油重熔為液態(tài)，如此反復(fù)會(huì)使原本凸出的焊縫越來(lái)越高。

模擬發(fā)現(xiàn)在凸出焊縫下游靠近管道內(nèi)壁表面處存在部分流體靜水區(qū)，也就是說(shuō)煤焦油在此區(qū)域停滯，如圖9所示。當(dāng)停工或管道處于檢維修期管道發(fā)生冷卻，煤焦油會(huì)在此區(qū)域凝固，因此，煤焦油層會(huì)在靠焊縫的下游處增長(zhǎng)，最終形成如圖3所示的厚煤焦油層。

圖9 焊縫下游流體速度分布圖

4.2 煤焦油厚度的影響

由圖6可以看出，因焊縫誘發(fā)的流體最大湍流動(dòng)能為0.091 J。由圖8得出因14 mm厚煤焦油誘發(fā)的流體最大湍流動(dòng)能為0.508 J。后者湍流動(dòng)能是前者的5.55倍，隨著煤焦油層厚度的不斷增加，彎頭下游的沖刷腐蝕現(xiàn)象逐漸增強(qiáng)。煤焦油厚度增加并且誘發(fā)管道發(fā)生沖刷腐蝕，最根本原因是現(xiàn)場(chǎng)焊接產(chǎn)生了不合格的焊縫，嚴(yán)重的焊縫內(nèi)壁凸起誘發(fā)管道失效。

4.3 焊接質(zhì)量不合格的影響

厚壁管道的焊接應(yīng)該對(duì)要施焊的管道開(kāi)帶有鈍邊的V形坡口，而現(xiàn)場(chǎng)出于施工方便并未進(jìn)行開(kāi)鈍邊，而是用簡(jiǎn)單的V形坡口代替，這種V形坡口在焊接的過(guò)程中，當(dāng)焊接電流較大時(shí)極易焊穿，焊縫熔池凝固后在焊縫處發(fā)生內(nèi)壁凸起。近年來(lái)的研究普遍關(guān)注影響沖刷腐蝕的水化學(xué)、水動(dòng)力學(xué)、材質(zhì)和溫度等參數(shù)，卻忽略了焊縫在沖刷腐蝕中導(dǎo)致管壁減薄的作用。

5 結(jié) 論

通過(guò)綜合分析可知，現(xiàn)場(chǎng)不合格的焊接質(zhì)量是最終誘發(fā)管道發(fā)生沖刷腐蝕穿孔的根本原因。應(yīng)采用正確的焊接工藝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接施工，對(duì)管道進(jìn)行開(kāi)帶鈍邊的V形坡口，先用氬弧焊打底后再用手工電弧焊蓋面，確保合格的焊接質(zhì)量以避免事故發(fā)生。

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