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某石化裝置循環(huán)水管道為準(zhǔn)備中交而引入循環(huán)水進(jìn)行裝置運(yùn)行調(diào)試，裝置循環(huán)水管道雙金屬溫度計(jì)保護(hù)套管運(yùn)行５天即發(fā)生保護(hù)套管斷裂，影響了裝置開工。
該循環(huán)水管道為廠區(qū)總管進(jìn)入裝置的一級(jí)支管，埋地鋪設(shè)，運(yùn)行過程中振動(dòng)較大，伴有較大的噪聲，管道閥門為緩開、緩閉操作方式。該管道溫度測(cè)點(diǎn)位于總閥后６ｍ處，雙金屬溫度計(jì)安裝在管道上部的套管座上，保護(hù)套管與法蘭采用角焊縫連接，安裝及斷裂部位見圖１。循環(huán)水操作溫度為２８℃，操作壓力為０．４ＭＰａ，水管規(guī)格為５００ｍｍ×１０ｍｍ。溫度計(jì)套管采用３１６不銹鋼材質(zhì)及焊接，套管實(shí)際插入長度為４１８ｍｍ（設(shè)計(jì)資料要求套管插入長度為４００ｍｍ），直徑為２０ｍｍ，孔徑為１１ｍｍ，制造質(zhì)量和無損探傷檢測(cè)均合格。

１　檢測(cè)與分析
對(duì)溫度計(jì)保護(hù)套管斷裂樣品進(jìn)行了宏觀檢查、成分分析、硬度測(cè)定、金相組織、掃描電鏡等檢測(cè)。
１．１　宏觀檢查與分析
溫度計(jì)套管斷裂于套管與法蘭連接角焊縫的套管側(cè)熔合線上，斷口宏觀形貌見圖２。套管外觀無明顯缺陷，整體無塑性變形，無腐蝕痕跡和裂紋。斷口邊緣外側(cè)直徑方向有多處放射狀的棱線，長１～２ｍｍ，均指向套管中部的zui后瞬斷區(qū)。斷口中裂紋擴(kuò)展區(qū)基本以zui后瞬斷區(qū)為中心，呈現(xiàn)基本對(duì)稱形態(tài)，這部分表面呈細(xì)瓷狀，無金屬光澤。瞬斷區(qū)有明顯塑性變形痕跡，呈帶狀，寬１～２ｍｍ，并穿過套管軸心，與循環(huán)水流向垂直。裂紋擴(kuò)展區(qū)范圍較大，瞬斷區(qū)較小。檢查結(jié)果表明，熱電偶套管斷裂不是應(yīng)力越限造成的，但角焊縫的套管側(cè)熔合線是流體作用在套管上的彎矩zui大處和焊接接頭的zui薄弱處。

１．２　硬度、成分、金相檢測(cè)與分析
套管、法蘭、焊縫成分分析結(jié)果符合材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)成分要求。套管、法蘭、焊縫及熱影響區(qū)的維氏硬度值均小于２００ＨＶ３０，符合３１６ＳＳ材料標(biāo)準(zhǔn)要求。套管、法蘭和焊縫金相組織分析結(jié)果為：焊縫為柱狀?yuàn)W氏體組織，焊縫熔合線輪廓清晰；法蘭為均勻奧氏體組織，晶粒度３級(jí)；套管為奧氏體（部分孿晶）＋少量條狀鐵素體＋碳化物。金相組織分析結(jié)果未見異常。以上檢測(cè)結(jié)果說明套管的制造、安裝均無質(zhì)量問題。
１．３　斷口微觀分析
采用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行微觀檢查。斷口表面無腐蝕及微裂紋，斷口擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)明顯的脆性準(zhǔn)解理形貌。斷口邊緣有多處微觀夾雜物缺陷，典型的一處夾雜物見圖３，斷口形貌特征表明，裂紋源萌生于套管外側(cè)表面的微觀夾雜物處，但裂紋源并不明顯。這些夾雜物缺陷造成了應(yīng)力集中，有利于裂紋萌生，形成裂紋源。

從圖４可以看出，裂紋擴(kuò)展區(qū)有眾多排列較有規(guī)律的疲勞條帶，表明該斷口為疲勞斷口。疲勞條帶間距很窄，僅有１～２μｍ，斷口中裂紋擴(kuò)展區(qū)范圍較大，瞬斷區(qū)較小，均表明套管承受載荷頻率很高，應(yīng)力處于較低水平，遠(yuǎn)低于疲勞極限。
由于裂紋源數(shù)目較多，套管表面又受到多方向彎曲應(yīng)力的作用，使斷口表面有較多的裂紋源，擴(kuò)展平面相交而形成的棱線。
利用能譜儀對(duì)套管斷口處成分進(jìn)行分析，未見腐蝕產(chǎn)物。
２　分析討論與結(jié)論
通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該溫度計(jì)保護(hù)套管除長度增加了１８ｍｍ，其他均符合設(shè)計(jì)要求和雙金屬溫度計(jì)保護(hù)套管的安裝要求，檢測(cè)結(jié)果也表明，套管的制造、安裝無質(zhì)量問題。但該保護(hù)套管仍然發(fā)生了高周疲勞斷裂，表明該循環(huán)水管道工況安裝這種保護(hù)套管并不能滿足使用要求。
下面就此問題進(jìn)行分析。

２．１　熱電偶保護(hù)套管斷裂原因分析
１）流體作用形成共振
共振是造成溫度計(jì)套管斷裂的主要原因。由于圓柱形保護(hù)套管處于流體中，會(huì)在套管下游產(chǎn)生漩渦脫落效應(yīng)；由于旋渦的產(chǎn)生是以一定的頻率交替脫落的，因此在圓柱面上產(chǎn)生交變的橫向力。當(dāng)這個(gè)交變橫向力與圓柱的固有頻率相等時(shí)，就會(huì)引發(fā)套管振動(dòng)，當(dāng)套管固有頻率和流體旋渦脫落頻率接近或一致時(shí)，可產(chǎn)生共振現(xiàn)象。
此時(shí)，套管圓柱面產(chǎn)生流體方向的反復(fù)彎曲應(yīng)力，套管表面的微觀缺陷可成為疲勞裂紋源，裂紋將向垂直于流體方向的套管中部軸線擴(kuò)展。這種共振可導(dǎo)致熱電偶套管的加速損壞斷裂。
２）工況條件
該循環(huán)水管道有振動(dòng)并伴有較大的噪聲，而在附近地面的二級(jí)支管振動(dòng)更大，部分雙金屬溫度計(jì)表殼已碎裂，同時(shí)發(fā)出較大的噪聲。這是由于管道原為空管，運(yùn)行初期時(shí)管道中存有一定量的氣相，與循環(huán)水混合后形成氣液兩相流，引起振動(dòng)和噪聲，而套管原設(shè)計(jì)條件是在單項(xiàng)條件下運(yùn)行。在管道工藝操作流速下，經(jīng)過支管三通和閥門時(shí)的紊流作用，可將管道中氣液流體形成細(xì)泡狀流型，由于管道直徑較大受重力影響，這種水平管道中，含細(xì)泡的兩相流主要位于管道上部，含氣率較低。該溫度計(jì)安裝在一級(jí)支管總閥后６ｍ處，使溫度計(jì)套管受到支管三通和閥門的紊流作用。氣液兩相流和流體的紊流作用均加劇了套管的振動(dòng)。
３）熱電偶保護(hù)套管振動(dòng)計(jì)算
上述斷裂原因分析表明，避免共振可防止套管的疲勞損壞，應(yīng)使溫度計(jì)套管的固有頻率ｆｎ與流體的旋渦脫落頻率ｆｗ滿足一定的關(guān)系
４）應(yīng)力分析
套管與法蘭連接角焊縫表面存在一定的焊接殘余拉應(yīng)力，該處角焊縫截面發(fā)生變化存在輕微的應(yīng)力集中現(xiàn)象，以套管側(cè)熔合線處（即斷裂處）zui高。焊接殘余拉應(yīng)力與流體產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力疊加，在套管根部形成流體方向的交變應(yīng)力，作用在微觀缺陷處形成疲勞源導(dǎo)致開裂。
５）材料特性分析
套管為３１６不銹鋼材料，屬于面心立方不銹鋼材料，位錯(cuò)激活能較小，材料表面和微觀缺陷處容易在疲勞過程中出現(xiàn)晶?；茙?，而套管角焊縫熔合線區(qū)表面存在著較多的夾雜物，在超高周疲勞條件下，微觀夾雜物處更易萌生出疲勞裂紋。通過分析，溫度計(jì)保護(hù)套管插入流體中可引發(fā)套管振動(dòng)。在現(xiàn)有套管規(guī)格條件下，實(shí)際套管長度的增加與管道中兩相流的作用，使得原套管固有頻率與套管漩渦脫落頻率接近，引起套管共振，達(dá)到超高周疲勞條件，交變應(yīng)力作用在套管懸臂梁根部即角焊縫套管側(cè)熔合線的薄弱部位上，zui終產(chǎn)生超高周疲勞斷裂。