水压试验期间管道接头的失效

水压试验期间管道接头的失效

F、 艾哈迈德，L.阿里，J.伊克巴尔，F.哈桑

巴基斯坦拉合尔54890工程技术大学冶金与材料工程系

2007年6月4日收到；2007年6月4日接受

2007年6月30日在线提供

 

摘要：大直径对焊三通接头（30英寸。·高压输气管道在水压试验期间出现泄漏，水压试验是为了证明管道试运行后的完整性。泄漏失效包括在三通接头颈部区域形成小裂纹。详细检查表明，开裂之前是塑性屈服，在这些位置，壁厚甚至低于规定的最小值。对从失效三通管中获得的选定截面进行的进一步检查表明，三通管实际上是通过对接焊（长度为18英寸）进行“制造”的。直径为30英寸的部分成型颈部的管道。直径管。同时，对该对接焊缝的焊缝填充进行打磨，以消除颈部区域的曲率，或者更可能掩盖焊缝，从而导致“错误”的制造程序。该程序的结果是，颈部区域的壁厚低于（甚至开始时）低于规定的最小值，通过研磨焊缝填充物进一步减小。还得出结论，采用这种方法不可能生产出所需/规定设计和尺寸的三通接头“制造”。

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关键词：水压试验；泄漏；焊缝填充；部分成形颈部；磨痕

 

1. 介绍

Sui Northern Gas Pipelines Limited（SNGPL）是巴基斯坦最大的天然气公司。2003年，SNGPL进口了大直径高压管件，其中还包括“对焊异径三通”接头。由于国家间关系的神圣性，这些配件进口国的名称不能透露。

安装在30英寸的大直径异径三通接头中的前两个。直径的管道，在水压试验中都失败了。可以指出，在试运行后，必须强制进行水压试验，以证明气体配件/管道的完整性。失败的球座是30英寸。直径为18英寸。出口。本文对这些失效的三通接头进行了失效分析。

2. 故障描述

安装在高压输气管线上的两（2）个尺寸为30·18的对焊异径三通接头，在进行水压试验以证明三通接头和焊缝的完整性时“失败”。在1400 psi的工作压力下，目前的三通接头的静水压试验压力为2200 psi。然而，据报道[1]：00 00

1. #1：这是第一批接受测试的产品，在达到1750 psi的静水压力时发生灾难性破裂。

2. #2：在达到1500 psi的试验压力时出现小的泄漏裂纹，随后试验中断。

两个失效的三通都是通过气割的方式从管道上取下的，这三个接头都靠近焊缝，并送交作者进行了详细的失效分析。

两个失效三通的照片如图1所示，而断裂几何结构的图解如图2所示。对这些三通接头的初步检查表明，破裂的三通（tee#1）中的断裂是在颈部区域内开始的，而tee#2中的泄漏裂纹也在颈部区域形成。因此，有人认为，仅对Tee#2进行详细检查更为适当和充分。

3. 目视检查“开裂”Tee

图3显示了水压试验期间在三通中形成的小泄漏裂纹的位置。为了更准确地定位裂纹，进行了“磁粉检测”，结果表明，在该T形三通的颈部区域形成了两条裂纹。裂纹的位置在图3a和b中用箭头表示，而其中一个裂纹的放大视图如图3c和d所示。对裂纹的详细目视检查揭示了两个重要的事情：

 

图1. 从失败的Tee上拍摄的照片。箭头指向裂纹萌生的位置，位于两个三通的颈部区域内。

 

图2. 两个破裂三通的示意图，说明破裂的几何形状。

 

图3.（a） 水压试验过程中三通内形成泄漏裂纹的位置。（b） “磁粉检验”显示的其中一个泄漏裂纹，（c和d）在b中看到的裂纹的放大视图。d中也可以看到磨痕的存在。

裂纹的位置（如图3a所示）似乎与焊接在18英寸内的横杆位置有关。（焊接在18英寸内的三根横杆。出口旨在避免清管工具进入18英寸。在清洁/清扫管线时分支）。

 

图4. 根据ASME规范手册[2]复制的三通墙“规定”剖面示意图，显示了ASME规定的颈部区域的额外钢筋。

当用丙酮从T形三通表面上清除一层薄薄的“黑色”油漆时，表面显示出磨痕，如图3d所示。

T恤领口上的磨痕是一个意外的观察，也是一个神秘的发现。为了了解颈部的研磨是否影响了该位置三通的壁厚，使用“超声波测厚仪”对三通的整个阀体进行了详细的壁厚测量。这项工作的结果表明，三通阀体上大多数位置的壁厚约为14.5 mm，符合规范要求，但在“颈部”区域，壁厚通常约为11–11.5 mm，而在一个位置，壁厚仅为10.7 mm。此外，还观察到近距离内的壁厚有很大的变化。

还对未使用的三通进行壁厚测量，即未安装在管道上并进行水压试验的三通。观察到所有的三通管在“颈部”区域的壁相对较薄。根据与气体配件相关的ASME标准，此处应适当提及，挤压出口（如所讨论的三通）应在弯曲（颈部）区域[2]有额外的“加固”，以抵抗作用在支管开口区域的压力和任何外部荷载产生的剪应力热运动、重量、振动等。图4给出了ASME规范手册中三通接头草图的简化复制图。

4. 宏观检查

对失败的三通在颈部及其周围进行切片，准备进行宏观检查。图5所示为穿过裂纹线（见图3d）的宏观截面之一。从图5中可以得出一些重要的观察结果是

与塑性断面形成相关的塑性折减的位置。

裂纹朝向环向应力（管壁中的周向拉应力）方向约45°，表明其为斜剪裂纹。

裂缝的位置似乎与横杆的位置有关。

从上述观察结果可以清楚地看出，破坏本质上是由于应力过大而导致的延性断裂，即由于内部液压压力而施加的环向应力足以导致管壁塑性屈服。然而，从“缩颈”的位置来看，横杆的存在（见图。3a和5a）可能是造成该位置“过度应力”的一部分。

 

图5.（a） 穿过图3d裂纹线的宏观截面，（b）沿横杆焊缝的咬边。T形管壁的拉伸缩颈（屈服）可在a中注明。

三通管颈部横杆的存在导致的过度应力可能与以下一个或多个因素有关：

焊缝热影响区显微组织的软化/正火。

在颈缩区建立了三轴应力系统。

焊缝可能咬边处的应力集中。

上述因素也可能是导致塑性屈服的应力过大的共同原因。然而，由于横杆一直由SNGPL[1]焊接在T形接头内，且从未造成任何现有类型的问题，因此，有理由认为，在目前情况下，过度应力的主要来源是三通颈部区域的壁厚值较低。

因此，在这个阶段，集中注意力在颈部区域的减薄壁厚以及该区域的磨痕上。因此，对T形三通的整个表面进行了详细的调查，结果表明，此类磨痕遍布颈部，而在T形三通表面的其他地方没有。值得注意的是，在颈部区域的T形三通的内表面上也存在研磨痕迹。

 

图6. （a） 三通的等距草图，显示了金相检验用截取样品的位置和方向，（b）从三通#2取样的宏观截面图（以a中所示的方式），显示三通颈部周围存在焊接接头。

因此，为了探索为什么这些研磨痕迹出现在三通的颈部周围，以图6a所示的方式从颈部区域取样，并准备进行宏观检查。图6b示出了其中两个样品的宏观结构。从图6b中可以很容易地看出，颈部圆周围有一条“焊缝”，这表明18英寸。T形三通的出口不是通过成型（或锻造）操作制造的，而是通过焊接一个2英寸的“制造”出口。长件18英寸。管到部分成形的颈部。图7示出了用于制作三通的方法。

从这一发现中还可以清楚地看出，对颈部区域进行研磨是为了平滑焊缝填充，或者更可能是为了掩盖焊缝以及颈部的制作方法。然而，在试图通过研磨隐藏焊缝的过程中，壁厚也出现了减少。

环向应力的计算[3]表明，壁厚为14.5 mm（标称和测量壁厚为30 in。直径三通），建议的2200 psi试验压力将产生约58000 psi的应力，即略低于X60级钢的规定最小屈服强度（SMYS）[4]。另一方面，静水压试验导致在三通的颈部区域（测得壁厚低至10.5–11.0 mm）达到1500 psi的液压时，形成了第一个泄漏裂纹。利用这些数据，可以看出，在这一阶段，在三通管壁上设置了大约54000 psi的环向应力，即大约90%的SMYS。对这些计算结果的分析表明，在发生颈缩的区域内，一定有促成因素（除了减少的壁厚之外），而且这些因素必须与颈缩发生的实际位置相联系。有理由相信：

（a） 缩颈处（即横杆焊缝的热影响区）处的钢材屈服强度必须通过对该部分热影响区的微观结构进行“回火”而降低。

（b） 沿横杆焊缝的“咬边”（如图5b所示）可能导致应力集中。

 

图7. T形三通的等距草图，说明了通过焊接18英寸的T形三通的制造方式。直径为30英寸的部分挤压颈部上的环。直径管。

因此，可以推断三通的颈部区域确实存在过度应力。应力过大主要是由壁厚减小引起的，但热影响区组织的“软化”和沿横杆焊缝的咬边也起了一定作用。

5. 结论

1. 挤压出口颈部的壁厚低于配件的标称壁厚，这是水压试验期间产生应力过大和随后形成泄漏裂纹的主要原因。

2. 失效的三通接头是通过在部分挤压的出口上焊接18个直径的环，然后对焊缝填充物进行研磨，结果也出现了一些研磨以及由此导致的三通管壁变薄。显然，用这种方法制造的三通接头既不符合规范，也不足以承受水压试验。

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