浅析天然气汇管开裂原因与预防

白金亮

中国石油长庆油田分公司 技术监测中心 （陕西 西安 710021）

浅析天然气汇管开裂原因与预防

白金亮

中国石油长庆油田分公司 技术监测中心 （陕西 西安 710021）

通过对天然气汇管截面应力场的探讨，分析了汇管表面裂纹产生的原因并提出了相应预防措施。得出长庆油田第一采气厂出现表面裂纹的7台管汇是由于焊接和热处理工艺不当使残余应力过大所致。

汇管 表面裂纹 原因分析 预防措施

气田天然气管汇主要是把单井来的天然气汇集到一起，再输送到天然气脱水撬。

近几年，特种设备检验站在对长庆油田第一采气厂压力容器定期检验时，发现有7台管汇上部和底部存在表面裂纹缺陷，裂纹深度在1～5mm之间。如果不及时消除，这些表面裂纹将会随时间的推移不断扩展，最终导致重大事故和不可估量损失。那么这些表面裂纹是怎样形成的呢？

1 应力分布特征和裂纹原因分析

气田汇气管，直径大都小于300mm，壁厚多为18～22mm，是由无缝钢管与支管焊接而成，封头多采用标准椭圆封头，支管与汇管焊接是采用插入式角接头，外加补强圈补强。主管和支管是采用主管开V型坡口的角接头，补强圈和主管连接是角焊缝，补强圈和支管之间是补强圈开V形坡口的角接头，这种结构使得主管外表面焊接热输入量远远大于内表面，在焊接过程中，随着热输入量的不断增加，主管表面自由变形量和内部变形量也逐渐升高，当温度升高到金属中所引起的内应力σ大于金属的屈服极限σs时，则在主管外表面金属中产生压缩塑性变形，内表面产生拉伸变形，又因焊接顺序一般为对称同时施焊（为了减少汇管焊接变形），这样在主管的外表面造成压缩塑性变形的叠加，产生较高压缩塑性变形（压应力），而在内表面则产生拉应力，主管截面应力分布见图1，当汇管焊完冷却后，由于产生压缩塑性变形的区域不能自由收缩，要受到两侧金属的牵制，这样冷却后该区被拉伸，产生拉应力，由于两侧施焊造成拉应力的叠加以及外表面热输入量远远大于内表面，因此使得主管表面存在较高拉应力，汇管上半部外表面应力分布见图2。汇管在投入使用后，由于工作压力以及压力波动的影响容易在汇管两侧产生纵向表面裂纹。

2 汇管的检验方法

由于汇管容积较小，没有设置人孔、手孔和检查孔，不能宏观检查其内表面，因此，在对气田汇管进行定期检验时应根据汇管的制造和结构特点并结合使用状况采取如下方法。

（1）外表面的宏观检查，检查汇管外观是否有变形，机械损伤，外表面腐蚀，接管焊缝以及受压元件有无泄漏等缺陷。

（2）壁厚测定，利用超声波测厚仪对汇管的底部、中部、顶部和封头顶部、底部以及变形部位进行壁厚测定，如果有壁厚减薄，腐蚀和夹层等缺陷，应及时作相应处理。

（3）磁粉探伤，探伤前，应清理汇管角焊缝、封头对接焊缝以及汇管上下两侧的表面的油漆，使之露出金属光泽，采取正确的磁粉探伤工艺，检查表面是否有裂纹，如有裂纹，采用超声端点衍射法、6dB法以及TOFD检测技术确定裂纹的深度，并及时作相应处理。

（4）超声波探伤，对于汇管与封头对接环焊缝，可采用超声波探伤以检查焊缝内部的埋藏缺陷和内表面裂纹。

（5）耐压试验，由于汇管结构等原因不能够进行内部检验，检验完毕后应做耐压试验，以检查汇管的整体强度。

3 预防措施

由于天然气汇管体积小，焊缝集中，焊接接头多为开V型坡口的角接头，焊缝区、汇管的内外表面应力分布较为复杂，因此必须采取切实可行的措施来防止裂纹的产生。

（1）合理选择本体材料，由于汇气管承装介质为含硫天然气，因此制造选材时应选抗裂能力强、焊接性能好的20R、16MnR等钢材。

（2）合理选择焊接线能量，电流不宜过大，采用多道快速焊，减少过大的焊接热输入量。

（3）合理选择焊接顺序，避免强力组对，降低拘束度，以减少表面应力和应力集中。

（4）为了松弛焊接残余应力，稳定结构的形状和尺寸以及改善母材、焊接区的性能，焊接后的汇管应进行焊后整体炉内消应热处理，即高温回火，通过高温回火热处理，可以消除80%～90%的焊接应力。①按照标准规范制定科学的焊后热处理工艺；②严格按工艺参数进行热处理，避免分段热处理，控制升温、保温、降温的速度和时间，尽可能降低汇管的残余应力。

（5）采用喷丸等工艺，使汇管表面形成压应力层，以减小拉应力，避免产生表面裂纹。

（6）加强容器的使用管理，尽可能避免交变载荷的产生，以防应力疲劳，避免裂纹加速形成和扩展。

（7）加强汇管定期检验工作，确定合理的检验周期，如果发现裂纹，应彻底予以消除。

4 结束语

所产生裂纹的7台汇管都是由同一制造厂同一时期制造，其焊接工艺和热处理工艺基本相同，因此可以看出，该批汇管所产生的表面裂纹可能是由于焊接和热处理工艺不当使残余应力过大所致，因此汇管制造时必须制定符合规范的焊接、热处理工艺并严格执行，另外还必须做好年度检查和定期检验工作，做到缺陷早发现，早处理，避免因裂纹扩展而发生天然气泄漏而导致的火灾爆炸事故。

Based on the discussion on the stress field of natural gas manifold section,an analysis is carried out about the causes of cracks appearance on the surface of manifold,together with some presentation of some corresponding preventive measures.It is concluded that 7 manifolds with surfacial cracks appearing in No.1 oil gas factory of changqing oilfields are due to the mcorrect technology of welding and heat treatment,whith makes the left stress too big.

manifold/pipeline;surface crack;cause analysis;preventive measures

白金亮（1969-），男，现主要从事特种设备定期检验。

尉立岗

2011-10-08