热电偶套管断裂原因分析及应对措施

王川川+杨霖+张奎严

摘 要 采用化学成分分析、金相分析、宏观与微观断口分析等方法，对某炼油厂常减压装置工艺管线热电偶套管的断裂原因进行了分析，针对断裂原因，对目前在此套装置内部分热电偶的使用安全性进行了分析，并提出整改的建议以减少类似事故的发生。

关键词 热电偶套管；断裂；原因分析；处理措施

中图分类号：TH811 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0174-01

某炼油厂550万吨/年常减压装置自2006年开车以来，共发生两次热电偶套管断裂，造成停车事故。热电偶垂直安装在管线三通后约300 mm处，套管插入长度约150 mm，断掉长度约250 mm，原油流速在1.15～1.68 m/s之间，流动状态为匀速流动，温度为210～220℃，压力约1 Mpa。因原油较轻，换热到此温度后，原油部分气化，呈汽液两相、湍流状态。原油硫含量及氯离子含量未作分析。通常硫含量为0.5%，氯离子含量为1.68 mg/l原油。

为判断热电偶保护套管断裂原因，委托中国科学院金属研究所进行管材化学成分、金相组织及断口的宏观形貌检验分析，以确定断裂原因，防止类似事故的再次发生。

1 宏观分析

保护套管断裂位置在套管与带丝扣管座的焊接处，断口平整，无明显的塑性变形，呈脆性断口，见图1。在主断口附近还可见次裂纹的存在。观察残留的热电偶保护套管的外表面，其表面粗糙，有较深的加工痕迹。

图1 保护套管断口的宏观形貌

2 化学分析

在套管上取样，依据GB/T16597-1996，使用光谱仪分析化学成分，结果见表1。通过与几种奥氏体不锈钢的标准化学成分比较发现，其材质符合0Cr18Ni9钢的国家标准，而非含Ti的奥氏体不锈钢（Ti的含量很低）。含Ti的奥氏体不锈钢，由于加入钛，具有一定的抗晶间腐蚀能力。碳的含量降低可以进一步提高其耐蚀性[1]。

表1 热电偶套管的化学成分（w/%）

元素 C Si Mn P S Cr Ni Ti

wt% 0.066 0.39 0.80 0.030 0.005 18.21 9.05 <0.01

3 金相分析

从残留的热电偶套管上分别取带断口及焊缝的纵向和横向金相样品。经预磨抛光后，用10%的草酸溶液电解腐刻，观察各部分的金相组织。发现套管基体及焊缝的金相组织正常，焊缝与管基体之间的结合良好，但在套管外、内壁表面有晶间腐蚀存在。观察热功当量横向金相组织，同样可见套管的外、内壁表面有晶间腐蚀存在。

4 扫描电镜分析

首先，对图1中热电偶套管断口的1处进行微观形貌观察，发现在热电偶套管的外壁存在着缺陷，裂纹起源于该部位；并且在1处附近，还有多个裂纹源，裂纹产生后，沿管壁向前扩展，在断口表面的2和3处，有大量的疲劳裂纹扩展所形成的“辉纹线”。当疲劳裂纹扩展到4处时，这时的套管所剩下的强度已经很小，在应力的作用下，该处最后被瞬间拉断，在4处留下大量的韧窝。

5 断裂原因分析

通过以上分析可知：

1）断口处紧挨焊缝，焊缝及附近处的热影响区组织不均匀，应力集中，且管壁表面粗糙，有大量的加工痕迹，也是应力集中和容易产生疲劳裂纹源的地方。

2）热电偶套管垂直安装在管线上，其受力状态相当于悬壁梁状态，在断口处是受力最大处（相当于悬壁梁的根部）。因油流气化有湍流状态，使套管受力呈交变的载荷，使该处成为套管开裂的起源处，并随着裂纹的不断扩展，最终导致套管断裂。

3）套管的材质成分符合0Cr18Ni9钢的国家标准。设计选型为1Cr18Ni9Ti，与设计选型不符。设计选用1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢管更多的是着眼于其所含Ti元素具有一定的抗晶间腐蚀能力。晶间腐蚀裂纹也易成为疲劳裂纹源。金相组织观察，发现在套管的内、外壁有晶间腐蚀存在。

因此热电偶套管的断裂是疲劳断裂。套管在此位置断裂，是由于此处是最易产生疲劳裂纹源的地方，且该处受到的应力又最大。

6 处理措施

通过对热电偶套管断裂原因分析后，为了避免类似情况的再次出现，提出以下建议。

1）在不影响测量效果的前提下，移动部分热电偶的安装位置，并改垂直安装为135°安装，使得在发生泄漏时能将泄漏点切换出去，不影响装置的正常运行，同时也可改变套管承受交变载荷的程度。

2）提高热电偶保护套管的材质，选用具有抗晶间腐蚀能力较强的材质，如316L等，并严格检查保护套管的内外在质量，检查保护套管的焊接质量，避免因焊接工艺选用不当，造成金属晶相组织改变，使焊接接头产生结晶裂纹，降低奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀的性能。

3）选用新型的防泄漏的热电偶，即在热电偶保护套管断裂的情况下依然能有防止介质泄漏的能力。

参考文献

[1]王非，林英编.化工设备用钢[M].化学工业出版社，2004：102-107.

作者简介

王川川（1985-），男，助理工程师，工作于辽阳石化分公司炼油厂，从事炼油化工企业设备管理与维修工作。endprint

摘 要 采用化学成分分析、金相分析、宏观与微观断口分析等方法，对某炼油厂常减压装置工艺管线热电偶套管的断裂原因进行了分析，针对断裂原因，对目前在此套装置内部分热电偶的使用安全性进行了分析，并提出整改的建议以减少类似事故的发生。

关键词 热电偶套管；断裂；原因分析；处理措施

中图分类号：TH811 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0174-01

某炼油厂550万吨/年常减压装置自2006年开车以来，共发生两次热电偶套管断裂，造成停车事故。热电偶垂直安装在管线三通后约300 mm处，套管插入长度约150 mm，断掉长度约250 mm，原油流速在1.15～1.68 m/s之间，流动状态为匀速流动，温度为210～220℃，压力约1 Mpa。因原油较轻，换热到此温度后，原油部分气化，呈汽液两相、湍流状态。原油硫含量及氯离子含量未作分析。通常硫含量为0.5%，氯离子含量为1.68 mg/l原油。

为判断热电偶保护套管断裂原因，委托中国科学院金属研究所进行管材化学成分、金相组织及断口的宏观形貌检验分析，以确定断裂原因，防止类似事故的再次发生。

1 宏观分析

保护套管断裂位置在套管与带丝扣管座的焊接处，断口平整，无明显的塑性变形，呈脆性断口，见图1。在主断口附近还可见次裂纹的存在。观察残留的热电偶保护套管的外表面，其表面粗糙，有较深的加工痕迹。

图1 保护套管断口的宏观形貌

2 化学分析

在套管上取样，依据GB/T16597-1996，使用光谱仪分析化学成分，结果见表1。通过与几种奥氏体不锈钢的标准化学成分比较发现，其材质符合0Cr18Ni9钢的国家标准，而非含Ti的奥氏体不锈钢（Ti的含量很低）。含Ti的奥氏体不锈钢，由于加入钛，具有一定的抗晶间腐蚀能力。碳的含量降低可以进一步提高其耐蚀性[1]。

表1 热电偶套管的化学成分（w/%）

元素 C Si Mn P S Cr Ni Ti

wt% 0.066 0.39 0.80 0.030 0.005 18.21 9.05 <0.01

3 金相分析

从残留的热电偶套管上分别取带断口及焊缝的纵向和横向金相样品。经预磨抛光后，用10%的草酸溶液电解腐刻，观察各部分的金相组织。发现套管基体及焊缝的金相组织正常，焊缝与管基体之间的结合良好，但在套管外、内壁表面有晶间腐蚀存在。观察热功当量横向金相组织，同样可见套管的外、内壁表面有晶间腐蚀存在。

4 扫描电镜分析

首先，对图1中热电偶套管断口的1处进行微观形貌观察，发现在热电偶套管的外壁存在着缺陷，裂纹起源于该部位；并且在1处附近，还有多个裂纹源，裂纹产生后，沿管壁向前扩展，在断口表面的2和3处，有大量的疲劳裂纹扩展所形成的“辉纹线”。当疲劳裂纹扩展到4处时，这时的套管所剩下的强度已经很小，在应力的作用下，该处最后被瞬间拉断，在4处留下大量的韧窝。

5 断裂原因分析

通过以上分析可知：

1）断口处紧挨焊缝，焊缝及附近处的热影响区组织不均匀，应力集中，且管壁表面粗糙，有大量的加工痕迹，也是应力集中和容易产生疲劳裂纹源的地方。

2）热电偶套管垂直安装在管线上，其受力状态相当于悬壁梁状态，在断口处是受力最大处（相当于悬壁梁的根部）。因油流气化有湍流状态，使套管受力呈交变的载荷，使该处成为套管开裂的起源处，并随着裂纹的不断扩展，最终导致套管断裂。

3）套管的材质成分符合0Cr18Ni9钢的国家标准。设计选型为1Cr18Ni9Ti，与设计选型不符。设计选用1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢管更多的是着眼于其所含Ti元素具有一定的抗晶间腐蚀能力。晶间腐蚀裂纹也易成为疲劳裂纹源。金相组织观察，发现在套管的内、外壁有晶间腐蚀存在。

因此热电偶套管的断裂是疲劳断裂。套管在此位置断裂，是由于此处是最易产生疲劳裂纹源的地方，且该处受到的应力又最大。

6 处理措施

通过对热电偶套管断裂原因分析后，为了避免类似情况的再次出现，提出以下建议。

1）在不影响测量效果的前提下，移动部分热电偶的安装位置，并改垂直安装为135°安装，使得在发生泄漏时能将泄漏点切换出去，不影响装置的正常运行，同时也可改变套管承受交变载荷的程度。

2）提高热电偶保护套管的材质，选用具有抗晶间腐蚀能力较强的材质，如316L等，并严格检查保护套管的内外在质量，检查保护套管的焊接质量，避免因焊接工艺选用不当，造成金属晶相组织改变，使焊接接头产生结晶裂纹，降低奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀的性能。

3）选用新型的防泄漏的热电偶，即在热电偶保护套管断裂的情况下依然能有防止介质泄漏的能力。

参考文献

[1]王非，林英编.化工设备用钢[M].化学工业出版社，2004：102-107.

作者简介

王川川（1985-），男，助理工程师，工作于辽阳石化分公司炼油厂，从事炼油化工企业设备管理与维修工作。endprint

摘 要 采用化学成分分析、金相分析、宏观与微观断口分析等方法，对某炼油厂常减压装置工艺管线热电偶套管的断裂原因进行了分析，针对断裂原因，对目前在此套装置内部分热电偶的使用安全性进行了分析，并提出整改的建议以减少类似事故的发生。

关键词 热电偶套管；断裂；原因分析；处理措施

中图分类号：TH811 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0174-01

某炼油厂550万吨/年常减压装置自2006年开车以来，共发生两次热电偶套管断裂，造成停车事故。热电偶垂直安装在管线三通后约300 mm处，套管插入长度约150 mm，断掉长度约250 mm，原油流速在1.15～1.68 m/s之间，流动状态为匀速流动，温度为210～220℃，压力约1 Mpa。因原油较轻，换热到此温度后，原油部分气化，呈汽液两相、湍流状态。原油硫含量及氯离子含量未作分析。通常硫含量为0.5%，氯离子含量为1.68 mg/l原油。

为判断热电偶保护套管断裂原因，委托中国科学院金属研究所进行管材化学成分、金相组织及断口的宏观形貌检验分析，以确定断裂原因，防止类似事故的再次发生。

1 宏观分析

保护套管断裂位置在套管与带丝扣管座的焊接处，断口平整，无明显的塑性变形，呈脆性断口，见图1。在主断口附近还可见次裂纹的存在。观察残留的热电偶保护套管的外表面，其表面粗糙，有较深的加工痕迹。

图1 保护套管断口的宏观形貌

2 化学分析

在套管上取样，依据GB/T16597-1996，使用光谱仪分析化学成分，结果见表1。通过与几种奥氏体不锈钢的标准化学成分比较发现，其材质符合0Cr18Ni9钢的国家标准，而非含Ti的奥氏体不锈钢（Ti的含量很低）。含Ti的奥氏体不锈钢，由于加入钛，具有一定的抗晶间腐蚀能力。碳的含量降低可以进一步提高其耐蚀性[1]。

表1 热电偶套管的化学成分（w/%）

元素 C Si Mn P S Cr Ni Ti

wt% 0.066 0.39 0.80 0.030 0.005 18.21 9.05 <0.01

3 金相分析

从残留的热电偶套管上分别取带断口及焊缝的纵向和横向金相样品。经预磨抛光后，用10%的草酸溶液电解腐刻，观察各部分的金相组织。发现套管基体及焊缝的金相组织正常，焊缝与管基体之间的结合良好，但在套管外、内壁表面有晶间腐蚀存在。观察热功当量横向金相组织，同样可见套管的外、内壁表面有晶间腐蚀存在。

4 扫描电镜分析

首先，对图1中热电偶套管断口的1处进行微观形貌观察，发现在热电偶套管的外壁存在着缺陷，裂纹起源于该部位；并且在1处附近，还有多个裂纹源，裂纹产生后，沿管壁向前扩展，在断口表面的2和3处，有大量的疲劳裂纹扩展所形成的“辉纹线”。当疲劳裂纹扩展到4处时，这时的套管所剩下的强度已经很小，在应力的作用下，该处最后被瞬间拉断，在4处留下大量的韧窝。

5 断裂原因分析

通过以上分析可知：

1）断口处紧挨焊缝，焊缝及附近处的热影响区组织不均匀，应力集中，且管壁表面粗糙，有大量的加工痕迹，也是应力集中和容易产生疲劳裂纹源的地方。

2）热电偶套管垂直安装在管线上，其受力状态相当于悬壁梁状态，在断口处是受力最大处（相当于悬壁梁的根部）。因油流气化有湍流状态，使套管受力呈交变的载荷，使该处成为套管开裂的起源处，并随着裂纹的不断扩展，最终导致套管断裂。

3）套管的材质成分符合0Cr18Ni9钢的国家标准。设计选型为1Cr18Ni9Ti，与设计选型不符。设计选用1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢管更多的是着眼于其所含Ti元素具有一定的抗晶间腐蚀能力。晶间腐蚀裂纹也易成为疲劳裂纹源。金相组织观察，发现在套管的内、外壁有晶间腐蚀存在。

因此热电偶套管的断裂是疲劳断裂。套管在此位置断裂，是由于此处是最易产生疲劳裂纹源的地方，且该处受到的应力又最大。

6 处理措施

通过对热电偶套管断裂原因分析后，为了避免类似情况的再次出现，提出以下建议。

1）在不影响测量效果的前提下，移动部分热电偶的安装位置，并改垂直安装为135°安装，使得在发生泄漏时能将泄漏点切换出去，不影响装置的正常运行，同时也可改变套管承受交变载荷的程度。

2）提高热电偶保护套管的材质，选用具有抗晶间腐蚀能力较强的材质，如316L等，并严格检查保护套管的内外在质量，检查保护套管的焊接质量，避免因焊接工艺选用不当，造成金属晶相组织改变，使焊接接头产生结晶裂纹，降低奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀的性能。

3）选用新型的防泄漏的热电偶，即在热电偶保护套管断裂的情况下依然能有防止介质泄漏的能力。

参考文献

[1]王非，林英编.化工设备用钢[M].化学工业出版社，2004：102-107.

作者简介

王川川（1985-），男，助理工程师，工作于辽阳石化分公司炼油厂，从事炼油化工企业设备管理与维修工作。endprint