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        焊接彎頭下游腐蝕穿孔有限元分析

        作者:鑫茂管件 發布時間:2017-03-18
        內容摘要:在石油化工行業中,管道彎頭經常發生腐蝕失效,而管道中的煤焦油在彎頭處堵塞,并誘發下游發生腐蝕穿孔的案例卻很少見。

        管道失效分析

        在石油化工行業中,管道彎頭經常發生腐蝕失效,而管道中的煤焦油在彎頭處堵塞,并誘發下游發生腐蝕穿孔的案例卻很少見。對某輸油管道宏觀檢查發現管道外表面有腐蝕孔,將發生泄漏的彎頭切下來,發現彎頭內壁有14mm厚的煤焦油附著,其主要集中在彎頭與管道連接的兩個環焊縫之間,附著的煤焦油有   硬度和粘合力不易剝離。從中可以看出穿孔處位于靠近彎頭下游10cm左右的位置。將管子剖開可以觀察到內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。

        焊接質量不合格的影響

        厚壁管道的焊接應該對要施焊的管道開帶有鈍邊的V形坡口,而現場出于施工方便并未進行開鈍邊,而是用簡單的V形坡口代替,這種V形坡口在焊接的過程中,當焊接電流較大時極易焊穿,焊縫熔池凝固后在焊縫處發生內壁凸起。近年來的研究普遍關注影響沖刷腐蝕的水化學、水動力學、材質和溫度等參數,卻忽略了焊縫在沖刷腐蝕中導致管壁減薄的作用。

        通過綜合分析可知,現場不合格的焊接質量是   終誘發管道發生沖刷腐蝕穿孔的根本原因。應采用正確的焊接工藝進行現場焊接施工,對管道進行開帶鈍邊的V形坡口,先用氬弧焊打底后再用手工電弧焊蓋面,確保合格的焊接質量以避免事故發生。

        彎頭內流體初始流動狀況模擬

        1、管道流體流動有限元分析

        先分析焊接彎頭在   初投入使用時,管內流體的流動情況。發現不合格的焊接工藝會導致內壁焊縫凸起,通過檢查發現凸起的焊縫有5mm。此焊縫的存在勢必影響流體的流動狀態,因凸起的焊縫具有“節流”作用,為了直觀地分析彎頭內部流體流動情況,對彎頭內的流體流動狀態進行數值模擬,把焊縫近似看成半徑r3=5mm的半圓,創建帶焊縫的管道流體流動有限元模型。由于現場的煤焦油很不均勻,測定其動力粘度值直接用于分析不夠準確。不妨假設直管段的管道內流體處于層流,一般情況下層流流動雷諾數為2300,通過雷諾數公式Re=dvpμ·2300可以計算當煤焦油粘度為0.031時,流體恰處于層流。在此條件下對管內流體進行模擬偏于保守,實際流體流動   加劇烈。

        2、湍流動能分布

        由于凸起焊縫的存在,流體在流經焊縫后,流速明顯加劇,速度是原來的1.49倍,然而只要此流速不隨時間發生劇烈的變化,管道還是具有   的耐沖刷能力。因此,流體速度大小不是評定沖刷腐蝕程度的指標,應該獲得管內不同部位流體的湍流動能,它反映流體的湍流程度,湍流動能越大,表明此區域湍流程度越劇烈。所以,需要對管內流體湍流程度進行分析,獲得反映流體湍流程度的湍流動能。

        由于流體密度較大,在重力作用下,發生劇烈湍流的部位位于中A區域,此區域位于焊縫下游100mm左右。由于流體的流速在此區域發生劇烈的變化,對管壁產生間歇性的沖擊力,進而加速管壁的沖刷腐蝕。彎頭內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域較遠,輸送的煤焦油到彎頭位置時溫度已經遠小于180℃,因此煤焦油具備較大的黏性。當停工或管道處于檢維修期,煤焦油遇冷會在焊縫凸起處凝結,附著的煤焦油使原本就凸出的焊縫余高不斷增加,當管道恢復工作時,流體輸送到此處時的溫度不能將已凝結的煤焦油重熔為液態,如此反復會使原本凸出的焊縫越來越高。

        模擬發現在凸出焊縫下游靠近管道內壁表面處存在部分流體靜水區,也就是說煤焦油在此區域停。當停工或管道處于檢維修期管道發生冷卻,煤焦油會在此區域凝固,因此,煤焦油層會在靠焊縫的下游處增長,   終形成的厚煤焦油層。

        流動能為0.091J。由得出因14mm厚煤焦油誘發的流體   大湍流動能為0.508J。后者湍流動能是前者的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象逐漸增強。煤焦油厚度增加并且誘發管道發生沖刷腐蝕,   根本原因是現場焊接產生了不合格的焊縫,嚴重的焊縫內壁凸起誘發管道失效。

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