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焊接弯头下游腐蚀穿孔有限元分析

作者:鑫茂管件 发布时间:2017-03-18
内容摘要:在石油化工行业中,管道弯头经常发生腐蚀失效,而管道中的煤焦油在弯头处堵塞,并诱发下游发生腐蚀穿孔的案例却很少见。

管道失效分析

在石油化工行业中,管道弯头经常发生腐蚀失效,而管道中的煤焦油在弯头处堵塞,并诱发下游发生腐蚀穿孔的案例却很少见。对某输油管道宏观检查发现管道外表面有腐蚀孔,将发生泄漏的弯头切下来,发现弯头内壁有14mm厚的煤焦油附着,其主要集中在弯头与管道连接的两个环焊缝之间,附着的煤焦油有   硬度和粘合力不易剥离。从中可以看出穿孔处位于靠近弯头下游10cm左右的位置。将管子剖开可以观察到内壁附着的煤焦油层和光亮的冲刷表面,光亮的表面存在不同程度的“马蹄印”小凹坑,这是典型的冲刷腐蚀形貌。

焊接质量不合格的影响

厚壁管道的焊接应该对要施焊的管道开带有钝边的V形坡口,而现场出于施工方便并未进行开钝边,而是用简单的V形坡口代替,这种V形坡口在焊接的过程中,当焊接电流较大时极易焊穿,焊缝熔池凝固后在焊缝处发生内壁凸起。近年来的研究普遍关注影响冲刷腐蚀的水化学、水动力学、材质和温度等参数,却忽略了焊缝在冲刷腐蚀中导致管壁减薄的作用。

通过综合分析可知,现场不合格的焊接质量是   终诱发管道发生冲刷腐蚀穿孔的根本原因。应采用正确的焊接工艺进行现场焊接施工,对管道进行开带钝边的V形坡口,先用氩弧焊打底后再用手工电弧焊盖面,确保合格的焊接质量以避免事故发生。

弯头内流体初始流动状况模拟

1、管道流体流动有限元分析

先分析焊接弯头在   初投入使用时,管内流体的流动情况。发现不合格的焊接工艺会导致内壁焊缝凸起,通过检查发现凸起的焊缝有5mm。此焊缝的存在势必影响流体的流动状态,因凸起的焊缝具有“节流”作用,为了直观地分析弯头内部流体流动情况,对弯头内的流体流动状态进行数值模拟,把焊缝近似看成半径r3=5mm的半圆,创建带焊缝的管道流体流动有限元模型。由于现场的煤焦油很不均匀,测定其动力粘度值直接用于分析不够准确。不妨假设直管段的管道内流体处于层流,一般情况下层流流动雷诺数为2300,通过雷诺数公式Re=dvpμ·2300可以计算当煤焦油粘度为0.031时,流体恰处于层流。在此条件下对管内流体进行模拟偏于保守,实际流体流动   加剧烈。

2、湍流动能分布

由于凸起焊缝的存在,流体在流经焊缝后,流速明显加剧,速度是原来的1.49倍,然而只要此流速不随时间发生剧烈的变化,管道还是具有   的耐冲刷能力。因此,流体速度大小不是评定冲刷腐蚀程度的指标,应该获得管内不同部位流体的湍流动能,它反映流体的湍流程度,湍流动能越大,表明此区域湍流程度越剧烈。所以,需要对管内流体湍流程度进行分析,获得反映流体湍流程度的湍流动能。

由于流体密度较大,在重力作用下,发生剧烈湍流的部位位于中A区域,此区域位于焊缝下游100mm左右。由于流体的流速在此区域发生剧烈的变化,对管壁产生间歇性的冲击力,进而加速管壁的冲刷腐蚀。弯头内附着煤焦油的原因分析煤焦油的粘度随温度的降低逐渐增大。该管道为非电伴热管线,弯头距离煤焦油加热区域较远,输送的煤焦油到弯头位置时温度已经远小于180℃,因此煤焦油具备较大的黏性。当停工或管道处于检维修期,煤焦油遇冷会在焊缝凸起处凝结,附着的煤焦油使原本就凸出的焊缝余高不断增加,当管道恢复工作时,流体输送到此处时的温度不能将已凝结的煤焦油重熔为液态,如此反复会使原本凸出的焊缝越来越高。

模拟发现在凸出焊缝下游靠近管道内壁表面处存在部分流体静水区,也就是说煤焦油在此区域停。当停工或管道处于检维修期管道发生冷却,煤焦油会在此区域凝固,因此,煤焦油层会在靠焊缝的下游处增长,   终形成的厚煤焦油层。

流动能为0.091J。由得出因14mm厚煤焦油诱发的流体   大湍流动能为0.508J。后者湍流动能是前者的5.55倍,随着煤焦油层厚度的不断增加,弯头下游的冲刷腐蚀现象逐渐增强。煤焦油厚度增加并且诱发管道发生冲刷腐蚀,   根本原因是现场焊接产生了不合格的焊缝,严重的焊缝内壁凸起诱发管道失效。

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