一起电缆冷却用管道爆裂失效分析

周鹏飞，于步江，钱英豪

（江苏省特种设备安全性能监督检验研究院苏州分院， 江苏 苏州 215031）

在电缆生产车间，电缆按设计的工艺要求需要从蒸汽管道中间穿过，在设备的引导下由蒸汽段向冷却水段移动进行冷却。某电缆冷却管道在使用过程中突然发生爆裂，对生产造成了重大影响。找出蒸汽管道失效原因，排除隐患，防止类似事件发生具有重要意义。

图1 现场开裂状态

1 基本情况介绍

发生开裂的管线材料为2 0#钢，规格为φ273×7，最工作压力1.3MPa，最高工作温度200℃，管线内介质为空气和水，投入使用13年。该管线由20根管节组成，管节间通过法兰连接，每根管节的长度为7.5m。开裂处位于蒸汽和水的交界段。

2 宏观分析

从图2可以看出，裂口平行于管子轴线方向，在底端形成了一道φ10的沟槽，最薄处为0.9mm，示意图见图2；由图3可见开裂部位存在明显的塑性变形，断口的边缘呈现刀刃状，为塑性断裂特征。

图2 开裂部位结构示意图

3 力学性能分析

材料拉伸试验结果见表1，可以看出，拉伸性能符合GB/T 8163-2018《输送流体用无缝钢管》要求。

图3 断口形貌图

表1 拉伸试验结果

冲击试验结果见表2，从表2可以看出，材料的冲击性能符合GB/T 8163的要求。

表2 冲击试验结果

4 化学元素分析

分析结果见表3，结果符合标准GB/T 8163要求。

表3 元素分析

5 应力分析

对管道的开裂部位建立平面模型进行分析，设计温度200℃，设计压力1.3MPa，管道规格φ273×7，底部产生的沟槽直径10mm，沟槽最深处管子壁厚取0.9mm。材料的许用应力不考虑安全系数，取材料的拉伸试验得到的屈服强度270MPa。

应力分析云图见图4，从应力云图可以看出，在沟槽处存在局部应力过大（最大处约850MPa）。在最大应力处，沿壁厚方向建立路径，进行评定，评定结果见表4，结果显示一次薄膜应力是符合要求的，但是整体应力过大，导致该部位发生了整体塑性屈服失效。

图4 应力云图

表4 强度评定

6 沟槽形成原因分析

（1）若管道和电缆设计、布线安装正确，在正常工作时，电缆在管道中经稳定的悬链系数控制下呈抛物线形状，而管道的布线和走向也应与电缆的曲率相一致，从而保证电缆在管道中移动且不与管道内壁发生任何接触。根据企业提供的信息得知，管道整体并未按照电缆的布线曲率进行设计安装，管道实际的布线曲率要高于其中电缆的布线曲率，因此，在正常工作时，电缆会与管道下侧内壁发生接触摩擦。

（2）在正常工作时，由于蒸汽介质势必导致管道受热膨胀，而开裂管道两端被固定限制，使管道无法通过自由伸缩以平衡弹性变形，进而在该管节产生局部弯曲变形；由于悬垂控制装置的发射器位于每根管节的两端，对于管节中段部分的线缆与管壁产生摩擦的情况，不能进行修正。

（3）管道形成沟槽的部位位于气液分离处，在该部位容易发生氧化腐蚀，当电缆与该处管内壁摩擦时，金属的消耗速率更高，久而久之形成了沟槽。

7 结论和建议

从以上分析可以得出，该管道发生开裂的直接原因是电缆长期与管内壁摩擦，造成管道沿厚度方向产生金属损失，进而导致该处强度不足，发生塑性断裂失效；间接原因是管道设计不合理，管道与其中的电缆在铺设布置时，未能保持曲率一致，从而导致装置工作时，管道中电缆与管道内壁长期发生接触摩擦，并形成随时间不断加深的沟槽，当沟槽壁厚不足时，产生开裂。

针对上述情况，建议在安装和使用该类装置的过程中采取如下措施：

（1）管道设计时应充分考虑热膨胀问题，合理增加补偿器。

（2）悬垂控制装置的发射器在布局时，应充分考虑管道的走向和结构，以保证电缆及管道的曲率一致，使电缆在管道中间位置。

（3）在气液分离界面处，应选择耐腐蚀材料。

（4）定期对管道的壁厚进行超声波测厚检查，尤其是气液平衡处、管道曲率最小处及管道最底部，一旦发现厚度非正常减薄应立即停车检查，避免发生安全事故。

◆参考文献

[1] GB/T 8163-2018，输送流体用无缝钢管[S].