管材失效風(fēng)險(xiǎn)因素分析

1、管材失效風(fēng)險(xiǎn)因素分析 天然氣管道輸送壓力高、鋼材等級(jí)高、管徑大，如我國(guó)正在建設(shè)的 西氣東輸二線，其輸送壓力達(dá)到了 12MPa管徑達(dá)到了 1219mm所 采用的鋼材等級(jí)為X80。管道一般以埋地敷設(shè)方式。所以引發(fā)天然氣 管道事故的主要危險(xiǎn)、有害因素表現(xiàn)為：管道應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、腐蝕 穿孔、管材缺陷或焊口缺陷等。一、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂較高的壓力使管道面臨應(yīng)力開(kāi)裂危險(xiǎn)。應(yīng)力開(kāi)裂是金屬管道在固定 拉應(yīng)力和特定介質(zhì)的共同作用下引起的，對(duì)管道具有很大的破壞性。 管道應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的特征見(jiàn)表 2-6。表 2-6 管道應(yīng)力腐蝕破壞特征因素特征發(fā)生地區(qū)與特定的地面條件有關(guān)。 65%發(fā)生在壓氣站和下游第一閥室之間， 12% 發(fā)

2、生在第一和第二閥室之間， 5%發(fā)生在第二和第三閥室之間， 3%發(fā) 生在第三閥室下游與溫度關(guān)系 較冷氣候帶明顯多發(fā)。與管道溫度既明顯關(guān)系與電解質(zhì)關(guān)系中性pH值的稀碳酸鹽溶液，其值在5.57.5之間電化學(xué)電勢(shì)腐蝕電勢(shì)，陰極保護(hù)不能達(dá)到的地點(diǎn)裂紋的路徑和形狀穿透顆粒（橫過(guò)鋼顆粒 ） ，寬裂紋帶邊壁有明顯腐蝕 環(huán)境因素、材料因素、拉應(yīng)力，其單方面或三方面都能引發(fā)管道的 物理應(yīng)力開(kāi)裂。1. 環(huán)境因素環(huán)境溫度、濕度、土壤類型、地形、土壤電導(dǎo)率、C02及水含量等對(duì)應(yīng)力腐蝕將造成崢定的影響。黏結(jié)性差的防腐層以及防腐層剝離區(qū)， 易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂。2. 材料因素應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂與管材制造方法 （ 如焊接方法 ）、管

3、材種類及成分、管材雜質(zhì)禽雖（大于200250am的非金屬雜質(zhì)的存在會(huì)加速裂紋的形成) 、鋼材強(qiáng)度及鋼材塑性變形特點(diǎn)有關(guān)。管道表面條件也對(duì)裂紋的 產(chǎn)生起著重要作用。3. 拉應(yīng)力主要包括制造應(yīng)力、工作應(yīng)力、操作應(yīng)力、循環(huán)負(fù)荷、拉伸速率、 次級(jí)負(fù)載等。二、CO2腐蝕失效如果所輸天然氣組分中CO2含量高，在管輸壓力下，C02分壓有可能 接近發(fā)生C02電化學(xué)腐蝕的臨界值，同時(shí)，C02為弱酸性氣體，它溶 于水后形成H2CO3對(duì)金屬有一定的腐蝕性。CO2腐蝕與管輸壓力、 溫度、濕度等有關(guān)，隨著系統(tǒng)壓力的增加，而導(dǎo)致腐蝕的速度加 快。1.CO2腐蝕的危害形態(tài)(1) 不均勻的全面腐蝕與點(diǎn)蝕C02引起的腐蝕常常是

4、一種類似潰瘍狀的不均勻全面腐蝕，嚴(yán)重時(shí)可 能呈蜂窩狀。在金屬表面形成許多大小、形狀不同的蝕坑、溝槽等。幾乎所有的合金在 CO2環(huán)境中都可以發(fā)生點(diǎn)蝕，其點(diǎn)蝕坑周邊銳利、 界面清晰，可在較短的時(shí)間內(nèi)完全穿透管壁。(2) 沖蝕管子截面變化部位和收縮節(jié)流部位的介質(zhì)流速增高，C02腐蝕加劇, 如果氣流速度增加 3.7 倍時(shí)，則其腐蝕速度增加 5 倍。(3) 應(yīng)力腐蝕破裂在堿性介質(zhì)中，C02及碳酸鹽可造成碳鋼的應(yīng)力腐蝕破裂。氧的存在 會(huì)加劇這種破裂發(fā)生的可能。2.CO2腐蝕的影響因素(1) 材料因素合金元素對(duì)材料的耐CO2腐蝕性能影響很大。有實(shí)驗(yàn)證明，Cr、Co 能提高材料的耐C02腐蝕性能；C Cu使材

5、料的耐CO2腐蝕性能下降； Mo的影響不大；Ni含量小于5%寸有害，含量大于5%寸，可顯著提高 材料的耐蝕性能。(2) CO2 的分壓及水的組成CO2的分壓對(duì)腐蝕速度影響最大，分壓越大，溶入介質(zhì)中的C02越多,溶液的pH下降，金屬的腐蝕速度越大。某些溶解物質(zhì)對(duì)水具有緩沖 作用，可阻止pH值降低，進(jìn)而減少CO2的腐蝕。(3) 溫度的影響溫度是影響CO2腐蝕的重要因素。溫度小于60C時(shí)均勻腐蝕，其腐 蝕速度受CO2擴(kuò)散并進(jìn)而生成H2CO速度的控制，當(dāng)溫度升高時(shí)， CO2的腐蝕速度急劇增加。（4） 介質(zhì)的 pH 值與流速的影響 當(dāng)介質(zhì)的pH值升高時(shí)，C02的腐蝕性減弱；當(dāng)介質(zhì)的流速增高時(shí)， C02勺

6、腐蝕速度加劇。三、管道腐蝕穿孔管道腐蝕穿孔分為內(nèi)腐蝕穿孔和外腐蝕穿孔。內(nèi)腐蝕主要是由于酸 性氣體（如H2S CO2等）與天然氣中的水結(jié)合，形成酸性物質(zhì)從而對(duì) 管道內(nèi)壁形成腐蝕。外腐蝕主要是由于埋地鋼質(zhì)管道的防腐層，在 實(shí)際工作中防腐質(zhì)量不能完全保證、管道施工可能造成防腐層機(jī)械 損傷以及地質(zhì)災(zāi)害等因素可能造成防腐層破壞，導(dǎo)致管道腐蝕，引 發(fā)事故。1994年7月23日，加拿大管道公司一條直徑 914mm壁厚 9.14mm管材X65）的輸氣管道在東部安大略省 Lafeliford 附近爆裂 起火，大約20m長(zhǎng)的管道飛出地面，炸出了一個(gè)寬 16m長(zhǎng)36m深 2 4m的大坑。通過(guò)對(duì)斷白處管材金相檢查看出

7、，由于外腐蝕使管壁 過(guò)度變薄，造成管材剪切 -延性超負(fù)荷斷裂。引發(fā)爆裂的一大片外腐 蝕區(qū)，長(zhǎng)約1440mm寬約1210mm約70%勺管壁厚度已被腐蝕。四、管道建設(shè)施工隱患材料缺陷或焊口缺陷這類事故多因焊縫或管道母材中的缺陷在帶壓 輸送中引起管道破裂。長(zhǎng)輸管道施工中如組對(duì)不夠精細(xì)、焊接工藝 欠佳，使得焊口質(zhì)量難以達(dá)到預(yù)想的目標(biāo)；如焊縫內(nèi)部應(yīng)力較大， 材質(zhì)不夠密實(shí)、均勻等，因而使其性能潛力未得到充分發(fā)揮 （甚至未 達(dá)到設(shè)計(jì)的使用年限 ) 。管道運(yùn)行中，受到頻繁的溫度波動(dòng)、振動(dòng)等 作用，其焊縫處稍有細(xì)微之缺陷，易于引發(fā)裂紋。另外，管道的施工溫度與輸氣溫度之間存在一定的溫度差，造成管 道沿其軸向產(chǎn)生熱

8、應(yīng)力，這一熱應(yīng)力因約束力變小從而產(chǎn)生熱變形， 彎頭內(nèi)弧向里凹，形成折皺，外弧曲率變大，管壁因拉伸變薄，也 會(huì)形成破裂。由于管道建設(shè)呈現(xiàn)出施工區(qū)域廣、地形復(fù)雜的特點(diǎn)，所經(jīng)地區(qū)有平 原、水網(wǎng)、沙漠、沼澤地及山地等。從施工角度來(lái)講，地形越復(fù)雜， 焊接施工的難度越大，因此也更易出現(xiàn)各類焊接缺陷。常見(jiàn)焊縫缺 陷類型為未熔合、夾渣、未焊透、裂紋和氣孔等。表 2-7 列出了國(guó) 內(nèi)某管道建設(shè)中抽查的約 2000 道焊口中出現(xiàn)的焊接缺陷統(tǒng)計(jì)分析結(jié) 果。表 2-7 幾種常見(jiàn)焊縫缺陷的出現(xiàn)概率 %未熔合夾渣未焊透裂紋 氣孔其他 262119151361. 未熔合未熔合是指焊道與母材之間或焊道與焊道之間，未能完全熔化結(jié)合 的部分。分為根部未熔合、層間未熔合、坡口未熔合三種，其中根 部未熔合出現(xiàn)概率較大。未熔合屬于面狀缺陷，易造成應(yīng)力集中， 危害性僅次于焊接裂紋。產(chǎn)生原因主要是由于焊接電流過(guò)小、焊速過(guò)快，熱量不夠或者焊條 偏離坡口一