壓力容器培訓(xùn)壓力管道失效分析及事故案例2課件

調(diào)質(zhì)；硬度規(guī)定值為：低碳鋼HV(10)≤220，低合金鋼HV(10)≤245(均指單個(gè)值)；原則上應(yīng)進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理。國(guó)外還提出兩條措施：1，用水作為緩蝕劑2，讓儲(chǔ)罐處在－33℃條件下也可使應(yīng)力腐蝕的危險(xiǎn)性最小

有的分叉有的不分叉。這種裂紋的擴(kuò)展途徑往往是混合型的，既有穿晶的．也有沿晶的。調(diào)質(zhì)；硬度規(guī)定值為：低碳鋼HV(10)≤220，低合金鋼HV16、濕硫化氫的應(yīng)力腐蝕和氫損傷

濕硫化氫環(huán)境中鋼材開(kāi)裂實(shí)際上有兩類開(kāi)裂現(xiàn)象。一種是應(yīng)力誘導(dǎo)的氫致開(kāi)裂(SOHIC)，也是應(yīng)力腐蝕；另一種是與應(yīng)力無(wú)關(guān)的氫鼓泡(HB)和氫致開(kāi)裂(HIC)。電化學(xué)陽(yáng)極反應(yīng)方程可簡(jiǎn)單的表達(dá)為Fe2十＋S2－—→FeS(陽(yáng)極溶解—腐蝕)陰極反應(yīng)則為析氫過(guò)程2H＋＋2e—→2H(氫原子析出進(jìn)入鋼的基體)(1)濕硫化氫引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

6、濕硫化氫的應(yīng)力腐蝕和氫損傷濕硫化氫環(huán)境中鋼材開(kāi)2電化學(xué)陽(yáng)極反應(yīng)方程可簡(jiǎn)單的表達(dá)為Fe2十＋S2－—→FeS(陽(yáng)極溶解—腐蝕)陰極反應(yīng)則為析氫過(guò)程2H＋＋2e—→2H(氫原子析出進(jìn)入鋼的基體)

溶液的pH值對(duì)這一應(yīng)力腐蝕過(guò)程有重要影響。pH很低時(shí)很容易開(kāi)裂和造成試樣斷裂。推薦應(yīng)采用HB≤200的鋼作為油氣田選用鋼材的標(biāo)準(zhǔn)，屈服強(qiáng)度大于900～1000MPa的高強(qiáng)度鋼在濕硫化氫環(huán)境很易發(fā)生這種應(yīng)力腐蝕，不應(yīng)用于此種環(huán)境。電化學(xué)陽(yáng)極反應(yīng)方程可簡(jiǎn)單的表達(dá)為3(2)濕硫化氫引起的氫鼓泡

硫化氫溶于水之后離子氫滲入鋼中成原子氫，再形成了氫分子并聚積成氫氣團(tuán)，且有很高的壓力。當(dāng)這些氫氣團(tuán)僅存在于接近鋼材表面的表層時(shí)，很容易在平行于軋制方向的帶狀組織的層間鼓脹，使鋼材表面出現(xiàn)鼓泡，鼓泡還可能破裂。濕硫化氫引起的氫鼓泡最容易發(fā)生在鋼中硫化物夾雜處，且在常溫下最易出現(xiàn)。

(3)濕硫化氫引起的氫致開(kāi)裂基于與氫鼓泡相同的機(jī)理。鋼材的含硫良高，形成MnS夾雜亦多，導(dǎo)致層狀開(kāi)裂的機(jī)會(huì)就多。氫致開(kāi)裂的突點(diǎn)是不需外加應(yīng)力的誘導(dǎo)。

(2)濕硫化氫引起的氫鼓泡4低強(qiáng)度鋼在濕H2S環(huán)境中的氫鼓泡低強(qiáng)度鋼在濕H2S環(huán)境中的氫鼓泡5低碳鋼在濕硫化氫環(huán)境中出現(xiàn)氫致開(kāi)裂的金相照片低碳鋼在濕硫化氫環(huán)境中出現(xiàn)氫致開(kāi)裂的金相照片6

⑷奧氏體不銹鋼在濕硫化氫環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂除Cl－的原因外，濕硫化氫所引起的奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂問(wèn)題往往被忽視。重要的是失效分析中如何判斷是濕硫化氫引起的還是Cl－引起的。濕硫化氫導(dǎo)致奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①剖面金相檢驗(yàn)時(shí)其裂紋雖是穿晶擴(kuò)展較多，但分叉少，不象Cl－引起的應(yīng)力腐蝕裂紋分叉那么突出。②裂紋的斷口進(jìn)行掃描電鏡分析時(shí)往往呈解理狀，不象Cl－應(yīng)力腐蝕斷口的河流狀解理斷裂那么明顯。③斷口上有二次裂紋，但比Cl－應(yīng)力腐蝕斷口的二次裂紋少得多

⑷奧氏體不銹鋼在濕硫化氫環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂7④斷口腐蝕產(chǎn)物在掃描電鏡中做能譜分析時(shí)能出現(xiàn)顯著的硫元素峰，比金屬中的含硫量要大若干個(gè)數(shù)量級(jí)。⑸濕H2S應(yīng)力腐蝕的預(yù)防主要方法是：控制介質(zhì)中的有害成分，即改善腐蝕環(huán)境；選用合適的材料；必要時(shí)對(duì)焊縫采取消應(yīng)力退火熱處理。

1.5.3腐蝕疲勞失效

腐蝕疲勞是在腐蝕環(huán)境中的疲勞問(wèn)題④斷口腐蝕產(chǎn)物在掃描電鏡中做能譜分析時(shí)能出現(xiàn)顯著的硫元素峰，81.5.4氫腐蝕失效

氫對(duì)鋼材有各種各樣的損傷，本小節(jié)主要討論高溫高壓條件下氫對(duì)鋼材的腐蝕損傷。Fe3C+4H0—→3Fe+CH4氫腐蝕是一種化學(xué)腐蝕1.5.5腐蝕失效破壞形式

1、均勻腐蝕失效破壞形式

(1)韌性失效

因厚度大范圍減薄而導(dǎo)致韌性失效，可以說(shuō)因均勻腐蝕導(dǎo)致的韌性破壞是一種低載荷(而不是低應(yīng)力)的韌性破壞。1.5.4氫腐蝕失效氫對(duì)鋼材有各種各9

(2)脆斷失效

由于均勻腐蝕導(dǎo)致金屬的全面脆化就會(huì)引起脆斷。例如氫腐蝕已使材料全面致脆，此時(shí)就有發(fā)生脆斷的危險(xiǎn)。

2、局部腐蝕失效破壞形式

(1)局部鼓脹變形及爆破失效

(2)泄漏失效

①孔蝕泄漏

②腐蝕裂紋泄漏

(3)低應(yīng)力脆斷

(4)脆化引起的脆斷(2)脆斷失效101.5.6腐蝕失效預(yù)防措施

（1）在役設(shè)備腐蝕失效的防護(hù)措施隔離防護(hù)法

1.5.6腐蝕失效預(yù)防措施（1）在役設(shè)備腐蝕失效的11高溫蠕變破壞（一）材料在高溫下持續(xù)長(zhǎng)時(shí)期受載，會(huì)產(chǎn)生非常緩慢的蠕變變形。這種蠕變的積累將會(huì)導(dǎo)致宏觀的永久變形，從而出現(xiàn)蠕變斷裂或松弛。發(fā)生蠕變的起始溫度隨金屬材料而異。低碳鋼為370℃，奧氏體鐵基高溫合金為540℃，鎳基和鈷基高溫合金為650℃。高溫蠕變破壞（一）材料在高溫下持續(xù)長(zhǎng)時(shí)期受載，會(huì)產(chǎn)生非常緩12高溫蠕變破壞（二）蠕變破壞的特征高溫蠕變破壞（二）蠕變破壞的特征13高溫蠕變破壞（三）蠕變破壞的預(yù)防(1)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)使用溫度選用合適的材料，并按該材料在使用溫度和需要的使用壽命下的蠕變極限選取許用應(yīng)力(2)安裝過(guò)程中防止材料混用，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝和熱處理措施。(3)管系的布置和結(jié)構(gòu)必須合理(4)操作過(guò)程中防止超溫超壓，避免局部過(guò)熱而導(dǎo)致蠕變破壞。(5)按規(guī)定進(jìn)行定期檢驗(yàn)高溫蠕變破壞（三）蠕變破壞的預(yù)防14

(1)金相檢驗(yàn)只有在等強(qiáng)溫度(晶內(nèi)強(qiáng)度與晶界強(qiáng)度相等的溫度)以上的蠕變脆斷，在金相上才有蠕變特點(diǎn)。主要是沿晶空洞，嚴(yán)重時(shí)不但有空洞還會(huì)有沿晶微裂紋，甚至有宏觀裂紋

(2)斷口檢驗(yàn)大多數(shù)蠕變失效屬蠕變脆斷，其蠕變斷口主要有兩個(gè)特征，一是呈現(xiàn)巖石狀的沿晶蠕變斷裂，二是晶界上具有若干韌窩，即洞形的空洞(1)金相檢驗(yàn)15Nimonic105合金800℃沿晶蠕變斷口（SEM800×）Nimonic105合金800℃沿晶蠕變斷口（SEM80016Nimonic105合金800℃沿晶蠕變斷（SEM3300×）Nimonic105合金800℃沿晶蠕變斷（SEM3300171.7密封失效

密封失效不屬于基本失效形式。它涉及到密封結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（如法蘭、墊片、緊固螺栓）中每個(gè)構(gòu)件的自身失效行為，最終反映出泄漏失效。法蘭墊片及緊固螺栓三者構(gòu)成一個(gè)密封系統(tǒng)。一對(duì)法蘭的接觸面上總是存在粗糙度的，不用墊片而僅靠螺栓夾緊實(shí)際是做不到密封不漏的。

1.7密封失效密封失效不屬于基本失效形式。18⑴

初始密封

也就是預(yù)緊密封，在裝配時(shí)就可完成。

⑵

工作密封

預(yù)緊后的法蘭墊片螺栓三構(gòu)件系統(tǒng)，當(dāng)受到工作介質(zhì)壓力作用之后，一對(duì)法蘭的兩個(gè)密封面將被迫發(fā)生相對(duì)分離，保持密封界面上仍有足夠以維持密封的殘留墊片應(yīng)力（壓應(yīng)力），以保證將流體介質(zhì)密封住。1.7.2墊片密封的失效墊片密封的失效主要是泄漏。

不同儀器的靈敏度不一樣，其“零泄漏”時(shí)的微泄漏量實(shí)際上就不一樣。所以“密封度”實(shí)際上是個(gè)相對(duì)的概念。⑴初始密封也就是預(yù)緊密封，在裝配時(shí)就可完成。19

工程上只能采用“允許泄漏率”來(lái)要求和衡量密封結(jié)構(gòu)能有效滿足設(shè)計(jì)或生產(chǎn)所要求的允許的泄漏率。達(dá)到什么泄漏狀態(tài)應(yīng)判為失效，這些都沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于易燃易爆或有毒物料的泄漏則應(yīng)規(guī)定更嚴(yán)的墊片密封失效標(biāo)準(zhǔn)，特別是極毒性物料。但都沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)需要自己從嚴(yán)制訂執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。泄漏失效時(shí)，雖然總的表現(xiàn)形態(tài)就是顯著泄漏，但墊片損壞的形態(tài)基本上有兩種。一種是墊片的密封面上出現(xiàn)泄漏通道。另一種則是墊片被吹出，造成墊片大塊缺損。

工程上只能采用“允許泄漏率”來(lái)要求和衡量密封結(jié)構(gòu)201.7.3影響墊片密封失效的重要因素

⑴

墊片的壓縮－回彈性能，墊片的許多性能。其中更為重要的是墊片材料的載荷－變形行為，其中也包含壓縮后的回彈性能。另外墊片材料的蠕變松馳性能也直接影響到密封性能。應(yīng)當(dāng)注意的是，不同預(yù)緊應(yīng)力下卸載將得到不同的卸載線，其回彈量δR也不相同。墊片壓緊后卸載時(shí)的回彈量愈大，同時(shí)殘余的壓緊應(yīng)力σgo也愈大，則墊片在工作狀態(tài)下的密封性能也愈好。

顯然，預(yù)緊時(shí)的預(yù)緊點(diǎn)σgi的選擇非常重要。

1.7.3影響墊片密封失效的重要因素⑴墊片的壓縮－21墊片壓縮與卸載時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線墊片壓縮與卸載時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線22

墊片裝配時(shí)的壓緊應(yīng)力是影響密封性能的重要影響因素，預(yù)緊載荷不夠，加上墊片的壓縮回彈性能差，易導(dǎo)致墊片密封的失效⑵墊片的蠕變松馳行為長(zhǎng)期運(yùn)行后,墊片的厚度還會(huì)不斷減少，墊片上的壓緊應(yīng)力也相應(yīng)不斷遞減，這就是墊片的應(yīng)力松馳.墊片的蠕變與松馳同時(shí)產(chǎn)生，蠕變是指恒應(yīng)力作用條件下材料不斷發(fā)生變形的行為，而松馳是指恒變形（固定的變形量）條件下材料的應(yīng)力不斷發(fā)生變化的墊片裝配時(shí)的壓緊應(yīng)力是影響密封性能的重23

行為,溫度較高時(shí)墊片的蠕變松馳更為明顯。每種墊片材料都有允許的最高使用溫度（P），但同時(shí)還規(guī)定其可以使用的最高壓力（P）⑶螺栓的影響墊片壓緊應(yīng)力的大小，不管是預(yù)緊階段還是進(jìn)入工作狀態(tài)下的壓緊應(yīng)力都是在螺栓緊固時(shí)所施加的。因此螺栓的強(qiáng)度與剛度就顯得非常重要。設(shè)計(jì)是一回事，而裝配是另一回事。因?yàn)檠b配中螺栓預(yù)緊的程度帶有很大的不確定性，螺栓在高溫下的蠕變與松馳也是引起密封泄漏失效的常見(jiàn)原因。行為,溫度較高時(shí)墊片的蠕變松馳更為明顯。242.1失效事故的技術(shù)檢驗(yàn)

2.1.1.事故現(xiàn)場(chǎng)處理和調(diào)查

(1)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)與記錄①首先要收集現(xiàn)場(chǎng)的各種操作記錄、儀表?yè)p壞時(shí)指針位置，安全閥是否有泄放的跡象，爆破片的破壞或完好狀況。②斷口保護(hù)工作極其重要③事故后應(yīng)立即做好現(xiàn)場(chǎng)記錄

2.1失效事故的技術(shù)檢驗(yàn)

2.1.1.事故現(xiàn)場(chǎng)處理和25(2)事故調(diào)查分析的要求和內(nèi)容①明確劃定事故現(xiàn)場(chǎng)的范圍，做好現(xiàn)場(chǎng)護(hù)欄和現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)工作

②了解事故過(guò)程的有關(guān)情況

③設(shè)備發(fā)生失效或事故往往不是某一原因產(chǎn)生的，調(diào)出全部服役歷史的文檔④進(jìn)行必要的技術(shù)檢驗(yàn)與鑒定工作

⑤提出事故處理意見(jiàn)和必要的整改要求與措施，杜絕事故的再次發(fā)生2.1.2失效狀況的外觀檢查1、變形情況檢查

2、裂紋檢查(2)事故調(diào)查分析的要求和內(nèi)容26交叉裂紋的斷裂次序判斷

交叉裂紋的斷裂次序判斷27銷孔斷口的斷裂順序?yàn)锳先于B和C銷孔斷口的斷裂順序?yàn)锳先于B和C283、表面狀況檢查

指的是腐蝕與磨損的狀況2.1.3材料的檢驗(yàn)和鑒定

(1)化學(xué)成分檢驗(yàn)

(2)力學(xué)性能檢驗(yàn)

(3)金相檢驗(yàn)

2.1.4斷口形貌的檢驗(yàn)和鑒定1、斷口的宏觀檢驗(yàn)和分析(1)斷口宏觀分析的主要內(nèi)容①確定斷裂時(shí)裂紋的擴(kuò)展方向3、表面狀況檢查29②確定斷裂的裂源位置

③初步判斷斷裂的類型（2)斷口三要素的應(yīng)用

①起裂源區(qū)是放射紋及人字紋所指向的地區(qū)。也是這些紋路的收斂區(qū)。②起裂源區(qū)一般在韌性良好的狀態(tài)下就是纖維狀區(qū)。③起裂源區(qū)不存在剪切唇。④當(dāng)有明顯原始缺陷時(shí)，缺陷的某一邊緣區(qū)常常存在很小的纖維區(qū)，就是起裂源區(qū)。

②確定斷裂的裂源位置30

斷口的斷裂方向（a）完全正斷口（脆斷）；（b）混合斷口（韌斷）；（c）剪切斷口（韌斷）

斷口的斷裂方向31

2、斷口的顯微檢驗(yàn)和分析

在掃描電鏡中對(duì)若干小區(qū)觀察分析的目的如下。

(1)分析斷裂的機(jī)制

(2)分析材料的夾雜物狀態(tài)

(3)分析材料的固態(tài)相變劣化程度

(4)弄清應(yīng)力腐蝕的原因

2.1.5壓力容器爆炸的能量爆炸是一種突發(fā)的能量釋放過(guò)程，其過(guò)程極為迅速。爆炸所引起的破壞是所有事故中最為嚴(yán)重的

2、斷口的顯微檢驗(yàn)和分析32

物理爆炸（包括氣體和液體）是一種能量突然釋放的物理過(guò)程。物理爆炸的釋放能量可以用熱力學(xué)方程進(jìn)行計(jì)算。化學(xué)爆炸是化學(xué)物質(zhì)發(fā)生激劇反應(yīng)、分解、快速燃燒（混合爆炸氣云的爆轟）時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)能量計(jì)算極為復(fù)雜，且不易算準(zhǔn)。

爆炸能量的計(jì)算至少可以獲得這樣的結(jié)論，若現(xiàn)場(chǎng)破壞所相當(dāng)?shù)腡NT炸藥量爆炸時(shí)的沖擊波能量基本上等于按物理爆炸計(jì)算出的能量，則可判定所發(fā)生的是物理性爆炸。物理爆炸（包括氣體和液體）是一種能量突然釋放的物理過(guò)程33

若現(xiàn)場(chǎng)破壞所相當(dāng)?shù)腡NT炸藥爆炸時(shí)沖擊波能量大大地大于容器物理破壞所能釋放的能量，則應(yīng)判為化學(xué)爆炸。不論物理爆炸還是化學(xué)爆炸，釋放出的能量將形成巨大的沖擊波。壓力容器發(fā)生氣體爆炸時(shí)所釋放的能量中一小部分用于撕裂容器及拋出碎片，而大部分能量則產(chǎn)生沖擊波。2.1.6失效分析中的驗(yàn)證性試驗(yàn)1、材料的驗(yàn)證性試驗(yàn)

2、腐蝕失效的驗(yàn)證性試驗(yàn)

3、模擬應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)和有限元應(yīng)力分析

若現(xiàn)場(chǎng)破壞所相當(dāng)?shù)腡NT炸藥爆炸時(shí)沖擊波能量大大地344、模擬爆破試驗(yàn)和安全泄放試驗(yàn)

①安全閥的壓力試驗(yàn)②爆破片的爆破試驗(yàn)③壓力容器的爆破試驗(yàn)是較少見(jiàn)的，主要是因成本較高2.2壓力容器失效事故的綜合分析和診斷2.2.1失效事故的綜合分析

(1)過(guò)度變形

(2)過(guò)度磨損

(3)泄漏

(4)斷裂

(5)爆炸4、模擬爆破試驗(yàn)和安全泄放試驗(yàn)352、確定失效類型

按習(xí)慣分：韌性失效(或破斷)，脆性破斷，疲勞失效，腐蝕失效和蠕變失效等五種基本失效類型。除此，還有復(fù)合型的交互失效(如腐蝕疲勞、蠕變疲勞等)，以及密封失效和磨損失效等

3、確定失效事故的原因

(1)材料因素

(2)結(jié)構(gòu)因素

(3)受力因素

(4)環(huán)境因素

(5)使用、維修和管理因素

2、確定失效類型362.3事故處理

1、事故分類特別重大事故

是指造成死亡30人（含30人）以上，或者受傷（包括急性中毒、下同）100人（含100人）以上，或者直接經(jīng)濟(jì)損失1000萬(wàn)元（含1000萬(wàn)元）以上的設(shè)備事故。

特大事故

是指造成死亡10～29人，或者受傷50～99人，或者直接經(jīng)濟(jì)損失500萬(wàn)元（含500萬(wàn)元）以上1000萬(wàn)元以下的設(shè)備事故。重大事故，是指造成死亡3～9人，或者受傷20～49人，或者直接經(jīng)濟(jì)損失100萬(wàn)元（含100萬(wàn)元）以上500萬(wàn)元以下的設(shè)備事故。2.3事故處理1、事故分類37嚴(yán)重事故

是指造成死亡1～2人，或者受傷19人（含19人）以下，或者直接經(jīng)濟(jì)損失50萬(wàn)元（含50萬(wàn)元）以上100萬(wàn)元以下，以及無(wú)人員傷亡的設(shè)備爆炸事故。

一般事故

是指無(wú)人員傷亡，設(shè)備損壞不能正常運(yùn)行，且經(jīng)濟(jì)損失50萬(wàn)元以下的設(shè)備事故。2、事故報(bào)告

3、事故調(diào)查

4、事故處理嚴(yán)重事故是指造成死亡1～2人，或者受傷19人（含19人）38壓力管道事故分析

l、現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)與記錄①首先要收集現(xiàn)場(chǎng)的各種操作記錄②斷口保護(hù)工作極其重要③事故后應(yīng)立即做好現(xiàn)場(chǎng)記錄

2、事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查事故調(diào)查應(yīng)由按法規(guī)組成的事故調(diào)查組主持進(jìn)行壓力管道事故分析l、現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)與記錄39材料的檢驗(yàn)和鑒定

(1)化學(xué)成分檢驗(yàn)(2)力學(xué)性能檢驗(yàn)(3)金相檢驗(yàn)(4)電鏡分析材料的檢驗(yàn)和鑒定(1)化學(xué)成分檢驗(yàn)40事故的綜合分析

l、確定失效形式2、確定破壞類型壓力管道的失效類型是根據(jù)破壞失效時(shí)表現(xiàn)出的性態(tài)(韌性與脆性)或失效的機(jī)理(微孔聚集、解理、疲勞、腐蝕、蠕變及磨損)來(lái)綜合考慮的。按習(xí)慣分為韌性破壞(或破斷)，脆性破壞，疲勞破壞，腐蝕破壞和蠕變破壞等五種基本失效類型。3、確定失效事故的原因失效事故的原因主要為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、制造和運(yùn)行管理等四大方面。

事故的綜合分析l、確定失效形式41壓力管道的事故分析、破壞機(jī)理1、事故是指意外的損失或?yàn)?zāi)禍。事故有以下一些特征：因果性、偶然性、必然性、規(guī)律性2、國(guó)外的事故統(tǒng)計(jì)分析在國(guó)外有很多機(jī)構(gòu)一直在對(duì)管線的原始事故數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，來(lái)確定危害管線安全的各種因素。42分報(bào)告二壓力管道的事故分析、破壞機(jī)理1、事故是指意外的損失或?yàn)?zāi)禍。4壓力管道的事故分析、破壞機(jī)理表2-11981年～1990年前蘇聯(lián)輸氣管道事故原因分析事故原因事故次數(shù)所占比例（％）腐蝕30039.9外部干擾12716.9材料缺陷10013.3焊接缺陷8110.8施工和設(shè)備缺陷8210.9違反操作規(guī)程222.9其它原因405.3合計(jì)752100壓力管道的事故分析、破壞機(jī)理表2-11981年～1990年43壓力管道的事故分析、破壞機(jī)理3國(guó)內(nèi)的壓力管道事故情況表2-6中石化管道事故統(tǒng)計(jì)分析（2019）事故原因比例（％）腐蝕和沖蝕29.8安裝原因26.7制造原因24.5設(shè)計(jì)10.5管理不善8.5壓力管道的事故分析、破壞機(jī)理3國(guó)內(nèi)的壓力管道事故情況表2-44壓力管道的事故分析、破壞機(jī)理表2.8考慮的四大類危險(xiǎn)因素(破壞機(jī)理)均勻腐蝕或局部腐蝕高溫腐蝕（>204℃）環(huán)境致裂機(jī)械和冶金損傷電偶腐蝕氧化氯化物的應(yīng)力腐蝕石墨化大氣腐蝕硫化腐蝕疲勞球化保溫層下的腐蝕滲碳?jí)A脆回火脆化冷卻水腐蝕脫碳氨的應(yīng)力腐蝕不銹鋼高溫脆化冷凝鍋爐水腐蝕金屬粉化熔融金屬的脆化σ相脆化二氧化碳腐蝕燃灰腐蝕氫脆低應(yīng)力脆斷煙道氣露點(diǎn)腐蝕滲氮蠕變脆性斷裂…………壓力管道的事故分析、破壞機(jī)理表2.8考慮的四大類危險(xiǎn)因素(45壓力容器培訓(xùn)壓力管道失效分析及事故案例2課件46壓力容器培訓(xùn)壓力管道失效分析及事故案例2課件47調(diào)質(zhì)；硬度規(guī)定值為：低碳鋼HV(10)≤220，低合金鋼HV(10)≤245(均指單個(gè)值)；原則上應(yīng)進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理。國(guó)外還提出兩條措施：1，用水作為緩蝕劑2，讓儲(chǔ)罐處在－33℃條件下也可使應(yīng)力腐蝕的危險(xiǎn)性最小

有的分叉有的不分叉。這種裂紋的擴(kuò)展途徑往往是混合型的，既有穿晶的．也有沿晶的。調(diào)質(zhì)；硬度規(guī)定值為：低碳鋼HV(10)≤220，低合金鋼HV486、濕硫化氫的應(yīng)力腐蝕和氫損傷

濕硫化氫環(huán)境中鋼材開(kāi)裂實(shí)際上有兩類開(kāi)裂現(xiàn)象。一種是應(yīng)力誘導(dǎo)的氫致開(kāi)裂(SOHIC)，也是應(yīng)力腐蝕；另一種是與應(yīng)力無(wú)關(guān)的氫鼓泡(HB)和氫致開(kāi)裂(HIC)。電化學(xué)陽(yáng)極反應(yīng)方程可簡(jiǎn)單的表達(dá)為Fe2十＋S2－—→FeS(陽(yáng)極溶解—腐蝕)陰極反應(yīng)則為析氫過(guò)程2H＋＋2e—→2H(氫原子析出進(jìn)入鋼的基體)(1)濕硫化氫引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

6、濕硫化氫的應(yīng)力腐蝕和氫損傷濕硫化氫環(huán)境中鋼材開(kāi)49電化學(xué)陽(yáng)極反應(yīng)方程可簡(jiǎn)單的表達(dá)為Fe2十＋S2－—→FeS(陽(yáng)極溶解—腐蝕)陰極反應(yīng)則為析氫過(guò)程2H＋＋2e—→2H(氫原子析出進(jìn)入鋼的基體)

溶液的pH值對(duì)這一應(yīng)力腐蝕過(guò)程有重要影響。pH很低時(shí)很容易開(kāi)裂和造成試樣斷裂。推薦應(yīng)采用HB≤200的鋼作為油氣田選用鋼材的標(biāo)準(zhǔn)，屈服強(qiáng)度大于900～1000MPa的高強(qiáng)度鋼在濕硫化氫環(huán)境很易發(fā)生這種應(yīng)力腐蝕，不應(yīng)用于此種環(huán)境。電化學(xué)陽(yáng)極反應(yīng)方程可簡(jiǎn)單的表達(dá)為50(2)濕硫化氫引起的氫鼓泡

硫化氫溶于水之后離子氫滲入鋼中成原子氫，再形成了氫分子并聚積成氫氣團(tuán)，且有很高的壓力。當(dāng)這些氫氣團(tuán)僅存在于接近鋼材表面的表層時(shí)，很容易在平行于軋制方向的帶狀組織的層間鼓脹，使鋼材表面出現(xiàn)鼓泡，鼓泡還可能破裂。濕硫化氫引起的氫鼓泡最容易發(fā)生在鋼中硫化物夾雜處，且在常溫下最易出現(xiàn)。

(3)濕硫化氫引起的氫致開(kāi)裂基于與氫鼓泡相同的機(jī)理。鋼材的含硫良高，形成MnS夾雜亦多，導(dǎo)致層狀開(kāi)裂的機(jī)會(huì)就多。氫致開(kāi)裂的突點(diǎn)是不需外加應(yīng)力的誘導(dǎo)。

(2)濕硫化氫引起的氫鼓泡51低強(qiáng)度鋼在濕H2S環(huán)境中的氫鼓泡低強(qiáng)度鋼在濕H2S環(huán)境中的氫鼓泡52低碳鋼在濕硫化氫環(huán)境中出現(xiàn)氫致開(kāi)裂的金相照片低碳鋼在濕硫化氫環(huán)境中出現(xiàn)氫致開(kāi)裂的金相照片53

⑷奧氏體不銹鋼在濕硫化氫環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂除Cl－的原因外，濕硫化氫所引起的奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂問(wèn)題往往被忽視。重要的是失效分析中如何判斷是濕硫化氫引起的還是Cl－引起的。濕硫化氫導(dǎo)致奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①剖面金相檢驗(yàn)時(shí)其裂紋雖是穿晶擴(kuò)展較多，但分叉少，不象Cl－引起的應(yīng)力腐蝕裂紋分叉那么突出。②裂紋的斷口進(jìn)行掃描電鏡分析時(shí)往往呈解理狀，不象Cl－應(yīng)力腐蝕斷口的河流狀解理斷裂那么明顯。③斷口上有二次裂紋，但比Cl－應(yīng)力腐蝕斷口的二次裂紋少得多

⑷奧氏體不銹鋼在濕硫化氫環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂54④斷口腐蝕產(chǎn)物在掃描電鏡中做能譜分析時(shí)能出現(xiàn)顯著的硫元素峰，比金屬中的含硫量要大若干個(gè)數(shù)量級(jí)。⑸濕H2S應(yīng)力腐蝕的預(yù)防主要方法是：控制介質(zhì)中的有害成分，即改善腐蝕環(huán)境；選用合適的材料；必要時(shí)對(duì)焊縫采取消應(yīng)力退火熱處理。

1.5.3腐蝕疲勞失效

腐蝕疲勞是在腐蝕環(huán)境中的疲勞問(wèn)題④斷口腐蝕產(chǎn)物在掃描電鏡中做能譜分析時(shí)能出現(xiàn)顯著的硫元素峰，551.5.4氫腐蝕失效

氫對(duì)鋼材有各種各樣的損傷，本小節(jié)主要討論高溫高壓條件下氫對(duì)鋼材的腐蝕損傷。Fe3C+4H0—→3Fe+CH4氫腐蝕是一種化學(xué)腐蝕1.5.5腐蝕失效破壞形式

1、均勻腐蝕失效破壞形式

(1)韌性失效

因厚度大范圍減薄而導(dǎo)致韌性失效，可以說(shuō)因均勻腐蝕導(dǎo)致的韌性破壞是一種低載荷(而不是低應(yīng)力)的韌性破壞。1.5.4氫腐蝕失效氫對(duì)鋼材有各種各56

(2)脆斷失效

由于均勻腐蝕導(dǎo)致金屬的全面脆化就會(huì)引起脆斷。例如氫腐蝕已使材料全面致脆，此時(shí)就有發(fā)生脆斷的危險(xiǎn)。

2、局部腐蝕失效破壞形式

(1)局部鼓脹變形及爆破失效

(2)泄漏失效

①孔蝕泄漏

②腐蝕裂紋泄漏

(3)低應(yīng)力脆斷

(4)脆化引起的脆斷(2)脆斷失效571.5.6腐蝕失效預(yù)防措施

（1）在役設(shè)備腐蝕失效的防護(hù)措施隔離防護(hù)法

1.5.6腐蝕失效預(yù)防措施（1）在役設(shè)備腐蝕失效的58高溫蠕變破壞（一）材料在高溫下持續(xù)長(zhǎng)時(shí)期受載，會(huì)產(chǎn)生非常緩慢的蠕變變形。這種蠕變的積累將會(huì)導(dǎo)致宏觀的永久變形，從而出現(xiàn)蠕變斷裂或松弛。發(fā)生蠕變的起始溫度隨金屬材料而異。低碳鋼為370℃，奧氏體鐵基高溫合金為540℃，鎳基和鈷基高溫合金為650℃。高溫蠕變破壞（一）材料在高溫下持續(xù)長(zhǎng)時(shí)期受載，會(huì)產(chǎn)生非常緩59高溫蠕變破壞（二）蠕變破壞的特征高溫蠕變破壞（二）蠕變破壞的特征60高溫蠕變破壞（三）蠕變破壞的預(yù)防(1)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)使用溫度選用合適的材料，并按該材料在使用溫度和需要的使用壽命下的蠕變極限選取許用應(yīng)力(2)安裝過(guò)程中防止材料混用，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝和熱處理措施。(3)管系的布置和結(jié)構(gòu)必須合理(4)操作過(guò)程中防止超溫超壓，避免局部過(guò)熱而導(dǎo)致蠕變破壞。(5)按規(guī)定進(jìn)行定期檢驗(yàn)高溫蠕變破壞（三）蠕變破壞的預(yù)防61

(1)金相檢驗(yàn)只有在等強(qiáng)溫度(晶內(nèi)強(qiáng)度與晶界強(qiáng)度相等的溫度)以上的蠕變脆斷，在金相上才有蠕變特點(diǎn)。主要是沿晶空洞，嚴(yán)重時(shí)不但有空洞還會(huì)有沿晶微裂紋，甚至有宏觀裂紋

(2)斷口檢驗(yàn)大多數(shù)蠕變失效屬蠕變脆斷，其蠕變斷口主要有兩個(gè)特征，一是呈現(xiàn)巖石狀的沿晶蠕變斷裂，二是晶界上具有若干韌窩，即洞形的空洞(1)金相檢驗(yàn)62Nimonic105合金800℃沿晶蠕變斷口（SEM800×）Nimonic105合金800℃沿晶蠕變斷口（SEM80063Nimonic105合金800℃沿晶蠕變斷（SEM3300×）Nimonic105合金800℃沿晶蠕變斷（SEM3300641.7密封失效

密封失效不屬于基本失效形式。它涉及到密封結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（如法蘭、墊片、緊固螺栓）中每個(gè)構(gòu)件的自身失效行為，最終反映出泄漏失效。法蘭墊片及緊固螺栓三者構(gòu)成一個(gè)密封系統(tǒng)。一對(duì)法蘭的接觸面上總是存在粗糙度的，不用墊片而僅靠螺栓夾緊實(shí)際是做不到密封不漏的。

1.7密封失效密封失效不屬于基本失效形式。65⑴

初始密封

也就是預(yù)緊密封，在裝配時(shí)就可完成。

⑵

工作密封

預(yù)緊后的法蘭墊片螺栓三構(gòu)件系統(tǒng)，當(dāng)受到工作介質(zhì)壓力作用之后，一對(duì)法蘭的兩個(gè)密封面將被迫發(fā)生相對(duì)分離，保持密封界面上仍有足夠以維持密封的殘留墊片應(yīng)力（壓應(yīng)力），以保證將流體介質(zhì)密封住。1.7.2墊片密封的失效墊片密封的失效主要是泄漏。

不同儀器的靈敏度不一樣，其“零泄漏”時(shí)的微泄漏量實(shí)際上就不一樣。所以“密封度”實(shí)際上是個(gè)相對(duì)的概念。⑴初始密封也就是預(yù)緊密封，在裝配時(shí)就可完成。66

工程上只能采用“允許泄漏率”來(lái)要求和衡量密封結(jié)構(gòu)能有效滿足設(shè)計(jì)或生產(chǎn)所要求的允許的泄漏率。達(dá)到什么泄漏狀態(tài)應(yīng)判為失效，這些都沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于易燃易爆或有毒物料的泄漏則應(yīng)規(guī)定更嚴(yán)的墊片密封失效標(biāo)準(zhǔn)，特別是極毒性物料。但都沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)需要自己從嚴(yán)制訂執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。泄漏失效時(shí)，雖然總的表現(xiàn)形態(tài)就是顯著泄漏，但墊片損壞的形態(tài)基本上有兩種。一種是墊片的密封面上出現(xiàn)泄漏通道。另一種則是墊片被吹出，造成墊片大塊缺損。

工程上只能采用“允許泄漏率”來(lái)要求和衡量密封結(jié)構(gòu)671.7.3影響墊片密封失效的重要因素

⑴

墊片的壓縮－回彈性能，墊片的許多性能。其中更為重要的是墊片材料的載荷－變形行為，其中也包含壓縮后的回彈性能。另外墊片材料的蠕變松馳性能也直接影響到密封性能。應(yīng)當(dāng)注意的是，不同預(yù)緊應(yīng)力下卸載將得到不同的卸載線，其回彈量δR也不相同。墊片壓緊后卸載時(shí)的回彈量愈大，同時(shí)殘余的壓緊應(yīng)力σgo也愈大，則墊片在工作狀態(tài)下的密封性能也愈好。

顯然，預(yù)緊時(shí)的預(yù)緊點(diǎn)σgi的選擇非常重要。

1.7.3影響墊片密封失效的重要因素⑴墊片的壓縮－68墊片壓縮與卸載時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線墊片壓縮與卸載時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線69

墊片裝配時(shí)的壓緊應(yīng)力是影響密封性能的重要影響因素，預(yù)緊載荷不夠，加上墊片的壓縮回彈性能差，易導(dǎo)致墊片密封的失效⑵墊片的蠕變松馳行為長(zhǎng)期運(yùn)行后,墊片的厚度還會(huì)不斷減少，墊片上的壓緊應(yīng)力也相應(yīng)不斷遞減，這就是墊片的應(yīng)力松馳.墊片的蠕變與松馳同時(shí)產(chǎn)生，蠕變是指恒應(yīng)力作用條件下材料不斷發(fā)生變形的行為，而松馳是指恒變形（固定的變形量）條件下材料的應(yīng)力不斷發(fā)生變化的墊片裝配時(shí)的壓緊應(yīng)力是影響密封性能的重70

行為,溫度較高時(shí)墊片的蠕變松馳更為明顯。每種墊片材料都有允許的最高使用溫度（P），但同時(shí)還規(guī)定其可以使用的最高壓力（P）⑶螺栓的影響墊片壓緊應(yīng)力的大小，不管是預(yù)緊階段還是進(jìn)入工作狀態(tài)下的壓緊應(yīng)力都是在螺栓緊固時(shí)所施加的。因此螺栓的強(qiáng)度與剛度就顯得非常重要。設(shè)計(jì)是一回事，而裝配是另一回事。因?yàn)檠b配中螺栓預(yù)緊的程度帶有很大的不確定性，螺栓在高溫下的蠕變與松馳也是引起密封泄漏失效的常見(jiàn)原因。行為,溫度較高時(shí)墊片的蠕變松馳更為明顯。712.1失效事故的技術(shù)檢驗(yàn)

2.1.1.事故現(xiàn)場(chǎng)處理和調(diào)查

(1)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)與記錄①首先要收集現(xiàn)場(chǎng)的各種操作記錄、儀表?yè)p壞時(shí)指針位置，安全閥是否有泄放的跡象，爆破片的破壞或完好狀況。②斷口保護(hù)工作極其重要③事故后應(yīng)立即做好現(xiàn)場(chǎng)記錄

2.1失效事故的技術(shù)檢驗(yàn)

2.1.1.事故現(xiàn)場(chǎng)處理和72(2)事故調(diào)查分析的要求和內(nèi)容①明確劃定事故現(xiàn)場(chǎng)的范圍，做好現(xiàn)場(chǎng)護(hù)欄和現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)工作

②了解事故過(guò)程的有關(guān)情況

③設(shè)備發(fā)生失效或事故往往不是某一原因產(chǎn)生的，調(diào)出全部服役歷史的文檔④進(jìn)行必要的技術(shù)檢驗(yàn)與鑒定工作

⑤提出事故處理意見(jiàn)和必要的整改要求與措施，杜絕事故的再次發(fā)生2.1.2失效狀況的外觀檢查1、變形情況檢查

2、裂紋檢查(2)事故調(diào)查分析的要求和內(nèi)容73交叉裂紋的斷裂次序判斷

交叉裂紋的斷裂次序判斷74銷孔斷口的斷裂順序?yàn)锳先于B和C銷孔斷口的斷裂順序?yàn)锳先于B和C753、表面狀況檢查

指的是腐蝕與磨損的狀況2.1.3材料的檢驗(yàn)和鑒定

(1)化學(xué)成分檢驗(yàn)

(2)力學(xué)性能檢驗(yàn)

(3)金相檢驗(yàn)

2.1.4斷口形貌的檢驗(yàn)和鑒定1、斷口的宏觀檢驗(yàn)和分析(1)斷口宏觀分析的主要內(nèi)容①確定斷裂時(shí)裂紋的擴(kuò)展方向3、表面狀況檢查76②確定斷裂的裂源位置

③初步判斷斷裂的類型（2)斷口三要素的應(yīng)用

①起裂源區(qū)是放射紋及人字紋所指向的地區(qū)。也是這些紋路的收斂區(qū)。②起裂源區(qū)一般在韌性良好的狀態(tài)下就是纖維狀區(qū)。③起裂源區(qū)不存在剪切唇。④當(dāng)有明顯原始缺陷時(shí)，缺陷的某一邊緣區(qū)常常存在很小的纖維區(qū)，就是起裂源區(qū)。

②確定斷裂的裂源位置77

斷口的斷裂方向（a）完全正斷口（脆斷）；（b）混合斷口（韌斷）；（c）剪切斷口（韌斷）

斷口的斷裂方向78

2、斷口的顯微檢驗(yàn)和分析

在掃描電鏡中對(duì)若干小區(qū)觀察分析的目的如下。

(1)分析斷裂的機(jī)制

(2)分析材料的夾雜物狀態(tài)

(3)分析材料的固態(tài)相變劣化程度

(4)弄清應(yīng)力腐蝕的原因

2.1.5壓力容器爆炸的能量爆炸是一種突發(fā)的能量釋放過(guò)程，其過(guò)程極為迅速。爆炸所引起的破壞是所有事故中最為嚴(yán)重的

2、斷口的顯微檢驗(yàn)和分析79

物理爆炸（包括氣體和液體）是一種能量突然釋放的物理過(guò)程。物理爆炸的釋放能量可以用熱力學(xué)方程進(jìn)行計(jì)算?；瘜W(xué)爆炸是化學(xué)物質(zhì)發(fā)生激劇反應(yīng)、分解、快速燃燒（混合爆炸氣云的爆轟）時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)能量計(jì)算極為復(fù)雜，且不易算準(zhǔn)。

爆炸能量的計(jì)算至少可以獲得這樣的結(jié)論，若現(xiàn)場(chǎng)破壞所相當(dāng)?shù)腡NT炸藥量爆炸時(shí)的沖擊波能量基本上等于按物理爆炸計(jì)算出的能量，則可判定所發(fā)生的是物理性爆炸。物理爆炸（包括氣體和液體）是一種能量突然釋放的物理過(guò)程80

若現(xiàn)場(chǎng)破壞所相當(dāng)?shù)腡NT炸藥爆炸時(shí)沖擊波能量大大地大于容器物理破壞所能釋放的能量，則應(yīng)判為化學(xué)爆炸。不論物理爆炸還是化學(xué)爆炸，釋放出的能量將形成巨大的沖擊波。壓力容器發(fā)生氣體爆炸時(shí)所釋放的能量中一小部分用于撕裂容器及拋出碎片，而大部分能量則產(chǎn)生沖擊波。2.1.6失效分析中的驗(yàn)證性試驗(yàn)1、材料的驗(yàn)證性試驗(yàn)

2、腐蝕失效的驗(yàn)證性試驗(yàn)

3、模擬應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)和有限元應(yīng)力分析

若現(xiàn)場(chǎng)破壞所相當(dāng)?shù)腡NT炸藥爆炸時(shí)沖擊波能量大大地814、模擬爆破試驗(yàn)和安全泄放試驗(yàn)

①安全閥的壓力試驗(yàn)②爆破片的爆破試驗(yàn)③壓力容器的爆破試驗(yàn)是較少見(jiàn)的，主要是因成本較高2.2壓力容器失效事故的綜合分析和診斷2.2.1失效事故的綜合分析

(1)過(guò)度變形

(2)過(guò)度磨損

(3)泄漏

(4)斷裂

(5)爆炸4、模擬爆破試驗(yàn)和安全泄放試驗(yàn)822、確定失效類型

按習(xí)慣分：韌性失效(或破斷)，脆性破斷，疲勞失效，腐蝕失效和蠕變失效等五種基本失效類型。除此，還有復(fù)合型的交互失效(如腐蝕疲勞、蠕變疲勞等)，以及密封失效和磨損失效等

3、確定失效事故的原因

(1)材料因素

(2)結(jié)構(gòu)因素

(3)受力因素

(4)環(huán)境因素

(5)使用、維修和管理因素

2、確定失效類型832.3事故處理

1、事故分類特別重大事故

是指造成死亡30人（含30人）以上，或者受傷（包括急性中毒、下同）100人（含100人）以上，或者直接經(jīng)濟(jì)損失1000萬(wàn)元（含1000萬(wàn)元）以上的設(shè)備事故。

特大事故

是指造成死亡10～29人，或者受傷50～99人，或者直接經(jīng)濟(jì)損失50