典型壓力管道失效模式介紹

典型壓力管道失效模式介紹第一頁，共二十七頁，2022年，8月28日定檢的意義及無損檢測方式在用管道使用過程中，由于環(huán)境及載荷的影響會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕、疲勞、蠕變、脆化等裂紋，也可能使得在投用前檢驗中沒有發(fā)現(xiàn)的裂紋擴展為宏觀裂紋，因此在用管道的定期檢驗工作顯得尤為重要。

在定期檢驗中，對于表面裂紋用滲透檢測和磁粉檢測效果較好，對高應(yīng)力部位進行磁粉檢測或滲透檢測，但效果有限。對于裂紋性質(zhì)的平面型缺陷可采用超聲波檢驗。對于夾渣、氣泡及未焊透一類空間型缺陷，可以進行X射線檢測。另外可采用的方法還有應(yīng)力測試、磁記憶檢測、掛塊或掛片并定期取出部分試樣以測試沖擊韌性等。第二頁，共二十七頁，2022年，8月28日一、低溫管道二、熱力管道三、燃氣管道四、化工及石化裝置管道第三頁，共二十七頁，2022年，8月28日一、低溫管道低溫金屬管道廣泛應(yīng)用于石油化工生產(chǎn)裝置。在目前的大中型乙烯裝置中，裂解氣中氫氣、甲烷等組分的分離多采用深冷分離。在化肥行業(yè)中經(jīng)常會用到一些低溫管道，如大型合成氨、甲醇裝置低溫甲醇洗工序中的管道等。此外低溫管道還包括液化天然氣管道、液氧、氨制冷系統(tǒng)壓力管道等。第四頁，共二十七頁，2022年，8月28日鋼材的冷脆鋼鐵材料在低溫下沖擊韌性顯著降低。大量的沖擊試驗表明，溫度低時鋼對缺口的敏感性增大，這種現(xiàn)象稱為鋼的冷脆性。鋼的冷脆性表明在溫度變低時鋼會由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變成脆性狀態(tài)，因此要防止鋼的脆性斷裂首先要掌握所使用的鋼的冷脆轉(zhuǎn)變溫度。冷脆轉(zhuǎn)變溫度可以通過試樣的沖擊試驗來評定，但是因為評價的方法、標準不同而結(jié)論各異，往往僅能定出一個溫度轉(zhuǎn)變區(qū)間。如果管道的保溫材料選擇不當或保溫結(jié)構(gòu)效果不好，當操作溫度低于-191℃時，會發(fā)生空氣的冷凝和氧的富集，高揮發(fā)性流體（如液態(tài)烴、液氨等）對管道的制冷作用，如果管內(nèi)介質(zhì)突然閃蒸，會引起管道溫度會驟降，這些均會使管道韌性降低，產(chǎn)生脆性斷裂。低溫金屬管道在焊接的過程中，不可避免地會出現(xiàn)焊接裂紋、未焊透及咬邊等焊接缺陷。在低溫條件下，這些缺陷和存在的應(yīng)力集中（如裂紋的端部）會成為發(fā)生脆性斷裂的裂紋源，是脆性斷裂發(fā)生和擴展的主要因素。第五頁，共二十七頁，2022年，8月28日脆性斷裂的預(yù)防，應(yīng)注意以下幾個方面：1．優(yōu)化設(shè)計管道在使用條件下應(yīng)具有足夠的韌性。為此，首先是合理選擇材料。設(shè)計時應(yīng)考慮可能發(fā)生的低溫狀態(tài)或工況，限定材料化學(xué)成分要求，通過熱處理工藝降低低溫脆斷的敏感性，并通過沖擊試驗進行驗證。2．消除焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力是造成脆性斷裂的主要原因。焊接殘余應(yīng)力的管道在焊接過程中因加熱、融化、凝固、冷卻等過程，使焊縫區(qū)內(nèi)各部分變形不一而又相互制約的復(fù)雜過程所造成的。管壁愈厚、管道結(jié)構(gòu)自身剛性愈大，焊接殘余應(yīng)力愈大。某些情況下焊縫本身的殘余應(yīng)力就足以達到材料的屈服強度，更多的情況是殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加，從而使得焊縫附近的應(yīng)力強度因子大于材料的斷裂韌性，最后導(dǎo)致脆性斷裂。合理的焊接工藝至多可以改善焊縫的韌性和降低殘余應(yīng)力，但不能消除殘余應(yīng)力。因此對大直徑、厚壁、重要的管道應(yīng)采用焊后熱處理以消除殘余應(yīng)力，一般為退火處理。管道停車進行焊接修復(fù)或改造后宜進行焊后熱處理以消除殘余應(yīng)力。第六頁，共二十七頁，2022年，8月28日3．嚴格操作規(guī)程控制操作壓力和操作溫度，開、停車時如不影響工藝，應(yīng)采用停車“先降壓后降溫”、開車“先升溫后升壓”的工藝，并限定最小升壓溫度；水壓試驗時應(yīng)控制水壓試驗的介質(zhì)溫度，不應(yīng)低于設(shè)備材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度；4．加強對管道的檢驗很多低應(yīng)力脆斷的管道都是由缺陷造成的，特別是焊縫中的裂紋性缺陷。管道焊縫裂紋有些是在安裝焊接過程中產(chǎn)生的，如果在焊后加強對焊縫的宏觀檢查和無損檢測，確保無超標缺陷，可避免有裂紋的管道盲目投入運行以致發(fā)生脆性斷裂。管道的投用前檢驗可有效地消除許多脆斷隱患。第七頁，共二十七頁，2022年，8月28日二、城市熱力管道城市熱力管道：輸送高溫具有較高壓力的蒸汽或熱水的管道。工業(yè)企業(yè)集中供熱系統(tǒng)通常包括熱源、室外熱力管網(wǎng)和用戶內(nèi)部的熱力管道。熱力管道從敷設(shè)形式上可分為架空管道和埋地管道。第八頁，共二十七頁，2022年，8月28日熱力管道有以下特點：（1）輸送的介質(zhì)溫度高、壓力大、流速快，在運行時會給管道帶來較大的膨脹力和沖擊力；（2）輸送的介質(zhì)具有較高的溫度，對管道材質(zhì)強度要求較高，中高壓或輸送干管采用無縫鋼管，低壓或配熱支臂采用焊接鋼管；（3）熱力管道安裝溫度與正常運行溫度差別很大，管道系統(tǒng)投入運行后產(chǎn)生明顯的熱膨脹。工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)管內(nèi)溫度變化很大，管道易產(chǎn)生應(yīng)力變形，對管道支架有較特殊的要求，管路中應(yīng)設(shè)置伸縮器，滿足其補償要求；（4）由于金屬是熱的良導(dǎo)體，熱力管道需要解決表面熱損失的問題，因而必須進行保溫；（5）由于熱水中所含的氣體要不斷地析離出來，積聚在管道的最高處，妨礙熱水的循環(huán)，增加管道的腐蝕，必須加設(shè)排氣裝置；（6）蒸汽管道內(nèi)易產(chǎn)生凝結(jié)水，增加蒸汽輸送阻力，因此，管道應(yīng)內(nèi)置一定的坡度并在最低點設(shè)泄水裝置；（7）停止使用熱水時，膨脹水量會增加管道的壓力，有脹裂管道的危險，應(yīng)設(shè)置膨脹管、釋壓閥或閉式膨脹水箱；（8）為了避免熱量浪費，常采用循環(huán)管路，回收余熱。第九頁，共二十七頁，2022年，8月28日疲勞破壞：熱力管道由于熱脹冷縮及其他位移受約束而產(chǎn)生熱脹應(yīng)力（屬于二次應(yīng)力），在反復(fù)加載卸載及多次重復(fù)冷熱交變作用下將引起管道的疲勞破壞。斷裂、泄露、失穩(wěn)：熱力管道在溫度變化時，管道受到外界的限制約束，不能自由地膨脹或收縮，這時管道將產(chǎn)生熱應(yīng)力（或稱溫度應(yīng)力）。除溫度變化外，管道熱脹可能性的大小對熱應(yīng)力的影響很大，溫度變化時管道系統(tǒng)的熱脹可能性稱為管系的柔性（或彈性）。管系的柔性與管系的幾何形狀、管系的展開長度、管子的直徑和壁厚、管材的彈性模量等有關(guān)。平面管系比直線管系有更大的柔性，立體管系而比相似條件下的平面管系有更大的柔性。在同樣的溫度變化下，管系的柔性愈大，熱應(yīng)力就愈小。因此，熱力管道在管系柔性不足時將管道產(chǎn)生斷裂、泄露、失穩(wěn)等。第十頁，共二十七頁，2022年，8月28日失穩(wěn)及振動：熱力管道排水系統(tǒng)在運行過程中，由于裝置的開停和生產(chǎn)過程的調(diào)節(jié)，常需要啟閉閥門，水流速度或流量突然變化引起管道內(nèi)的壓強迅速上升或下降，并伴有液體錘擊的聲音，這種現(xiàn)象即水擊現(xiàn)象（也稱為水錘或液擊）。水擊造成管道內(nèi)壓力的變化有時是很大的，突然升壓嚴重時引起管道及管道附件爆裂，迅速降壓形成的管內(nèi)負壓可能使管道及管道附件失穩(wěn)，同時水擊常導(dǎo)致管道振動。第十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日氫腐蝕熱力管道在使用中內(nèi)壁表面會產(chǎn)生氧化膜，易于積垢，隨著附著物的增多和長大，蒸汽在該部位流動受阻，蒸汽對該部位管壁金屬產(chǎn)生了強烈的蒸汽腐蝕，反應(yīng)式為3Fe+4H20→Fe304+8[H]，由于蒸汽在管壁粗糙部位流動受阻，上述反應(yīng)中生成的氫不能被介質(zhì)及時帶走，而是大量聚集，在高溫作用下通過晶界向鋼中逐步擴散產(chǎn)生氫損傷。第十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日埋地管道電化學(xué)腐蝕及土壤腐蝕埋地?zé)崃艿捞攸c：輸送的介質(zhì)溫度高，冷熱溫差大，易形成溫差原電池腐蝕。由于表面溫度的存在，將使管道產(chǎn)生溫度應(yīng)力或在裝有補償器的外管位移時，也將與土壤發(fā)生摩擦而產(chǎn)生應(yīng)力，形成應(yīng)力原電池的腐蝕。溫度、應(yīng)力的存在都會加劇鋼在土壤中的腐蝕，加之管道又處于一個腐蝕性強的土壤環(huán)境影響到其它管線，這使直埋供熱管道土壤腐蝕程度大大其它埋地管線。埋地管道直接接觸土壤，而土壤是由各種無機物質(zhì)及有機物質(zhì)的腐敗產(chǎn)物所組成，并含有鹽類和其他物質(zhì)的溶液和水分。土壤膠體帶有電荷，并吸附一定數(shù)量的陰離子，當土壤中存在少量水時，土壤即成為一個由帶電膠體與離子組成的導(dǎo)體，管道在土壤中就會發(fā)生電化學(xué)腐蝕過程。由于土壤的不均勻性，導(dǎo)致腐蝕程度差異較大，其類型主要是局部腐蝕，極易造成管線的腐蝕穿孔破壞或斷裂。第十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日介質(zhì)腐蝕熱力管網(wǎng)上水時直接使用自來水，而不進行水處理，自來水內(nèi)含有溶解氧、氯和碳酸氫鈣，加熱后可以分解二氧化碳。氧、氯和二氧化碳都可以對管道進行腐蝕。第十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日三、城市鋼制燃氣管道城市鋼制燃氣管道就是將燃氣輸送給客戶的管道。燃氣主要包括天然氣、液化石油氣及人工煤氣。城市燃氣管網(wǎng)在快速發(fā)展的同時，也帶來了許多安全隱患。由于城市燃氣具有易燃、易爆和有毒的特點，一旦發(fā)生故障，極易造成泄漏、中毒、火災(zāi)、爆炸等事故。第十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日城市埋地燃氣管道在設(shè)計、施工、管理上的特點：（1）由于城市燃氣管道用戶復(fù)雜，需求各不相同，因此管徑變化頻繁，各種閥門、彎頭密布，線路情況十分復(fù)雜；（2）城市燃氣管道大都隨經(jīng)濟的發(fā)展逐步鋪設(shè)，因此，不同時期建設(shè)的管道往往在設(shè)計、施工標準方面參差不齊，導(dǎo)致管線表現(xiàn)出多樣性；（3）城市燃氣管道往往鋪設(shè)在人口稠密區(qū)，其一旦發(fā)生事故往往造成較大的人員傷亡和財產(chǎn)損失；

（4）城市地下燃氣管道大都為中低壓輸送；（5）城市地下燃氣管道主要的腐蝕破壞來自于土壤的腐蝕作用；（6）城市地下燃氣管道表面的覆蓋層性質(zhì)比較均勻，受外界自然環(huán)境影響較??；（7）城市地下燃氣管道多使用防護層防腐。第十六頁，共二十七頁，2022年，8月28日城市鋼制燃氣管道的失效

城市鋼制燃氣管道的失效主要是管道泄漏和管道破裂，以及早期使用灰鑄鐵材料的低溫脆性斷裂。

導(dǎo)致管道泄漏的因素主要有內(nèi)腐蝕、外腐蝕、施工損傷、焊接缺陷、接頭缺陷和腐蝕等。導(dǎo)致管道破裂的因素主要是第三方破壞、超壓、焊接缺陷和腐蝕等。有時，單一因素即可引起管道事故，但更多的管道事故還是由多種因素聯(lián)合作用的結(jié)果造成的。第十七頁，共二十七頁，2022年，8月28日導(dǎo)致泄漏事故隱患因素：主觀因素：一般埋設(shè)在城市道路下，管道多采取直理方式，客觀因素：管道以及凝水缸、閥門井、調(diào)壓站等附屬設(shè)施遍及所有區(qū)域，周圍環(huán)境干擾較大，造成事故發(fā)生主要有以下幾方面原因：（1）施工不當1）由于施工質(zhì)量造成的管道密封不嚴或是由于焊接質(zhì)量問題導(dǎo)致管道連接處焊縫存在缺陷，未能及時發(fā)現(xiàn)并修補；2）其他施工單位，在施工前未能考慮施工地段的管道鋪設(shè)情況，盲目開挖，直接導(dǎo)致燃氣管道的斷裂泄漏。目前由于野蠻施工造成的管道泄漏事故的比例已經(jīng)超過50%，成為造成城市燃氣管道泄漏事故的主要原因；3）其它市政設(shè)施，如供電線、電纜線等鋪設(shè)時未考慮與管道的安全間距，使得管道周圍存在雜散電流，易造成管道的雜散電流腐蝕。第十八頁，共二十七頁，2022年，8月28日（2）腐蝕造成的泄漏造成燃氣管道腐蝕的原因主要有以下幾種：1）燃氣管道的外防腐層由于外界因素被破壞后，使得管道直接與土壤接觸，形成化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕；（防腐層破壞）2）陰極保護失效；3）管道長期處于潮濕的具有腐蝕性的介質(zhì)中；（外腐蝕介質(zhì)）4）管道因傳輸腐蝕性的介質(zhì)而造成腐蝕穿孔。（內(nèi)腐蝕介質(zhì)）（3）違章操作違章操作導(dǎo)致燃氣管道的泄漏事故主要分為：1）對應(yīng)檢修的管道沒有及時的檢修，留下故障隱患；2）個別單位或用戶未經(jīng)有關(guān)部門允許，在原管線的基礎(chǔ)上私自改接，留下故障隱患；3）由于操作人員的誤操作或違章操作，使得管道或設(shè)備超壓，引起泄漏。（4）自然災(zāi)害自然災(zāi)害如地震、泥石流等對燃氣管道的危害極大，并且突發(fā)性比較大，易造成燃氣管道的斷裂泄漏；另外，由于外界環(huán)境變化的原因，管道容易發(fā)生應(yīng)力破壞導(dǎo)致泄漏。第十九頁，共二十七頁，2022年，8月28日（5）第三方破壞（TDP）TDP是指第三方破壞，它主要是指管道在外力的作用下導(dǎo)致破壞的情況，包括由于施工作業(yè)挖斷管道導(dǎo)致的泄漏。影響管道出現(xiàn)此類事故的因素主要有：1）最小埋深一般情況下管道都是埋地鋪設(shè)，管道上方的泥土對外界環(huán)境的變化有一定的緩沖作用，管道埋深越深，管道的損壞可能性越小。對一些環(huán)境特別的復(fù)雜地區(qū)，如河流底部、山區(qū)，進行管道鋪設(shè)時要加設(shè)套管一保證管道的安全。2）活動水平管道埋設(shè)地區(qū)周圍的活動狀況越頻繁，導(dǎo)致管道發(fā)生故障的可能性就越大。管道的第三方破壞和公眾的教育程度有很大的關(guān)系。6．環(huán)境溫度溫度對灰鑄鐵管道的影響也是導(dǎo)致灰鑄鐵管道發(fā)生泄漏的一個重要的因素。第二十頁，共二十七頁，2022年，8月28日四、化工及石化裝置管道化工及石化管道特點工作條件各種各樣：①工作壓力范圍廣；②工作溫度范圍大；③介質(zhì)有毒、易燃、易爆；

④裝置基本都是技術(shù)密集、規(guī)模大、連續(xù)化生產(chǎn)。由于化工及石化裝置工作條件的復(fù)雜性導(dǎo)致多種失效模式都有可能出現(xiàn)。第二十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日化工液氯管道的失效

化工液氯管道，失效主要是化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、縫隙腐蝕等?；瘜W(xué)腐蝕：液態(tài)氯為黃綠色液體，在常壓下即氣化成氣體，吸入人體能嚴重中毒，有劇烈刺激作用和腐蝕性，在日光下與其它易燃氣體混合時發(fā)生燃燒和爆炸。氯是很活潑的元素，可以和大多數(shù)元素（或化合物）起反應(yīng)，如遇有水份對鋼鐵有強烈腐蝕性。即液態(tài)氯不遇到水的話腐蝕極微，但是一旦遇水則有很強的腐蝕性。電化學(xué)腐蝕：因為管道材料的不均勻性造成的，如電位的不均勻性，晶格的不均勻性等均能引起腐蝕。液氯對金屬電化學(xué)腐蝕主要型式是孔蝕，這種腐蝕很隱蔽，不好預(yù)防?？p隙腐蝕：液氯管道的未焊透位置和法蘭連接處的密封不良處，導(dǎo)致法蘭對接處金屬間存在縫隙，發(fā)生縫隙腐蝕。第二十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日石化煉油裝置管道的失效

石化煉油裝置有原油蒸餾、加氫處理和催化重整等裝置，這些裝置的失效主要是：HCl腐蝕：氣體氯化氫一般沒有腐蝕性，但是遇水形成鹽酸（HCl+H20）后腐蝕性就變得很強。對碳鋼和低合金鋼引發(fā)全面腐蝕和局部腐蝕；對鐵素體或馬氏體不銹鋼主要是局部腐蝕（坑蝕）；對奧氏體不銹鋼則產(chǎn)生點蝕與氯離子應(yīng)力腐蝕開裂。酸性水腐蝕：廣義上定義為含水H2S和氨造成的腐蝕，并且通常是堿性的PH值。這種腐蝕由含水的二硫化鐵（NH4HS）引起，二硫化按也稱為硫氫化按。影響酸水腐蝕率的主要是NH4HS水溶液濃度和流速，其次是PH值、水中的氰化物和氧含量。高速或高濃度酸性水沖刷的剪應(yīng)力破壞了保護膜，使材料呈現(xiàn)局部與均勻腐蝕。第二十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日石化加氫裝置管道的失效

石化加氫裝置管道有加氫脫硫和加氫裂化裝置管道，這些管道的失效主要是高溫H2/H2S腐蝕。高溫H2/H2S腐蝕是一種均勻腐蝕的形式，大多數(shù)煉油廠里，H2/H2S腐蝕的閥值溫度是260℃，但要根據(jù)循環(huán)氣體引入的硫化氫的量而定。在富氫環(huán)境中，原子氫能不斷侵入硫化膜造成膜的疏松多孔，原子氫與H2S能得以互相擴散滲透，因而H2S的腐蝕就不斷進行。在H2/H2S環(huán)境中，少量的鉻（例如5～9%Cr）只能適度地提高鋼的耐腐蝕能力，若要明顯地改善鋼的耐腐蝕能力，Cr含量至少需要12%。如果再加入Cr和Ni，則可從實質(zhì)上改善鋼的耐腐蝕能力。第二十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日石化奧氏體材料管道的失效

連多硫酸產(chǎn)生一般在設(shè)備停工期間，硫化物暴露與空氣與濕環(huán)境形成，在敏感奧氏體不銹鋼和其他敏感奧氏體合金中發(fā)生的沿晶開裂。這種腐蝕會給設(shè)備造成嚴重的損壞，通常靠近焊縫或高應(yīng)力區(qū)域，開裂蔓延迅速，在數(shù)分鐘或小時內(nèi)就會穿透管線和部件的壁厚，而且非常局部不容易發(fā)現(xiàn)，直到開工或有時在操作中出現(xiàn)裂紋時才發(fā)現(xiàn)。停工保護采取隔絕空氣或保持干燥，或用堿性溶液中和設(shè)備表面可有效保護奧氏體不銹鋼材料。氯離子的腐蝕也是常見的，氯離子包括鹽酸也包括氯化鹽，只要lppm含量就會引起材料的點蝕與開裂。制造過程的冷加工，熱處理不完善等原因使材料敏化，在有氯離子、硫化氫或連多硫酸環(huán)境下引起開裂通常管件制造質(zhì)量出的問題最多，其次是管道。設(shè)計階段應(yīng)充分了解工藝介質(zhì)中的氯離子含量與溫度等參數(shù)的影響，選擇穩(wěn)定型的不銹鋼，消除焊接殘余應(yīng)力、材料經(jīng)過固溶化熱處理、穩(wěn)定型不銹鋼焊接后經(jīng)過穩(wěn)定化熱處理，可避免開裂現(xiàn)象。第二十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日石化碳鋼與低合金鋼材料管道的失效石化裝置中的碳鋼與低合金鋼材料管道，失效主要是濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開