壓力管道的失效原因

來源: 浙江漢陸工程技術有限公司 時間: 2011-09-13

壓力管道失效的原因

      壓力管道“失效”一般是指壓力管道不能發揮原有效能的現象,可分為自然失效和異常失效兩種。由于壓力管道運行在內部介質和周圍環境的影響之下,不可避免地會產生溫度和壓力循環、腐蝕、振動以及材料金相組織變化等影響材料性能和連接接頭密封性能的問題,因此任何管道都有一定的使用壽命,自然失效就是在壓力管道達到使用壽命時發生的失效現象。自然失效可以通過定期檢驗或失效分析進行事先控制,以防止事故的發生。但是,在用壓力管道由于在設計、制造、安裝和運行中存在各種問題會導致異常失效,造成突發性破壞事故的發生。其原因主要有:

(A)職工素質差,違反操作規程運行,致使運行條件惡化,包括超壓、超溫、腐蝕性介質超標、壓力溫度異常脈動等;

      使用壓力和溫度是壓力管道設計、選材、制造、安裝的依據。操作壓力和溫度超過規定將導致管壁應力值的增加或材料力學性能的下降,尤其是在焊縫、法蘭、彎頭、閥門、異徑管、補償器等幾何結構不連續處的局部應力和峰值應力會大幅增加,成為蠕變破壞的源頭。過低的操作溫度則會引起材料韌性下降,允許的臨界裂紋尺寸減小,從而有可能導致脆性破壞。超溫超壓還會導致管道接頭泄漏。管道往往由于下列原因而產生交變載荷:

1)間斷輸送介質而對管道反復加壓和卸壓、升溫和降溫;

2)運行中壓力波動較大;

3)運行中溫度發生周期性變化,使管壁產生反復性溫度應力變化;

4)因其它設備、支承的交變外力和受迫振動。

      在反復交變載荷的作用下,管道將發生疲勞破壞。主要是金屬的低周疲勞,其特點是應力較大而交變頻率較低。在幾何結構不連續的地方和焊縫附近存在應力集中,有可能達到和超過材料的屈服極限。這些應力如果交變地加載和卸載,將使受力最大的晶粒產生塑性變形并逐漸發展為細微的裂紋。隨著應力周期變化,裂紋也會逐步擴展,最后導致破壞。

      交變載荷也會導致管道組成件和焊縫內部原有缺陷的擴大和管道連接接頭的泄漏。

(B)設計、制造、施工存在缺陷,如管道柔性不符合要求,材料選用不當或用材錯誤,存在焊接或冶金超標缺陷,焊接或組裝不合理造成應力過大,管道支承系統不合理等;管道在投用前存在的原始缺陷會造成材料的低應力脆斷。介質和環境的侵害、操作不當、維護不力等原因,往往會引起材料性能惡化、材料損傷或破裂,或使管道連接接頭發生介質泄漏,最終使壓力管道失效,導致火災、爆炸和中毒、窒息等人身事故的發生。

(C)維修失誤,管道上的嚴重缺陷或損傷未能被檢測發現,或缺少科學評價,以及不合理的維修工藝造成新的缺陷和損傷等;

(D)外來損傷造成破壞,如地震、大風、洪水、雷擊和其它機械損傷和人為破壞等。

      壓力管道的破壞型式很多。按破壞時的宏觀變形量可分為韌性破壞(延性破壞)和脆性破壞兩大類。按破壞時材料的微觀斷裂機制可分為韌窩斷裂、解理斷裂、沿晶斷裂和疲勞斷裂等型式。通常,在現場采用宏觀分類和斷裂特征相結合的方法進行分類,有韌性破壞、脆性破壞、腐蝕破壞、疲勞破壞、蠕變破壞等。

(E)腐蝕破壞

      壓力管道的腐蝕是由于受到內部介質及外部環境介質的化學或電化學作用而發生的破壞。也包括機械等原因的共同作用結果。不合理的操作會導致介質濃度的變化,加劇腐蝕破壞。

      壓力管道的腐蝕破壞的形態有全面腐蝕、局部腐蝕、應力腐蝕、腐蝕疲勞和氫損傷等。其中應力腐蝕往往在沒有先兆的情況下突然發生,故其危害性更大。

1)全面腐蝕

      全面腐蝕也稱均勻腐蝕。是在管道較大面積上產生的程度基本相同的腐蝕。管道內部表面主要遭受輸送腐蝕性介質的腐蝕,而管道外部則主要遭受大氣銹蝕。

      管道的全面腐蝕往往因使用條件的惡化而加劇。腐蝕介質的成分、含水量、氣相或液相的不同、流速和流動狀態、顆粒大小都會影響管道腐蝕失效的程度。腐蝕介質含量的超標或原料性質的劣化會對壓力管道產生危害。大氣腐蝕會使管道組成件外部遭受損壞,影響管道組成件的強度和密封性。如不及時維護,也會引起事故。

2)局部腐蝕

局部腐蝕是發生在管道材料局部位置的腐蝕現象。

a)點腐蝕:集中在金屬表面個別小點上的深度較大的腐蝕,也稱孔蝕。奧氏體不銹鋼在接觸含氯離子或溴離子的介質時最容易發生點腐蝕。

b)縫隙腐蝕:當管道輸送的介質為電解質溶液時,在管道內表面的縫隙處,如法蘭墊片處、單面焊的未焊透處等,均會發生縫隙腐蝕??p隙腐蝕往往是由于縫隙內和周圍溶液之間氧濃度或金屬離子濃度存在差異造成。

c)奧氏體不銹鋼焊接接頭的腐蝕:

①晶間腐蝕:晶間腐蝕是腐蝕局限在晶間和晶間附近,而晶粒本身腐蝕較小的一種腐蝕形態。腐蝕機理是“貧鉻理論”,即由于貧鉻的晶間區處于活化狀態,作為陽極,它與晶粒之間形成腐蝕原電池,其結果將造成晶粒脫落或使材料機械強度降低。

②δ鐵素體選擇性腐蝕:在某些強腐蝕介質中,奧氏體不銹鋼焊縫處的δ鐵素體相會被腐蝕或分解為σ相,結果呈海綿狀而使焊接接頭遭受破壞。

③刀口腐蝕:用Ni及Ti穩定的奧氏體不銹鋼,在氧化性介質中發生的刀口狀腐蝕。

3)應力腐蝕

金屬材料在拉應力和特定腐蝕介質的共同作用下發生的腐蝕稱為應力腐蝕。主要由焊接、冷加工和安裝時的殘余應力和管道內部的腐蝕性介質引起。應力腐蝕的裂紋呈枯樹支狀,大體上沿垂直于拉應力的方向發展。裂紋的微觀形態有穿晶型、晶間型和二者兼有的混合型。高強鋼管道在H2S含量超過一定值,并伴有水分時,會大大增加管壁應力腐蝕開裂的可能性。當焊縫硬度值超過HB200,含H2S超標時,極易導致焊縫的應力腐蝕。

①堿脆:是金屬在堿液中的應力腐蝕。碳鋼、低合金鋼和不銹鋼等均可發生堿脆。

②不銹鋼的氯離子腐蝕:氯離子對不銹鋼產生的應力腐蝕。導致氯離子腐蝕的氯離子臨界濃度隨溫度上升而下降,高溫下,氯離子濃度只要達到10 ppm即可引起破裂。管道法蘭連接處的墊片、外部的保溫材料和支、吊架的墊層等材料中含氯離子的成分過高,也會導致氯離子腐蝕。

③不銹鋼連多硫酸腐蝕:在石油煉制過程中,鋼材受硫化氫腐蝕生成硫化鐵,停車后管道內部與空氣中的氧及水反應生成多硫酸,在不銹鋼管道的殘余應力較大處即會產生應力腐蝕。以加氫脫硫裝置為典型,不銹鋼連多硫酸的應力腐蝕破壞最近引人注目。

④硫化物應力腐蝕:金屬在同時含硫化氫和水的介質中發生的應力腐蝕。碳鋼和低合金鋼在20~40℃溫度范圍內對硫酸的敏感性最大。奧氏體不銹鋼的硫化物應力腐蝕大多發生在高溫環境。在含硫化氫和水的介質中,如同時含有醋酸,或二氧化碳和氯化鈉,或磷化氫,或砷、硒、碲的化合物或氯離子,都會對腐蝕起促進作用。

4)腐蝕疲勞

      腐蝕疲勞是交變應力與化學介質共同作用下發生的腐蝕開裂。壓力管道的疲勞源有機械激振、流體喘振、交變熱應力、壓力循環以及風振、地震等。腐蝕疲勞裂紋往往有多條但無分支,這是與應力腐蝕裂紋的區別。腐蝕疲勞裂紋一般是穿晶的。

5)氫損傷

      氫滲透進入金屬內部造成金屬性能劣化稱為氫損傷。包括氫鼓泡、氫脆、脫碳和氫腐蝕。

      氫鼓泡主要發生在含濕硫化氫的介質中,當氫原子向鋼中滲透擴散時,遇到了裂紋、分層、空隙、夾渣等缺陷就聚集起來合成氫分子,使體積膨脹。當這些缺陷在鋼材表面時就會形成鼓泡。

      氫不論是以什么方式進入鋼都會引起鋼材氫脆,使鋼材的延伸率、斷面收縮率顯著下降。高強度鋼表現更加嚴重。

      鋼中的滲碳體在高溫下與氫氣作用生成甲烷,反應結果使鋼材表面層的滲碳體減少,使碳從鄰近的尚未反應的金屬層逐漸擴散到這一反應區,于是有一定厚度的金屬因缺碳而變為鐵素體,出現脫碳現象。脫碳的結果使鋼材的表面強度和疲勞極限降低。

      高溫高壓氫對鋼材作用的結果使其機械性能變劣,強度、韌性顯著降低,稱為氫腐蝕。在上述條件下,氫分子擴散到鋼的表面并產生吸附,其中部分被吸附的氫分子分離為氫原子和氫離子,經化學吸附,然后直徑很小的氫原(離)子透過表面層固溶到金屬內。因溶入的氫原子通過晶格和晶界向鋼內擴散,產生化學反應形成甲烷聚集在晶界原有微觀空隙內,反應過程使該區域的碳濃度降低,促使其他位置上的碳向其擴散補充,從而使甲烷量不斷增多形成局部壓力,最后發展為裂紋。聚集在鋼材表面的形成鼓泡,產生脫碳。

(F)沖蝕破壞

      管道內部介質的長期、高速流動會使管道組成件內壁減薄或密封副遭受破壞,影響其耐壓強度和密封性能。隨著使用時間的延長,由內壁減薄造成的耐壓能力下降或密封副損壞而形成的泄漏便會成為事故的根源。

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