典型压力管道失效模式介绍

典型压力管道失效模式介绍第一页，共二十七页，2022年，8月28日定检的意义及无损检测方式在用管道使用过程中，由于环境及载荷的影响会产生应力腐蚀、疲劳、蠕变、脆化等裂纹，也可能使得在投用前检验中没有发现的裂纹扩展为宏观裂纹，因此在用管道的定期检验工作显得尤为重要。

在定期检验中，对于表面裂纹用渗透检测和磁粉检测效果较好，对高应力部位进行磁粉检测或渗透检测，但效果有限。对于裂纹性质的平面型缺陷可采用超声波检验。对于夹渣、气泡及未焊透一类空间型缺陷，可以进行X射线检测。另外可采用的方法还有应力测试、磁记忆检测、挂块或挂片并定期取出部分试样以测试冲击韧性等。第二页，共二十七页，2022年，8月28日一、低温管道二、热力管道三、燃气管道四、化工及石化装置管道第三页，共二十七页，2022年，8月28日一、低温管道低温金属管道广泛应用于石油化工生产装置。在目前的大中型乙烯装置中，裂解气中氢气、甲烷等组分的分离多采用深冷分离。在化肥行业中经常会用到一些低温管道，如大型合成氨、甲醇装置低温甲醇洗工序中的管道等。此外低温管道还包括液化天然气管道、液氧、氨制冷系统压力管道等。第四页，共二十七页，2022年，8月28日钢材的冷脆钢铁材料在低温下冲击韧性显著降低。大量的冲击试验表明，温度低时钢对缺口的敏感性增大，这种现象称为钢的冷脆性。钢的冷脆性表明在温度变低时钢会由韧性状态转变成脆性状态，因此要防止钢的脆性断裂首先要掌握所使用的钢的冷脆转变温度。冷脆转变温度可以通过试样的冲击试验来评定，但是因为评价的方法、标准不同而结论各异，往往仅能定出一个温度转变区间。如果管道的保温材料选择不当或保温结构效果不好，当操作温度低于-191℃时，会发生空气的冷凝和氧的富集，高挥发性流体（如液态烃、液氨等）对管道的制冷作用，如果管内介质突然闪蒸，会引起管道温度会骤降，这些均会使管道韧性降低，产生脆性断裂。低温金属管道在焊接的过程中，不可避免地会出现焊接裂纹、未焊透及咬边等焊接缺陷。在低温条件下，这些缺陷和存在的应力集中（如裂纹的端部）会成为发生脆性断裂的裂纹源，是脆性断裂发生和扩展的主要因素。第五页，共二十七页，2022年，8月28日脆性断裂的预防，应注意以下几个方面：1．优化设计管道在使用条件下应具有足够的韧性。为此，首先是合理选择材料。设计时应考虑可能发生的低温状态或工况，限定材料化学成分要求，通过热处理工艺降低低温脆断的敏感性，并通过冲击试验进行验证。2．消除焊接残余应力焊接残余应力是造成脆性断裂的主要原因。焊接残余应力的管道在焊接过程中因加热、融化、凝固、冷却等过程，使焊缝区内各部分变形不一而又相互制约的复杂过程所造成的。管壁愈厚、管道结构自身刚性愈大，焊接残余应力愈大。某些情况下焊缝本身的残余应力就足以达到材料的屈服强度，更多的情况是残余应力与工作应力叠加，从而使得焊缝附近的应力强度因子大于材料的断裂韧性，最后导致脆性断裂。合理的焊接工艺至多可以改善焊缝的韧性和降低残余应力，但不能消除残余应力。因此对大直径、厚壁、重要的管道应采用焊后热处理以消除残余应力，一般为退火处理。管道停车进行焊接修复或改造后宜进行焊后热处理以消除残余应力。第六页，共二十七页，2022年，8月28日3．严格操作规程控制操作压力和操作温度，开、停车时如不影响工艺，应采用停车“先降压后降温”、开车“先升温后升压”的工艺，并限定最小升压温度；水压试验时应控制水压试验的介质温度，不应低于设备材料韧脆转变温度；4．加强对管道的检验很多低应力脆断的管道都是由缺陷造成的，特别是焊缝中的裂纹性缺陷。管道焊缝裂纹有些是在安装焊接过程中产生的，如果在焊后加强对焊缝的宏观检查和无损检测，确保无超标缺陷，可避免有裂纹的管道盲目投入运行以致发生脆性断裂。管道的投用前检验可有效地消除许多脆断隐患。第七页，共二十七页，2022年，8月28日二、城市热力管道城市热力管道：输送高温具有较高压力的蒸汽或热水的管道。工业企业集中供热系统通常包括热源、室外热力管网和用户内部的热力管道。热力管道从敷设形式上可分为架空管道和埋地管道。第八页，共二十七页，2022年，8月28日热力管道有以下特点：（1）输送的介质温度高、压力大、流速快，在运行时会给管道带来较大的膨胀力和冲击力；（2）输送的介质具有较高的温度，对管道材质强度要求较高，中高压或输送干管采用无缝钢管，低压或配热支臂采用焊接钢管；（3）热力管道安装温度与正常运行温度差别很大，管道系统投入运行后产生明显的热膨胀。工作状态与非工作状态管内温度变化很大，管道易产生应力变形，对管道支架有较特殊的要求，管路中应设置伸缩器，满足其补偿要求；（4）由于金属是热的良导体，热力管道需要解决表面热损失的问题，因而必须进行保温；（5）由于热水中所含的气体要不断地析离出来，积聚在管道的最高处，妨碍热水的循环，增加管道的腐蚀，必须加设排气装置；（6）蒸汽管道内易产生凝结水，增加蒸汽输送阻力，因此，管道应内置一定的坡度并在最低点设泄水装置；（7）停止使用热水时，膨胀水量会增加管道的压力，有胀裂管道的危险，应设置膨胀管、释压阀或闭式膨胀水箱；（8）为了避免热量浪费，常采用循环管路，回收余热。第九页，共二十七页，2022年，8月28日疲劳破坏：热力管道由于热胀冷缩及其他位移受约束而产生热胀应力（属于二次应力），在反复加载卸载及多次重复冷热交变作用下将引起管道的疲劳破坏。断裂、泄露、失稳：热力管道在温度变化时，管道受到外界的限制约束，不能自由地膨胀或收缩，这时管道将产生热应力（或称温度应力）。除温度变化外，管道热胀可能性的大小对热应力的影响很大，温度变化时管道系统的热胀可能性称为管系的柔性（或弹性）。管系的柔性与管系的几何形状、管系的展开长度、管子的直径和壁厚、管材的弹性模量等有关。平面管系比直线管系有更大的柔性，立体管系而比相似条件下的平面管系有更大的柔性。在同样的温度变化下，管系的柔性愈大，热应力就愈小。因此，热力管道在管系柔性不足时将管道产生断裂、泄露、失稳等。第十页，共二十七页，2022年，8月28日失稳及振动：热力管道排水系统在运行过程中，由于装置的开停和生产过程的调节，常需要启闭阀门，水流速度或流量突然变化引起管道内的压强迅速上升或下降，并伴有液体锤击的声音，这种现象即水击现象（也称为水锤或液击）。水击造成管道内压力的变化有时是很大的，突然升压严重时引起管道及管道附件爆裂，迅速降压形成的管内负压可能使管道及管道附件失稳，同时水击常导致管道振动。第十一页，共二十七页，2022年，8月28日氢腐蚀热力管道在使用中内壁表面会产生氧化膜，易于积垢，随着附着物的增多和长大，蒸汽在该部位流动受阻，蒸汽对该部位管壁金属产生了强烈的蒸汽腐蚀，反应式为3Fe+4H20→Fe304+8[H]，由于蒸汽在管壁粗糙部位流动受阻，上述反应中生成的氢不能被介质及时带走，而是大量聚集，在高温作用下通过晶界向钢中逐步扩散产生氢损伤。第十二页，共二十七页，2022年，8月28日埋地管道电化学腐蚀及土壤腐蚀埋地热力管道特点：输送的介质温度高，冷热温差大，易形成温差原电池腐蚀。由于表面温度的存在，将使管道产生温度应力或在装有补偿器的外管位移时，也将与土壤发生摩擦而产生应力，形成应力原电池的腐蚀。温度、应力的存在都会加剧钢在土壤中的腐蚀，加之管道又处于一个腐蚀性强的土壤环境影响到其它管线，这使直埋供热管道土壤腐蚀程度大大其它埋地管线。埋地管道直接接触土壤，而土壤是由各种无机物质及有机物质的腐败产物所组成，并含有盐类和其他物质的溶液和水分。土壤胶体带有电荷，并吸附一定数量的阴离子，当土壤中存在少量水时，土壤即成为一个由带电胶体与离子组成的导体，管道在土壤中就会发生电化学腐蚀过程。由于土壤的不均匀性，导致腐蚀程度差异较大，其类型主要是局部腐蚀，极易造成管线的腐蚀穿孔破坏或断裂。第十三页，共二十七页，2022年，8月28日介质腐蚀热力管网上水时直接使用自来水，而不进行水处理，自来水内含有溶解氧、氯和碳酸氢钙，加热后可以分解二氧化碳。氧、氯和二氧化碳都可以对管道进行腐蚀。第十四页，共二十七页，2022年，8月28日三、城市钢制燃气管道城市钢制燃气管道就是将燃气输送给客户的管道。燃气主要包括天然气、液化石油气及人工煤气。城市燃气管网在快速发展的同时，也带来了许多安全隐患。由于城市燃气具有易燃、易爆和有毒的特点，一旦发生故障，极易造成泄漏、中毒、火灾、爆炸等事故。第十五页，共二十七页，2022年，8月28日城市埋地燃气管道在设计、施工、管理上的特点：（1）由于城市燃气管道用户复杂，需求各不相同，因此管径变化频繁，各种阀门、弯头密布，线路情况十分复杂；（2）城市燃气管道大都随经济的发展逐步铺设，因此，不同时期建设的管道往往在设计、施工标准方面参差不齐，导致管线表现出多样性；（3）城市燃气管道往往铺设在人口稠密区，其一旦发生事故往往造成较大的人员伤亡和财产损失；

（4）城市地下燃气管道大都为中低压输送；（5）城市地下燃气管道主要的腐蚀破坏来自于土壤的腐蚀作用；（6）城市地下燃气管道表面的覆盖层性质比较均匀，受外界自然环境影响较小；（7）城市地下燃气管道多使用防护层防腐。第十六页，共二十七页，2022年，8月28日城市钢制燃气管道的失效

城市钢制燃气管道的失效主要是管道泄漏和管道破裂，以及早期使用灰铸铁材料的低温脆性断裂。

导致管道泄漏的因素主要有内腐蚀、外腐蚀、施工损伤、焊接缺陷、接头缺陷和腐蚀等。导致管道破裂的因素主要是第三方破坏、超压、焊接缺陷和腐蚀等。有时，单一因素即可引起管道事故，但更多的管道事故还是由多种因素联合作用的结果造成的。第十七页，共二十七页，2022年，8月28日导致泄漏事故隐患因素：主观因素：一般埋设在城市道路下，管道多采取直理方式，客观因素：管道以及凝水缸、阀门井、调压站等附属设施遍及所有区域，周围环境干扰较大，造成事故发生主要有以下几方面原因：（1）施工不当1）由于施工质量造成的管道密封不严或是由于焊接质量问题导致管道连接处焊缝存在缺陷，未能及时发现并修补；2）其他施工单位，在施工前未能考虑施工地段的管道铺设情况，盲目开挖，直接导致燃气管道的断裂泄漏。目前由于野蛮施工造成的管道泄漏事故的比例已经超过50%，成为造成城市燃气管道泄漏事故的主要原因；3）其它市政设施，如供电线、电缆线等铺设时未考虑与管道的安全间距，使得管道周围存在杂散电流，易造成管道的杂散电流腐蚀。第十八页，共二十七页，2022年，8月28日（2）腐蚀造成的泄漏造成燃气管道腐蚀的原因主要有以下几种：1）燃气管道的外防腐层由于外界因素被破坏后，使得管道直接与土壤接触，形成化学腐蚀和电化学腐蚀；（防腐层破坏）2）阴极保护失效；3）管道长期处于潮湿的具有腐蚀性的介质中；（外腐蚀介质）4）管道因传输腐蚀性的介质而造成腐蚀穿孔。（内腐蚀介质）（3）违章操作违章操作导致燃气管道的泄漏事故主要分为：1）对应检修的管道没有及时的检修，留下故障隐患；2）个别单位或用户未经有关部门允许，在原管线的基础上私自改接，留下故障隐患；3）由于操作人员的误操作或违章操作，使得管道或设备超压，引起泄漏。（4）自然灾害自然灾害如地震、泥石流等对燃气管道的危害极大，并且突发性比较大，易造成燃气管道的断裂泄漏；另外，由于外界环境变化的原因，管道容易发生应力破坏导致泄漏。第十九页，共二十七页，2022年，8月28日（5）第三方破坏（TDP）TDP是指第三方破坏，它主要是指管道在外力的作用下导致破坏的情况，包括由于施工作业挖断管道导致的泄漏。影响管道出现此类事故的因素主要有：1）最小埋深一般情况下管道都是埋地铺设，管道上方的泥土对外界环境的变化有一定的缓冲作用，管道埋深越深，管道的损坏可能性越小。对一些环境特别的复杂地区，如河流底部、山区，进行管道铺设时要加设套管一保证管道的安全。2）活动水平管道埋设地区周围的活动状况越频繁，导致管道发生故障的可能性就越大。管道的第三方破坏和公众的教育程度有很大的关系。6．环境温度温度对灰铸铁管道的影响也是导致灰铸铁管道发生泄漏的一个重要的因素。第二十页，共二十七页，2022年，8月28日四、化工及石化装置管道化工及石化管道特点工作条件各种各样：①工作压力范围广；②工作温度范围大；③介质有毒、易燃、易爆；

④装置基本都是技术密集、规模大、连续化生产。由于化工及石化装置工作条件的复杂性导致多种失效模式都有可能出现。第二十一页，共二十七页，2022年，8月28日化工液氯管道的失效

化工液氯管道，失效主要是化学腐蚀、电化学腐蚀、缝隙腐蚀等。化学腐蚀：液态氯为黄绿色液体，在常压下即气化成气体，吸入人体能严重中毒，有剧烈刺激作用和腐蚀性，在日光下与其它易燃气体混合时发生燃烧和爆炸。氯是很活泼的元素，可以和大多数元素（或化合物）起反应，如遇有水份对钢铁有强烈腐蚀性。即液态氯不遇到水的话腐蚀极微，但是一旦遇水则有很强的腐蚀性。电化学腐蚀：因为管道材料的不均匀性造成的，如电位的不均匀性，晶格的不均匀性等均能引起腐蚀。液氯对金属电化学腐蚀主要型式是孔蚀，这种腐蚀很隐蔽，不好预防。缝隙腐蚀：液氯管道的未焊透位置和法兰连接处的密封不良处，导致法兰对接处金属间存在缝隙，发生缝隙腐蚀。第二十二页，共二十七页，2022年，8月28日石化炼油装置管道的失效

石化炼油装置有原油蒸馏、加氢处理和催化重整等装置，这些装置的失效主要是：HCl腐蚀：气体氯化氢一般没有腐蚀性，但是遇水形成盐酸（HCl+H20）后腐蚀性就变得很强。对碳钢和低合金钢引发全面腐蚀和局部腐蚀；对铁素体或马氏体不锈钢主要是局部腐蚀（坑蚀）；对奥氏体不锈钢则产生点蚀与氯离子应力腐蚀开裂。酸性水腐蚀：广义上定义为含水H2S和氨造成的腐蚀，并且通常是碱性的PH值。这种腐蚀由含水的二硫化铁（NH4HS）引起，二硫化按也称为硫氢化按。影响酸水腐蚀率的主要是NH4HS水溶液浓度和流速，其次是PH值、水中的氰化物和氧含量。高速或高浓度酸性水冲刷的剪应力破坏了保护膜，使材料呈现局部与均匀腐蚀。第二十三页，共二十七页，2022年，8月28日石化加氢装置管道的失效

石化加氢装置管道有加氢脱硫和加氢裂化装置管道，这些管道的失效主要是高温H2/H2S腐蚀。高温H2/H2S腐蚀是一种均匀腐蚀的形式，大多数炼油厂里，H2/H2S腐蚀的阀值温度是260℃，但要根据循环气体引入的硫化氢的量而定。在富氢环境中，原子氢能不断侵入硫化膜造成膜的疏松多孔，原子氢与H2S能得以互相扩散渗透，因而H2S的腐蚀就不断进行。在H2/H2S环境中，少量的铬（例如5～9%Cr）只能适度地提高钢的耐腐蚀能力，若要明显地改善钢的耐腐蚀能力，Cr含量至少需要12%。如果再加入Cr和Ni，则可从实质上改善钢的耐腐蚀能力。第二十四页，共二十七页，2022年，8月28日石化奥氏体材料管道的失效

连多硫酸产生一般在设备停工期间，硫化物暴露与空气与湿环境形成，在敏感奥氏体不锈钢和其他敏感奥氏体合金中发生的沿晶开裂。这种腐蚀会给设备造成严重的损坏，通常靠近焊缝或高应力区域，开裂蔓延迅速，在数分钟或小时内就会穿透管线和部件的壁厚，而且非常局部不容易发现，直到开工或有时在操作中出现裂纹时才发现。停工保护采取隔绝空气或保持干燥，或用碱性溶液中和设备表面可有效保护奥氏体不锈钢材料。氯离子的腐蚀也是常见的，氯离子包括盐酸也包括氯化盐，只要lppm含量就会引起材料的点蚀与开裂。制造过程的冷加工，热处理不完善等原因使材料敏化，在有氯离子、硫化氢或连多硫酸环境下引起开裂通常管件制造质量出的问题最多，其次是管道。设计阶段应充分了解工艺介质中的氯离子含量与温度等参数的影响，选择稳定型的不锈钢，消除焊接残余应力、材料经过固溶化热处理、稳定型不锈钢焊接后经过稳定化热处理，可避免开裂现象。第二十五页，共二十七页，2022年，8月28日石化碳钢与低合金钢材料管道的失效石化装置中的碳钢与低合金钢材料管道，失效主要是湿硫化氢应力腐蚀开