专题三、典型工业管道损伤模式

江苏省特检院南通分院杨刘平1.概述2.压力管道的常见失效3.压力管道典型的损伤识别4.案例（培训资料）1.概述压力管道特点：管道输送已经成为与铁路、公路、水运、航运并列的五大运输行业之一；具有以下特点：1、数量多，标准多。2、管道体系庞大，有多个组成件、支承件组成，任一环节出现问题都会造成整条管线的失效。3、管道的空间变化大。要么是长距离却经过复杂多变的地理、天气环境；要么是在一个环境里，但是其立体空间变幻莫测。4、腐蚀机理与材料损伤的复杂性。易受周围介质或设施的影响，容易受诸如腐蚀介质、杂散电流影响，而且还容易遭受意外伤害。5、失效的模式多样。6、载荷的多样性，除介质的压力外，还有重力载荷以及位移载荷等。7、材质的多样性，可能一条管道上就需要几种材质。8、安装方式多样，有的架空安装，有的埋地敷设。9、实施检验的难度大，尤其对于高空和埋地管道的检验，始终是个难点。由于历史、技术、管理上的原因，在设计、制造、运输、安装、使用、检验、维修等各个环节都可能存在问题，导致管道的损伤、失效甚至破坏性事故时有发生。几个概念：压力管道损伤是指管道在外部机械力、介质环境、热作用等单独或共同作用下，造成材料性能下降、结构不连续或承载能力下降。损伤模式：导致材料性能下降、结构不连续或承载能力下降的损伤类型。压力管道失效是指管道损伤积累到一定程度，管道功能不能发挥其设计规定或强度、刚度不能满足使用要求的状态。失效分析：根据损伤模式和现象，通过分析和验证，找出失效的原因，提出预防再失效的对策的技术活动和管理活动。失效在工程上俗称为故障。管道存在损伤不一定失效、不一定发生事故，而发生失效或事故则一定存在损伤。失效和事故：失效与事故是紧密相关的两个范畴，事故强调的是后果，即造成的损失和危害，而失效强调的是管道本身的功能状态。失效和事故常常有一定的因果关系，但两者没有必然的联系。失效有三种情况：一是完全不能工作（完全丧失功能）；二是虽仍能工作，但不能完成规定的功能（功能衰退）三是能工作和完成规定功能，但不能确保安全，应更换维修。损伤与失效不同之处在于损伤是一个发生过程，失效是损伤积累到一定程度，压力管道强度、刚度或功能不能满足使用要求的状态，因此出现损伤不一定失效，而发生失效前一定存在损伤。对于损伤模式的识别，有助于对在用管道的检测和评估，利于在管道发生失效前及时进行修复或报废处理。压力管道存在损伤或发生失效，其有自身的特点：相对压力容器，首先，管道的直径和壁厚都要小得多，焊缝一般是环向的对接焊缝，内壁未焊透的缺陷普遍存在，缺陷一般是环向的。其次，管道导致断裂失效的载荷主要是由于管系膨胀、管系及阀件自重、强制安装等引起管道承受的弯曲载荷。内压引起的薄膜应力往往并不是主要载荷。压力管道发生故障导致失效或事故，实质是管道应力和管道材料性能的关系，当管道某处所受应力高于材料所能承受的极限，在该处存在材料损伤发生故障，进而管道发生损伤破坏。因此，对压力管道的失效分析可以从材料性能和管道所受应力两方面考虑：材料性能结合工作环境分析，例如，高温下考虑材料蠕变；材料在腐蚀环境下性能恶化等管道应力内压引起的应力、管道附件、管系膨胀、管系及阀件自重、强制安装等引起管道承受的弯曲载荷;结构不连续引起的应力集中，比如焊接裂纹振动疲劳载荷……压力管道损伤模式、失效分析的目的及意义寻找失效原因，避免事故重演消除安全隐患，保障管道运行提高设备性能，延长管道寿命制定合理工艺，规范设备操作识别损伤机理，提高检验效率2压力管道常见失效2.1压力管道失效分类压力管道常常按照损伤发生的原因、产生的后果、失效时宏观变形量和失效时材料的微观断裂机制进行分类：按发生失效产生的后果或现象可分为：泄漏、爆炸、失稳。按故障发生原因大体可分为:过度变形、低应力脆断、腐蚀破坏、疲劳破坏、蠕变破坏等。按发生故障后管道失效时宏观变形量的大小可分为：韧性破坏(延性破坏)和脆性破坏两大类。按发生故障后管道失效时材料的微观(显微)断裂机制可分为：韧窝断裂、解理断裂、沿晶脆性断裂和疲劳断裂等。习惯上往往采用混合分类方法，即以宏观分类法为主，再结合一些断裂特征可分为:韧性破坏、脆性破坏、腐蚀破坏、疚劳破坏、蠕变破坏，其他型式破坏。2.2压力管道失效原因压力管道的主要失效原因包括：运行操作：违反操作规程、介质超标；运行管理：缺少现代安全管理体系、职工综合素质一般；检测维修：严重损伤未能被检测发现或缺少科学评价、不合理的维修工艺（尤其是停工状态的维修）；设计制造：设计缺陷、选材不当、用材错误、存在超标焊接或冶金缺陷、焊接或组装残余应力过大；外来损伤：外来机械损伤、地震、洪水、雷击、大风等。2.3压力管道常见失效类型2.3.1腐蚀通过对压力管道失效原因分析，可知腐蚀是影响压力管道系统可靠性、使用寿命及造成管道失效的主要因素之一。金属材料表面由于受到周围介质的作用而发生状态变化，从而使金属材料遭受破坏的现象称为腐蚀。金属腐蚀的本质是金属原子失去电子被氧化。腐蚀会使管道整体或局部壁厚减薄，承载能力下降、造成破裂。腐蚀也会造成危害性极大的裂纹，造成管道的裂穿泄漏、严重时会造成突然破裂或爆炸。腐蚀的分类方法按腐蚀发生的环境和条件可分为大气腐蚀，工业水腐蚀，土壤腐蚀，酸碱盐腐蚀，海水腐蚀，高温腐蚀，应力腐蚀等等。按作用的性质（机理）分为化学腐蚀和电化学腐蚀；化学腐蚀：是金属表面与环境介质发生化学作用而产生的损坏，它的特点是腐蚀在金属的表面上，腐蚀过程中有电子得失但没有电流的产生。常见的化学腐蚀有：金属氧化、高温硫化、脱碳、氢腐蚀等。电化学腐蚀是金属与电解质溶液间产生电化学作用所发生的腐蚀，它的特点是在腐蚀过程中有电流产生。像压力管道的应力腐蚀、晶间腐蚀均等属于电化学腐蚀。按腐蚀的形态分为全面腐蚀和局部腐蚀、应力腐蚀等。2.3.1.1点蚀点蚀发生在金属表面较为局部的区域内，造成洞穴或坑点并向内部扩展，甚至造成穿孔。若坑口直径小于点穴深度时，称为点蚀；若坑口直径大于坑的深度时，又称为坑蚀。实际上，点蚀和坑蚀没有严格的界限。图4.4.1所示为典型的点腐蚀坑的各种剖面形状。点蚀通常发生在表面有钝化膜或有保护膜的金属材料上。由于金属表面存在缺陷，当与能破坏钝化膜的活性离子（如氯离子）作用时，钝化膜被局部破坏，微小的破口处金属（阳极）与破口周围的膜（阴极）形成原电池的两极，从而产生电化学腐蚀，形成蚀孔，蚀孔形成后，孔内的氧被很快耗尽，因此只有阳极反应进行，孔内积累了带正电荷的金属离子，而氯等活性离子不断向孔内扩散，形成金属氯化物。金属氯化物水解成盐酸，盐酸使更多的金属溶解，促进阳极反应，而孔周围的保护膜却受到阴极保护。这样孔向深度方向发展，形成小而深的孔洞，直至将管道壁厚穿透，物料流出。奥氏体不锈钢管道在输送含氯离子或溴离子的介质时最容易产生点蚀。碳钢管道也可能发生点蚀，如蒸汽系统和热水系统遭受溶解氧的侵蚀，温度在80～250℃最为严重。2.3.1.2晶间腐蚀晶间腐蚀是腐蚀局限在晶界和晶界附近，而晶粒本身腐蚀比较小的一种腐蚀形态。最易产生晶间腐蚀的是铬镍奥氏体不锈钢。关于铬镍奥氏体不锈钢晶间腐蚀的原因，已被公认的是贫铬理论。奥氏体不锈钢中碳与Cr及Fe能生成复杂的碳化物（Cr、Fe）23C6，在高温下固溶于奥氏体中。若将钢由高温缓慢冷却或在敏化温度范围（450~850℃）内保温时，奥氏体中过饱和的碳将和Fe、C，化合成（Cr、Fe）23C6，沿晶界沉淀析出。由于铬的扩散速度比较慢，这样生成（Cr、Fe）23C6所需要的Cr必然要从晶界附近摄取，从而造成晶界附近区域铬含量降低，即所谓贫铬。如果铬含量降到12％（钝化所需极限）以下，则贫铬区处于活化状态，它和晶粒之间构成原电池。晶界区是阳极，面积小；晶粒是阴极，面积大，从而造成晶界附近贫铬区的严重腐蚀。常见的奥氏体不锈钢的晶间腐蚀主要发生在焊接区，特别是母材的焊接热影响区；减小奥氏体不锈钢材料晶间腐蚀倾向的方法：固溶化处理或添加钛和铌的不锈钢还可用稳定化热处理；焊接时减小热输入量；采用含碳量很低的母材、焊条焊丝；2.3.1.3应力腐蚀应力腐蚀是金属材料在腐蚀介质和应力（主要是拉应力）共同作用下产生的一种腐蚀破坏形式。应力腐蚀是金属材料、腐蚀介质和应力三个因素相互关联的。应力腐蚀的表现形态主要是形成不断扩展的裂纹，这是一种在应力作用下的局部腐蚀。此应力可以是外加应力，也可以是金属内部的残余应力。应力腐蚀破裂通常有一个或长或短的孕育期。防止应力腐蚀开裂的措施有以下几方面：其一是降低应力水平，避免或减少局部应力集中，消除加工残余应力和焊接残余应力。其二是控制敏感环境，例如加入缓蚀剂，升高介质的pH值，采用电化学保护等措施。其三是正确选用材质，力求避免易产生应力腐蚀开裂的材料-环境组合。2.3.1.4氢损伤由于化学或电化学反应（包括腐蚀反应）所产生的原子态氢扩散到金属内部引起的各种破坏，包括氢鼓包、氢脆、脱碳和氢腐蚀（高温氢损伤）四种形态。对于高强度钢而言，氢鼓包的表现为裂纹；相反对于低强度钢而言，氢鼓包为鼓包。氢鼓包是由于原子态氢进入到金属的空隙、夹层处，并在其中复合成分子氢，由于氢分子不能扩散，就会在空隙、夹层处积累而形成巨大的内压，使金属鼓包，甚至破裂。氢鼓包主要发生在含湿硫化氢的介质中。氢脆是指氢扩散到金属内部，使金属材料发生脆化的现象。氢脆具有可逆性，材料未脆断前，在100至150℃间适当进行热处理，保温24小时可以消除脆性。氢脆与应力腐蚀不同，无需应力腐蚀环境，而且在常温下更容易发生氢脆。脱碳：钢中的渗碳体在高温下与氢气作用生成甲烷：Fe3C+2H2→3Fe+CH4↑反应结果导致表面层的渗碳体减少，而碳便从邻近的尚未反应的金属层逐渐扩散到这一反应区，于是有一定厚度的金属层因缺碳而变为铁素体。脱碳的结果造成钢的表面强度和疲劳极限的降低。氢腐蚀：碳钢和合金钢在高温（260℃）临氢环境中，因钢中的碳与氢反应生成甲烷气体，材质发生脱碳的过程，并可形成鼓泡或开裂。氢腐蚀是一种化学腐蚀，没有电化学过程。2.3.2冲刷冲刷是管道内的介质对管壁的长期冲刷，造成了管壁壁厚的减薄。冲刷是机械磨损的一种。冲刷一般伴随着冲刷腐蚀。介质流向突然发生改变，对金属及金属表面的钝化膜或腐蚀产物层产生机械冲刷破坏作用，同时又对不断露出的金属新鲜表面发生激烈的化学或电化学腐蚀，从而造成比其他部位更为严重的腐蚀损伤，故腐蚀速度较快。2.3.3裂纹裂纹是金属材料在应力或环境（或两者同时）作用下产生的裂隙。裂纹是压力管道最危险的一种故障，是导致脆性破坏的主要原因。裂纹的扩展很快，如不及时采取措施就会发生爆管。裂纹主要来源于下列两种情况:一是管材制造和管道安装过程中产生的裂纹；二是系统使用过程中产生或扩展的裂纹。前者是管材扎制裂纹、焊接裂纹和应力裂纹，后者是疲劳裂纹和腐蚀裂纹。要根据裂纹的分类采取相应的预防措施。2.3.4鼓包管道金属材料在管内压力作用下，首先产生弹性变形，当管内压力引起的应力超过材料的弹性极限（屈服点）时，除继续产生弹性变形外，同时还产生塑性变形，这种变形表现为鼓包。管道金属壁温超过其强度允许的温度时，金属强度就会下降，这时工作压力超过金属的屈服极限时，就有可能发生塑性变形，在宏观检查表现为鼓包现象。在高温环境下，只要温度达到一定的程度，管道金属材料即使受到的拉应力低于该温度下的屈服强度，也会随时间的延长而发生缓慢持续的伸长，这就是金属材料的蠕变现象。金属材料发生蠕变破坏时具有明显的塑性变形，变形量的大小视材料的塑性而定。以上是鼓包产生的三种原因，压力管道一旦发生鼓包现象，必须停止使用！2.3.5变形压力管道由于不合理或错误的设计、安装，热应力导致管道在某些位置产生很大反力和反力矩、管系振动导致管道超出允许振动控制范围，致使管道系统发生结构（或其一部分）形状改变的现象。严重