电站和化工厂压力容器与管道的失效模式及防御措施

电站和化工厂压力容器与管道的失效模式及防御措施1引言核电站和化工厂等都有大量的压力容器和管道元件。由于不同压力容器和管道元件的材料、设计准则、工作环境与介质等的不同，因此压力容器和管道的失效模式及失效机理也多种多样。压力容器和管道的失效大都可以辨识其特定的失效机理与失效原因。然而，由于失效原因多种多样，若想根据运行经验估算压力容器和管道的失效概率是十分困难的。事实上，如果用传统的方法对压力容器和管道的失效概率进行预测，仅凭在较大范围内收集的失效数据进行失效原因(概率)估计，很可能导致错误的结果[1]。以管道为例，在管道的服役时间、传输介质、地理环境、管道材料、制造工艺、甚至管道尺寸方面的差异都可能导致失效概率的明显改变。对于具体的工程实际问题，有关失效原因、失效机理、影响因素等方面的详细分析都有助于正确解释失效数据，也有助于制订防止失效的有效措施。本文综述了压力容器和管道的各种失效原因及相应的防御措施。2影响压力容器和管道性能的因素在叙述压力容器和管道的各种失效模式之前，先概括一下在进行失效分析时须区分的诸因素。(1)管道尺寸影响大直径管道失效的因素与影响小直径管道失效的因素有明显的不同。(2)管道的几何特征、焊缝、法兰、弯管、台肩以及直管段的数量大部分管道失效发生于焊缝而不是基体材料，发生于弯管段而不是直管段。(3)内部和外部运行环境及载荷因素如压力、温度、流速、振动、介质等和操作载荷因素，例如循环性的瞬态现象、低负荷2满负荷转换等。(4)材料因素不同材料由于具有不同抵抗外力、环境、介质的能力，遂可能造成不同的失效机理。(5)失效模式和泄漏尺寸初期失效、性能退化失效、完全失效，产生裂纹、泄漏(包括具体泄漏尺寸)或断裂。(6)失效机理如腐蚀失效、疲劳失效、脆化失效等。(7)主要影响因素如设计、操作、程序和环境等。3压力容器和管道的失效原因及防御措施根据英国健康与安全机构的一份关于化工企业管道失效的综合评估资料[2]，操作错误是导致管道失效的最直接原因(占全部已知失效原因的3019%)。压力过高和腐蚀是另外两个重要的导致管道失效的直接原因(分别占全部已知失效原因的2015%和15.6%)。还有两个与人有关的因素是人为的破坏(占全部已知失效原因的5.6%)和对设备的不正确的安装(占全部已知失效原因的4.5%)。根据文献[3]的研究，化工厂中最主要的失效原因是机械失效，这类失效往往是由于维修的问题。第二大失效原因是操作错误。在较严重的失效事例中大都是管道系统的失效，其次是贮罐和反应堆。就管道失效的潜在原因而言，维护和设计是两大主要原因(分别占38.7%和26.7%)。研究结果表明，约有90%的失效事件是可通过管理措施加以控制和预防的。根据文献的研究结果[4～6]，本文将常见的失效模式及相应的防御措施综述如下。3.1腐蚀、磨蚀与应力腐蚀开裂腐蚀(或与应力共同作用)导致的失效是化工厂及核电站的管道和容器的主要失效模式。腐蚀是材料在环境作用下的性能退化现象。任何材料的性能都会随时间而退化，然而通过材料选择、结构设计及环境控制可有效地延缓材料性能退化过程。一般来说，以下措施有助于预防各类腐蚀失效[8]。(1)避免选用氢脆敏感材料。(2)消除结构上的应力集中源以减少应力腐蚀开裂的可能性。(3)选用对应力腐蚀开裂不敏感的材料(例如性能稳定的奥氏体钢)。(4)降低管道传输介质对容器内壁(尤其是转弯部位)的冲击速度，以减少冲蚀的可能性。(5)对热容器支架采取绝缘措施以防止焊接处的热偶腐蚀。(6)在电位序列中相距较远的两种金属材料配用的情况下，可采用以下步骤:①在两种材料中间加入绝缘层；②在每种金属部件上配置由导线联接的螺栓法兰等作为腐蚀阳极；③使用较大的便宜的阳极金属件以降低腐蚀速度。(7)所有电器设备都正确接地以防止来自杂散电流的电偶腐蚀。(8)尽可能消除腐蚀物聚集的缝隙。(9)排净容器中的腐蚀性物质以避免容器中腐蚀物的堆积。(10)阻断管道与其它设备的电传导。3.1.1在化工厂工作环境下的防御措施对于化工厂，由于工作环境是由工艺需要决定的，一般来说其工作环境是无法改变的，但仍然有一些减轻腐蚀的措施，如:(1)消除诸如卤素、氟化氢、氯化氢和氨气等气体中不必要的湿气。(2)保持气体温度在其露点以上。(3)在原料进入处理设备之前调整其pH值。3.1.2对冲蚀的防御目前，对冲蚀现象已有大量的研究，根据实践经验，冲蚀引起的管道失效大都集中于弯管附近(在蒸汽冲蚀或两相冲蚀的情况下)、流量控制阀后面的微流管道或弯管处(在单相冲蚀2腐蚀情况下)，综合这些研究结果，有以下防御措施:(1)使用不易受冲蚀影响的材料(例如奥氏体不锈钢)。(2)把蒸汽湿度降到3%以下。(3)进行化学处理，如化学镀、热浸镀等。(4)限制流体速度(由实践经验知道，当流速大于一定值时，无论是酸性流体还是碱性流体都能引起钢管甚至不锈钢管的腐蚀和冲蚀)。(5)调节溶液的腐蚀性(如pH值、溶氧含量等)会有显著效果。抑制剂或钝化剂也能控制冲蚀-腐蚀。选用厚壁管或把易损部件设计得易于更换有时是最经济的措施。在不能改变设计或工矿过程的情况下，选用抗腐蚀性能较好的材料通常能改进表面薄膜的稳定性，从而减轻冲蚀作用。3.1.3对气蚀的防御在核电站，曾有气蚀发生于法兰与管道锥形过渡之间的焊接处，随着气蚀的发展，将产生噪音、振动和气蚀源附近的表面冲蚀等有害影响。气蚀的防御措施包括采用适当的材料与合理的零件形状；阴极保护有时是有益的，它不仅能降低腐蚀速率，而且有由氢产生的衬垫效应；消除溶解的气体也是有益的，因为溶解的气体容易形成气泡。3.1.4对应力腐蚀开裂的防御应力腐蚀开裂是在材料因素、应力和环境条件同时起作用时，在金属材料中出现的一种与时间相关的开裂现象。应力腐蚀开裂有沿晶断裂和穿晶断裂两种开裂形式。沿晶型应力腐蚀开裂通常在高应力和腐蚀环境下发生。一般来说，发生沿晶型应力腐蚀开裂的条件有①环境敏感性材料，例如材料中存在碳沉淀相；②充分的氧化环境(但也有例外)；③相当高的拉应力。穿晶型应力腐蚀开裂发生于有氯元素存在的环境下的奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢中的铜夹杂对穿晶型应力腐蚀开裂有抑制作用，而含磷和硼的硫化锰会加剧穿晶型应力腐蚀开裂。对应力腐蚀开裂的防御措施有：(1)优化钢材品质——低含量碳与尽可能好的稳定性。(2)采用防护层。(3)避免过高的拉应力，在焊接区形成有益的残余应力，在敏感区用喷丸方法产生压应力。(4)更改冷却剂，尽量消除对应力腐蚀开裂有加剧作用的环境。(5)控制氢、钠、铅、氯等对应力腐蚀开裂有诱导作用的元素。3.1.5对氢腐蚀损伤的防御在高温条件下，高压氢环境下的碳钢与低合金钢发生的腐蚀现象称为氢腐蚀的材料性能退化[7]。氢腐蚀本质上是一种脱碳反应，其影响因素包括温度、压强和应力，亦与材质有关，如材料中合金元素、杂质元素的含量，材料的热处理、冷加工工艺和晶粒尺寸等有关。与稳定的碳化物元素合金化可以增强对氢腐蚀的抗力。能减轻氢损伤的元素有铬、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钽、钍、锰和磷等。另一方面，碳、镍、铜、铝等元素会加剧氢腐蚀。过高的奥氏体化温度会增加氢腐蚀的敏感性，制作过程中冷作硬化也能增加氢腐蚀的敏感性。排除氢源、降低拉应力、通过合金化或热处理降低材料强度水平、或选用抗氢腐蚀能力更强的合金都可以消除氢致开裂。退火钢、镇静钢和细晶钢常用于避免氢气泡。惰性保护层也可用于保护材料。停止或减少使用阴极保护，包括去除或更换电镀层，也能阻止表面吸附氢。退火能增加溶解氢的活动性，并使其容易逃逸，退火还能释放残余拉应力。进行喷丸处理去除拉应力是很有效的措施。常用的办法还有使用抗腐蚀性能好的面心立方合金，镍合金是适用于这一用途的材料。3.2外部冲击外部冲击包括物理冲击和化学冲击。物理冲击通常是由于①挖掘施工，交通冲击等；②故意的人为损坏；③附近管道破损。化学冲击包括氢冲击和氢化。使用CrMo钢或使设计应力低于临界值是有效的防御措施[14]。3.3振动疲劳振动疲劳产生于流体的流动或泵、阀等机械设备的操作载荷。大多数管道振动疲劳问题发生于小直径(D100mm)的管道。防御措施包括避免应力集中、避免接触应力和焊接应力[10]、避免凹痕[15]等。3.4热疲劳热疲劳是温度载荷引起的疲劳开裂。工程上实际见到的案例是曾发生于压水反应堆的热贮备系统的给水管道和沸水反应堆的T型管道的冷热水混合处。防御措施，避免结构约束和应用适当的材料。3.5腐蚀疲劳开裂降低腐蚀速率的所有措施都能减轻腐蚀疲劳，方法包括使用抑制剂、阴极保护(在没有氢致裂纹的条件下)、减少氧化剂、或增加pH值。使用高强度材料或减轻应力也有助于防止腐蚀疲劳。然而，更有效的做法是采用对腐蚀疲劳抗力强的材料。腐蚀疲劳断裂可能在无预兆的情况下突然发生，因此，腐蚀疲劳导致的灾难性失效可能会引起爆炸、火灾和毒气泄漏等。在设计方面，减少腐蚀疲劳失效的措施有：(1)选择材料前在模拟环境下进行腐蚀实验。(2)选用对腐蚀疲劳抗力更好的材料，不使用高强度材料。(3)减轻或消除应力循环。(4)采用合理的结构(如采用对焊，不用角焊)。(5)必要时消除残余应力，但要避免脱碳。(6)通过喷丸产生残余应力，以此抵消引起腐蚀疲劳的拉应力。(7)采用金属保护层。电镀不会在材料中引入拉应力，是一种较好的方法。然而必须注意的是，开裂的金属镀层可能是疲劳裂纹的起始点。3.6过载产生过载的原因有①压力振荡；②过低的温度；③液体热膨胀。预防管道压力过高的措施有设置减压阀、避免液体结冻等[14]。3.7脆化脆化是黑色金属韧性退化的主要原因[7]。大量的零部件因脆化而退役。脆化的起因是345～540℃的温度环境。为了避免脆化，应尽量避开此温度环境下的回火、焊后热处理。在该温度范围之上进行热处理然后快速冷却可避免脆化问题。另外，防止不锈钢在焊接和其制造或维修过程中的锌污染[14]，避免中子辐射、使用抗热老化材料也是防止脆化的有效措施[4]。文献[7]综述了大量关于低合金Cr2Mo钢脆化的文献。关于回火脆化，研究表明：(1)最严重的等温脆化发生的温度范围是425～510℃。(2)发生脆化的条件范围很宽。有些材料在425～475℃温度范围经20000h达到脆化峰点，而另一些材料即使在510℃经20000h仍未达到脆化峰点。另外，在345℃的温度条件下也有脆化发生。(3)粗略地讲，脆化的危险性随锰、硅、磷、锡等元素含量的增加而增大。在有氢存在的情况下，氢原子能溶解于材料中并导致脆化。脆化表现为材料的拉伸韧性降低和断裂韧性降低。由于脆化涉及氢原子在裂纹尖端区域的扩散，这种现象对应变速率依赖性较强，不能在冲击试验中检测出来。对于反应堆容器而言，有两种产生氢脆的来源，一个是在H2S存在的条件下氢通过水腐蚀进入材料，另一个是运行过程中溶解到材料中的氢在低温条件下引起氢脆。在这两种情况下，氢脆都发生于低温的停机情况下，而不是发生在高温的运行情况下。4压力容器与管道失效的尺寸效应大直径管道的失效原因与小直径管道的失效原因有所不同，总体上，管道失效率随直径的增加有明显的降低。德国核电站的运行历史表明[4]，几乎所有断裂事故和大部分穿透裂纹都发生于小直径管道。腐蚀引起的基础材料的损伤基本上也只影响小直径管道。瑞典的研究报告[1]指出，核电站冷却系统和安全系统的失效事件都发生在公称直径小于100mm的管道上。尤其是振动引起的机械疲劳主要发生于公称直径小于25mm的管道上。Lees[14]对天然气传输管道失效事件的统计结果也表明，大直径管道的失效率明显低于小直径管道的失效率。