典型压力管道失效模式介绍

1、 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，对于用渗透检测和磁粉检测 效果较好，对进行磁粉检测或渗透检测， 但效果有限。对于裂纹性质的可采用超声 波检验。对于一类空间型缺陷， 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。 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 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

2、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。 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

3、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。 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

4、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，

5、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。 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。 二、城市热力管道

6、 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。 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

7、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。 疲劳破坏疲劳破坏：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

8、作用下将引起管道的疲劳破坏。 断裂、泄露、失断裂、泄露、失稳稳：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。 失稳及振动：失稳及振动：热

9、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。 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蒸汽腐蚀，反应 式为 3Fe+4H20Fe304+8H，由于蒸汽在管壁粗糙 部位流动受阻

10、，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。 埋地管道电化学腐蚀及土壤腐蚀 埋地热力埋地热力管道管道特点：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

11、 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。 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。 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

12、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。 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，线路线路情况十 分复杂复杂； （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，导致管线管线表现出多样多样性； （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中低压输送输送； （5）城市地下燃气管道主要的腐蚀破坏来自于土壤土壤的 腐蚀作用； （6

13、）城市地下燃气管道表面的覆盖层性质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护层防腐。 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。 导致导致管道泄漏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。 导致导致管道破裂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。 导致泄漏事故隐患因素： 主观因素：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：

14、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。 （2）腐

15、蚀造成的泄漏腐蚀造成的泄漏 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 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

16、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。 （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套管一保证管道的安全。 2）活动水平 管道埋设地区周围的

17、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。 四、化工及石化装置管道 化工及石化管道特点化工及石化管道特点 工作条件各种各样： 工作压力范围广； 工作温度范围大； 介质有毒、易燃、易爆； 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。 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

18、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。 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

19、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。 对对碳钢和低合金钢碳钢和低合金钢引发全面腐蚀和局部腐蚀； 对对铁素体或马氏体不锈钢铁素体或马氏体不锈钢主要是局部腐蚀（坑蚀）； 对对奥氏体不锈钢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

20、蚀。 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。 高温高温 H2/H2S 腐蚀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 59%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

21、耐腐蚀能力。 石化奥氏体材料管道的失效 连多连多硫酸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。 氯氯离子的腐蚀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

22、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，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。 石化碳钢与低合金钢材料管道的失效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 氢应力腐蚀开裂、胺腐蚀等。 在湿的硫化氢环境中，氢致破坏是因为产生原子氢而引起的。 原子氢是腐蚀反应的副产物，原子氢会扩散进入钢中，在夹 层或夹杂物处氢原子会重新组合形成分子氢，内部的氢压力 会大得足以使材料扭曲变形或者在表面形成凸起，在内部层 状分布夹渣物开裂，受残余拉应力引导走向的层状开裂。高 浓度的原子氢会直接造成钢的氢脆或者氢致开裂，特别是高 强度钢或高硬度钢。 氢氰酸是承压设备发生氢鼓泡和氢致开裂的一个重要因素， 特别是在流化催化裂化装置的油汽回收工段和延迟焦化装置 中。氢氰酸是在含氮进料中生成的