壓力管道的破壞形式和預(yù)防措施

姜德林，王志杰，孫 霞

（1．齊齊哈爾市特種設(shè)備檢驗研究所，黑龍江 齊齊哈爾161005；2．齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司基建設(shè)備部，黑龍江 齊齊哈爾161005）

壓力管道的破壞形式和預(yù)防措施

姜德林1，王志杰2，孫 霞

（1．齊齊哈爾市特種設(shè)備檢驗研究所，黑龍江 齊齊哈爾161005；2．齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司基建設(shè)備部，黑龍江 齊齊哈爾161005）

主要介紹了壓力管道的幾種破壞形式和預(yù)防措施。

壓力管道；破壞；預(yù)防

壓力管道是一種特種設(shè)備。在壓力管道中，其輸送的介質(zhì)往往具有易燃、易爆、有毒、高溫、高壓、深度冷凍、強腐蝕性等特點，一旦由于管道材料有缺陷、結(jié)構(gòu)強度或致密性存在問題而發(fā)生泄漏和斷裂，則會引起火災(zāi)、爆炸、中毒以及其他事故，后果嚴(yán)重。為保證壓力管道的安全運行，防止事故發(fā)生，我們必須首先知道壓力管道的破壞形式及相應(yīng)的破壞機理。

1 壓力管道的破壞形式

壓力管道的破壞形式歸納起來，主要有以下5種：脆性破壞、疲勞破壞、腐蝕破壞、蠕變破壞、沖刷磨損破壞。

1．1 脆性破壞

管道在破裂時沒有顯著的塑性變形，破裂時管壁的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的強度極限，有時甚至還低于材料的屈服極限，這種破壞與脆性材料的破裂很相似，故稱為脆性破壞。脆性破壞是在低應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的破壞，與低溫有直接的關(guān)系。破壞往往在一瞬間發(fā)生，沒有或只有很小的塑性變形，斷口一般都裂成碎片。該破壞主要是由于管道存在缺陷和材料韌性不足所致。通常在低溫下鋼的沖擊韌性顯著降低，對缺口的敏感性增大，這時管道若存在焊接缺陷或者是裂紋以及熱處理不當(dāng)?shù)惹闆r，在這些缺陷部位就很容易產(chǎn)生管道脆性破壞。因此在制造中，就應(yīng)該對低溫壓力管道提出比較高的要求，在選材上應(yīng)該選擇韌性較好的材料，提高焊接質(zhì)量，盡量避免焊接缺陷和應(yīng)力集中部位的產(chǎn)生。

1．2 疲勞破壞

壓力管道在反復(fù)加壓和卸壓過程中受到交變載荷的長期作用，沒有經(jīng)過明顯的塑性變形而導(dǎo)致壓力管道斷裂，這種破壞形式稱作疲勞破壞。由于管道的疲勞破壞是在局部應(yīng)力較高的部位或材料缺陷處開始產(chǎn)生微裂紋，然后在交變應(yīng)力作用下，微裂紋逐漸擴(kuò)展為疲勞裂紋，最終突然斷裂。在這個過程中管壁的總體應(yīng)力水平較低，管壁整體截面上處于彈性范圍內(nèi)，所以疲勞破壞時管道不會有明顯的變形。疲勞破壞與脆性破壞的斷口形貌不同，疲勞斷口存在兩個明顯的區(qū)域：一個是疲勞裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展區(qū)，另一個是最終斷裂區(qū)。大多數(shù)壓力管道的應(yīng)力變化周期較長，裂紋擴(kuò)展較為緩慢，所以有時仍能見到裂紋擴(kuò)展的弧形紋路。如果斷口上的疲勞線比較清晰，還可以根據(jù)它找到疲勞裂紋的策源點。這個策源點和斷口其他地方的形貌不同，策源點往往產(chǎn)生在應(yīng)力集中的地方。

壓力管道產(chǎn)生疲勞破壞的主要原因是：一方面由于大型往復(fù)式空壓機、汽輪機、泵等，因機械本身的構(gòu)造、損傷、、安裝不平衡，當(dāng)其開啟、停止時，其機械傳動不平衡往往傳遞給管道系統(tǒng)，使之產(chǎn)生疲勞裂紋及斷裂；另一方面管路的熱膨脹和熱收縮引起管路振動，也會造成管道的疲勞破壞。

為防止疲勞破壞，通常在運行中應(yīng)盡量避免頻繁加載、過大的壓力波動和溫度變化；設(shè)計時應(yīng)注意管道的局部峰值壓力的控制。

1．3 腐蝕破壞

腐蝕破壞是指壓力管道材料在腐蝕性介質(zhì)作用下，引起管道壁由厚變薄或材料組織結(jié)構(gòu)改變，機械性能降低，使壓力管道承載能力不夠而發(fā)生的破壞。主要包括：均勻腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、氫腐蝕和磨損腐蝕等形式。

（1）均勻腐蝕是管道整個暴露表面上或者是大部分面積上產(chǎn)生程度基本相同的化學(xué)或電化學(xué)腐蝕，是最常見的腐蝕形式，一般采用測厚或目測即可。

（2）點蝕是管道內(nèi)表面集中在個別小點上深度較大的腐蝕，很容易產(chǎn)生在焊縫熱影響區(qū)，是最具破壞性和隱藏性的腐蝕性之一，一般只能通過超聲波或者是射線檢測才能發(fā)現(xiàn)。

（3）縫隙腐蝕是由于縫隙溶液的阻礙和滲透形成濃差電池而產(chǎn)生的一種強烈腐蝕，管道縫隙腐蝕主要產(chǎn)生在焊縫的不連續(xù)處 （根部凹坑）或焊接缺陷（未融合或未焊透部位）。

（4）晶間腐蝕發(fā)生在晶界或晶界附近，而晶粒本身的腐蝕是較小的一種腐蝕形態(tài)，這種腐蝕造成晶粒脫落，使材料的機械強度和延伸率顯著下降，但仍保持原有的金屬光澤而不易被發(fā)現(xiàn)，故危害較大。奧氏體不銹鋼經(jīng)常發(fā)生晶間腐蝕。該缺陷不易通過測厚檢測和外觀檢查發(fā)現(xiàn)，而必須采用滲透或超聲波檢測以及抽樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗和金相試驗來發(fā)現(xiàn)。

（5）應(yīng)力腐蝕裂紋和斷裂是壓力管道在拉壓力和特定的腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的破壞。這是一種極危險的腐蝕形態(tài)，往往在沒有先兆的情況下發(fā)生局部腐蝕，裂紋一旦出現(xiàn)，它的擴(kuò)展速度比其他局部腐蝕速度快得多。這種腐蝕主要發(fā)生在蒸汽管線、旁路管線及含有氯化物介質(zhì)的奧氏體不銹鋼焊縫及熱影響區(qū)。

（6）氫腐蝕是由于氫滲進(jìn)金屬內(nèi)部而造成金屬性能惡化的現(xiàn)象。氫腐蝕通常產(chǎn)生于低合金鋼和高強度不銹鋼管道中。引起氫腐蝕的原因除了材料本身的性能特點外，氫環(huán)境是最主要的外界影響因素，尤其是在高溫高壓的條件下更加明顯。

（7）磨損腐蝕是由于腐蝕介質(zhì)與金屬之間的相對運動，而使腐蝕過程加速的現(xiàn)象。腐蝕流體既對金屬表面的氧化物產(chǎn)生機械沖刷破壞，又與不斷露出的金屬新鮮表面發(fā)生劇烈的化學(xué)或電化學(xué)腐蝕，故腐蝕速度較快。

預(yù)防腐蝕破壞的方法：一是根據(jù)介質(zhì)選用合適厚度的抗腐蝕材料的壓力管道；二是對奧氏體不銹鋼管道應(yīng)嚴(yán)格控制氯離子含量，并避免在不銹鋼敏感溫度下使用，防止破壞不銹鋼表面的鈍化膜和防止晶間腐蝕的產(chǎn)生；三是選用內(nèi)表面涂防腐層的管道。

1．4 蠕變破壞

在一定的溫度和載荷作用下，壓力管道隨時間而伸長和破壞的現(xiàn)象稱為蠕變破壞。蠕變破壞是高溫及拉應(yīng)力長期作用的結(jié)果，因而通常有明顯的塑性變形，其變形量的大小取決于材料的塑性，同時金相組織發(fā)生明顯的變化。 預(yù)防壓力管道發(fā)生蠕變破壞應(yīng)在設(shè)計、制造和使用中加以控制，如根據(jù)壓力管道的使用溫度選用抗蠕變性能合適的材料，在制造中要防止焊接和冷加工時降低材料的抗蠕變性能，在管道的運行中要防止超溫現(xiàn)象。

1．5 沖刷磨損破壞沖刷

沖刷磨損是管道內(nèi)的介質(zhì)對管壁的長期沖刷，造成了管壁壁厚的減薄，當(dāng)管壁的厚度不能滿足強度要求時，就會在管道沖刷部位產(chǎn)生沖刷磨損破壞。該破壞是一種塑性破壞，破壞時具有較大的塑性變形，斷口呈撕裂狀態(tài)且不平齊，一般不產(chǎn)生碎片或有少量碎塊。防止該破壞的措施是及時檢測發(fā)現(xiàn)壁厚已過分減薄而不能保證安全的管道，且在使用中盡量防止超壓運行。

2 結(jié)語

為了保證壓力管道的安全運行，最重要的是防止它在使用過程中發(fā)生破壞。因此，應(yīng)該了解、掌握各種破壞形式的機理、產(chǎn)生原因、主要特征，以便有效防止壓力管道爆炸事故的發(fā)生。

［1］ 張俊峰．化工行業(yè)壓力管道的破壞和無損檢測［J］．湖北化工，2000，（3）：45-46．

［2］ 王志杰，姜德林．壓力容器安全技術(shù)［M］．哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2009.

Failure Mode and Preventive Action of Pressure Pipeline

JIANG De-lin，WANG Zhi-jie，SUN Xia
（Tsitsihar Special equipment inspection institute，Tsitsihar 161005，China）

TQ 015.3

B

1671-9905（2011）05-0053-02

姜德林（1966-），男，高級工程師，齊齊哈爾市特種設(shè)備檢驗研究所副所長

2011-03-03