壓力管道典型的破壞失效模式及實(shí)例分析

＊郝 鵬

（寶雞市質(zhì)量技術(shù)檢驗檢測中心 陜西 721013）

1.壓力管道典型破壞失效模式

根據(jù)工作中對數(shù)十個石油化工等一些企業(yè)需要在進(jìn)行測量以及整體評估以后，本文總結(jié)出了對于壓力管帶破壞的基本5種類型，分別為脆性破壞、韌性破壞、疲勞破壞、腐蝕破壞以及蠕變破壞。

(1)脆性破壞

在壓力管道出現(xiàn)破壞的時候，會出現(xiàn)比較嚴(yán)重的塑性變形。尤其是在后期破裂時，其應(yīng)力會遠(yuǎn)小于自身的強(qiáng)度的極限，但是在此基礎(chǔ)上也會有偶爾出現(xiàn)屈服強(qiáng)度的極限，對于該種類型而言，主要是在低應(yīng)力情況下發(fā)生，因此人們又將其稱為低應(yīng)力破壞。這種破壞大部分和溫度低有關(guān)，管道外溫度一旦降低，破壞立刻形成。出現(xiàn)了各種裂口或者碎片[2]，對于該破壞而言，主要在于管道上存在各種缺陷或者管道材料本身韌性不足，一般情況下，在溫度很低時，會產(chǎn)生各種沖擊韌性，這個時候管道韌性會出現(xiàn)不斷降低的情況。一旦韌性降低，管道周邊敏感缺口也會不斷變大，這個時候管道一旦有存焊接或者裂紋等處理不好，該部分極容易出現(xiàn)變形或者裂口。因此在具體管道制造過程中，需要對于管道使用材料質(zhì)量提出更加嚴(yán)格要求。在此基礎(chǔ)上需要選擇比較好的材料，其主要目的就是提高焊接質(zhì)量，并且在此基礎(chǔ)上需要避免出現(xiàn)各種錯誤或者缺陷等，這樣可以排除不安全的隱患[3]。

(2)韌性破壞

對于韌性的破壞主要就是指在一般管道壓力作用下，對于當(dāng)時的管壁的應(yīng)力則是達(dá)到了材料強(qiáng)度的極限，而且這種極限在長久作用，發(fā)生了自我斷裂的形式。這種斷裂主要原因就是受到超壓的作用，在此基礎(chǔ)上，往往會發(fā)生很大的韌性破壞，尤其是在自身管道應(yīng)力方向，會存在一些塑性變形殘留的自身的應(yīng)力。主要表現(xiàn)在管道周長率為10%～20%，對于金屬管道材料制作而成的管道，一般表現(xiàn)為直徑會變得非常大，或者管道避會很薄。所以在此韌性的情況下，主要特征金屬材料具有比較明顯的自身形狀的改變。

(3)疲勞破壞

在一般情況下，在壓力管道加壓的情況下，會受到各種載荷長期性的作用，而且會出現(xiàn)比較明顯的塑性變形，這會進(jìn)一步導(dǎo)致壓力管道在自身的壓力情況下，一旦受到了變荷的長期作用會出現(xiàn)很明顯的塑性變形，這種會進(jìn)一步的導(dǎo)致管道的破裂，這種壓力的破壞主要形式為疲勞性的破壞，這是根據(jù)日常的經(jīng)驗所得，對于一般的管道性的破壞，主要發(fā)生在自身的局部，或者具有非常大的缺陷材料處[4]。這種破壞最開始的時候會出現(xiàn)在管道比較微弱斷裂處，但是這個斷裂處長度是管壁總長度1/3，對于管壁整體截面，一般都是在規(guī)定彈性范圍內(nèi)。這樣在后期的疲勞變形不會產(chǎn)生極大變化，對于疲勞破壞主要發(fā)生在管道比較脆弱地方，這個時候需要的則是疲勞的斷口，這個區(qū)域則很明顯，時間一長這個區(qū)域會不斷的增大，而且需要注意的是大部分壓力管道的應(yīng)力變化的周期都是非常的長。所以會出現(xiàn)比較明顯的裂痕，裂紋自身紋路也在不斷出現(xiàn)擴(kuò)展趨勢，這個疲勞強(qiáng)度會非常的清楚[5]，人們可以通過肉眼看到疲勞線源點(diǎn)，需要注意的是對于這個源點(diǎn)和其他斷口的地方的自身外貌是不一樣的，尤其是不同的源點(diǎn)會產(chǎn)生極大的應(yīng)力集中地方[6]。再就是對于管道自身熱膨脹過程中會引發(fā)自身的震動，這也是造成管道疲勞破壞的主要原因[7]。

(4)腐蝕破壞

一般腐蝕破壞，指壓力管道在材料腐蝕性介質(zhì)作用下，不斷的經(jīng)過日積月累管道壁厚度產(chǎn)生變化，同時材料結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變，需要注意的是其機(jī)械性能也會發(fā)生一定降低，壓力管道承載不能發(fā)生腐蝕性破壞。而對于腐蝕性破壞主要具有以下幾個特點(diǎn)，其中主要為均勻性腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕以及各種氫腐蝕、磨損腐蝕等[8]。

(5)蠕變破壞

一般在高溫環(huán)境下，壓力管道會受到持續(xù)壓力，該應(yīng)力應(yīng)該低于該溫度下的材料屈服力。同時在此基礎(chǔ)上會隨著時間的延長而不斷延長。為預(yù)防管道蠕變破壞，一般選擇抗蠕變性能好的材料，同時避免管道運(yùn)行過程中出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

2.壓力管道失效的原因

壓力管道“失效”一般主要是指壓力管道不能有效運(yùn)行的現(xiàn)象，可以自動分為自然失效和異常失效。其中壓力管道在運(yùn)行介質(zhì)內(nèi)部和周圍環(huán)境影響下，不可避免產(chǎn)生壓力循異?；蛘咭驗闇囟葘?dǎo)致材料出現(xiàn)各種變形，進(jìn)一步影響了材料性能或者密封性等問題。日常工作中任何管道具有一定使用壽命，自然失效就是在壓力管道使用過程中壽命達(dá)到一定時間后，自然發(fā)生失效現(xiàn)象。對于自然失效可以通過定期檢測以及故障分析等進(jìn)行事先控制，防止事故發(fā)生，但是由于壓力管道在設(shè)計、制造、安裝等運(yùn)行中會出現(xiàn)各種問題，因此經(jīng)常會導(dǎo)致管道出現(xiàn)各種失效、造成突發(fā)性事故發(fā)生。主要原因有以下幾個方面。

首先，就是在具體操作過程中會出現(xiàn)一些違規(guī)行為，導(dǎo)致運(yùn)行條件不斷出現(xiàn)惡化，在此過程中比較容易出現(xiàn)超壓、超溫、壓力異常等情況。焊接法蘭、閥門等一些部件異?；蛘邞?yīng)力不連續(xù)情況下，管道局部應(yīng)力和峰值都會隨著時間推移不斷增加，導(dǎo)致管道失效。其次，就是溫度過低也會引起材料韌性下降，這個時候需要允許臨界尺寸不斷減少，這樣長期以往就會導(dǎo)致脆弱性遭到破壞，超低溫度也是管道滲透的主要源頭。最后，在具體管道設(shè)計過程中，對于壓力和溫度是管道設(shè)計主要依據(jù)，一旦管道在實(shí)際運(yùn)行過程中操作壓力和溫度一旦超過規(guī)定管道壓力，這個時候管道自身性能會出現(xiàn)急劇的下滑，管道往往由于下列原因而產(chǎn)生交變載荷：

（1）在輸送過程中管道內(nèi)介質(zhì)對管道持續(xù)的增加壓力，不斷出現(xiàn)升溫以及降溫。

（2）在實(shí)際運(yùn)行中自身的壓力波動非常大。

（3）在一般運(yùn)行的過程中，溫度一旦發(fā)生了自身周期性變化，管道內(nèi)壁也會出現(xiàn)反復(fù)的情況。

（4）因為其他的設(shè)備、支撐的交變和受迫震動。一般情況下在反復(fù)交載荷的作用下，這個時候自身的管道內(nèi)部會發(fā)生疲勞破壞，比較典型的就是技能樹疲勞，該疲勞特點(diǎn)在于應(yīng)力較大而實(shí)際頻率非常低。尤其是在自身的幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)地方出現(xiàn)了焊接，最有可能達(dá)到材料和超材料自身限制，一般而言，主要在于應(yīng)力和自身交變加載的情況下，在此基礎(chǔ)上最大的晶體粒子會產(chǎn)生極大的變形，在應(yīng)力會隨著自身周期的變化，裂紋也會不斷的擴(kuò)展開來，最終導(dǎo)致自身的破壞。

3.管道失效破壞實(shí)例分析

(1)管道制造環(huán)節(jié)質(zhì)量引發(fā)失效破壞

某廠一根輸送丙烯碳鋼管，2017年投入使用，具體管道尺寸為φ60×4mm，工作溫度為40℃，工作壓力為2.1MPa。2019年，焊接口出現(xiàn)了很多破裂的介質(zhì)造成泄漏。發(fā)現(xiàn)裂紋大約有12mm，自身的焊接縫到影響區(qū)域附近材料的紋路等可以肉眼看到，而且在此基礎(chǔ)上對于外表的裂紋出現(xiàn)了比值分叉等情況，而且在此基礎(chǔ)上對于裂紋周圍呈現(xiàn)出了奧氏體的組織，局部出現(xiàn)了各種熱的現(xiàn)象。自身裂紋的中部以及外部兩側(cè)具有比較明顯的脫碳的特征，而且一旦內(nèi)部出現(xiàn)了脫碳特征，說明管道在服役期間溫度過高。一般情況下，日常工作溫度在40℃時，在具體焊接過程中，也是不可能導(dǎo)致這種情況發(fā)生。通過上述分析，可以判定該脫碳是由于材料在生產(chǎn)過程中溫度過高導(dǎo)致的，進(jìn)一步的機(jī)械加工過程中可能使零部件的表面產(chǎn)生裂紋缺陷。

(2)管道現(xiàn)場施工質(zhì)量引發(fā)失效破壞

某一長輸氯氣管道，具體尺寸為φ3258mm，介質(zhì)溫度小于80℃，工作壓力為0.2MPa，大約使用了10年后，整個環(huán)焊縫斷口裂縫具體形貌如圖1所示。

圖1 環(huán)縫斷口形貌

對該斷口進(jìn)行分析，焊縫表面沒有任何裂紋，焊縫內(nèi)表面坡口較為完整，斷口表面較為平整，且該焊縫需要進(jìn)行全位置焊，焊接區(qū)域較大，但間隙非常小。尤其是在環(huán)焊縫隙下方焊接位置，熔深僅為2mm，長度達(dá)1/3圓周，焊縫金屬未完全貫穿整個焊縫厚度，實(shí)際的未焊透現(xiàn)象非常嚴(yán)重。對整個管道進(jìn)行應(yīng)力分析，該裂縫處的彎矩為：M=27.33×106N·mm。

故其所受應(yīng)力為：

式中，M為彎矩；

W為面積；

D為管道直徑；

σ為內(nèi)應(yīng)力；

Kc為臨界韌性。

在此基礎(chǔ)上對材料進(jìn)行斷裂試驗，臨界斷裂韌性為Kc=2010N/mm3/2管道具體缺陷位于曲線上方，說明發(fā)生了脆弱性失效，這個例子就是比較典型的由于焊接不到位，進(jìn)一步導(dǎo)致了管道嚴(yán)重破裂事故發(fā)生。

(3)實(shí)際服役中出現(xiàn)的腐蝕失效破壞

在某廠一輸送純水管道，材料為鋁管，管道尺寸為φ89×5mm，使用15年，在卡箍附近發(fā)生了腐蝕導(dǎo)致穿孔破壞，卡箍材質(zhì)為碳鋼。根據(jù)腐蝕形貌可以判斷出是哪種類型的腐蝕，由于沒有發(fā)現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象，我們當(dāng)作一般腐蝕來處理。鋁作為一種比較活波金屬，在水溶液中的平衡電極電位為-1.67V，當(dāng)鋁在pH值為4.5～8.5的環(huán)境中時，表面會生成鈍化膜，起到很好的防腐蝕作用。當(dāng)pH＜4.5時，為酸性腐蝕，一般以局部腐蝕為主，鋁表面會產(chǎn)生白色菌斑；當(dāng)pH＞8.5時，主要為堿性腐蝕，鋁的表面發(fā)黃或者發(fā)黑。通過具體檢查腐蝕形貌，判斷該處發(fā)生了電化學(xué)腐蝕?？ü坎糠咒X管成了陽極，而碳鋼卡箍成了陰極，具體反應(yīng)為：

陰極：2H2O+O2+4e→4OH-。

陽極：Al→Al3++3e。

總反應(yīng)：Al3++3H2O→Al(OH)3+3H+。

在上述化學(xué)反應(yīng)過程中，對于鋁和碳鋼接觸過程中，會產(chǎn)生一定電偶腐蝕，隨著H+濃度在不斷增加，會進(jìn)一步加快腐蝕，而且一直處于泄漏狀態(tài)。本文在此不再做過多的說明。

4.結(jié)束語

本文通過三個案例，具體分析了管道實(shí)際服役期間存在的問題，其中主要闡述了失效的模式具有多樣性。在管道的制造環(huán)節(jié)，生產(chǎn)制造企業(yè)更要從源頭上做好質(zhì)量管理，避免由于制造缺陷導(dǎo)致壓力管道在使用過程中出現(xiàn)失效的情況。壓力管道使用企業(yè)也應(yīng)該對在役管道的安全狀況進(jìn)行定期的跟蹤檢查。由于導(dǎo)致管道失效的因素有很多，同時管道使用過程中也有很多影響因素，無法在此一一列舉，本文僅對典型的失效模式進(jìn)行了簡單的分析。壓力管道使用企業(yè)要根據(jù)自身情況對具體問題具體分析，只有這樣才能針對不同的問題給出不同的解決措施和方案，助力企業(yè)發(fā)展，確保企業(yè)生產(chǎn)安全。