压力管道的破坏形式和预防措施

2011-04-10姜德林王志杰

化工技术与开发 2011年5期

关键词：齐齐哈尔脆性管壁

姜德林，王志杰，孙霞

（1．齐齐哈尔市特种设备检验研究所，黑龙江齐齐哈尔161005；2．齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司基建设备部，黑龙江齐齐哈尔161005）

压力管道的破坏形式和预防措施

姜德林1，王志杰2，孙霞

（1．齐齐哈尔市特种设备检验研究所，黑龙江齐齐哈尔161005；2．齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司基建设备部，黑龙江齐齐哈尔161005）

主要介绍了压力管道的几种破坏形式和预防措施。

压力管道；破坏；预防

压力管道是一种特种设备。在压力管道中，其输送的介质往往具有易燃、易爆、有毒、高温、高压、深度冷冻、强腐蚀性等特点，一旦由于管道材料有缺陷、结构强度或致密性存在问题而发生泄漏和断裂，则会引起火灾、爆炸、中毒以及其他事故，后果严重。为保证压力管道的安全运行，防止事故发生，我们必须首先知道压力管道的破坏形式及相应的破坏机理。

1 压力管道的破坏形式

压力管道的破坏形式归纳起来，主要有以下5种：脆性破坏、疲劳破坏、腐蚀破坏、蠕变破坏、冲刷磨损破坏。

1．1 脆性破坏

管道在破裂时没有显著的塑性变形，破裂时管壁的压力远远小于材料的强度极限，有时甚至还低于材料的屈服极限，这种破坏与脆性材料的破裂很相似，故称为脆性破坏。脆性破坏是在低应力状态下发生的破坏，与低温有直接的关系。破坏往往在一瞬间发生，没有或只有很小的塑性变形，断口一般都裂成碎片。该破坏主要是由于管道存在缺陷和材料韧性不足所致。通常在低温下钢的冲击韧性显著降低，对缺口的敏感性增大，这时管道若存在焊接缺陷或者是裂纹以及热处理不当等情况，在这些缺陷部位就很容易产生管道脆性破坏。因此在制造中，就应该对低温压力管道提出比较高的要求，在选材上应该选择韧性较好的材料，提高焊接质量，尽量避免焊接缺陷和应力集中部位的产生。

1．2 疲劳破坏

压力管道在反复加压和卸压过程中受到交变载荷的长期作用，没有经过明显的塑性变形而导致压力管道断裂，这种破坏形式称作疲劳破坏。由于管道的疲劳破坏是在局部应力较高的部位或材料缺陷处开始产生微裂纹，然后在交变应力作用下，微裂纹逐渐扩展为疲劳裂纹，最终突然断裂。在这个过程中管壁的总体应力水平较低，管壁整体截面上处于弹性范围内，所以疲劳破坏时管道不会有明显的变形。疲劳破坏与脆性破坏的断口形貌不同，疲劳断口存在两个明显的区域：一个是疲劳裂纹产生及扩展区，另一个是最终断裂区。大多数压力管道的应力变化周期较长，裂纹扩展较为缓慢，所以有时仍能见到裂纹扩展的弧形纹路。如果断口上的疲劳线比较清晰，还可以根据它找到疲劳裂纹的策源点。这个策源点和断口其他地方的形貌不同，策源点往往产生在应力集中的地方。

压力管道产生疲劳破坏的主要原因是：一方面由于大型往复式空压机、汽轮机、泵等，因机械本身的构造、损伤、、安装不平衡，当其开启、停止时，其机械传动不平衡往往传递给管道系统，使之产生疲劳裂纹及断裂；另一方面管路的热膨胀和热收缩引起管路振动，也会造成管道的疲劳破坏。

为防止疲劳破坏，通常在运行中应尽量避免频繁加载、过大的压力波动和温度变化；设计时应注意管道的局部峰值压力的控制。

1．3 腐蚀破坏

腐蚀破坏是指压力管道材料在腐蚀性介质作用下，引起管道壁由厚变薄或材料组织结构改变，机械性能降低，使压力管道承载能力不够而发生的破坏。主要包括：均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、氢腐蚀和磨损腐蚀等形式。

（1）均匀腐蚀是管道整个暴露表面上或者是大部分面积上产生程度基本相同的化学或电化学腐蚀，是最常见的腐蚀形式，一般采用测厚或目测即可。

（2）点蚀是管道内表面集中在个别小点上深度较大的腐蚀，很容易产生在焊缝热影响区，是最具破坏性和隐藏性的腐蚀性之一，一般只能通过超声波或者是射线检测才能发现。

（3）缝隙腐蚀是由于缝隙溶液的阻碍和渗透形成浓差电池而产生的一种强烈腐蚀，管道缝隙腐蚀主要产生在焊缝的不连续处（根部凹坑）或焊接缺陷（未融合或未焊透部位）。

（4）晶间腐蚀发生在晶界或晶界附近，而晶粒本身的腐蚀是较小的一种腐蚀形态，这种腐蚀造成晶粒脱落，使材料的机械强度和延伸率显著下降，但仍保持原有的金属光泽而不易被发现，故危害较大。奥氏体不锈钢经常发生晶间腐蚀。该缺陷不易通过测厚检测和外观检查发现，而必须采用渗透或超声波检测以及抽样进行力学性能试验和金相试验来发现。

（5）应力腐蚀裂纹和断裂是压力管道在拉压力和特定的腐蚀介质共同作用下发生的破坏。这是一种极危险的腐蚀形态，往往在没有先兆的情况下发生局部腐蚀，裂纹一旦出现，它的扩展速度比其他局部腐蚀速度快得多。这种腐蚀主要发生在蒸汽管线、旁路管线及含有氯化物介质的奥氏体不锈钢焊缝及热影响区。

（6）氢腐蚀是由于氢渗进金属内部而造成金属性能恶化的现象。氢腐蚀通常产生于低合金钢和高强度不锈钢管道中。引起氢腐蚀的原因除了材料本身的性能特点外，氢环境是最主要的外界影响因素，尤其是在高温高压的条件下更加明显。

（7）磨损腐蚀是由于腐蚀介质与金属之间的相对运动，而使腐蚀过程加速的现象。腐蚀流体既对金属表面的氧化物产生机械冲刷破坏，又与不断露出的金属新鲜表面发生剧烈的化学或电化学腐蚀，故腐蚀速度较快。

预防腐蚀破坏的方法：一是根据介质选用合适厚度的抗腐蚀材料的压力管道；二是对奥氏体不锈钢管道应严格控制氯离子含量，并避免在不锈钢敏感温度下使用，防止破坏不锈钢表面的钝化膜和防止晶间腐蚀的产生；三是选用内表面涂防腐层的管道。

1．4 蠕变破坏

在一定的温度和载荷作用下，压力管道随时间而伸长和破坏的现象称为蠕变破坏。蠕变破坏是高温及拉应力长期作用的结果，因而通常有明显的塑性变形，其变形量的大小取决于材料的塑性，同时金相组织发生明显的变化。预防压力管道发生蠕变破坏应在设计、制造和使用中加以控制，如根据压力管道的使用温度选用抗蠕变性能合适的材料，在制造中要防止焊接和冷加工时降低材料的抗蠕变性能，在管道的运行中要防止超温现象。

1．5 冲刷磨损破坏冲刷

冲刷磨损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，当管壁的厚度不能满足强度要求时，就会在管道冲刷部位产生冲刷磨损破坏。该破坏是一种塑性破坏，破坏时具有较大的塑性变形，断口呈撕裂状态且不平齐，一般不产生碎片或有少量碎块。防止该破坏的措施是及时检测发现壁厚已过分减薄而不能保证安全的管道，且在使用中尽量防止超压运行。