压力管道典型的破坏失效模式及实例分析

＊郝 鹏

（宝鸡市质量技术检验检测中心 陕西 721013）

1.压力管道典型破坏失效模式

根据工作中对数十个石油化工等一些企业需要在进行测量以及整体评估以后，本文总结出了对于压力管带破坏的基本5种类型，分别为脆性破坏、韧性破坏、疲劳破坏、腐蚀破坏以及蠕变破坏。

(1)脆性破坏

在压力管道出现破坏的时候，会出现比较严重的塑性变形。尤其是在后期破裂时，其应力会远小于自身的强度的极限，但是在此基础上也会有偶尔出现屈服强度的极限，对于该种类型而言，主要是在低应力情况下发生，因此人们又将其称为低应力破坏。这种破坏大部分和温度低有关，管道外温度一旦降低，破坏立刻形成。出现了各种裂口或者碎片[2]，对于该破坏而言，主要在于管道上存在各种缺陷或者管道材料本身韧性不足，一般情况下，在温度很低时，会产生各种冲击韧性，这个时候管道韧性会出现不断降低的情况。一旦韧性降低，管道周边敏感缺口也会不断变大，这个时候管道一旦有存焊接或者裂纹等处理不好，该部分极容易出现变形或者裂口。因此在具体管道制造过程中，需要对于管道使用材料质量提出更加严格要求。在此基础上需要选择比较好的材料，其主要目的就是提高焊接质量，并且在此基础上需要避免出现各种错误或者缺陷等，这样可以排除不安全的隐患[3]。

(2)韧性破坏

对于韧性的破坏主要就是指在一般管道压力作用下，对于当时的管壁的应力则是达到了材料强度的极限，而且这种极限在长久作用，发生了自我断裂的形式。这种断裂主要原因就是受到超压的作用，在此基础上，往往会发生很大的韧性破坏，尤其是在自身管道应力方向，会存在一些塑性变形残留的自身的应力。主要表现在管道周长率为10%～20%，对于金属管道材料制作而成的管道，一般表现为直径会变得非常大，或者管道避会很薄。所以在此韧性的情况下，主要特征金属材料具有比较明显的自身形状的改变。

(3)疲劳破坏

在一般情况下，在压力管道加压的情况下，会受到各种载荷长期性的作用，而且会出现比较明显的塑性变形，这会进一步导致压力管道在自身的压力情况下，一旦受到了变荷的长期作用会出现很明显的塑性变形，这种会进一步的导致管道的破裂，这种压力的破坏主要形式为疲劳性的破坏，这是根据日常的经验所得，对于一般的管道性的破坏，主要发生在自身的局部，或者具有非常大的缺陷材料处[4]。这种破坏最开始的时候会出现在管道比较微弱断裂处，但是这个断裂处长度是管壁总长度1/3，对于管壁整体截面，一般都是在规定弹性范围内。这样在后期的疲劳变形不会产生极大变化，对于疲劳破坏主要发生在管道比较脆弱地方，这个时候需要的则是疲劳的断口，这个区域则很明显，时间一长这个区域会不断的增大，而且需要注意的是大部分压力管道的应力变化的周期都是非常的长。所以会出现比较明显的裂痕，裂纹自身纹路也在不断出现扩展趋势，这个疲劳强度会非常的清楚[5]，人们可以通过肉眼看到疲劳线源点，需要注意的是对于这个源点和其他断口的地方的自身外貌是不一样的，尤其是不同的源点会产生极大的应力集中地方[6]。再就是对于管道自身热膨胀过程中会引发自身的震动，这也是造成管道疲劳破坏的主要原因[7]。

(4)腐蚀破坏

一般腐蚀破坏，指压力管道在材料腐蚀性介质作用下，不断的经过日积月累管道壁厚度产生变化，同时材料结构也发生了改变，需要注意的是其机械性能也会发生一定降低，压力管道承载不能发生腐蚀性破坏。而对于腐蚀性破坏主要具有以下几个特点，其中主要为均匀性腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀以及各种氢腐蚀、磨损腐蚀等[8]。

(5)蠕变破坏

一般在高温环境下，压力管道会受到持续压力，该应力应该低于该温度下的材料屈服力。同时在此基础上会随着时间的延长而不断延长。为预防管道蠕变破坏，一般选择抗蠕变性能好的材料，同时避免管道运行过程中出现超温现象。

2.压力管道失效的原因

压力管道“失效”一般主要是指压力管道不能有效运行的现象，可以自动分为自然失效和异常失效。其中压力管道在运行介质内部和周围环境影响下，不可避免产生压力循异常或者因为温度导致材料出现各种变形，进一步影响了材料性能或者密封性等问题。日常工作中任何管道具有一定使用寿命，自然失效就是在压力管道使用过程中寿命达到一定时间后，自然发生失效现象。对于自然失效可以通过定期检测以及故障分析等进行事先控制，防止事故发生，但是由于压力管道在设计、制造、安装等运行中会出现各种问题，因此经常会导致管道出现各种失效、造成突发性事故发生。主要原因有以下几个方面。

首先，就是在具体操作过程中会出现一些违规行为，导致运行条件不断出现恶化，在此过程中比较容易出现超压、超温、压力异常等情况。焊接法兰、阀门等一些部件异常或者应力不连续情况下，管道局部应力和峰值都会随着时间推移不断增加，导致管道失效。其次，就是温度过低也会引起材料韧性下降，这个时候需要允许临界尺寸不断减少，这样长期以往就会导致脆弱性遭到破坏，超低温度也是管道渗透的主要源头。最后，在具体管道设计过程中，对于压力和温度是管道设计主要依据，一旦管道在实际运行过程中操作压力和温度一旦超过规定管道压力，这个时候管道自身性能会出现急剧的下滑，管道往往由于下列原因而产生交变载荷：

（1）在输送过程中管道内介质对管道持续的增加压力，不断出现升温以及降温。

（2）在实际运行中自身的压力波动非常大。

（3）在一般运行的过程中，温度一旦发生了自身周期性变化，管道内壁也会出现反复的情况。

（4）因为其他的设备、支撑的交变和受迫震动。一般情况下在反复交载荷的作用下，这个时候自身的管道内部会发生疲劳破坏，比较典型的就是技能树疲劳，该疲劳特点在于应力较大而实际频率非常低。尤其是在自身的几何结构不连续地方出现了焊接，最有可能达到材料和超材料自身限制，一般而言，主要在于应力和自身交变加载的情况下，在此基础上最大的晶体粒子会产生极大的变形，在应力会随着自身周期的变化，裂纹也会不断的扩展开来，最终导致自身的破坏。

3.管道失效破坏实例分析

(1)管道制造环节质量引发失效破坏

某厂一根输送丙烯碳钢管，2017年投入使用，具体管道尺寸为φ60×4mm，工作温度为40℃，工作压力为2.1MPa。2019年，焊接口出现了很多破裂的介质造成泄漏。发现裂纹大约有12mm，自身的焊接缝到影响区域附近材料的纹路等可以肉眼看到，而且在此基础上对于外表的裂纹出现了比值分叉等情况，而且在此基础上对于裂纹周围呈现出了奥氏体的组织，局部出现了各种热的现象。自身裂纹的中部以及外部两侧具有比较明显的脱碳的特征，而且一旦内部出现了脱碳特征，说明管道在服役期间温度过高。一般情况下，日常工作温度在40℃时，在具体焊接过程中，也是不可能导致这种情况发生。通过上述分析，可以判定该脱碳是由于材料在生产过程中温度过高导致的，进一步的机械加工过程中可能使零部件的表面产生裂纹缺陷。

(2)管道现场施工质量引发失效破坏

某一长输氯气管道，具体尺寸为φ3258mm，介质温度小于80℃，工作压力为0.2MPa，大约使用了10年后，整个环焊缝断口裂缝具体形貌如图1所示。

图1 环缝断口形貌

对该断口进行分析，焊缝表面没有任何裂纹，焊缝内表面坡口较为完整，断口表面较为平整，且该焊缝需要进行全位置焊，焊接区域较大，但间隙非常小。尤其是在环焊缝隙下方焊接位置，熔深仅为2mm，长度达1/3圆周，焊缝金属未完全贯穿整个焊缝厚度，实际的未焊透现象非常严重。对整个管道进行应力分析，该裂缝处的弯矩为：M=27.33×106N·mm。

故其所受应力为：

式中，M为弯矩；

W为面积；

D为管道直径；

σ为内应力；

Kc为临界韧性。

在此基础上对材料进行断裂试验，临界断裂韧性为Kc=2010N/mm3/2管道具体缺陷位于曲线上方，说明发生了脆弱性失效，这个例子就是比较典型的由于焊接不到位，进一步导致了管道严重破裂事故发生。

(3)实际服役中出现的腐蚀失效破坏

在某厂一输送纯水管道，材料为铝管，管道尺寸为φ89×5mm，使用15年，在卡箍附近发生了腐蚀导致穿孔破坏，卡箍材质为碳钢。根据腐蚀形貌可以判断出是哪种类型的腐蚀，由于没有发现晶体结构腐蚀现象，我们当作一般腐蚀来处理。铝作为一种比较活波金属，在水溶液中的平衡电极电位为-1.67V，当铝在pH值为4.5～8.5的环境中时，表面会生成钝化膜，起到很好的防腐蚀作用。当pH＜4.5时，为酸性腐蚀，一般以局部腐蚀为主，铝表面会产生白色菌斑；当pH＞8.5时，主要为碱性腐蚀，铝的表面发黄或者发黑。通过具体检查腐蚀形貌，判断该处发生了电化学腐蚀。卡箍部分铝管成了阳极，而碳钢卡箍成了阴极，具体反应为：

阴极：2H2O+O2+4e→4OH-。

阳极：Al→Al3++3e。

总反应：Al3++3H2O→Al(OH)3+3H+。

在上述化学反应过程中，对于铝和碳钢接触过程中，会产生一定电偶腐蚀，随着H+浓度在不断增加，会进一步加快腐蚀，而且一直处于泄漏状态。本文在此不再做过多的说明。

4.结束语

本文通过三个案例，具体分析了管道实际服役期间存在的问题，其中主要阐述了失效的模式具有多样性。在管道的制造环节，生产制造企业更要从源头上做好质量管理，避免由于制造缺陷导致压力管道在使用过程中出现失效的情况。压力管道使用企业也应该对在役管道的安全状况进行定期的跟踪检查。由于导致管道失效的因素有很多，同时管道使用过程中也有很多影响因素，无法在此一一列举，本文仅对典型的失效模式进行了简单的分析。压力管道使用企业要根据自身情况对具体问题具体分析，只有这样才能针对不同的问题给出不同的解决措施和方案，助力企业发展，确保企业生产安全。