石化裝置中壓力管道的缺陷分析與處理措施

呂東明

摘 要：應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域的壓力管道，是一類利用額定壓力計量輸送油氣等介質(zhì)的特種管狀設(shè)備，一般具有組成結(jié)構(gòu)眾多、運輸介質(zhì)危險、工況條件復(fù)雜、事故危害巨大等特點。壓力管道的缺陷檢測與防護處理技術(shù)目前受到重點研究。本文從腐蝕破壞、疲勞失效、高溫損傷和焊接缺陷四個方面分析了壓力管道的風(fēng)險來源，并提供了相對應(yīng)的處理措施，為提高壓力管道安全輸送水平提供理論參考。

關(guān)鍵詞：石化裝置；壓力管道；缺陷分析；處理措施

中圖分類號：TE973 文獻標(biāo)識碼：A

1 引言

壓力管道作為一類受到特殊安全監(jiān)察管理的工業(yè)設(shè)備，是液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)的重要輸送載體，廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金采礦、燃氣供暖、城建供電等工業(yè)及民用領(lǐng)域。根據(jù)輸送載體、公稱直徑和設(shè)計壓力等條件的不同，壓力管道一般可分為長輸管道、工業(yè)管道和公用管道，管道級別不同，相應(yīng)的設(shè)計、安裝及維護標(biāo)準(zhǔn)也有所不同。

然而，受材料制備與加工工藝水平等影響，無論哪類壓力管道都存在類型或程度不同的缺陷。尤其是對于石化裝置中的壓力管道，由于主要用來長距離運輸高溫高壓、易燃易爆、腐蝕性強的石油和天然氣，所以此類油氣管道具有組成結(jié)構(gòu)眾多、運輸介質(zhì)危險、工況條件復(fù)雜等特點，加劇了缺陷對管道結(jié)構(gòu)的破壞，使得油氣管道泄露甚至爆炸的安全事故屢有發(fā)生。因此，壓力管道中缺陷的致因與生長模式、結(jié)構(gòu)失效機理及防護處理措施成為石化領(lǐng)域的研究熱點之一。本文從腐蝕破壞、疲勞失效、高溫損傷和焊接缺陷四個方面分析了壓力管道的缺陷類型，并提出腐蝕防護、快速封堵與修復(fù)技術(shù)、焊接防護方法等處理措施，對提高壓力管道安全水平具有一定的理論借鑒意義。

2 缺陷分析

結(jié)合國內(nèi)外研究對石化裝置壓力管道的檢測缺陷分析，可將目前常見缺陷形式分為腐蝕破壞、疲勞失效、高溫損傷和焊接缺陷四類，各自缺陷形式代表圖例見圖1。

2.1 腐蝕破壞

壓力管道廣泛采取Fe基材料，一般以不同型號的碳鋼和奧氏體不銹鋼為主，以滿足不同使用溫度需要。因此管道的腐蝕破壞機理是外界因子通過一定的方式破壞了Fe元素的保護層，使得Fe發(fā)生氧化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松或失效，從而造成管道泄漏。按照外界因子的作用機理可將腐蝕分為物理腐蝕、化學(xué)腐蝕與生物腐蝕三大類。

物理腐蝕包括沖蝕磨損與應(yīng)力腐蝕。沖蝕磨損是指具有一定動能的輸送流體，或者流體中的固體微粒與管道內(nèi)壁發(fā)生相對摩擦，一般造成內(nèi)壁厚度減薄。應(yīng)力腐蝕往往由溫度場或壓力場變化引起，主要表現(xiàn)為點狀或線狀腐蝕。

化學(xué)腐蝕一般可分為不產(chǎn)生電流的化學(xué)腐蝕和有電流運動的電化學(xué)腐蝕。化學(xué)腐蝕的可能腐蝕源有空氣、酸性氣體如CO2、H2S、SO2、Cl2等、水、酸性電解質(zhì)溶液等，與Fe反應(yīng)生成疏松多孔的Fe2O3，從而逐漸破壞管道，化學(xué)反應(yīng)見公式（1）。電化學(xué)腐蝕則是以Fe為陽極，周圍環(huán)境如土壤為陰極，二者間產(chǎn)生電位差形成原電池，使得Fe失去電子被氧化。

（1）

生物腐蝕主要是由厭氧型硫酸鹽還原菌的脫氫作用引起。埋入地下的管道處于缺氧環(huán)境，且當(dāng)土壤pH介于5.0～9.0、溫度在25℃～30℃時，細菌將硫酸鹽還原為硫化物，該反應(yīng)可供給細菌維持生長繁殖的能量，接下來硫化物可與鋼管表面起保護作用的H2發(fā)生置換反應(yīng)，導(dǎo)致Fe裸露于偏酸性環(huán)境中不斷溶解。

2.2 疲勞失效

疲勞失效主要與管材晶體結(jié)構(gòu)和管道應(yīng)力負載有關(guān)，宏觀表現(xiàn)為裂紋斷裂，微觀可見特殊輝紋。管材金屬在梯度荷載矢量的反復(fù)作用下，金屬晶體內(nèi)部的位錯、晶界、夾雜等缺陷處容易發(fā)生不均勻位移。周期性反復(fù)作用的交變荷載一般為管道內(nèi)外的壓力變化、溫度差應(yīng)力、機械振動或規(guī)律性外力等組成。金屬的疲勞失效機理可分為疲勞裂紋的形成期、擴展期與斷裂期。首先較低的交變荷載作用于金屬表面，產(chǎn)生細小的、分布較均勻的位移線。然后隨著應(yīng)力持續(xù)或增大，位移線之間發(fā)生連接，產(chǎn)生寬厚的內(nèi)含多個位移面的位移帶。如果兩個位移面相距較小，則會形成孔洞。由于孔洞部位應(yīng)力集中，導(dǎo)致孔洞生長成為裂紋核心，裂紋核心繼續(xù)擴展相互聯(lián)結(jié)變?yōu)楹暧^的疲勞裂紋。繼而疲勞裂紋由晶內(nèi)向晶外，沿著主應(yīng)力垂直方向擴展。當(dāng)裂紋尺寸擴展到臨界值時，裂紋尖端集中的應(yīng)力超過金屬承受能力，最終引發(fā)斷裂失效。

受應(yīng)力大小和交變頻率影響，壓力管道的應(yīng)力值容易在幾何不連續(xù)處（如直角管道的應(yīng)力集中部位）、材料膨脹系數(shù)不相同處（如碳鋼基材與防腐涂層交界部位）、以及動力學(xué)不平衡處（如原始損失的焊接部位）達到或超過材料的屈服極限，從而產(chǎn)生疲勞裂紋。疲勞裂紋不會造成管道整體減薄或加厚，具有局部危害、脆性變形特征。

2.3 高溫損傷

高溫損傷主要有石墨化、珠光體球化、合金元素再分配、彌散強化相聚集、蠕變失效五種類型。石墨化是由鋼材滲碳體在高溫條件下，尤其是碳鋼在使用溫度高于450℃時，分解出碳元素且碳元素聚集引起，反應(yīng)方程式如公式（2）所示。石墨的抗拉強度和蠕變極限遠低于鋼材，因此在石墨聚集部位極易發(fā)生斷裂或爆炸。

珠光體球化機理：珠光體主要組織構(gòu)成為片狀滲碳體，一方面同體積條件下的片狀滲碳體比表面積大于球狀滲碳體，且片狀滲碳體表面有較多凹坑和粗糙面，因此吉布斯自由能高于球狀滲碳體，在熱力學(xué)上呈自發(fā)轉(zhuǎn)化趨勢；另一方面，在高溫和應(yīng)力驅(qū)動作用下，片狀滲碳體中碳元素擴散程度加深，以鐵素體為媒介，碳元素在滲碳體曲率半徑小的部位（即細小銳角片狀）溶解入鐵素體中，并在滲碳體曲率半徑大的部位（即粗大鈍角球狀）析出，在動力學(xué)上加速了球化完成過程。珠光體球化也能破壞管道鋼材正常結(jié)構(gòu)，降低高溫強度和服役壽命。

2.4 焊接缺陷

焊接缺陷主要受預(yù)制工作、工藝水平、管理制度等因素制約。按照缺陷出現(xiàn)部位可將焊接缺陷分為外觀與內(nèi)部兩種。兩種缺陷的表現(xiàn)形式、形成原因及危害情況見表1。

3 處理措施

3.1 腐蝕防護

壓力管道的防腐措施可采取增加防腐層、陰極保護防腐和設(shè)置連接線三種。三種防腐方法各有優(yōu)缺點，相互補充，實際應(yīng)用中一般配合使用。

防腐層可以是一層防腐涂層，目前常用的防腐涂層材料有無機類的氧化物涂料，有機與無機結(jié)合的煤焦油瓷漆，也有以環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等作為金屬粘結(jié)劑；以聚乙烯作防腐層的高分子多層結(jié)構(gòu)防腐涂料。煤焦油瓷漆防水抗老化且成本低，但熱穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生環(huán)境污染。多層聚乙烯基涂料適用范圍廣，防腐性能優(yōu)良但工藝復(fù)雜且成本較高。管道鋼材防腐還可采用鋼材表面處理措施，例如濕法化學(xué)鈍化處理工藝保持不銹鋼表面清潔、表面滲硼處理以形成致密穩(wěn)定的Fe-B層、表面鍍耐腐蝕耐高溫的元素如Cr、Ni、Al等。此外，選用陶瓷內(nèi)襯無縫鋼管也是一種防護輸送油氣腐蝕性的思路。陶瓷內(nèi)襯管結(jié)合了陶瓷耐高溫腐蝕、耐磨損與鋼材優(yōu)良力學(xué)能，目前作為封裝材料在高溫化工、冶金、電力領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

3.2 修復(fù)技術(shù)與快速封堵裝置

對產(chǎn)生裂紋、腐蝕或損傷的管道，一般借鑒APIPR-218-930修復(fù)手冊的方法采取修復(fù)手段，目前修復(fù)技術(shù)主要包括夾具修復(fù)、復(fù)合材料修復(fù)和焊接修復(fù)等。其中焊接修復(fù)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)十分成熟，但其安全和經(jīng)濟性問題突出。夾具修復(fù)是針對管道已發(fā)生泄漏的應(yīng)急方法。復(fù)合材料如碳纖維、鋼纖維、高分子樹脂等目前是管道補強技術(shù)的研究熱點。

針對壓力管道的不同類型的泄漏擴散事故，還可以利用對應(yīng)的封堵方法。太原理工大學(xué)進行了管道快速封堵裝置的研究，對于Φ120mm～Φ150mm壓力管道的泄露，采用內(nèi)封法設(shè)計了內(nèi)封堵氣囊、應(yīng)用外封法設(shè)計了L型管應(yīng)急外封堵氣囊、運用磁壓法原理設(shè)計了自適型萬向強磁封堵裝置。

3.3 焊接防護方法

對于焊接缺陷的防護，一方面確保施工與驗收人員嚴(yán)格遵循相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，使焊接工藝的預(yù)制加工、設(shè)計流程、工藝方法、溫度控制等正常進行。另一方面，對于具體焊接缺陷采取相應(yīng)的預(yù)防與補救措施。預(yù)防措施一般有焊接前檢查焊件、焊材和坡口的清潔干燥情況，保持接地線固定和絕緣狀態(tài)，去掉焊接材料表面的氧化皮等。焊接時避免多余操作，選擇合適焊接電流并控制電弧長度，合理匹配焊條金屬的熔化和冷卻速度，熟練把握運條擺動速度與坡口的切入角度等。焊接后進行整體缺陷檢查與后期處理。

焊接補救措施一般先徹底清理掉前一焊道的熔渣。對于深度或長度超標(biāo)的咬邊缺陷，可選擇牌號相同但直徑小的焊條，略調(diào)大焊接電流，補焊填滿。對于焊瘤或弧疤，可以視具體情況使用電弧氣刨、角磨機或切削機等工具先修整焊縫外形，然后對產(chǎn)生的凹坑進行補焊。

結(jié)語

隨著我國石化行業(yè)的全球化發(fā)展，管道建設(shè)也迎來巨大國際市場機遇，這對壓力管道的儲運安全提出更高要求。缺陷問題是壓力管道產(chǎn)生安全事故的重要因素，開展壓力管道的缺陷檢測、失效機理與防護措施等研究，對提高具有重要理論與實際意義。本文圍繞石化裝置中壓力管道的缺陷問題，進行了缺陷類型歸納與機理分析，并提出了相應(yīng)的處理措施，為提高壓力管道安全質(zhì)量提供了一定的理論參考。

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