壓力管道典型的破壞失效模式及實例分析

＊郝 鵬

（寶雞市質量技術檢驗檢測中心 陜西 721013）

1.壓力管道典型破壞失效模式

根據工作中對數十個石油化工等一些企業需要在進行測量以及整體評估以后，本文總結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

在壓力管道出現破壞的時候，會出現比較嚴重的塑性變形。尤其是在后期破裂時，其應力會遠小于自身的強度的極限，但是在此基礎上也會有偶爾出現屈服強度的極限，對于該種類型而言，主要是在低應力情況下發生，因此人們又將其稱為低應力破壞。這種破壞大部分和溫度低有關，管道外溫度一旦降低，破壞立刻形成。出現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，會產生各種沖擊韌性，這個時候管道韌性會出現不斷降低的情況。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量提出更加嚴格要求。在此基礎上需要選擇比較好的材料，其主要目的就是提高焊接質量，并且在此基礎上需要避免出現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，對于當時的管壁的應力則是達到了材料強度的極限，而且這種極限在長久作用，發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，在此基礎上，往往會發生很大的韌性破壞，尤其是在自身管道應力方向，會存在一些塑性變形殘留的自身的應力。主要表現在管道周長率為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，而且會出現比較明顯的塑性變形，這會進一步導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很明顯的塑性變形，這種會進一步的導致管道的破裂，這種壓力的破壞主要形式為疲勞性的破壞，這是根據日常的經驗所得，對于一般的管道性的破壞，主要發生在自身的局部，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，一般都是在規定彈性范圍內。這樣在后期的疲勞變形不會產生極大變化，對于疲勞破壞主要發生在管道比較脆弱地方，這個時候需要的則是疲勞的斷口，這個區域則很明顯，時間一長這個區域會不斷的增大，而且需要注意的是大部分壓力管道的應力變化的周期都是非常的長。所以會出現比較明顯的裂痕，裂紋自身紋路也在不斷出現擴展趨勢，這個疲勞強度會非常的清楚[5]，人們可以通過肉眼看到疲勞線源點，需要注意的是對于這個源點和其他斷口的地方的自身外貌是不一樣的，尤其是不同的源點會產生極大的應力集中地方[6]。再就是對于管道自身熱膨脹過程中會引發自身的震動，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作用下，不斷的經過日積月累管道壁厚度產生變化，同時材料結構也發生了改變，需要注意的是其機械性能也會發生一定降低，壓力管道承載不能發生腐蝕性破壞。而對于腐蝕性破壞主要具有以下幾個特點，其中主要為均勻性腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕以及各種氫腐蝕、磨損腐蝕等[8]。

(5)蠕變破壞

一般在高溫環境下，壓力管道會受到持續壓力，該應力應該低于該溫度下的材料屈服力。同時在此基礎上會隨著時間的延長而不斷延長。為預防管道蠕變破壞，一般選擇抗蠕變性能好的材料，同時避免管道運行過程中出現超溫現象。

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行的現象，可以自動分為自然失效和異常失效。其中壓力管道在運行介質內部和周圍環境影響下，不可避免產生壓力循異常或者因為溫度導致材料出現各種變形，進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到一定時間后，自然發生失效現象。對于自然失效可以通過定期檢測以及故障分析等進行事先控制，防止事故發生，但是由于壓力管道在設計、制造、安裝等運行中會出現各種問題，因此經常會導致管道出現各種失效、造成突發性事故發生。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一些違規行為，導致運行條件不斷出現惡化，在此過程中比較容易出現超壓、超溫、壓力異常等情況。焊接法蘭、閥門等一些部件異常或者應力不連續情況下，管道局部應力和峰值都會隨著時間推移不斷增加，導致管道失效。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，在具體管道設計過程中，對于壓力和溫度是管道設計主要依據，一旦管道在實際運行過程中操作壓力和溫度一旦超過規定管道壓力，這個時候管道自身性能會出現急劇的下滑，管道往往由于下列原因而產生交變載荷：

（1）在輸送過程中管道內介質對管道持續的增加壓力，不斷出現升溫以及降溫。

（2）在實際運行中自身的壓力波動非常大。

（3）在一般運行的過程中，溫度一旦發生了自身周期性變化，管道內壁也會出現反復的情況。

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

3.管道失效破壞實例分析

(1)管道制造環節質量引發失效破壞

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，焊接口出現了很多破裂的介質造成泄漏。發現裂紋大約有12mm，自身的焊接縫到影響區域附近材料的紋路等可以肉眼看到，而且在此基礎上對于外表的裂紋出現了比值分叉等情況，而且在此基礎上對于裂紋周圍呈現出了奧氏體的組織，局部出現了各種熱的現象。自身裂紋的中部以及外部兩側具有比較明顯的脫碳的特征，而且一旦內部出現了脫碳特征，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，也是不可能導致這種情況發生。通過上述分析，可以判定該脫碳是由于材料在生產過程中溫度過高導致的，進一步的機械加工過程中可能使零部件的表面產生裂紋缺陷。

(2)管道現場施工質量引發失效破壞

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

圖1 環縫斷口形貌

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

故其所受應力為：

式中，M為彎矩；

W為面積；

D為管道直徑；

σ為內應力；

Kc為臨界韌性。

在此基礎上對材料進行斷裂試驗，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，進一步導致了管道嚴重破裂事故發生。

(3)實際服役中出現的腐蝕失效破壞

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，在卡箍附近發生了腐蝕導致穿孔破壞，卡箍材質為碳鋼。根據腐蝕形貌可以判斷出是哪種類型的腐蝕，由于沒有發現晶體結構腐蝕現象，我們當作一般腐蝕來處理。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，當鋁在pH值為4.5～8.5的環境中時，表面會生成鈍化膜，起到很好的防腐蝕作用。當pH＜4.5時，為酸性腐蝕，一般以局部腐蝕為主，鋁表面會產生白色菌斑；當pH＞8.5時，主要為堿性腐蝕，鋁的表面發黃或者發黑。通過具體檢查腐蝕形貌，判斷該處發生了電化學腐蝕。卡箍部分鋁管成了陽極，而碳鋼卡箍成了陰極，具體反應為：

陰極：2H2O+O2+4e→4OH-。

陽極：Al→Al3++3e。

總反應：Al3++3H2O→Al(OH)3+3H+。

在上述化學反應過程中，對于鋁和碳鋼接觸過程中，會產生一定電偶腐蝕，隨著H+濃度在不斷增加，會進一步加快腐蝕，而且一直處于泄漏狀態。本文在此不再做過多的說明。

4.結束語

本文通過三個案例，具體分析了管道實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。在管道的制造環節，生產制造企業更要從源頭上做好質量管理，避免由于制造缺陷導致壓力管道在使用過程中出現失效的情況。壓力管道使用企業也應該對在役管道的安全狀況進行定期的跟蹤檢查。由于導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行了簡單的分析。壓力管道使用企業要根據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，助力企業發展，確保企業生產安全。