张洪建7管道的失效与故障.ppt

压力管道的故障与失效 江苏省特种设备安全监督检验研究院扬州分院 张 洪 建 目 录 7.1 概述 7.2 压力管道常见故障 7.3 压力管道常见失效模式 7.4 典型压力管道失效特点 7.1 概 述 压力管道是具有爆炸危险的特种承压设备。 压力管道的用量大，分布广，遍布在电力、热能、石油、化工、化肥、冶金、农药、食品、医药等各行业。 近些年的趋势表明，工业压力管道工程日趋复杂，正朝着大型化、整体化和自动化方向发展。由于历史、技术、管理上的原因，现行压力管道在设计、制造、安装及运行管理中存在各类损伤问题，管道发生失效甚至发生破坏性事故时有发生。 压力管道损伤是指管道在外部机械力、介质环境、热作用等单独或共同作用下，造成材料性能下降、结构不连续或承载能力下降。 压力管道失效是指管道损伤积累到一定程度，管道功能不能发挥其设计规定或强度、刚度不能满足使用要求的状态。 失效在工程上俗称为故障。管道存在损伤不一定失效、不一定发生事故，而发生失效或事故则一定存在损伤。 压力管道存在损伤或发生失效，因其有自身的特点。 相对压力容器，首先，管道的直径和壁厚都要小得多，焊缝一般是环向的对接焊缝，内壁未焊透的缺陷普遍存在，缺陷一般是环向的。 其次，管道导致断裂失效的载荷主要是由于管系膨胀、管系及阀件自重、强制安装等引起管道承受的弯曲载荷。内压引起的薄膜应力往往并不是主要载荷。 压力管道发生故障导致失效或事故，实质是管道应力和管道材料性能的关系，当管道某处所受应力高于材料所能承受的极限，在该处存在材料损伤发生故障，进而管道发生损伤破坏。因此，对压力管道的失效分析可以从材料性能和管道所受应力两方面考虑。 7.2 压力管道常见故障 按发生故障产生的后果或现象可分为：泄露、爆炸、失稳。 按故障发生原因大体可分为:超压、存在原始缺陷、腐蚀破坏、疲劳破坏、蠕变破坏等。 按发生故障后管道失效时宏观变形量的大小可分为：韧性破坏(延性破坏)和脆性破坏两大类。 按发生故障后管道失效时材料的微观(显微)断裂机制可分为：韧窝断裂、解理断裂、沿晶脆性断裂和疲劳断裂等。 习惯上往往采用混合分类方法，即以宏观分类法为主，再结合一些断裂特征可分为:韧性破坏、脆性破坏、腐蚀破坏、疚劳破坏、蠕变破坏，其他型式破坏。 腐蚀 金属材料表面由于受到周围介质的作用而发生状态变化，从而使金属材料遭受破坏的现象称为腐蚀。金属腐蚀的本质是金属原子失去电子被氧化。 腐蚀会使管道整体或局部壁厚减薄，承载能力下降、造成破裂。腐蚀也会造成危害性极大的裂纹，造成管道的裂穿泄漏、严重时会造成突然破裂或爆炸。 冲刷 冲刷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。 冲刷一般伴随着冲刷腐蚀。介质流向突然发生改变，对金属及金属表面的钝化膜或腐蚀产物层产生机械冲刷破坏作用，同时又对不断露出的金属新鲜表面发生激烈的化学或电化学腐蚀，从而造成比其他部位更为严重的腐蚀损伤，故腐蚀速度较快。 裂纹 压力管道在运行过程中由于各种原因产生不同程度的裂纹，从而影响系统的安全。裂纹是压力管道最危险的一种故障，是导致脆性破坏的主要原因。裂纹的扩展很快，如不及时采取措施就会发生爆管。 裂纹主要来源于下列两种情况: 一是管材制造和管道安装过程中产生的裂纹， 二是系统使用过程中产生或扩展的裂纹。 前者是管材扎制裂纹、焊接裂纹和应力裂纹，后者是疲劳裂纹和腐蚀裂纹。要根据裂纹的分类采取相应的预防措施。 鼓包 当管内压力引起的应力超过材料的弹性极限(屈服点)时，除继续产生弹性变形外，同时还产生塑性变形，这种变形表现为鼓包。塑性变形使金属破坏后在应力方向上留存下较大的残余伸长，表现在管道上则是鼓包（直径增大或局部鼓胀和管壁的减薄），周长伸长率可达10%一20%。 管道金属壁温超过其强度允许的温度时，金属强度就会下降，这时工作压力超过金属的屈服极限时，就有可能发生塑性变形，在宏观检查表现为鼓包现象。 变形 压力管道由于不合理或错误的设计、安装，热应力导致管道在某些位置产生很大反力和反力矩、管系振动导致管道超出允许振动控制范围，致使管道系统发生结构（或其一部分）形状改变的现象。严重时压力管道发生整体坍塌。 泄漏 压力管道由于管道裂纹或爆管、腐蚀变薄穿孔、法兰及阀门密封而失效等各种原因造成的介质流溢称为泄漏。 7.3 压力管道常见失效模式 失效模式建立是压力管道的设计基础，设计方法（准则）必须针对失效模式，对压力管道检验结果的评价，也是建立在失效模式的基础上，而对压力管道运行过程失效模式的的识别，有助于定期检验方案的制定，利于在管道发生失效前及时进行修复或报废等处理，保证压力管道在一定条件下安全运行。 失效模式主要有三种不同的分类方式。 （1）欧洲标准失效模式归纳为三大类14种， 第一大