压力管道检验典型个案分析

摘要:由于压力管道的使用条件与介质的特殊性,近年来随着大量新管道的铺设和旧管道使用时间的延长,管道事故时有发生。文章根据工作中实际经验对一家合成氨的化工企业6#高压机四段出口管道进行全面检验,为相关人员提供借鉴。

关键词:压力管道;检验;韧性破坏;脆性破坏;疲劳破坏;蠕变破坏

中图分类号:TQ055文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)12-0017-02

压力管道――指符合原劳动部1996年4月颁布的《压力管道安全管理与监察规定》限定的各种管道。压力管道是指利用一定压力,用于输送气体或者液体的管状设备,其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa(表压)的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质,且公称直径大于25mm的管道。在实际检验中, 我们发现压力管道在运行过程中,会出现这样或那样的缺陷,缺陷形式有如下几种:

一、压力管道的破坏形式

通常压力管道破坏形式可分为:韧性破坏、脆性破坏、腐蚀破坏、疲劳破坏、蠕变破坏,以及其他破坏形式。

(一)韧性破坏

韧性破坏是管道在压力的作用下管壁上产生的应力达到材料的强度极限,因而发生断裂的一种破坏形式。发生韧性破坏的管道,其材料本身韧性一般非常好的,而破坏往往是由于超压引起的。表现在管道上则是直径增大(或局部鼓胀)和管壁的减薄,周长伸长率可达10%~20%,所以具有明显的形状改变是韧性破坏的主要特征。

(二)脆性破坏

脆性破坏往往在一瞬间发生,并以极快的速度扩展,这种破坏现象和脆性材料的破坏很相似,故称为脆性破坏。又因为它是在较低的应力状态下发生的,故又叫作低应力破坏。脆性破坏的基本原因是材料的脆性和严重缺陷。前者可由焊接和热处理工艺不当而引起,后者包括安装时焊缝中遗留的缺陷和使用中产生的缺陷。此外,加载的速度、残余应力、结构的应力集中等都会加速脆断破坏的发生。

(三)腐蚀破坏

腐蚀破坏是由于受到内部输送物料及外部环境介质的化学或电化学作用(也包括机械等因素的共同作用)而发生的破坏。腐蚀破坏形态除全面腐蚀外,尚有局部腐蚀(点蚀、缝隙腐蚀、焊接接头腐蚀、磨损腐蚀、冷凝液腐蚀以及涂层破损处的局部大气腐蚀)、应力腐蚀破裂(碱脆、不锈钢氯离子应力腐蚀、不锈钢连多硫酸应力腐蚀破裂、硫化物腐蚀等)、腐蚀疲劳及氢损伤(氢鼓泡及氢诱发阶梯裂纹、氢脆、脱碳、氢腐蚀)。其中危害最大的当属应力腐蚀破裂,往往在没有先兆的情况下突然发生,造成预测不到的破坏。遭受腐蚀的管道,壁厚逐渐减薄,最后破坏。

(四)疲劳破坏

金属在承受大小和方向都随时间发生周期性变化的交变载荷作用时,尽管应力所产生的载荷并不大,而且往往低于材料的屈服极限,但如果长期受到这种载荷的作用,也会发生断裂。疲劳破坏最易在两处发生:一是结构的几何的不连续处,即管道的应力集中部位;二是存在裂纹类原始缺陷的焊缝部位。如果两种情况同时存在于一处,极易产生疲劳破坏。疲劳破坏仍为脆性性态的破坏,断口上有明显的裂纹产生区、扩区和最终断裂区。

(五)蠕变破坏

在高温环境下,只要温度达到一定的程度,即使钢材受到的拉应力低于该温度下的屈服极限温度,也会随时间的的延长而发生缓慢持续的伸长,这就是钢材的蠕变现象。由于金属蠕变产生的破坏,成为蠕变破坏。一般认为材料的使用温度不高于它的熔化温度的25%~35%,则可不考虑蠕变影响。材料发生蠕变破坏时具有明显的塑性变形,变形量的大小视材料的塑性而定。蠕变破坏的宏观断口呈粗糙的颗粒状,无金属光泽,管道在直径方向上有明显的变形,并伴有许多沿径向方向的小蠕变裂纹。

二、案例分析

对本市一家合成氨的化工企业6#高压机四段出口管道进行全面检验,下面总结自己的看法:

(一)检测结果

通过资料审查、外部宏观检验、硬度检测、壁厚测定、无损探伤、强度校核,该管道弯头部位的检测结果如下:

1.资料审查。该企业系一家生产液氨和碳酸氨的化工企业,该管道1996年由本厂自行设计自行安装,其管径219mm,公称壁厚8mm,材质20#,最高工作压力为2.75MPa,最高工作温度为150℃,输送介质为循环气,其主要成为CO、CO2、H2、N2。该管段安装在高压机房外面,距四级水冷排管0.5m,弯管最高位置离地面标高1.78m。安装后使用时间不到一年,因效益不好而停产,后经企业改制,2005年由该公司租赁,2006年正式投产。

2.外部宏观检验。外表面有麻点腐蚀,其腐蚀凹坑最深达1.5mm,且靠水冷排侧有一处贴补,弯管弯曲半径450mm。

3.硬度检测。弯管部位HB为189,直管部位HB为194,合格。

4.壁厚测定。经超声波测厚,弯管部位最薄为5.5mm,直管部位最薄为7.2mm。

5.无损探伤。发现贴补处沿气流方向侧有一条24mm裂纹,且穿透贴补焊缝。

6.强度校核。经强度校核,最小壁厚为5.68mm,而实测最小壁厚为5.5mm,强度不合格;根据GB50235-97标准,弯管制作前后厚度差小于公称壁厚的15%,计算得6.8mm,大于5.5mm,则为不合格。

7.评定结论。安全等级为四级,需更换此弯管。

(二)原因分析

1.腐蚀凹坑的产生。因停用时间过长,保养措施不当及大气中腐蚀介质的影响,尤其是靠近弯管的水冷排管所用的冷却水是二气循环水,水中含有硫化氢,而这种硫化氢水溶液飞溅在弯管上,会在金属表面发生激烈的电化学腐蚀,使得被腐蚀部位的金属以其离子或腐蚀产物的金属形式从表面脱离,而形成腐蚀凹坑。

2.裂纹的产生。由于管道内输送的介质主要为CO、CO2、H2、N2,而介质中的H2对管道损伤最大,是典型的氢腐蚀。氢腐蚀是钢受到高温(220℃以上)、高压(1.4MPa以上)作用后,其机械性能变劣,强度、韧性明显降低,这种现象是不可逆的。其腐蚀机理为:H2H++H,H+、H直径小,可透过金属表面,固溶到金属内,固溶的氢与钢中的碳发生化学反应:Fe3C+4H=3Fe+CH4,而产生的CH4气体本身扩散能力很低,只聚集在晶界原有的微观空隙内,使得该区域碳浓度降低,其他位置上的碳通过扩散不断补充,产生的CH4气体不断增多,空隙内的局部压力不断增大,从而在该处发展为裂纹。再者,弯管表面的腐蚀凹坑产生局部应力集中,水冷排中的冷却水洒在弯管上,产生温差应力,这几个应力叠加,又加速裂纹的扩展。

3.修补方法错误。虽然弯管部位产生裂纹,厂家自行贴补,头痛医头,脚痛医脚,没有找出产生缺陷的根本原因,使一段时间又产生新生裂纹。原因是原裂纹未经处理(应在裂纹两端钻ф8mm的小孔,用角磨机打出“U”坡口,并经无损检测,确认裂纹已清除,再进行补焊),两端应力集中,再加上几个应力叠加,加快原裂纹从两端发展,产生新生缺陷。

(三)预防措施

1.设计、制造、安装、修理必须是有资质的单位进行,如设计采用抗氢腐蚀设计,选择采取含碳量低的材料,焊后热处理(主要为正火加回火热处理)、弯管制作弯曲半径因大于管子外径的3.5倍等。

2.二次循环冷却水须进行水处理,如在蓄水池中加适量碱以中和水中的硫化氢等酸性物质。

3.用不易腐蚀的物料将冷排管与弯管隔离或将此弯管加一防腐、防水保护层。

4.加强定期检验(在线检验、全面检验)和巡回检查。

5.加强内部管理和设备保养,确保设备安全运行。

三、结语

为了做好压力管道的安全管理工作,确保压力管道的安全运行,保障生产任务的顺利进行,必须坚决贯彻执行(压力管道安全管理与监察规定)等有关法律、法规、规定和文件,认真编制压力管道安全管理规章制度。并监督压力管道运行和维护,严格加强旧管道的清查工作,对清查中发现的安全隐患,及时进行彻底消除。能修复的修复,无法修复的坚决报废,不留隐患。

参考文献

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