壓力管道基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)(已改無(wú)錯(cuò)字)
2023-07-23 20:58:00 本頁(yè)面
【正文】 不連續(xù)處的局部應(yīng)力和峰值應(yīng)力會(huì)大幅增加，成為蠕變破壞的源頭。過(guò)低的操作溫度則會(huì)引起材料韌性下降，允許的臨界裂紋尺寸減小，從而有可能導(dǎo)致脆性破壞。超溫超壓還會(huì)導(dǎo)致管道接頭泄漏。管道往往由于下列原因而產(chǎn)生交變載荷：1）間斷輸送介質(zhì)而對(duì)管道反復(fù)加壓和卸壓、升溫和降溫；2）運(yùn)行中壓力波動(dòng)較大；3）運(yùn)行中溫度發(fā)生周期性變化，使管壁產(chǎn)生反復(fù)性溫度應(yīng)力變化；4）因其它設(shè)備、支承的交變外力和受迫振動(dòng)。在反復(fù)交變載荷的作用下，管道將發(fā)生疲勞破壞。主要是金屬的低周疲勞，其特點(diǎn)是應(yīng)力較大而交變頻率較低。在幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)的地方和焊縫附近存在應(yīng)力集中，有可能達(dá)到和超過(guò)材料的屈服極限。這些應(yīng)力如果交變地加載和卸載，將使受力最大的晶粒產(chǎn)生塑性變形并逐漸發(fā)展為細(xì)微的裂紋。隨著應(yīng)力周期變化，裂紋也會(huì)逐步擴(kuò)展，最后導(dǎo)致破壞。交變載荷也會(huì)導(dǎo)致管道組成件和焊縫內(nèi)部原有缺陷的擴(kuò)大和管道連接接頭的泄漏。（B）設(shè)計(jì)、制造、施工存在缺陷，如管道柔性不符合要求，材料選用不當(dāng)或用材錯(cuò)誤，存在焊接或冶金超標(biāo)缺陷，焊接或組裝不合理造成應(yīng)力過(guò)大，管道支承系統(tǒng)不合理等；管道在投用前存在的原始缺陷會(huì)造成材料的低應(yīng)力脆斷。介質(zhì)和環(huán)境的侵害、操作不當(dāng)、維護(hù)不力等原因，往往會(huì)引起材料性能惡化、材料損傷或破裂，或使管道連接接頭發(fā)生介質(zhì)泄漏，最終使壓力管道失效，導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸和中毒、窒息等人身事故的發(fā)生。（C）維修失誤，管道上的嚴(yán)重缺陷或損傷未能被檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，或缺少科學(xué)評(píng)價(jià)，以及不合理的維修工藝造成新的缺陷和損傷等；（D）外來(lái)?yè)p傷造成破壞，如地震、大風(fēng)、洪水、雷擊和其它機(jī)械損傷和人為破壞等。壓力管道的破壞型式很多。按破壞時(shí)的宏觀變形量可分為韌性破壞（延性破壞）和脆性破壞兩大類。按破壞時(shí)材料的微觀斷裂機(jī)制可分為韌窩斷裂、解理斷裂、沿晶斷裂和疲勞斷裂等型式。通常，在現(xiàn)場(chǎng)采用宏觀分類和斷裂特征相結(jié)合的方法進(jìn)行分類，有韌性破壞、脆性破壞、腐蝕破壞、疲勞破壞、蠕變破壞等。（E）腐蝕破壞壓力管道的腐蝕是由于受到內(nèi)部介質(zhì)及外部環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)或電化學(xué)作用而發(fā)生的破壞。也包括機(jī)械等原因的共同作用結(jié)果。不合理的操作會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)濃度的變化，加劇腐蝕破壞。壓力管道的腐蝕破壞的形態(tài)有全面腐蝕、局部腐蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞和氫損傷等。其中應(yīng)力腐蝕往往在沒(méi)有先兆的情況下突然發(fā)生，故其危害性更大。1）全面腐蝕全面腐蝕也稱均勻腐蝕。是在管道較大面積上產(chǎn)生的程度基本相同的腐蝕。管道內(nèi)部表面主要遭受輸送腐蝕性介質(zhì)的腐蝕，而管道外部則主要遭受大氣銹蝕。管道的全面腐蝕往往因使用條件的惡化而加劇。腐蝕介質(zhì)的成分、含水量、氣相或液相的不同、流速和流動(dòng)狀態(tài)、顆粒大小都會(huì)影響管道腐蝕失效的程度。腐蝕介質(zhì)含量的超標(biāo)或原料性質(zhì)的劣化會(huì)對(duì)壓力管道產(chǎn)生危害。大氣腐蝕會(huì)使管道組成件外部遭受損壞，影響管道組成件的強(qiáng)度和密封性。如不及時(shí)維護(hù)，也會(huì)引起事故。2）局部腐蝕局部腐蝕是發(fā)生在管道材料局部位置的腐蝕現(xiàn)象。a）點(diǎn)腐蝕：集中在金屬表面?zhèn)€別小點(diǎn)上的深度較大的腐蝕，也稱孔蝕。奧氏體不銹鋼在接觸含氯離子或溴離子的介質(zhì)時(shí)最容易發(fā)生點(diǎn)腐蝕。b）縫隙腐蝕：當(dāng)管道輸送的介質(zhì)為電解質(zhì)溶液時(shí)，在管道內(nèi)表面的縫隙處，如法蘭墊片處、單面焊的未焊透處等，均會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕。縫隙腐蝕往往是由于縫隙內(nèi)和周圍溶液之間氧濃度或金屬離子濃度存在差異造成。c）奧氏體不銹鋼焊接接頭的腐蝕：①晶間腐蝕：晶間腐蝕是腐蝕局限在晶間和晶間附近，而晶粒本身腐蝕較小的一種腐蝕形態(tài)。腐蝕機(jī)理是“貧鉻理論”，即由于貧鉻的晶間區(qū)處于活化狀態(tài)，作為陽(yáng)極，它與晶粒之間形成腐蝕原電池，其結(jié)果將造成晶粒脫落或使材料機(jī)械強(qiáng)度降低。②δ鐵素體選擇性腐蝕：在某些強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中，奧氏體不銹鋼焊縫處的δ鐵素體相會(huì)被腐蝕或分解為σ相，結(jié)果呈海綿狀而使焊接接頭遭受破壞。③刀口腐蝕：用Ni及Ti穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼，在氧化性介質(zhì)中發(fā)生的刀口狀腐蝕。3）應(yīng)力腐蝕金屬材料在拉應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)的共同作用下發(fā)生的腐蝕稱為應(yīng)力腐蝕。主要由焊接、冷加工和安裝時(shí)的殘余應(yīng)力和管道內(nèi)部的腐蝕性介質(zhì)引起。應(yīng)力腐蝕的裂紋呈枯樹(shù)支狀，大體上沿垂直于拉應(yīng)力的方向發(fā)展。裂紋的微觀形態(tài)有穿晶型、晶間型和二者兼有的混合型。高強(qiáng)鋼管道在H2S含量超過(guò)一定值，并伴有水分時(shí)，會(huì)大大增加管壁應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的可能性。當(dāng)焊縫硬度值超過(guò)HB200，含H2S超標(biāo)時(shí)，極易導(dǎo)致焊縫的應(yīng)力腐蝕。①堿脆：是金屬在堿液中的應(yīng)力腐蝕。碳鋼、低合金鋼和不銹鋼等均可發(fā)生堿脆。②不銹鋼的氯離子腐蝕：氯離子對(duì)不銹鋼產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕。導(dǎo)致氯離子腐蝕的氯離子臨界濃度隨溫度上升而下降，高溫下，氯離子濃度只要達(dá)到10 ppm即可引起破裂。管道法蘭連接處的墊片、外部的保溫材料和支、吊架的墊層等材料中含氯離子的成分過(guò)高，也會(huì)導(dǎo)致氯離子腐蝕。③不銹鋼連多硫酸腐蝕：在石油煉制過(guò)程中，鋼材受硫化氫腐蝕生成硫化鐵，停車后管道內(nèi)部與空氣中的氧及水反應(yīng)生成多硫酸，在不銹鋼管道的殘余應(yīng)力較大處即會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。以加氫脫硫裝置為典型，不銹鋼連多硫酸的應(yīng)力腐蝕破壞最近引人注目。④硫化物應(yīng)力腐蝕：金屬在同時(shí)含硫化氫和水的介質(zhì)中發(fā)生的應(yīng)力腐蝕。碳鋼和低合金鋼在20～40℃溫度范圍內(nèi)對(duì)硫酸的敏感性最大。奧氏體不銹鋼的硫化物應(yīng)力腐蝕大多發(fā)生在高溫環(huán)境。在含硫化氫和水的介質(zhì)中，如同時(shí)含有醋酸，或二氧化碳和氯化鈉，或磷化氫，或砷、硒、碲的化合物或氯離子，都會(huì)對(duì)腐蝕起促進(jìn)作用。4）腐蝕疲勞腐蝕疲勞是交變應(yīng)力與化學(xué)介質(zhì)共同作用下發(fā)生的腐蝕開(kāi)裂。壓力管道的疲勞源有機(jī)械激振、流體喘振、交變熱應(yīng)力、壓力循環(huán)以及風(fēng)振、地震等。腐蝕疲勞裂紋往往有多條但無(wú)分支，這是與應(yīng)力腐蝕裂紋的區(qū)別。腐蝕疲勞裂紋一般是穿晶的。5）氫損傷氫滲透進(jìn)入金屬內(nèi)部造成金屬性能劣化稱為氫損傷。包括氫鼓泡、氫脆、脫碳和氫腐蝕。氫鼓泡主要發(fā)生在含濕硫化氫的介質(zhì)中，當(dāng)氫原子向鋼中滲透擴(kuò)散時(shí)，遇到了裂紋、分層、空隙、夾渣等缺陷就聚集起來(lái)合成氫分子，使體積膨脹。當(dāng)這些缺陷在鋼材表面時(shí)就會(huì)形成鼓泡。氫不論是以什么方式進(jìn)入鋼都會(huì)引起鋼材氫脆，使鋼材的延伸率、斷面收縮率顯著下降。高強(qiáng)度鋼表現(xiàn)更加嚴(yán)重。鋼中的滲碳體在高溫下與氫氣作用生成甲烷，反應(yīng)結(jié)果使鋼材表面層的滲碳體減少，使碳從鄰近的尚未反應(yīng)的金屬層逐漸擴(kuò)散到這一反應(yīng)區(qū)，于是有一定厚度的金屬因缺碳而變?yōu)殍F素體，出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象。脫碳的結(jié)果使鋼材的表面強(qiáng)度和疲勞極限降低。高溫高壓氫對(duì)鋼材作用的結(jié)果使其機(jī)械性能變劣，強(qiáng)度、韌性顯著降低，稱為氫腐蝕。在上述條件下，氫分子擴(kuò)散到鋼的表面并產(chǎn)生吸附，其中部分被吸附的氫分子分離為氫原子和氫離子，經(jīng)化學(xué)吸附，然后直徑很小的氫原（離）子透過(guò)表面層固溶到金屬內(nèi)。因溶入的氫原子通過(guò)晶格和晶界向鋼內(nèi)擴(kuò)散，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成甲烷聚集在晶界原有微觀空隙內(nèi)，反應(yīng)過(guò)程使該區(qū)域的碳濃度降低，促使其他位置上的碳向其擴(kuò)散補(bǔ)充，從而使甲烷量不斷增多形成局部壓力，最后發(fā)展為裂紋。聚集在鋼材表面的形成鼓泡，產(chǎn)生脫碳。（F）沖蝕破壞管道內(nèi)部介質(zhì)的長(zhǎng)期、高速流動(dòng)會(huì)使管道組成件內(nèi)壁減薄或密封副遭受破壞，影響其耐壓強(qiáng)度和密封性能。隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，由內(nèi)壁減薄造成的耐壓能力下降或密封副損壞而形成的泄漏便會(huì)成為事故的根源。八、壓力管道破壞特征由于管道破壞的起因和型式不同，所以破壞的特征也有所區(qū)別。（A）韌性破壞是材料不存在明顯的缺陷或脆化，而是由于超壓導(dǎo)致的破壞。其特征有：1）發(fā)生明顯變形，一般不產(chǎn)生
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