冶金業(yè)管道失效防范策略

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1失效案例一

某鋼廠氧氣管道，經(jīng)設(shè)計(jì)、安裝后于2007年10月投入運(yùn)行。該管道直管段材質(zhì)為20鋼，彎管段材質(zhì)為25鋼，管道最高操作壓力為1.9MPa，操作溫度為常溫，管道規(guī)格覫219×6mm。2008年5月，發(fā)現(xiàn)該管道在水平∏型管道的某一彎頭焊縫處（）發(fā)生破裂，造成管道氧氣泄漏。由于發(fā)現(xiàn)及時(shí)并采取補(bǔ)救措施，避免了事故的進(jìn)一步發(fā)生。

1.1管道失效分析先對(duì)失效管道作材料的化學(xué)成分和斷口形貌分析，然后再進(jìn)一步作失效原因綜合分析。

1.1.1取樣材料的化學(xué)成分

對(duì)管道取樣材料進(jìn)行了化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)表1分析結(jié)果可以確認(rèn)，取樣管道材料直管段為20碳素鋼，彎管段材料為25碳素鋼，與原設(shè)計(jì)的材料牌號(hào)相符。

1.1.2取樣材料的宏觀形貌

1.1.2.1焊縫成型宏觀形貌

本次現(xiàn)場(chǎng)取樣試樣共兩塊

其中一塊試樣（試樣1）含有斷口，另一塊（試樣2）為相鄰斷口的試樣。為試樣1的內(nèi)壁表面狀況及焊縫成型情況。從中可以觀察到管道內(nèi)壁焊縫根部外形不連續(xù)，成型較差，局部有焊瘤，焊縫余高超標(biāo)。（c）為試樣2內(nèi)壁焊縫質(zhì)量情況，可以看到焊縫余高較高，且焊縫存在不連續(xù)，局部區(qū)域存在錯(cuò)邊及根部未焊透缺陷。值得注意的是緊靠斷口內(nèi)壁焊縫成型表面呈自由表面特征，說(shuō)明此處為斷弧地方，內(nèi)壁的余高引起該處較大的應(yīng)力集中。綜上所述，該焊縫內(nèi)表面成型較差，且根部存在局部未焊透超標(biāo)缺陷。

1.1.2.2試樣斷口的宏觀形貌

下方為本次管道斷裂斷口的全貌，整個(gè)斷口較為平坦，焊縫區(qū)域斷口上具有較為明顯的放射狀條紋，最左側(cè)下方呈纖維狀特征。該部位的斷口較為新鮮，說(shuō)明為最終斷裂區(qū)域。斷口上沒(méi)有腐蝕特征，從整個(gè)斷口形貌及放射狀條紋可以判斷裂紋起裂部位在內(nèi)壁焊縫根部區(qū)域。為起裂區(qū)域的放大照片，從中可以看出起裂部位存在焊縫疏松及未焊透缺陷，內(nèi)壁根部焊縫余高呈自由表面特征，說(shuō)明該部位在施焊過(guò)程中是斷弧部位，造成焊縫外形不連續(xù)，引起應(yīng)力集中。圍繞裂源部位擴(kuò)展的半圓弧狀條紋，說(shuō)明裂紋擴(kuò)展呈鈍化再鈍化過(guò)程，具有疲勞擴(kuò)展特征。綜上所述，從試樣斷口的宏觀形貌分析，該斷口明顯呈脆性疲勞斷口特征。說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)該區(qū)域的管道存在振動(dòng)情況（經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，該管段存在劇烈振動(dòng)情況）。

1.2失效原因綜合分析

（1）該管道化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。（2）根據(jù)取樣材料焊縫宏觀檢查，該管道環(huán)焊縫（內(nèi)壁）成型較差，焊縫余高超標(biāo)。同時(shí)存在焊縫根部未焊透、疏松夾雜等超標(biāo)缺陷，焊縫外觀不連續(xù)，因此該焊縫存在安裝遺留的超標(biāo)缺陷,且裂紋源產(chǎn)生于安裝時(shí)的根部未焊透處。（3）可以確認(rèn)，本次造成管道破裂的原因是焊縫根部疏松和未焊透，在運(yùn)行過(guò)程中由于管道異常振動(dòng)，引發(fā)疲勞裂紋擴(kuò)展直至最終造成管道破裂。

2失效案例二

某鋼廠中壓主蒸汽管道，2009年，在運(yùn)行過(guò)程中一處焊接接頭發(fā)生斷裂，斷裂時(shí)伴有巨大的響聲，管道完全斷開(kāi)，并有較大變形，斷裂處附近支架亦損壞。該管道規(guī)格為覫219×8mm，工作壓力1.7MPa，工作溫度492℃，管道材料12CrMoVG。斷口處位于一個(gè)三通與直管的對(duì)接焊縫上，此三通是連接疏水閥的。

2.1管道失效分析

2.1.1宏觀檢查

焊口拉斷后，二斷口間距較大，見(jiàn)，說(shuō)明此焊口焊接時(shí)拘束應(yīng)力較大。

2.1.2斷口的宏觀形貌

從斷口處可以看到有整圈未焊透缺陷，未焊透深度約1～4mm，見(jiàn)。因?yàn)榇撕缚谑枪潭ê缚?，說(shuō)明焊接時(shí)坡口型式、尺寸和間隙不合理。

2.2失效原因綜合分析

（1）該焊口存在深度為1～4mm的整圈未焊透缺陷；（2）該焊口為固定焊口，焊接應(yīng)力較大；（3）在疏水閥附近，管道運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，增加了管道的負(fù)荷，造成管道異常振動(dòng)；（4）可以確認(rèn)，本次造成管道破裂的原因是焊縫存在嚴(yán)重的未焊透缺陷，同時(shí)在應(yīng)力和異常振動(dòng)的作用下，促使了裂紋在此形核和發(fā)展，直至管道破裂。

3失效案例三

某鋼廠一條高壓氧氣管道，管道規(guī)格覫480×10mm，材質(zhì)1Cr18Ni9，工作壓力為3.0MPa，工作溫度為常溫，投入運(yùn)營(yíng)時(shí)間為1997年1月。該管道架空敷設(shè)，架空高度6m，周?chē)h(huán)境噪聲較大。在對(duì)該管道進(jìn)行全面檢驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)該管道進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)算，確定出應(yīng)力值較大的位置，從而有針對(duì)性地對(duì)這些位置進(jìn)行宏觀檢查。宏觀檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，管體有一處穿透性裂紋，裂紋位于高頸法蘭與管道連接處，開(kāi)裂方向垂直于管道軸線，開(kāi)裂長(zhǎng)度約200mm，裂紋開(kāi)口較大，斷面發(fā)黑，可見(jiàn)大量分叉紋路，缺陷外觀形貌。

3.1管道失效分析

3.1.1微觀形貌

起裂源位于法蘭母材，距焊縫熔合區(qū)約5mm，裂紋分支眾多，基本上沿晶分布，也有部分穿晶，與奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂形態(tài)一致，且該部位為應(yīng)力值較大區(qū)域。

3.1.2腐蝕產(chǎn)物

對(duì)開(kāi)裂處進(jìn)行了腐蝕產(chǎn)物分析，發(fā)現(xiàn)晶界及沿晶斷口處含有S、Cl等元素。

3.2失效原因綜合分析

（1）法蘭頸部存在原始制造缺陷；（2）該處應(yīng)力載荷較大；（3）可以確認(rèn)，本次管道開(kāi)裂的原因是法蘭頸部存在原始制造缺陷，在管道的荷載以及大氣中的水汽腐蝕作用的共同影響下，缺陷擴(kuò)展直至穿透整個(gè)管壁，造成管道泄漏。

4預(yù)防措施

為保證管道的安全運(yùn)行，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）在壓力管道安裝中，對(duì)焊接質(zhì)量及無(wú)損檢測(cè)嚴(yán)格把關(guān)，避免焊縫中存在未焊透等超標(biāo)缺陷；（2）在壓力管道安裝中，嚴(yán)格把好法蘭等管件的產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)；（3）從長(zhǎng)期安全運(yùn)行方面考慮，在全面檢驗(yàn)中，應(yīng)對(duì)管線進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算，并對(duì)應(yīng)力載荷較大的部位進(jìn)行重點(diǎn)檢查；（4）對(duì)管道存在異常振動(dòng)的部位，尋找異常振動(dòng)的原因，并采取有效的消振措施。