管材失效风险因素分析.doc

管材失效风险因素分析天然气管道输送压力高、钢材等级高、管径大，如我国正在建设的西气东输二线，其输送压力达到了12MPa，管径达到了1219mm，所采用的钢材等级为x80。管道一般以埋地敷设方式。所以引发天然气管道事故的主要危险、有害因素表现为：管道应力腐蚀开裂、腐蚀穿孔、管材缺陷或焊口缺陷等。一、应力腐蚀开裂较高的压力使管道面临应力开裂危险。应力开裂是金属管道在固定拉应力和特定介质的共同作用下引起的，对管道具有很大的破坏性。管道应力腐蚀开裂的特征见表2-6。表2-6管道应力腐蚀破坏特征因素特征发生地区与特定的地面条件有关。65%发生在压气站和下游第一阀室之间，12%发生在第一和第二阀室之间，5%发生在第二和第三阀室之间，3%发生在第三阀室下游与温度关系较冷气候带明显多发。与管道温度既明显关系与电解质关系中性pH值的稀碳酸盐溶液，其值在5.57.5之间电化学电势腐蚀电势，阴极保护不能达到的地点裂纹的路径和形状穿透颗粒(横过钢颗粒)，宽裂纹带边壁有明显腐蚀环境因素、材料因素、拉应力，其单方面或三方面都能引发管道的物理应力开裂。1.环境因素环境温度、湿度、土壤类型、地形、土壤电导率、C02及水含量等对应力腐蚀将造成峥定的影响。黏结性差的防腐层以及防腐层剥离区，易产生应力腐蚀破裂。2.材料因素应力腐蚀开裂与管材制造方法(如焊接方法)、管材种类及成分、管材杂质禽虽(大于200250m的非金属杂质的存在会加速裂纹的形成)、钢材强度及钢材塑性变形特点有关。管道表面条件也对裂纹的产生起着重要作用。3.拉应力主要包括制造应力、工作应力、操作应力、循环负荷、拉伸速率、次级负载等。二、CO2腐蚀失效如果所输天然气组分中CO2含量高，在管输压力下，CO2分压有可能接近发生CO2电化学腐蚀的临界值，同时，CO2为弱酸性气体，它溶于水后形成H2CO3，对金属有一定的腐蚀性。CO2腐蚀与管输压力、温度、湿度等有关，随着系统压力的增加，而导致腐蚀的速度加快。1.CO2腐蚀的危害形态(1)不均匀的全面腐蚀与点蚀C02引起的腐蚀常常是一种类似溃疡状的不均匀全面腐蚀，严重时可能呈蜂窝状。在金属表面形成许多大小、形状不同的蚀坑、沟槽等。几乎所有的合金在CO2环境中都可以发生点蚀，其点蚀坑周边锐利、界面清晰，可在较短的时间内完全穿透管壁。(2)冲蚀管子截面变化部位和收缩节流部位的介质流速增高，C02腐蚀加剧，如果气流速度增加3.7倍时，则其腐蚀速度增加5倍。(3)应力腐蚀破裂在碱性介质中，C02及碳酸盐可造成碳钢的应力腐蚀破裂。氧的存在会加剧这种破裂发生的可能。2.CO2腐蚀的影响因素(1)材料因素合金元素对材料的耐CO2腐蚀性能影响很大。有实验证明，Cr、Co能提高材料的耐C02腐蚀性能；C、Cu使材料的耐CO2腐蚀性能下降；Mo的影响不大；Ni含量小于5%时有害，含量大于5%时，可显著提高材料的耐蚀性能。(2)CO2的分压及水的组成CO2的分压对腐蚀速度影响最大，分压越大，溶入介质中的C02越多，溶液的pH下降，金属的腐蚀速度越大。某些溶解物质对水具有缓冲作用，可阻止pH值降低，进而减少CO2的腐蚀。(3)温度的影响温度是影响CO2腐蚀的重要因素。温度小于60时均匀腐蚀，其腐蚀速度受CO2扩散并进而生成H2CO3速度的控制，当温度升高时，CO2的腐蚀速度急剧增加。(4)介质的pH值与流速的影响当介质的pH值升高时，C02的腐蚀性减弱；当介质的流速增高时，CO2的腐蚀速度加剧。三、管道腐蚀穿孔管道腐蚀穿孔分为内腐蚀穿孔和外腐蚀穿孔。内腐蚀主要是由于酸性气体(如H2S、CO2等)与天然气中的水结合，形成酸性物质从而对管道内壁形成腐蚀。外腐蚀主要是由于埋地钢质管道的防腐层，在实际工作中防腐质量不能完全保证、管道施工可能造成防腐层机械损伤以及地质灾害等因素可能造成防腐层破坏，导致管道腐蚀，引发事故。1994年7月23日，加拿大管道公司一条直径914mm(壁厚9.14mm、管材x65)的输气管道在东部安大略省Lafeliford附近爆裂起火，大约20m长的管道飞出地面，炸出了一个宽16m、长36m、深24m的大坑。通过对断白处管材金相检查看出，由于外腐蚀使管壁过度变薄，造成管材剪切-延性超负荷断裂。引发爆裂的一大片外腐蚀区，长约1440mm、宽约1210mm，约70%的管壁厚度已被腐蚀。四、管道建设施工隐患材料缺陷或焊口缺陷这类事故多因焊缝或管道母材中的缺陷在带压输送中引起管道破裂。长输管道施工中如组对不够精细、焊接工艺欠佳，使得焊口质量难以达到预想的目标；如焊缝内部应力较大，材质不够密实、均匀等，因而使其性能潜力未得到充分发挥(甚至未达到设计的使用年限)。管道运行中，受到频繁的温度波动、振动等作用，其焊缝处稍有细微之缺陷，易于引发裂纹。另外，管道的施工温度与输气温度之间存在一定的温度差，造成管道沿其轴向产生热应力，这一热应力因约束力变小从而产生热变形，弯头内弧向里凹，形成折皱，外弧曲率变大，管壁因拉伸变薄，也会形成破裂。由于管道建设呈现出施工区域广、地形复杂的特点，所经地区有平原、水网、沙漠、沼泽地及山地等。从施工角度来讲，地形越复杂，焊接施工的难度越大，因此也更易出现各类焊接缺陷。常见焊缝缺陷类型为未熔合、夹渣、未焊透、裂纹和气孔等。表2-7列出了国内某管道建设中抽查的约2000道焊口中出现的焊接缺陷统计分析结果。表2-7几种常见焊缝缺陷的出现概率未熔合夹渣未焊透裂纹气孔其他262119151361.未熔合未熔合是指焊道与母材之间或焊道与焊道之间，未能完全熔化结合的部分。分为根部未熔合、层间未熔合、坡口未熔合三种，其中根部未熔合出现概率较大。未熔合属于面状缺陷，易造成应力集中，危害性仅次于焊接裂纹。产生原因主要是由于焊接电流过小、焊速过快，热量不够或者焊条偏离坡口一侧，使母材或先焊的焊道未得到充分熔化金属覆盖而造成；此外，母材坡口或先焊焊道表面有锈，氧化铁、熔渣及污物等未清除干净，焊接时温度不够，未能将其熔化而盖上了熔化金属亦可造成；起焊温度低，先焊的焊道开始端未熔化。焊条摆动幅度太窄等也是造成未熔合缺陷的一个原因。2.夹渣夹渣是指焊接熔渣残留于焊缝金属中的现象，是较为常见的缺陷之一，产生位置具有不确定性。夹渣的产生原因主要是操作技术不良，使熔池中熔渣在熔池冷却凝固前未能及时浮出而存在于焊缝中。层间清渣不彻底，焊接电流过小是产生夹渣的主要原因。3.未焊透未焊透是指焊接时，接头根部未完全熔透的现象，通常长度较长。未焊透产生的原因主要是组对时局部对口间隙过小、焊接电流过小，造成输入热量不足，电弧未能完全穿透，易形成未焊透缺陷；此外，个别位置错边量较大，电弧只熔合了较高一侧的母材，较低一侧因电弧吹不到也易产生未焊透缺陷。4.裂纹裂纹是指在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，金属材料的原子结合遭到破坏，形成新界面而产生的缝隙。裂纹是焊接接头中最危险的缺陷，也是长输管道焊接中经常遇到的问题。管道的焊接裂纹常见类型及影响因素见表2-8。表2-8管道焊接裂纹常见类型与主要原因及影响因素序号裂纹类型主要原因及影响因素1焊接热裂纹此裂纹系在焊缝金属凝固或高温时形成。裂纹大都在焊缝金属内沿着树枝状结晶的交接处，且呈晶间断裂。由于焊接是不均匀加热和冷却过程，所以熔池在结晶中必然受到拉应力。先结晶的金属比较纯，后结晶的杂质较多，且这些杂质往往会形成一些熔点低的共晶物，在熔池金属结晶过程中，低熔点共晶物常被排挤在晶界形成一种“晶间薄膜”，结果在晶界形成一个性能极差的薄弱地带，在拉应力的作用下，便形成热裂纹。钢材及焊缝处的化学成分(主要是S、P、C、Si、Mn等元素的含量)是影响热裂倾向的主要因素2焊接冷裂纹此裂纹多发生在热影响区或熔合线处。多层焊时产生在焊缝上。通常在焊后冷却过程中马氏体转变点附近或200300以下的温度区间发生。主要受钢的淬硬倾向、焊接接头中的扩散氢含量与拘束应力的影响。热影响区中氢的浓度足够高时，能使热影响区的马氏体进一步脆化，此时易形成焊道下冷裂纹，氢的浓度稍低时，仅在有应力集中的部位出现。宏观上看冷裂纹有纵向的和横向(相对于焊缝)的。其微观走向有穿晶型、晶间型，也有穿晶和晶间混合型。若裂纹未在焊后立即出现，又称为延迟裂纹，其危害性更大3再热裂纹再热裂纹总是在焊后熏新受到一定的较高温度时产生，一般发生在焊接接头热影响区的融合线附近的粗晶中。起始点是接头表面的焊趾部位等应力集中处，在粗晶区中发展至热影响区的细晶区停止。裂纹有明显的曲折与分叉。它的产生原因与高温应力松弛(高处变形超过金属变形能力时易产生)及合金碳化物所处状态(片状、条状碳化物析出晶界不利)关。它主要受钢材与焊缝中的合金元素及焊接残余应力的影响。如Cr、Mo、V、Nb、Ti等元素，均会增加钢的再热裂纹敏感性4层状撕裂裂纹此裂纹系低温开裂且均产生于热影响区。其原因主要是在轧制钢板(用于焊制管道)或拔制钢管中存在硫化物、氧化物和硅酸盐等非金属夹杂物，其中尤以硫化物的作用为主。这些夹杂物在轧制过程中被延展成片状，分布在与钢板或钢管表面平行的各层中，其变形能力极差，使金属在厚度方向上的力学性能，特别是断面收缩率严重下降。在垂直于厚度方向的焊接拉应力作用下，该夹杂处首先开裂并扩展。夹杂物会影响氢从钢中的析出，使层状撕裂倾向加剧裂纹不仅返修困难；而且直接给管线正常运行带来严重隐患。对于x65、x70等一些强度级别较高的管线钢，焊接裂纹缺陷出现的概率大大增加。特别是在山地段施工以及连头等应力集中的焊接处，焊接裂纹时有发生。裂纹产生的原因有如下几种：(1)管线焊接或下沟过程中吊管机起吊过早或多次重复起吊，使焊缝底部频繁受到拉力作用，造成焊缝开裂。(2)底部间隙过大，造成根焊层底部局部过薄，在随后的打磨、起吊过程中造成焊缝开裂。(3)个别位置泥土松软，造成钢管支墩不稳固，在焊接过程中钢管逐渐下沉，使焊缝受外力作用开裂。(4)根焊层底部个别位置可能存在气孔或夹渣、凹坑等小缺陷，造成局部应力集中，沿缺陷部位发生开裂形成裂纹。(5)焊接作业坑不合适，焊工在底部操作时不方便，造成焊缝质量较差，留下隐患。(6)山地段施工以及连头等拘束应力较大的场合施工时，由于组对应力过大，焊接时在熔池冷却过程中焊缝由于拘束应力的作用发生开裂。(7)对口时偏差超过标准和焊接咬边也是裂纹产生的原因。第 9 页 共 9 页