壓力管道常見故障型別與原因有哪些

1樓：中地數媒

壓力管道在設計、製造、安裝、執行、檢驗、維修等各個環節中，由於各種原因使得壓力管道發生故障，輕則導致壓力管道發生“失效”現象，使其不能發揮原有效能；重則發生事故，對企業和個人的生命財產安全帶來嚴重影響。因此為了保證壓力管道的安全運營，必須瞭解壓力管道的常見故障形式，對其進行經常性的安全監測。本部分僅介紹壓力管道主要組成部分的常見故障形式及其成因，關於壓力管道因故障而引起的洩漏、爆管等事故將在下一節中加以詳細論述。

管子與管件的故障形式與成因

作為壓力管道的主要組成件，管子與管件對壓力管道的安全執行非常關鍵。它們的主要故障形式包括變形、位移、振動、管壁嚴重減薄、裂紋以及焊接缺陷等，這些故障將使得管道受損，嚴重時將引發洩漏、爆管、斷裂等各種事故，因此必須對管子與管件的故障進行有效檢查與監控。

(1)管子與管件的故障形式。

①變形。壓力管道在安裝、施工及長期使用過程中，由於外力、地質災害等原因而使得管道發生撓曲、下沉，或者使得管道與管道、管道與相鄰裝置之間相互碰撞摩擦，而導致管子發生塌陷、鼓脹等異常變形情況，嚴重時可以影響管道的正常安全執行。管子及管件的嚴重變形可以通過巨集觀檢查發現，也可通過管道變形檢測器等裝置進行檢測。

②位移。這裡所說的位移是指可能對管道安全產生不利影響的較大位移。管道發生較大位移時，可能會影響到相鄰管道，或受相鄰建築構件的影響而導致管道熱位移受阻，或對敏感裝置產生較大的附加外力，等等。

例如管架上的管道因發生較大的橫向位移而影響到相鄰管道；管架上的管道發生較大的軸向位移而導致管託滑落橫樑；臨近樑柱的管子，因較大的橫向位移受到樑柱的阻礙而導致管子熱位移受阻，或導致熱膨脹轉移到另一端的支架或裝置上；與敏感裝置相連的管道，因較大的位移而引起管子對裝置的管道附加應力超標，從而引起相應裝置不能正常工作或損壞。

③機械振動。所謂的機械振動，是指物體在其平衡(或平均)位置附近來回往復的運動。在石油化工裝置中，除往復式壓縮機和往復泵的進出口管道存在機械振動外，還時常碰到下列一些管道的機械振動，即兩相流介質呈柱塞流時引起的管道振動；因介質水錘效應引起的管道振動；介質因發生渦流而激發的管道振動；離心機械因動平衡不好引起的管道振動；風載荷引起的管道振動；**載荷引起的管道振動；等等。

這些管道振動有一個共同特點，即它們都不是正常操作工況下必然出現的機械振動，而是由於設計不當，或者操作不當，或者因自然因素而引起的機械振動，這些振動在工程上都是有害的，可能影響到管道和相關機器的正常執行，嚴重時會造成介質洩漏，甚至導致管道的疲勞破壞，造成火災等重大事故。必須採取相應的措施以避免可能因振動而帶來的破壞。

④管壁嚴重減薄。壓力管道內部介質的長期、高速流動將會使管子與管件的內壁減薄或者使密封副遭受破壞，影響其耐壓強度和密封效能。同時，如果管道的防腐層遭受破壞，那麼易發生因介質的全面作用引發的均勻腐蝕，從而使管道壁厚隨使用時間的延長而不斷地減薄，此外，還可能因防腐層的區域性破壞而導致管道區域性腐蝕的發生，這將加劇管子的腐蝕速率，嚴重影響管道的使用壽命。

當管道壁厚減薄到一定值時，會使管道難以承受所負的載荷，即管道會因強度不夠而發生破壞。

⑤裂紋。壓力管道在執行中遭受疲勞、應力腐蝕、氫腐蝕、動載荷等作用時，經過一段時間後，會萌生微裂紋，微裂紋進而擴充套件為巨集觀裂紋。裂紋是壓力管道的嚴重缺陷之一。

一旦裂紋快速擴充套件，如不採取有力措施就可能發生爆管事故，進而引起一系列的嚴重後果。產生裂紋的主要原因包括如下幾種情況，一是管道在軋製、焊接殘餘應力產生的裂紋；二是管道在使用中因疲勞、腐蝕、振動產生的裂紋；三是管道壓力、溫度頻繁波動而導致的裂紋。在役壓力管道出現裂紋後，一般不必立即判廢，通常可以對裂紋的擴充套件及其最終斷裂條件進行評價，從而計算出其剩餘壽命。

在剩餘壽命內，管道是安全的。

⑥焊接缺陷。管子及管件焊縫外觀質量超標，主要表現在焊縫金屬超高、未焊透、咬邊、焊瘤、母材上有飛濺物(尤其是合金母材)等。焊縫的這些缺陷都會影響到焊接接頭的效能，進而危及管道的安全性。

(2)管子與管件的故障成因。壓力管道的管子與管件等部件發生故障的原因有很多，將其進行分析歸納，可以劃分為以下幾類：

①機械損傷。機械損傷主要包括蠕變、疲勞與外來損傷三種形式。如第五章所述，蠕變就是金屬材料長期在高溫和應力的長期作用下發生的緩慢塑性變形現象。

金屬材料在蠕變過程中，晶界處會逐漸形成圓形或楔形空洞，並因空洞的長大和相互連線而形成沿晶的蠕變微裂紋，巨集觀上則顯示出金屬材料的過渡變形。由於壓力溫度異常脈動等因素的影響，而導致管壁應力值的增加或材料力學效能的下降，成為蠕變破壞的源頭。在高溫和應力的作用下，金屬材料發生蠕變是絕對的。

但蠕變對管子的破壞是一個緩慢而長期的過程，在管道的預期使用壽命後期其破壞作用才會逐漸顯現出來。

如果管道長期承受大小和方向都隨時間而發生週期變化的交變載荷，將形成疲勞裂紋核心，逐漸擴充套件最後導致管道發生斷裂等事故。管子產生交變載荷主要有以下幾種原因：一是間斷輸送介質而對管道反覆加壓和卸壓、升溫和降溫；二是執行中壓力波動較大；三是執行中溫度發生週期性變化，使管壁產生反覆性溫度應力變化；四是因其他裝置、支承的交變外力和受迫振動。

在反覆交變載荷的作用下，管子幾何結構不連續的部位和焊縫附近存在應力集中，有可能達到和超過材料的屈服極限。這些應力如果交變地載入和解除安裝，將使受力最大的晶粒產生塑性變形並逐漸發展為微裂紋。隨著應力週期變化，微裂紋也會逐步擴充套件，最後導致破壞。

外來損傷也會給管子與管件帶來嚴重影響，如**、大風、洪水、雷擊等自然災害將導致管道的機械損傷，而人為的機械損傷，如管鉗的壓痕等將可能加劇管道發生腐蝕等損傷，而人為的破壞則更是促使管道發生洩漏、爆管等嚴重事故的原因之一。

②腐蝕。壓力容器可能因腐蝕而發生破壞，而腐蝕也是使管道發生破壞的重要原因之一。管道的腐蝕是指管子在內部介質、外部環境以及應力的作用下，發生化學或電化學反應，使管子產生退化或失效的現象。

有時不合理的操作會導致介質濃度的變化，加劇腐蝕破壞。不斷的腐蝕將會使管子壁厚嚴重減薄，甚至發生破裂。根據壓力管道腐蝕發生的部位，可以分為外腐蝕與內腐蝕。

根據腐蝕的危害程度，還將管道腐蝕分為全面腐蝕(均勻腐蝕)、區域性腐蝕(孔蝕)、應力腐蝕等幾種情況。其中應力腐蝕往往在沒有先兆的情況下突然發生，因此其危害性更大。

應力腐蝕裂紋及斷裂是管道在拉應力和腐蝕性介質共同作用下發生的破壞，它既可發生於生產過程中，也可能發生於使用之前，甚至出現在管材加工成型期間，這是管道腐蝕的主要原因之一。應力腐蝕裂紋多發生於管道的縱焊縫、環焊縫等處，常伴有嚴重的孔蝕及其他一般性腐蝕。產生應力腐蝕除介質的因素外，應力集中的存在則是主要的原因。

應力包括直管或彎管在製造時因矯直加工硬化和彎制過程中產生的殘餘應力、安裝不良引起的結構應力、焊接過程中因熱分佈不均勻而產生的焊縫應力。大量統計表明，加工和焊縫殘餘應力引起的事故佔管道應力腐蝕事故總數的80％以上。從實際執行看，細管易發生應力腐蝕破壞，而粗管反而不易破裂，這可能是因為細管變形後產生的殘餘應力一般比相同情況下的粗管要大的緣故。

③設計與材料選擇不合理。壓力管道的設計不合理，在製造、施工過程中存在的缺陷，如管道柔性不符合要求，材料選用不當或含有原始缺陷，焊接不當或冶金超標等，都可能引起材料效能惡化、損傷或破裂，在管道的某些區域性可能產生很大的應力，將可能導致管子發生低應力脆斷，最終促使壓力管道失效，引發嚴重事故。

④操作和維修失誤。壓力管道違反操作規程執行，將致使其實際工況條件惡化，包括超壓、超溫、腐蝕性介質超標、壓力溫度異常脈動等；低的操作溫度則會引起材料的韌性下降，允許的臨界裂紋尺寸減小，從而有可能導致管道脆性破壞，超溫超壓還會導致管道接頭洩漏。管道上的嚴重缺陷或損傷未能被檢測發現，或缺少科學評價，以及不合理的維修工藝造成新的缺陷和損傷等，都將可能促使壓力管道發生故障，導致事故的發生。

以上四種原因可能單獨作用，也可能共同發生作用，從而使得管道發生故障。此外，還可能有一些目前尚無法查明的未知原因，將使得管子與管件發生故障，這在實際工程特別需要注意防範。

法蘭與閥門的故障形式與成因

法蘭與閥門是壓力管道的重要組成件，其完好程度對於壓力管道的安全執行也具有十分重要的意義。

對法蘭來說，其故障形式主要為：在高溫下的應力鬆弛，使法蘭偏口、法蘭面發生異常翹曲或變形；連線螺栓等緊韌體不齊全，或者緊韌體發生鬆動或腐蝕現象，都可能導致法蘭失效，管道發生洩漏。

(1)對於閥門來說，故障之一為閥門不通。原因主要包括：控制通道被雜物堵塞(通道細小，容易堵塞)；活塞因鏽漬卡在最高位置，雖上部受力，但不能向下移動，打不開主通道。

(2)故障之二為閥門直通，不起減壓作用。原因有：活塞在某一位置(不是最高位置)卡住；主閥閥柄在導向孔某一位置(不是密合位置)卡住；主閥閥瓣下部彈簧斷裂或失效；脈衝閥閥柄在閥座孔內某一位置(不是密合位置)卡住，使之總是受壓；主閥瓣與主閥座兩密封面之間，有汙物卡住或有刻痕；膜片因疲勞或損壞而失靈。

(3)故障之三為閥後壓力不能調節。其原因除了上述因素之外，還可能包括：調節彈簧失靈；帽蓋接縫洩漏，不能保持壓力。

除了以上三種故障，還有一種現象，就是閥後壓力脈衝波動，極不穩定。這是輸入介質與輸出介質差量太大之故，應重新選擇閥徑相當的閥門。還有一個造成閥後壓力不穩的原因是，調節彈簧選擇不當。

支吊架的故障形式與成因

支吊架是壓力管道的主要支撐裝置，其主要故障如下所述。

(1)彈簧支吊架的工作高度與設計值不符。即管道的實際位移與理論計算位移有差異。這可能是因為管道周圍存在阻礙管道自由熱膨脹的情況；或者管道設計時發生計算錯誤；

(2)承重支架脫空。這種情況經常出現在泵的進出口管道段、沿塔敷設管道的水平段等位置。當生產過程中溫升發生變化時，裝置自身會產生一定的位移，從而帶動管道位移而導致承重支架脫空；

(3)導向支架的卡死或損壞。當導向支架遭受到管子的較大橫向位移時，會導致導向支架卡死或損壞；

(4)管託滑落。如果施工時將管託滑板長度做得太短，或設計時所考慮的管道軸向位移過小，都可能導致管託從支撐樑上滑落下來，使管子在裝置停車時不能復位，從而造成管子或承撐樑的破壞。

安全附件的故障形式與成因

安全附件也是壓力管道不可或缺的元件，主要包括壓力錶、安全閥和爆破片等，它們在緊急情況下對壓力管道裝置起保護作用。

(1)壓力錶的故障一般為：指示失靈、刻度不清、錶盤玻璃破裂、洩壓後指標不回零位、表內彈簧管洩漏或壓力錶指標鬆動、指標斷裂或外殼腐蝕嚴重等。

(2)安全閥的主要故障是：鉛封損壞、發生鏽蝕，或者已經過了合格的校驗期。

(3)爆破片的主要故障則包括：安裝方向發生錯誤，或者爆破壓力和溫度不符合執行要求及其他異常情況。

安全附件的故障主要是因為儀表選擇不當、使用時間過長或者是執行時的工況條件十分惡劣而導致的。

此外，為了確保安全生產和減輕操作人員的勞動強度，現代的化工裝置中多已進行了自動控制系統的應用，或對原有的化工裝置進行了自動控制改造，使用了很多，如各種感測器、自動控制元器件，通過遠端終端進行顯示，這些感測器和控制元件也可能在使用一段時間後發生失效或顯示資料不準，其原因是多種多樣的，部分原因可能與前次檢測裝置有關，但大多數則可能與各種生產和環境因素有關，由於篇幅限制，有關問題需要通過專業的書籍進行學習瞭解。

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