理化检验物理分册综述电站和化工厂压力容器与管道的失效模式及防御措施谢里阳林文强东北大学机械工程与自动化学院沈阳0006器与管适的失效原因及相关的防御措施进行了综合评述主词管道压力容器失效模式防御措施，对压力容1引言核电站和化工厂等都有大量的压力容器和管道元件由于不同压力容器和管道元件的材料设计准则工作环境与介质等的不同，因此压力容器和管道玉力界器和管道的尖效大都可以辨识其特定的失效机理与失效原因。然而，由于失效原因多种多样，若想根据运行经验估算压力容器和管道的失效概率是十分困难的。事实上，如果用传统的方法对压力容器和管道的失效概率进行预测，仅凭在较大范围内收集的失效数据进行失效原因概率估计，很可能导致错误的结果1！以管道为例，在管道的服役时间传输介质地理环境管道材料制造工艺甚至管道尺寸方面的差异都可能导致失效概率的明显改变对于具体的工程实际问，有关失效原因失效机理影响因素等方面的详细分析都有助于正确解释失效数据，也有助于制订防止失效的有效措施相应的防御措施2影响压力容器和管道性能的因素在叙述吒力界器和管道的备种失效模式之前，先概括厂在进行失效分析时须区分的诸因素管道尺寸影响大直径管道失效的因素与影响小直径管道失效的因素有明显的不同管道的几何特征焊缝法兰弯管台肩以及直管段的数量大部分管道失效发生于焊缝而不是基体材料，发生于弯管段而不是直管段内部和外部运行环境及载荷因素如压乃温度流速振动。介质等和操作载荷因素，例如循环性的瞬态现象低负荷痛负荷转换等。

　　材料因素不同材料山于具仃不同抵抗外力环境介质的能力，遂可能造成不同的失效机里5效模式和泄漏尺寸初期失效性能退化失效完全失效，产生裂纹泄漏包括具体泄漏尺寸咸断裂，失效机理如腐蚀失效疲劳失效脆化失效等。

　　主要影响因素如设计操作程序和环垃等此研宄工作由国家重点基础研宄专项经费资助19990650 3压力容器和管道的失效原因及防御措施根据英国健康与安全机构的份关于化工企业管道失效的综合评估资料2，操作错误是导致管道失效的*直接原因占全部己知失效原因的30.9压力过和腐蚀是另外两个重要的导致管道失效的直接原因分别占全部己知失效原因的20.观和15.脱还有两个与人有关的因素是人为的破坏占全部己知失效原因的5.，和对设备根据文献3的研究，化工厂中*主要的失效原因是机械失效，这类失效往往是由于维修的问第大失效原因圮操作错误在较严1的火效事例中大都是管道系统的失效，其次是贮罐和反应堆就管道失效的潜在原因而言，维护和设计是两大主要原因分别占38.观和26.热研宄结果明，约有9的失效事件是可通过管理措施加以控制和预防的根据文献的研究结果6，本文将常3.1腐蚀。磨蚀与应力腐蚀开裂腐蚀或与应力共同作用导致的失效是化工厂及核电站的管道和容器的主要失效模式腐蚀是材料在环境作，的性能退化现象住何村料的性能都会随时间而退化，然而通过材料选择结构设计及环境控制可有效地延缓村料性能退化过程般来说，以厂措施有助于预防各类腐蚀失效消除结构的应力集中源以减少应力腐蚀开裂的可能性选用对应力腐蚀开裂不敏感的材料例如性能稳定的奥氏体钢降低管道传输介质对容器内壁尤其是转弯部位的冲击速度，以减少冲蚀的可能性对热容器允奶采取绝缘措施以防止焊接处在电位序列中相距较远的两种金属材料配用的情况下河采用以下步骤①在两种材料中间加入绝缘层②在每种金属部件上配置由导线联接曰极金属件以降低腐蚀速度。

　　所有电器设都正确接地以防止来自杂散电流的电偶腐蚀尽可能消除腐蚀物聚集的缝胧排净括器巾的腐蚀忭物质以避免容器中腐蚀物的堆积阻断管道与其它设备的电传导。

　　3.1.在化工厂工作环境下的防卸措施对于化工厂，由于工作环境是由工艺需要决定些减轻腐蚀的措施，如消除诸如卤素氟化氢氯化氢和氨气等气体中不必要的湿气3原料进入处理设备之前调塾其值，32对冲蚀的防目前冲蚀现象己有大量的研究，根据实践经验，冲蚀引起的管道失效大都集中于弯管附近在蒸汽冲蚀或两相冲蚀的情况下流量控制阀后面的微流管道或弯管处在单相冲蚀腐蚀情况下，综合这些研究结果，有以下防御措施使用不易受冲蚀影响的材料例如奥氏体不锈钢进行化学处理，如化学锻热，镀成限制流体速度由实践经验知道，当流速大于定值时。无论是酸性流体还是碱性流体都能引起钢管甚至不锈钢管的腐蚀和冲蚀习调节溶液的腐蚀性如此洛试含景等洽有显著效果抑制剂或钝化剂也能控制冲蚀腐浊选⑴厚壁符或把易损部件设计得从户更换有，是*经济的措施在不能改变设计或广过程的怙况下，选用抗腐蚀性能较好的村料通常能改进面薄膜的稳定性，从而减轻冲蚀作甩3.1.3对气蚀的防御在核电站，曾有气蚀发生于法兰与管道锥形过渡之间的焊接处，随着气蚀的发展，将产生噪音振动和气蚀源附近的面冲蚀等有害影响。气蚀的防御措施包括采用适，1的材料与合刊。的零件形状；阴极保护有时是有益的，它不仅能降低腐蚀速率，而且有由氢产生的衬垫效应；消除溶解的气体也是有益3.1.4对应力腐蚀开裂的防御应力腐蚀开裂是在材料因素应力和环境条件同时起作用时，在金属材料中出现的种与时间相关的开裂现象应力腐蚀开裂有沿晶断裂和穿晶断裂两种开裂形式沿晶型应力腐蚀开裂通常在高应力和腐蚀环境下发生。般来说，发生沿晶型应力腐蚀开裂的条件有3环境敏感性材料，例如材料中存在碳沉淀相，充分的氧化环境但也有例外相当高的拉应力，穿品型应乃腐蚀汗裂发生于氯儿秦存杂对穿晶型应力腐蚀开裂有抑制作用，而含磷和硼开裂的防御措施有优化钢村品质低含量碳4尽，能好的稳定性31避免过高的拉应力，在焊接形成有益的残余应力，在敏感区用喷丸方法产生压应力。

　　更改冷却剂，尽量消除对应力腐蚀开裂有加剧作用的环境控制氢钠铅氯等对应力腐蚀开裂有诱导作用的元素。

　　3.1.5对1腐蚀损伤的防御在高温条件下，高压氢环境下的碳钢与低合金钢发生的腐蚀现象称为氢腐蚀的材料性能退化7！

　　氢腐蚀本质上是种脱碳反应，其影响因素包括温度压强和应力，亦与材质有关，如材料中合金元素杂质元素的含量，材料的热处理冷加工工艺和晶粒尺寸等有关与稳定的碳化物元素合金化可以增强对氢腐蚀的抗力能减轻氢损伤的元素有铬钼，钒钛铌锆钽钍锰和磷等。另方面，碳银铜铝等元素会加剧氢腐蚀=过高的奥氏体化温度会，加氢腐蚀的敏感性，制作过程中冷作硬化也能增加氢腐蚀的敏感性。

　　排除氢源降低拉应力通过介金化或热处理降低材料强度水平或选用抗氢腐蚀能力更强的合金都可以消除氢致开裂退火锻镇静钢和细晶钢常用于避免氢气泡，惰性保沪层也可尸保护材料。停止或减少使用阴极保护，包括去除或更换电镀层，也能止面吸附氯，退火能，加溶解氢的活动性，并使代容易逃逸，退火还能抒放残余拉应力进坐丸处理去除拉应力以似有效的措，常用的办法还有使用抗腐蚀性能好的面心立方合金，镲合金是适用于这用途的材料，3.2外部冲击外部冲击包括物理冲击和化学冲击物即。冲占迎常是由予，挖掘施工。交迎冲击等，故意的人为损坏③附近管道破损化学冲击包括氢冲击和氢化使用，钢或使设计应力低于临界值是有效的防御措施樵3.3振动疲劳振动疲劳产生于流体的流动或泵阀等机械设备的操作载荷大多数管道振动疲劳问发生于小I1Ui肋避免接触应力和焊接应力避免叩痕3.4热疲劳热疲劳是温度载荷4起的疲劳开裂工枰1实，到的案例怂曾发生尸卡水反应堆的热贮备系统合此防御措施，避免结构约束和应用适当的材料。

　　3.5腐蚀疲劳开裂降低腐蚀违率的所措施都能减轻腐蚀疲劳。

　　方法包括使用抑制剂。阴极保护在没有，致裂纹的条件下减少氧化剂或增加，值。使用高强度材料或减轻应力也有助于防止腐蚀疲劳然而，更有效断裂可能在无预兆的情况下突然发生，因此，腐蚀疲劳导致的灾难性失效可能会引起爆炸火灾和毒气泄漏等在设汁与而，减少腐蚀疲劳失效的措施有1选择村料前在模拟环境下进行腐蚀实验选用对腐蚀疲劳抗力更好的村料，+使用高强度村料减轻或消除应力循环采出合理的结构如采用对焊。+角焊51必耍时消除残余应力。但要避免脱碳61通过喷丸产生残余应力。以此抵消4起腐蚀疲劳的拉应力。

　　口采用金，保扩上电镀不会在材料入拉应力，是种较好的方法然而必须注意的是，开裂的金属锻层可能是疲劳裂纹的起始点。

　　3.6过载产生过载的原因有①压力振荡②过低的温度液体热膨胀。

　　预防管道压力过高的措施有设置减压阀避免液体结冻等4！

　　3.7脆化脆化是黑色金属，性退化的主要原因17.大量理然后快速冷却可避免脆化问另外，防止不锈钢在烨接和其制造或维修过程中的锌染14.避免子辐抵使用抗热老化材料也是防止脆化的有效措施4*严重的等温脆化发生的温度范围是425发生脆化的条件范围很宽。有些材料在425 47，露确段Ь，0000达到脆化峰点，而另些材料即使在510，000，1仍未达到脆化峰点。

　　另外，在345，奈露忍跫，乱灿写嗷，⑸，粗略地讲，脆化的危险性随锰桂磷1锡等元素含量的增加而增大在有氢存在的情况下，氢原子能溶解于材料中并导致脆化脆化及现为材料的拉伸韧忭降低和断裂韧忭降低由于脆化涉及氢原广在裂纹尖端区域击试於中检测出，付于反应堆容器而言，有两种产生氢脆的来源，个是在存在的条件下氢通过水腐蚀进入材料，另个是运行过程中溶解到材料中的氢在低温条件下引起氢脆在这两种情况下，氢脆都发生于低温的停机情况下，而不是发生在高温的运行情况下4压力容器与管道失效的尺寸效应大直径管道的失效原因与小直径管道的失效原因有所不同，总体上，管道失效率随直径的增加有明显的降低德国核屯站的运厅历史明4，儿乎所有断裂事故和大部分穿透裂纹都发生于小直径管道腐蚀引起的基础材料的损伤基本上也只影响小直径管道瑞典的研究报告指出，核电站冷却系统和安全系统的失效事件都发生在公称直径小于100，1公称直径小于25，的管道上4对天然气传输管道失效事件的统计结果也明，大直径管道的失效率明显低于小直径管道的失效率