压力容器培训压力管道失效分析及事故案例课件.ppt
调质；硬度规定值为：低碳钢HV(10)220，低合金钢HV(10)245(均指单个值)；原则上应进行焊后消除应力热处理。国外还提出两条措施：1，用水作为缓蚀剂2，让储罐处在33条件下也可使应力腐蚀的危险性最小 有的分叉有的不分叉。这种裂纹的扩展途径往往是混合型的，既有穿晶的也有沿晶的。,6、湿硫化氢的应力腐蚀和氢损伤,湿硫化氢环境中钢材开裂实际上有两类开裂现象。一种是应力诱导的氢致开裂(SOHIC)，也是应力腐蚀；另一种是与应力无关的氢鼓泡(HB)和氢致开裂(HIC)。 电化学阳极反应方程可简单的表达为Fe2十S2FeS(阳极溶解腐蚀)阴极反应则为析氢过程2H2e2H(氢原子析出进入钢的基体)(1)湿硫化氢引起的应力腐蚀开裂,电化学阳极反应方程可简单的表达为Fe2十S2FeS(阳极溶解腐蚀)阴极反应则为析氢过程2H2e2H(氢原子析出进入钢的基体) 溶液的pH值对这一应力腐蚀过程有重要影响。pH很低时很容易开裂和造成试样断裂。推荐应采用HB200的钢作为油气田选用钢材的标准，屈服强度大于9001000MPa的高强度钢在湿硫化氢环境很易发生这种应力腐蚀，不应用于此种环境。,(2)湿硫化氢引起的氢鼓泡 硫化氢溶于水之后 离子氢渗入钢中成原子氢，再形成了氢分子并聚积成氢气团，且有很高的压力。当这些氢气团仅存在于接近钢材表面的表层时，很容易在平行于轧制方向的带状组织的层间鼓胀，使钢材表面出现鼓泡，鼓泡还可能破裂。湿硫化氢引起的氢鼓泡最容易发生在钢中硫化物夹杂处，且在常温下最易出现。 (3)湿硫化氢引起的氢致开裂 基于与氢鼓泡相同的机理。钢材的含硫良高，形成MnS夹杂亦多，导致层状开裂的机会就多。氢致开裂的突点是不需外加应力的诱导。,低强度钢在湿H2S环境中的氢鼓泡,低碳钢在湿硫化氢环境中出现氢致开裂的金相照片,奥氏体不锈钢在湿硫化氢环境中的应力腐蚀开裂 除Cl的原因外，湿硫化氢所引起的奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂问题往往被忽视。 重要的是失效分析中如何判断是湿硫化氢引起的还是Cl引起的。湿硫化氢导致奥氏体不锈钢应力腐蚀裂纹有以下几个特点： 剖面金相检验时其裂纹虽是穿晶扩展较多，但分叉少，不象Cl引起的应力腐蚀裂纹分叉那么突出。裂纹的断口进行扫描电镜分析时往往呈解理状，不象Cl应力腐蚀断口的河流状解理断裂那么明显。 断口上有二次裂纹，但比Cl应力腐蚀断口的二次裂纹少得多,断口腐蚀产物在扫描电镜中做能谱分析时能出现显著的硫元素峰，比金属中的含硫量要大若干个数量级。 湿H2S应力腐蚀的预防 主要方法是：控制介质中的有害成分，即改善腐蚀环境；选用合适的材料；必要时对焊缝采取消应力退火热处理。 1.5.3 腐蚀疲劳失效 腐蚀疲劳是在腐蚀环境中的疲劳问题,1.5.4 氢腐蚀失效,氢对钢材有各种各样的损伤，本小节主要讨论高温高压条件下氢对钢材的腐蚀损伤。 Fe3C+4H03Fe+CH4氢腐蚀是一种化学腐蚀1.5.5 腐蚀失效破坏形式 1、均匀腐蚀失效破坏形式 (1)韧性失效 因厚度大范围减薄而导致韧性失效，可以说因均匀腐蚀导致的韧性破坏是一种低载荷(而不是低应力)的韧性破坏。,(2)脆断失效 由于均匀腐蚀导致金属的全面脆化就会引起脆断 。 例如氢腐蚀已使材料全面致脆，此时就有发生脆断的危险。 2、局部腐蚀失效破坏形式 (1)局部鼓胀变形及爆破失效 (2)泄漏失效 孔蚀泄漏 腐蚀裂纹泄漏 (3)低应力脆断 (4)脆化引起的脆断,1.5.6 腐蚀失效预防措施,（1）在役设备腐蚀失效的防护措施 隔离防护法,高温蠕变破坏 （一）,材料在高温下持续长时期受载，会产生非常缓慢的蠕变变形。这种蠕变的积累将会导致宏观的永久变形，从而出现蠕变断裂或松弛。发生蠕变的起始温度随金属材料而异。低碳钢为370，奥氏体铁基高温合金为540，镍基和钴基高温合金为650。,高温蠕变破坏 （二）,蠕变破坏的特征,高温蠕变破坏 （三）,蠕变破坏的预防 (1)设计时根据使用温度选用合适的材料，并按该材料在使用温度和需要的使用寿命下的蠕变极限选取许用应力(2)安装过程中防止材料混用，严格执行焊接工艺和热处理措施。(3)管系的布置和结构必须合理 (4)操作过程中防止超温超压，避免局部过热而导致蠕变破坏。(5)按规定进行定期检验,(1)金相检验 只有在等强温度(晶内强度与晶界强度相等的温度)以上的蠕变脆断，在金相上才有蠕变特点。主要是沿晶空洞，严重时不但有空洞还会有沿晶微裂纹，甚至有宏观裂纹 (2)断口检验 大多数蠕变失效属蠕变脆断，其蠕变断口主要有两个特征，一是呈现岩石状的沿晶蠕变断裂，二是晶界上具有若干韧窝，即洞形的空洞,Nimonic 105合金800沿晶蠕变断口（SEM800）,Nimonic 105合金800沿晶蠕变断（SEM3300）,1.7 密封失效,密封失效不属于基本失效形式。它涉及到密封结构系统（如法兰、垫片、紧固螺栓）中每个构件的自身失效行为，最终反映出泄漏失效。 法兰垫片及紧固螺栓三者构成一个密封系统。一对法兰的接触面上总是存在粗糙度的，不用垫片而仅靠螺栓夹紧实际是做不到密封不漏的。, 初始密封 也就是预紧密封，在装配时就可完成。 工作密封 预紧后的法兰垫片螺栓三构件系统，当受到工作介质压力作用之后，一对法兰的两个密封面将被迫发生相对分离 ，保持密封界面上仍有足够以维持密封的残留垫片应力（压应力），以保证将流体介质密封住。1.7.2 垫片密封的失效 垫片密封的失效主要是泄漏。 不同仪器的灵敏度不一样，其“零泄漏”时的微泄漏量实际上就不一样。所以“密封度”实际上是个相对的概念。,工程上只能采用“允许泄漏率”来要求和衡量密封结构能有效满足设计或生产所要求的允许的泄漏率。 达到什么泄漏状态应判为失效，这些都没有统一的标准。对于易燃易爆或有毒物料的泄漏则应规定更严的垫片密封失效标准，特别是极毒性物料。但都没有统一标准，企业需要自己从严制订执行标准。 泄漏失效时，虽然总的表现形态就是显著泄漏，但垫片损坏的形态基本上有两种。一种是垫片的密封面上出现泄漏通道。另一种则是垫片被吹出，造成垫片大块缺损。,1.7.3 影响垫片密封失效的重要因素, 垫片的压缩回弹性能 ，垫片的许多性能。其中更为重要的是垫片材料的载荷变形行为，其中也包含压缩后的回弹性能。另外垫片材料的蠕变松驰性能也直接影响到密封性能。应当注意的是，不同预紧应力下卸载将得到不同的卸载线，其回弹量R也不相同。垫片压紧后卸载时的回弹量愈大，同时残余的压紧应力go也愈大，则垫片在工作状态下的密封性能也愈好。 显然，预紧时的预紧点gi的选择非常重要。,垫片压缩与卸载时的应力应变曲线,垫片装配时的压紧应力是影响密封性能的重要影响因素，预紧载荷不够，加上垫片的压缩回弹性能差，易导致垫片密封的失效 垫片的蠕变松驰行为 长期运行后,垫片的厚度还会不断减少，垫片上的压紧应力也相应不断递减，这就是垫片的应力松驰 .垫片的蠕变与松驰同时产生，蠕变是指恒应力作用条件下材料不断发生变形的行为，而松驰是指恒变形（固定的变形量）条件下材料的应力不断发生变化的,行为 ,温度较高时垫片的蠕变松驰更为明显。 每种垫片材料都有允许的最高使用温度（P），但同时还规定其可以使用的最高压力（P） 螺栓的影响 垫片压紧应力的大小，不管是预紧阶段还是进入工作状态下的压紧应力都是在螺栓紧固时所施加的。因此螺栓的强度与刚度就显得非常重要。 设计是一回事，而装配是另一回事。因为装配中螺栓预紧的程度带有很大的不确定性，螺栓在高温下的蠕变与松驰也是引起密封泄漏失效的常见原因。,2.1 失效事故的技术检验 2.1.1. 事故现场处理和调查,(1)现场保护与记录 首先要收集现场的各种操作记录、仪表损坏时指针位置，安全阀是否有泄放的迹象，爆破片的破坏或完好状况。 断口保护工作极其重要 事故后应立即做好现场记录,(2)事故调查分析的要求和内容明确划定事故现场的范围，做好现场护栏和现场保护工作 了解事故过程的有关情况 设备发生失效或事故往往不是某一原因产生的 ，调出全部服役历史的文档进行必要的技术检验与鉴定工作 提出事故处理意见和必要的整改要求与措施，杜绝事故的再次发生2.1.2 失效状况的外观检查 1、变形情况检查 2、裂纹检查,交叉裂纹的断裂次序判断,销孔断口的断裂顺序为A先于B和C,3、表面状况检查 指的是腐蚀与磨损的状况2.1.3 材料的检验和鉴定 (1)化学成分检验 (2)力学性能检验 (3)金相检验 2.1.4 断口形貌的检验和鉴定1、断口的宏观检验和分析(1)断口宏观分析的主要内容 确定断裂时裂纹的扩展方向,确定断裂的裂源位置 初步判断断裂的类型（2)断口三要素的应用 起裂源区是放射纹及人字纹所指向的地区。也是这些纹路的收敛区。 起裂源区一般在韧性良好的状态下就是纤维状区。 起裂源区不存在剪切唇。 当有明显原始缺陷时，缺陷的某一边缘区常常存在很小的纤维区，就是起裂源区。,断口的断裂方向（a）完全正断口（脆断）；（b）混合断口（韧断）；（c）剪切断口（韧断）,2、断口的显微检验和分析 在扫描电镜中对若干小区观察分析的目的如下。 (1)分析断裂的机制 (2)分析材料的夹杂物状态 (3)分析材料的固态相变劣化程度 (4)弄清应力腐蚀的原因 2.1.5 压力容器爆炸的能量 爆炸是一种突发的能量释放过程，其过程极为迅速。爆炸所引起的破坏是所有事故中最为严重的,物理爆炸（包括气体和液体）是一种能量突然释放的物理过程 。 物理爆炸的释放能量可以用热力学方程进行计算 。 化学爆炸是化学物质发生激剧反应、分解、快速燃烧（混合爆炸气云的爆轰）时产生的瞬时能量计算极为复杂，且不易算准。 爆炸能量的计算至少可以获得这样的结论，若现场破坏所相当的TNT炸药量爆炸时的冲击波能量基本上等于按物理爆炸计算出的能量，则可判定所发生的是物理性爆炸 。,若现场破坏所相当的TNT炸药爆炸时冲击波能量大大地大于容器物理破坏所能释放的能量，则应判为化学爆炸 。 不论物理爆炸还是化学爆炸，释放出的能量将形成巨大的冲击波。压力容器发生气体爆炸时所释放的能量中一小部分用于撕裂容器及抛出碎片，而大部分能量则产生冲击波 。2.1.6 失效分析中的验证性试验1、材料的验证性试验 2、腐蚀失效的验证性试验 3、模拟应力测试试验和有限元应力分析,4、模拟爆破试验和安全泄放试验 安全阀的压力试验 爆破片的爆破试验 压力容器的爆破试验是较少见的，主要是因成本较高 2.2 压力容器失效事故的综合分析和诊断2.2.1 失效事故的综合分析 (1)过度变形 (2)过度磨损 (3)泄漏 (4)断裂 (5)爆炸,2、确定失效类型 按习惯分：韧性失效(或破断)，脆性破断，疲劳失效，腐蚀失效和蠕变失效等五种基本失效类型。除此，还有复合型的交互失效(如腐蚀疲劳、蠕变疲劳等)，以及密封失效和磨损失效等 3、确定失效事故的原因 (1)材料因素 (2)结构因素 (3)受力因素 (4)环境因素 (5)使用、维修和管理因素,2.3 事故处理,1、事故分类 特别重大事故 是指造成死亡30人（含30人）以上，或者受伤（包括急性中毒、下同）100人（含100人）以上，或者直接经济损失1000万元（含1000万元）以上的设备事故。 特大事故 是指造成死亡1029人，或者受伤5099人，或者直接经济损失500万元（含500万元）以上1000万元以下的设备事故。重大事故，是指造成死亡39人，或者受伤2049人，或者直接经济损失100万元（含100万元）以上500万元以下的设备事故。,严重事故 是指造成死亡12人，或者受伤19人（含19人）以下，或者直接经济损失50万元（含50万元）以上100万元以下，以及无人员伤亡的设备爆炸事故。 一般事故 是指无人员伤亡，设备损坏不能正常运行，且经济损失50万元以下的设备事故。2、事故报告 3、事故调查 4、事故处理,压力管道事故分析,l、现场保护与记录 首先要收集现场的各种操作记录 断口保护工作极其重要 事故后应立即做好现场记录 2、事故现场调查 事故调查应由按法规组成的事故调查组主持进行,材料的检验和鉴定,(1)化学成分检验(2)力学性能检验(3)金相检验 (4)电镜分析,事故的综合分析,l、确定失效形式2、确定破坏类型 压力管道的失效类型是根据破坏失效时表现出的性态(韧性与脆性)或失效的机理(微孔聚集、解理、疲劳、腐蚀、蠕变及磨损)来综合考虑的。按习惯分为韧性破坏(或破断)，脆性破坏，疲劳破坏，腐蚀破坏和蠕变破坏等五种基本失效类型。 3、确定失效事故的原因 失效事故的原因主要为结构设计、材料、制造和运行管理等四大方面。,42,压力管道的事故分析、破坏机理,1、事故是指意外的损失或灾祸。 事故有以下一些特征： 因果性、偶然性、必然性、规律性2、国外的事故统计分析 在国外有很多机构一直在对管线的原始事故数据进行收集，并通过数据统计分析，来确定危害管线安全的各种因素。,压力管道的事故分析、破坏机理,表2-1 1981年1990年前苏联输气管道事故原因分析,压力管道的事故分析、破坏机理,3 国内的压力管道事故情况,表2-6 中石化管道事故统计分析（2019）,压力管道的事故分析、破坏机理,表2.8 考虑的四大类危险因素(破坏机理),
