石化裝置中壓力管道的缺陷分析與處理措施

呂東明

摘 要：應用于石油化工領域的壓力管道，是一類利用額定壓力計量輸送油氣等介質的特種管狀設備，一般具有組成結構眾多、運輸介質危險、工況條件復雜、事故危害巨大等特點。壓力管道的缺陷檢測與防護處理技術目前受到重點研究。本文從腐蝕破壞、疲勞失效、高溫損傷和焊接缺陷四個方面分析了壓力管道的風險來源，并提供了相對應的處理措施，為提高壓力管道安全輸送水平提供理論參考。

關鍵詞：石化裝置；壓力管道；缺陷分析；處理措施

中圖分類號：TE973 文獻標識碼：A

1 引言

壓力管道作為一類受到特殊安全監察管理的工業設備，是液態或氣態介質的重要輸送載體，廣泛應用于石油化工、冶金采礦、燃氣供暖、城建供電等工業及民用領域。根據輸送載體、公稱直徑和設計壓力等條件的不同，壓力管道一般可分為長輸管道、工業管道和公用管道，管道級別不同，相應的設計、安裝及維護標準也有所不同。

然而，受材料制備與加工工藝水平等影響，無論哪類壓力管道都存在類型或程度不同的缺陷。尤其是對于石化裝置中的壓力管道，由于主要用來長距離運輸高溫高壓、易燃易爆、腐蝕性強的石油和天然氣，所以此類油氣管道具有組成結構眾多、運輸介質危險、工況條件復雜等特點，加劇了缺陷對管道結構的破壞，使得油氣管道泄露甚至爆炸的安全事故屢有發生。因此，壓力管道中缺陷的致因與生長模式、結構失效機理及防護處理措施成為石化領域的研究熱點之一。本文從腐蝕破壞、疲勞失效、高溫損傷和焊接缺陷四個方面分析了壓力管道的缺陷類型，并提出腐蝕防護、快速封堵與修復技術、焊接防護方法等處理措施，對提高壓力管道安全水平具有一定的理論借鑒意義。

2 缺陷分析

結合國內外研究對石化裝置壓力管道的檢測缺陷分析，可將目前常見缺陷形式分為腐蝕破壞、疲勞失效、高溫損傷和焊接缺陷四類，各自缺陷形式代表圖例見圖1。

2.1 腐蝕破壞

壓力管道廣泛采取Fe基材料，一般以不同型號的碳鋼和奧氏體不銹鋼為主，以滿足不同使用溫度需要。因此管道的腐蝕破壞機理是外界因子通過一定的方式破壞了Fe元素的保護層，使得Fe發生氧化導致結構疏松或失效，從而造成管道泄漏。按照外界因子的作用機理可將腐蝕分為物理腐蝕、化學腐蝕與生物腐蝕三大類。

物理腐蝕包括沖蝕磨損與應力腐蝕。沖蝕磨損是指具有一定動能的輸送流體，或者流體中的固體微粒與管道內壁發生相對摩擦，一般造成內壁厚度減薄。應力腐蝕往往由溫度場或壓力場變化引起，主要表現為點狀或線狀腐蝕。

化學腐蝕一般可分為不產生電流的化學腐蝕和有電流運動的電化學腐蝕。化學腐蝕的可能腐蝕源有空氣、酸性氣體如CO2、H2S、SO2、Cl2等、水、酸性電解質溶液等，與Fe反應生成疏松多孔的Fe2O3，從而逐漸破壞管道，化學反應見公式（1）。電化學腐蝕則是以Fe為陽極，周圍環境如土壤為陰極，二者間產生電位差形成原電池，使得Fe失去電子被氧化。

（1）

生物腐蝕主要是由厭氧型硫酸鹽還原菌的脫氫作用引起。埋入地下的管道處于缺氧環境，且當土壤pH介于5.0～9.0、溫度在25℃～30℃時，細菌將硫酸鹽還原為硫化物，該反應可供給細菌維持生長繁殖的能量，接下來硫化物可與鋼管表面起保護作用的H2發生置換反應，導致Fe裸露于偏酸性環境中不斷溶解。

2.2 疲勞失效

疲勞失效主要與管材晶體結構和管道應力負載有關，宏觀表現為裂紋斷裂，微觀可見特殊輝紋。管材金屬在梯度荷載矢量的反復作用下，金屬晶體內部的位錯、晶界、夾雜等缺陷處容易發生不均勻位移。周期性反復作用的交變荷載一般為管道內外的壓力變化、溫度差應力、機械振動或規律性外力等組成。金屬的疲勞失效機理可分為疲勞裂紋的形成期、擴展期與斷裂期。首先較低的交變荷載作用于金屬表面，產生細小的、分布較均勻的位移線。然后隨著應力持續或增大，位移線之間發生連接，產生寬厚的內含多個位移面的位移帶。如果兩個位移面相距較小，則會形成孔洞。由于孔洞部位應力集中，導致孔洞生長成為裂紋核心，裂紋核心繼續擴展相互聯結變為宏觀的疲勞裂紋。繼而疲勞裂紋由晶內向晶外，沿著主應力垂直方向擴展。當裂紋尺寸擴展到臨界值時，裂紋尖端集中的應力超過金屬承受能力，最終引發斷裂失效。

受應力大小和交變頻率影響，壓力管道的應力值容易在幾何不連續處（如直角管道的應力集中部位）、材料膨脹系數不相同處（如碳鋼基材與防腐涂層交界部位）、以及動力學不平衡處（如原始損失的焊接部位）達到或超過材料的屈服極限，從而產生疲勞裂紋。疲勞裂紋不會造成管道整體減薄或加厚，具有局部危害、脆性變形特征。

2.3 高溫損傷

高溫損傷主要有石墨化、珠光體球化、合金元素再分配、彌散強化相聚集、蠕變失效五種類型。石墨化是由鋼材滲碳體在高溫條件下，尤其是碳鋼在使用溫度高于450℃時，分解出碳元素且碳元素聚集引起，反應方程式如公式（2）所示。石墨的抗拉強度和蠕變極限遠低于鋼材，因此在石墨聚集部位極易發生斷裂或爆炸。

珠光體球化機理：珠光體主要組織構成為片狀滲碳體，一方面同體積條件下的片狀滲碳體比表面積大于球狀滲碳體，且片狀滲碳體表面有較多凹坑和粗糙面，因此吉布斯自由能高于球狀滲碳體，在熱力學上呈自發轉化趨勢；另一方面，在高溫和應力驅動作用下，片狀滲碳體中碳元素擴散程度加深，以鐵素體為媒介，碳元素在滲碳體曲率半徑小的部位（即細小銳角片狀）溶解入鐵素體中，并在滲碳體曲率半徑大的部位（即粗大鈍角球狀）析出，在動力學上加速了球化完成過程。珠光體球化也能破壞管道鋼材正常結構，降低高溫強度和服役壽命。

2.4 焊接缺陷

焊接缺陷主要受預制工作、工藝水平、管理制度等因素制約。按照缺陷出現部位可將焊接缺陷分為外觀與內部兩種。兩種缺陷的表現形式、形成原因及危害情況見表1。

3 處理措施

3.1 腐蝕防護

壓力管道的防腐措施可采取增加防腐層、陰極保護防腐和設置連接線三種。三種防腐方法各有優缺點，相互補充，實際應用中一般配合使用。

防腐層可以是一層防腐涂層，目前常用的防腐涂層材料有無機類的氧化物涂料，有機與無機結合的煤焦油瓷漆，也有以環氧樹脂、酚醛樹脂等作為金屬粘結劑；以聚乙烯作防腐層的高分子多層結構防腐涂料。煤焦油瓷漆防水抗老化且成本低，但熱穩定性差，易產生環境污染。多層聚乙烯基涂料適用范圍廣，防腐性能優良但工藝復雜且成本較高。管道鋼材防腐還可采用鋼材表面處理措施，例如濕法化學鈍化處理工藝保持不銹鋼表面清潔、表面滲硼處理以形成致密穩定的Fe-B層、表面鍍耐腐蝕耐高溫的元素如Cr、Ni、Al等。此外，選用陶瓷內襯無縫鋼管也是一種防護輸送油氣腐蝕性的思路。陶瓷內襯管結合了陶瓷耐高溫腐蝕、耐磨損與鋼材優良力學能，目前作為封裝材料在高溫化工、冶金、電力領域得到了廣泛應用。

3.2 修復技術與快速封堵裝置

對產生裂紋、腐蝕或損傷的管道，一般借鑒APIPR-218-930修復手冊的方法采取修復手段，目前修復技術主要包括夾具修復、復合材料修復和焊接修復等。其中焊接修復技術發展已經十分成熟，但其安全和經濟性問題突出。夾具修復是針對管道已發生泄漏的應急方法。復合材料如碳纖維、鋼纖維、高分子樹脂等目前是管道補強技術的研究熱點。

針對壓力管道的不同類型的泄漏擴散事故，還可以利用對應的封堵方法。太原理工大學進行了管道快速封堵裝置的研究，對于Φ120mm～Φ150mm壓力管道的泄露，采用內封法設計了內封堵氣囊、應用外封法設計了L型管應急外封堵氣囊、運用磁壓法原理設計了自適型萬向強磁封堵裝置。

3.3 焊接防護方法

對于焊接缺陷的防護，一方面確保施工與驗收人員嚴格遵循相關國家標準和行業規范，使焊接工藝的預制加工、設計流程、工藝方法、溫度控制等正常進行。另一方面，對于具體焊接缺陷采取相應的預防與補救措施。預防措施一般有焊接前檢查焊件、焊材和坡口的清潔干燥情況，保持接地線固定和絕緣狀態，去掉焊接材料表面的氧化皮等。焊接時避免多余操作，選擇合適焊接電流并控制電弧長度，合理匹配焊條金屬的熔化和冷卻速度，熟練把握運條擺動速度與坡口的切入角度等。焊接后進行整體缺陷檢查與后期處理。

焊接補救措施一般先徹底清理掉前一焊道的熔渣。對于深度或長度超標的咬邊缺陷，可選擇牌號相同但直徑小的焊條，略調大焊接電流，補焊填滿。對于焊瘤或弧疤，可以視具體情況使用電弧氣刨、角磨機或切削機等工具先修整焊縫外形，然后對產生的凹坑進行補焊。

結語

隨著我國石化行業的全球化發展，管道建設也迎來巨大國際市場機遇，這對壓力管道的儲運安全提出更高要求。缺陷問題是壓力管道產生安全事故的重要因素，開展壓力管道的缺陷檢測、失效機理與防護措施等研究，對提高具有重要理論與實際意義。本文圍繞石化裝置中壓力管道的缺陷問題，進行了缺陷類型歸納與機理分析，并提出了相應的處理措施，為提高壓力管道安全質量提供了一定的理論參考。

參考文獻

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