压力管道常见故障类型与原因有哪些?
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发布时间：2022-04-24 07:14
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时间：2022-06-17 08:53
压力管道在设计、制造、安装、运行、检验、维修等各个环节中，由于各种原因使得压力管道发生故障，轻则导致压力管道发生“失效”现象，使其不能发挥原有效能；重则发生事故，对企业和个人的生命财产安全带来严重影响。因此为了保证压力管道的安全运营，必须了解压力管道的常见故障形式，对其进行经常性的安全监测。本部分仅介绍压力管道主要组成部分的常见故障形式及其成因，关于压力管道因故障而引起的泄漏、爆管等事故将在下一节中加以详细论述。
管子与管件的故障形式与成因
作为压力管道的主要组成件，管子与管件对压力管道的安全运行非常关键。它们的主要故障形式包括变形、位移、振动、管壁严重减薄、裂纹以及焊接缺陷等，这些故障将使得管道受损，严重时将引发泄漏、爆管、断裂等各种事故，因此必须对管子与管件的故障进行有效检查与监控。
(1)管子与管件的故障形式。
①变形。压力管道在安装、施工及长期使用过程中，由于外力、地质灾害等原因而使得管道发生挠曲、下沉，或者使得管道与管道、管道与相邻设备之间相互碰撞摩擦，而导致管子发生塌陷、鼓胀等异常变形情况，严重时可以影响管道的正常安全运行。管子及管件的严重变形可以通过宏观检查发现，也可通过管道变形检测器等设备进行检测。
②位移。这里所说的位移是指可能对管道安全产生不利影响的较大位移。管道发生较大位移时，可能会影响到相邻管道，或受相邻建筑构件的影响而导致管道热位移受阻，或对敏感设备产生较大的附加外力，等等。例如管架上的管道因发生较大的横向位移而影响到相邻管道；管架上的管道发生较大的轴向位移而导致管托滑落横梁；临近梁柱的管子，因较大的横向位移受到梁柱的阻碍而导致管子热位移受阻，或导致热膨胀转移到另一端的支架或设备上；与敏感设备相连的管道，因较大的位移而引起管子对设备的管道附加应力超标，从而引起相应设备不能正常工作或损坏。
③机械振动。所谓的机械振动，是指物体在其平衡(或平均)位置附近来回往复的运动。在石油化工装置中，除往复式压缩机和往复泵的进出口管道存在机械振动外，还时常碰到下列一些管道的机械振动，即两相流介质呈柱塞流时引起的管道振动；因介质水锤效应引起的管道振动；介质因发生涡流而激发的管道振动；离心机械因动平衡不好引起的管道振动；风载荷引起的管道振动；地震载荷引起的管道振动；等等。这些管道振动有一个共同特点，即它们都不是正常操作工况下必然出现的机械振动，而是由于设计不当，或者操作不当，或者因自然因素而引起的机械振动，这些振动在工程上都是有害的，可能影响到管道和相关机器的正常运行，严重时会造成介质泄漏，甚至导致管道的疲劳破坏，造成火灾等重大事故。必须采取相应的措施以避免可能因振动而带来的破坏。
④管壁严重减薄。压力管道内部介质的长期、高速流动将会使管子与管件的内壁减薄或者使密封副遭受破坏，影响其耐压强度和密封性能。同时，如果管道的防腐层遭受破坏，那么易发生因介质的全面作用引发的均匀腐蚀，从而使管道壁厚随使用时间的延长而不断地减薄，此外，还可能因防腐层的局部破坏而导致管道局部腐蚀的发生，这将加剧管子的腐蚀速率，严重影响管道的使用寿命。当管道壁厚减薄到一定值时，会使管道难以承受所负的载荷，即管道会因强度不够而发生破坏。
⑤裂纹。压力管道在运行中遭受疲劳、应力腐蚀、氢腐蚀、动载荷等作用时，经过一段时间后，会萌生微裂纹，微裂纹进而扩展为宏观裂纹。裂纹是压力管道的严重缺陷之一。一旦裂纹快速扩展，如不采取有力措施就可能发生爆管事故，进而引起一系列的严重后果。产生裂纹的主要原因包括如下几种情况，一是管道在轧制、焊接残余应力产生的裂纹；二是管道在使用中因疲劳、腐蚀、振动产生的裂纹；三是管道压力、温度频繁波动而导致的裂纹。在役压力管道出现裂纹后，一般不必立即判废，通常可以对裂纹的扩展及其最终断裂条件进行评价，从而计算出其剩余寿命。在剩余寿命内，管道是安全的。
⑥焊接缺陷。管子及管件焊缝外观质量超标，主要表现在焊缝金属超高、未焊透、咬边、焊瘤、母材上有飞溅物(尤其是合金母材)等。焊缝的这些缺陷都会影响到焊接接头的性能，进而危及管道的安全性。
(2)管子与管件的故障成因。压力管道的管子与管件等部件发生故障的原因有很多，将其进行分析归纳，可以划分为以下几类：
①机械损伤。机械损伤主要包括蠕变、疲劳与外来损伤三种形式。如第五章所述，蠕变就是金属材料长期在高温和应力的长期作用下发生的缓慢塑性变形现象。金属材料在蠕变过程中，晶界处会逐渐形成圆形或楔形空洞，并因空洞的长大和相互连接而形成沿晶的蠕变微裂纹，宏观上则显示出金属材料的过渡变形。由于压力温度异常脉动等因素的影响，而导致管壁应力值的增加或材料力学性能的下降，成为蠕变破坏的源头。在高温和应力的作用下，金属材料发生蠕变是绝对的。但蠕变对管子的破坏是一个缓慢而长期的过程，在管道的预期使用寿命后期其破坏作用才会逐渐显现出来。
如果管道长期承受大小和方向都随时间而发生周期变化的交变载荷，将形成疲劳裂纹核心，逐渐扩展最后导致管道发生断裂等事故。管子产生交变载荷主要有以下几种原因：一是间断输送介质而对管道反复加压和卸压、升温和降温；二是运行中压力波动较大；三是运行中温度发生周期性变化，使管壁产生反复性温度应力变化；四是因其他设备、支承的交变外力和受迫振动。在反复交变载荷的作用下，管子几何结构不连续的部位和焊缝附近存在应力集中，有可能达到和超过材料的屈服极限。这些应力如果交变地加载和卸载，将使受力最大的晶粒产生塑性变形并逐渐发展为微裂纹。随着应力周期变化，微裂纹也会逐步扩展，最后导致破坏。
外来损伤也会给管子与管件带来严重影响，如地震、大风、洪水、雷击等自然灾害将导致管道的机械损伤，而人为的机械损伤，如管钳的压痕等将可能加剧管道发生腐蚀等损伤，而人为的破坏则更是促使管道发生泄漏、爆管等严重事故的原因之一。
②腐蚀。压力容器可能因腐蚀而发生破坏，而腐蚀也是使管道发生破坏的重要原因之一。管道的腐蚀是指管子在内部介质、外部环境以及应力的作用下，发生化学或电化学反应，使管子产生退化或失效的现象。有时不合理的操作会导致介质浓度的变化，加剧腐蚀破坏。不断的腐蚀将会使管子壁厚严重减薄，甚至发生破裂。根据压力管道腐蚀发生的部位，可以分为外腐蚀与内腐蚀。根据腐蚀的危害程度，还将管道腐蚀分为全面腐蚀(均匀腐蚀)、局部腐蚀(孔蚀)、应力腐蚀等几种情况。其中应力腐蚀往往在没有先兆的情况下突然发生，因此其危害性更大。
应力腐蚀裂纹及断裂是管道在拉应力和腐蚀性介质共同作用下发生的破坏，它既可发生于生产过程中，也可能发生于使用之前，甚至出现在管材加工成型期间，这是管道腐蚀的主要原因之一。应力腐蚀裂纹多发生于管道的纵焊缝、环焊缝等处，常伴有严重的孔蚀及其他一般性腐蚀。产生应力腐蚀除介质的因素外，应力集中的存在则是主要的原因。应力包括直管或弯管在制造时因矫直加工硬化和弯制过程中产生的残余应力、安装不良引起的结构应力、焊接过程中因热分布不均匀而产生的焊缝应力。大量统计表明，加工和焊缝残余应力引起的事故占管道应力腐蚀事故总数的80％以上。从实际运行看，细管易发生应力腐蚀破坏，而粗管反而不易破裂，这可能是因为细管变形后产生的残余应力一般比相同情况下的粗管要大的缘故。
③设计与材料选择不合理。压力管道的设计不合理，在制造、施工过程中存在的缺陷，如管道柔性不符合要求，材料选用不当或含有原始缺陷，焊接不当或冶金超标等，都可能引起材料性能恶化、损伤或破裂，在管道的某些局部可能产生很大的应力，将可能导致管子发生低应力脆断，最终促使压力管道失效，引发严重事故。
④操作和维修失误。压力管道违反操作规程运行，将致使其实际工况条件恶化，包括超压、超温、腐蚀性介质超标、压力温度异常脉动等；低的操作温度则会引起材料的韧性下降，允许的临界裂纹尺寸减小，从而有可能导致管道脆性破坏，超温超压还会导致管道接头泄漏。管道上的严重缺陷或损伤未能被检测发现，或缺少科学评价，以及不合理的维修工艺造成新的缺陷和损伤等，都将可能促使压力管道发生故障，导致事故的发生。
以上四种原因可能单独作用，也可能共同发生作用，从而使得管道发生故障。此外，还可能有一些目前尚无法查明的未知原因，将使得管子与管件发生故障，这在实际工程特别需要注意防范。
法兰与阀门的故障形式与成因
法兰与阀门是压力管道的重要组成件，其完好程度对于压力管道的安全运行也具有十分重要的意义。
对法兰来说，其故障形式主要为：在高温下的应力松弛，使法兰偏口、法兰面发生异常翘曲或变形；连接螺栓等紧固件不齐全，或者紧固件发生松动或腐蚀现象，都可能导致法兰失效，管道发生泄漏。
(1)对于阀门来说，故障之一为阀门不通。原因主要包括：控制通道被杂物堵塞(通道细小，容易堵塞)；活塞因锈渍卡在最高位置，虽上部受力，但不能向下移动，打不开主通道。
(2)故障之二为阀门直通，不起减压作用。原因有：活塞在某一位置(不是最高位置)卡住；主阀阀柄在导向孔某一位置(不是密合位置)卡住；主阀阀瓣下部弹簧断裂或失效；脉冲阀阀柄在阀座孔内某一位置(不是密合位置)卡住，使之总是受压；主阀瓣与主阀座两密封面之间，有污物卡住或有刻痕；膜片因疲劳或损坏而失灵。
(3)故障之三为阀后压力不能调节。其原因除了上述因素之外，还可能包括：调节弹簧失灵；帽盖接缝泄漏，不能保持压力。
除了以上三种故障，还有一种现象，就是阀后压力脉冲波动，极不稳定。这是输入介质与输出介质差量太大之故，应重新选择阀径相当的阀门。还有一个造成阀后压力不稳的原因是，调节弹簧选择不当。
支吊架的故障形式与成因
支吊架是压力管道的主要支撑设备，其主要故障如下所述。
(1)弹簧支吊架的工作高度与设计值不符。即管道的实际位移与理论计算位移有差异。这可能是因为管道周围存在阻碍管道自由热膨胀的情况；或者管道设计时发生计算错误；
(2)承重支架脱空。这种情况经常出现在泵的进出口管道段、沿塔敷设管道的水平段等位置。当生产过程中温升发生变化时，设备自身会产生一定的位移，从而带动管道位移而导致承重支架脱空；
(3)导向支架的卡死或损坏。当导向支架遭受到管子的较大横向位移时，会导致导向支架卡死或损坏；
(4)管托滑落。如果施工时将管托滑板长度做得太短，或设计时所考虑的管道轴向位移过小，都可能导致管托从支撑梁上滑落下来，使管子在装置停车时不能复位，从而造成管子或承撑梁的破坏。
安全附件的故障形式与成因
安全附件也是压力管道不可或缺的组件，主要包括压力表、安全阀和爆破片等，它们在紧急情况下对压力管道设备起保护作用。
(1)压力表的故障一般为：指示失灵、刻度不清、表盘玻璃破裂、泄压后指针不回零位、表内弹簧管泄漏或压力表指针松动、指针断裂或外壳腐蚀严重等。
(2)安全阀的主要故障是：铅封损坏、发生锈蚀，或者已经过了合格的校验期。
(3)爆破片的主要故障则包括：安装方向发生错误，或者爆破压力和温度不符合运行要求及其他异常情况。
安全附件的故障主要是因为仪表选择不当、使用时间过长或者是运行时的工况条件十分恶劣而导致的。
此外，为了确保安全生产和减轻操作人员的劳动强度，现代的化工设备中多已进行了自动控制系统的应用，或对原有的化工设备进行了自动控制改造，使用了很多，如各种传感器、自动控制元器件，通过远程终端进行显示，这些传感器和控制元件也可能在使用一段时间后发生失效或显示数据不准，其原因是多种多样的，部分原因可能与前次检测设备有关，但大多数则可能与各种生产和环境因素有关，由于篇幅*，有关问题需要通过专业的书籍进行学习了解。
