《机械零件失效分析与预防》对输气管道失效分析的指导.docx

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《机械零件失效分析与预防》对输气管道失效分析的指导

《机械零件失效分析与预防》对输气管道失效分析的指导

一、《机械零件失效分析与预防》简介

涂铭旌教授和鄢文彬教授编著的《机械零件失效分析与预防》一书，总结了多年的经验和资料，介绍了失效分析与预防的思路和方法、基本的技术。

并引用了大量工程实践资料，理论联系实际，虽其未介绍输气管道的失效与分析，但其思路和方法对输气管道的失效分析提高具有指导意义。

该本分为了七章。

在第一章绪论中，给出了失效的定义：

1）失去原定的功能；2）继续使用中失去可靠性和安全性。

失效分析的目的和任务、地位可简化为：

第一章中还简介了可靠性的概率指标见下：

可靠度

失效率（分为早期失效期，偶然失效期和损耗失效期）

寿命指标平均故障间隔

失效前平均时间

针对断裂列出了各种因素的关系：

在第二章机械零件失效的基本概念中，介绍了失效的种类及各自的特点。

变形失效

断裂失效

表面损伤失效

其中断裂的危害性是最大的，并从受力状况、运行环境（工作环境），设计、制造、使用和维护等方面分析了失效的影响因素。

第三章是“失效分析”的基本思路和方法。

零件的失效是零件的失效抗力与服役条件（主要指载荷和环境因素）这一对矛盾相互作用的结果。

因此，失效分析的思路是对具体服役条件的零件作分析，从中找出主要的失效形式及抗力指标，提出改进措施。

在该章中还全面介绍了失效分析的程序，以及失效分析的各种基本实验技术。

该书最重要的一章是第四章“断口分析”

残骸分析是非单件破坏失效分析的第一步：

在客观断口分析中，断口特征的三要素是非常重要的。

可由其确定裂纹源的位置，各种类型材料的断口特征是不相同的。

而裂纹形态分析则是疲劳、腐蚀、应力腐蚀破裂、氢脆分析的一个主要内容。

微观断口分析主要采用金相显微镜、扫描电镜等仪器进行研究断裂的微观过程，断裂机制，分析影响失效的各种因素。

脆性断口的微观特征：

延性断口的微观特征

在疲劳断口的分析中，要注意不同服役条件下各种材料的疲劳条纹形貌是不一样的。

在第5章“机械零件失效原因分析“中，对于设计强调了对应力集中的处理，在材料选择中，希望根据零件的使用工况，选择材料强度、韧性、塑性的合理配合。

在工艺因素改造成品失效分析这一节中，则全面分析了造成工艺裂纹的可能原因。

在第六章“预防机械零件中失效的对策”中，首先介绍了失效分析的思路。

为此，提出预防过量变形失效的对策，预防脆性断裂的对策和预防疲劳失效的对策、预防表面损伤失效的对策。

第七章是“失效分析实例”特别注意用断裂力学的方法对“含缺陷”气瓶的安全与寿命估计。

该书在讲述失效原因分析，失效预防对策时，均从服役条件入手，以设计、材料、制造工艺为主线，与工程实践相结合，深入浅出。

二、输气管道的失效特点

天然气输送管道是把天然气从井口输送到最终用户的管道，按用户及输送过程，天然气输送管道可以分为集气管道、集气干线管道、输气管道及城市用气管道等。

输气管道具有以下特点：

1．输气管道均为压力管道，其中压力最高的是集气管道，在四川气田最高的集气管道已达8.0Mpa，规划中的西气东输管道上游工程的集气压力可达12Mpa。

根据输气量一定的条件下，输气压力升高，则管径减小，可减小材料成本和建设投资的关系，世界上输气管道的发展趋势是高压力，特别是长距离的输气干线，经济效益明显。

由于长输管道压力的提高，带动了上游集气管道的输送压力，提高管道压力，也增大了管道潜在失效的风险性，以及失效后的危害性，因此，失效的分析及预防在天然气的管道运行、建设维护中，占有更重要的地位。

2．输气管道输送的天然气是可压缩的可燃性气体，具有很大的危害性。

由于气体的可压缩性，在发生失效时会产生更大的危害，大口径、高等级管材的长程撕裂，会扩展裂纹，扩大灾难；同时，由于天然气中绝大部分是可燃的甲烷（CH4）和乙烷（C2H6），因此，在发生失效事故时，或失效处理时措施不当，极易引燃大火，伴随火灾，造成更大的灾难。

因此，天然气管道的设计，施工有更大的安全系数和严格的技术要求，在大口径高等级材料选材时，应特别注意止裂韧性，其也会影响天然气管道的失效分析。

3．天然气输送管道距离长，直径变化多。

如国内目前正在建设的西气东输工程从新疆到上海，有二千多公里长，随着长度的增加，潜在的失效点增加，风险增大，出现失效的概率增加。

天然气管道的直径与输气量及输送压力相关，输气量又是由气井的产量或用户用气量决定的，因此，变化范围广。

如果不包括城市用气管道，一般直径从φ89～φ1100mm不等。

管径的变化造成了使用的管道类型的变化，如φ89～φ402mm的无缝钢管，φ277mm以上的电阻焊管等。

4．输气管道的腐蚀性是其特点之一，输气管道的腐蚀分为内腐蚀和外腐蚀。

内腐蚀是管道输送介质产生的腐蚀，通常发生在集气管线，由于部分天然气中含有腐蚀性的介质，如H2S、CO2、CL-等会对管道造成腐蚀，引发事故。

如：

四川气田由于H2S腐蚀引发的硫化物应力开裂已造成事故近百起。

在经过脱硫厂，脱水站脱去H2S、CO2和H2O以后，内腐蚀引发的事故骤减。

管道的外部腐蚀则发生在所有的管道上，是由土壤及管道外部接触的其他介质造成。

尽管为防止外腐蚀工程上通常已采取了外涂层加阴极保护的办法，但由于外涂层的破损及阴极保护的失效，外腐蚀仍然存在。

随着外涂层从沥青涂层向三层PE的转变，管道的外腐蚀会有显著地减少。

4．采用了专门的管线钢材料。

由于输气管道具有上述的特殊性，又具有投资大的特点，因此，世界各国都专门开发研制了专门的石油天然气专用输送钢管，并制订了内容繁多，定义严格的订货技术条件。

如美国石油工程师协会标准API5L、国际标准化组织标准ISO3183-1、ISO3183-2、ISO3183-3。

在这些标准中，按屈服强度的等级把石油天然气输送管的材料分为了X42、X46、X52、X56、X60、X65、X70等。

国内除采用这些材料外，在无缝钢管中还大量使用20号和16Mn钢管，现在一般采用的标准是GB9711.1、GB9711.2。

输气管道的上述特点，造成了其失效的特点。

在国内输气管道的失效统计，以管理不善，意外受载造成的事故最多，而腐蚀造成的失效也是重要原因之一。

事故发生点以焊缝上居多，特别是早期建设的，采用螺旋埋弧焊的钢管。

三、《机械零件失效分析与预防》及指导输气管道的失效分析

1．失效率及失效时间的划分

书中将失效的时间分为了早期失效期，偶然失效期和耗损失效期，这对输气管道的施工和运行管理有较大的意义。

输气管道属压力管道，在建造的施工现场进行了大量的组对和对接焊，在投入运行前进行了压力试验（水压或气压），对焊缝等受压元件进行了综合性考核。

因此，在投产运行初期按理不会造成失效。

但在实际生产中，这段时期的失效却较多，在四川的酸气输送管道，这个时期为1～2年。

如某集气干线，在一年内发生爆管事故6起，造成3具大的损失。

分析这种情况，有以下的原因：

1）输送的介质含有湿H2S，发生硫化物应力开裂，虽然设计中已考虑到了这个可能，提高了相应的技术条件，但在现场施工时，因野外施工，地形复杂，工期短，四川气候潮湿，造成了施工质量不符合要求，如果无损探伤检验未落到实处，造成了缺陷，引起应力集中，材料组织变化，在温H2S的条件下发生SSC。

由于SSC产生的时间较短，一般在1个月之内，因此曾在现场发生连续的爆管事故。

2）湿H2S引起的应力导向氢致开裂。

如果管线管材质不纯，虽不会引起SSC，但在长期的酸性环境下，产生氢致开裂，在内压力的作用下，管道发生的补裂或氢脆。

这是为什么部分酸性环境管道的失效发生在投入运行一个月之后的原因之一。

3）部分焊接缺陷在经受压力试验的短期超压考察时，并未产生爆裂，但在长期的承压时，仍然发生了裂纹的扩展，引起的事故。

因此，长期以来，国内外争论的结论是：

①按现有规范通过压力试验的压力管道和压力容器，并不能完全保证之后投入运行的设备和管道裂纹不扩展。

②现有规范采用了短期超压的方式是否可加以改进。

这是不会腐蚀性介质的输气管道在早期失效期发生失效的主要原因。

据调查输气管道的偶然失效期的事故是最难预测的，按国内的设计要求，这一时期是8年左右。

其发生的主要原因有：

灾害、如山体滑坡、地震、洪水等；

有意，无意的人为破坏，主要表现在输气管道附近的野蛮施工造成，这实际上是该阶段发生失效的最主要原因。

维护不当也属这一类。

操作不当造成如误操作造成的超压和把酸性气放入净化气管道等。

压力波动造成，实际生产中，管道运行压力往往低于设计压力，因此在前一阶段本应暴露的缺陷得以隐藏下来，而当在本阶段采用设计压力输气时，应力增大，隐藏下来的缺陷发展扩大引发事故。

在损耗失效期，管道的内外腐蚀是引发事故的主要原因。

在长输管道，主要表现在外部腐蚀，但国际上公认的外壁的应力腐蚀开裂，尚未在国内找到实际的例证。

另一个要注意的是，如果腐蚀性介质引起内壁局部腐蚀，则该管道的损耗失效期会大大提前。

另一个可能造成损耗失效期提前的原因是采用输气管道进行调峰的管线，可能会形成低周疲劳，目前国内沿无人对此引起足够的重视。

2．冲击韧性（аK）与断裂韧性（KIC）的比较。

书中冲击韧性与试件几何尺寸有关，而断裂韧性却是材料的常数，因此断裂韧性更适用于作为材料韧性的评价参数和防断裂的定量设计。

但在压力管道中，传统上长期仍采用冲击韧性作为订货的技术条件，这可能有下面的原因：

1）传统上长期使用аK来评价材料，采用了在标准测试方法，即规定测试试件的几何尺寸，及试件缺口的详细要求，力图避免几何效应对冲击韧性试验值的影响。

2）传统上长期使用аK值，积累了大量的试验测试结果和现场使用结果的数据和经验，因此在订货时更强调采用标准试验方法测得了аK值与一个据长期得到经验临考值的相对值。

3）由于输气管道的壁减薄，一般小于15mm，小于压力容器壁厚，因此，针对压力容器用钢采用的测试KIC时薄壁产生的误差，但尚未完全被C接受。

尽管如此，采用KIC评价材料的韧性应是一个发展的方向，目前国际上已有标准将这一方法和测定аK同时列入供客户选用。

但在输气管道的剩余强度评价时，已较普遍地采用KIC的方法。

在输气管道的失效分析中，尚未采用KIC的相关方法，这是由于事故一旦发生不仅要撕裂，更常伴随着火灾，因此较难确定原始起裂缺陷的大小。

另一个原因是无法测试事故发生管段的KIC，因为无法取到需要试件而业主更急于恢复生产。

3．天然气管道破裂的特征—因素图

据书中的特征—因素图并参照书中的“焊接”压力容器破裂的持征—因素图，建立起输气管道破裂的特征—因素图如下图，以帮助以后的输气管道破裂的失效分析。

4．失效分析程序

据书中的规定，并结合输气管道的失效分析经验，修改书中的“机械零件失效分析程序框图”，可建立“输气管道失效分析程序框图”，如下图，规范和指导输气管道的失效分程程序。

其中的再现实验和确认实验是很困难的，只有通过抽取主要因素，简化失效模型的方法来进行，这是过去重视不够的一环，其只有在失效结论的实际经验和理论上都缺管充分认识的时候才采取的实验。

四、输气管道失效分析的发展趋势

随着国内输气管道材料强度的提高，设计压力的增高，管道长度的增大，今后输气管道破裂的失效形式将增大，这是和我国采用高等级材料建设输气管道的经验不是相关的，即包括钢材和制管技术的经验不足，也包括了建造，特别是焊接和运行管理的经验不足。

由于国家采取了对输气管道的强制检测，因此，对于腐蚀等引起的体积性缺陷造成的爆管的事故将减少，但这不包括输送酸气的管道的硫化物应力开裂和应力导向氢致开裂，这些裂纹及焊接裂纹是目前世界上最先进的智能清管检测技术无法测到的。

因此，输气管道的失效分析，在以下方面应有发展。

微观断面分析更多的用于输气管道的失效分析，这要借助先进仪器手段进行。

随着先进科学仪器、扫描电镜、电子探针，X衍射仪等的逐渐普及，价格降低，输气管道破裂失效的数量增加，复杂性和难度加大，微观断面分析应发挥更大的作用。

高强度管线钢的断裂力学将更多的用于失效分析中，并在应用中得到完善和发展。