系力容器与管道失敌 新和评斡 李鹤林院士报告 李鹤林张平生路民旭
压力容器与管道失效 分析和安全评价 李鹤林院士报告 李鹤林 张平生 路民旭
代压力容器和管道主要失效模式和原因 1.1主要失效模式 失效模式是失效的表现形式。 般认为压力容器与管道的失效模式 主要包括:断裂、变形、表面损伤和 材料性能退化四大类 考虑到压力容器与管道的特殊性,添 加了爆炸和泄漏两种。 爆炸和断裂两种失效模式的后果是灾 难性的
1、压力容器和管道主要失效模式和原因 • 失效模式是失效的表现形式。 • 一般认为压力容器与管道的失效模式 主要包括：断裂、变形、表面损伤和 材料性能退化四大类。 • 考虑到压力容器与管道的特殊性，添 加了爆炸和泄漏两种。 • 爆炸和断裂两种失效模式的后果是灾 难性的。 1.1 主要失效模式
物理爆炸:物理原因(温度、内压)使应力超过强度 爆 化学爆炸:异常化学反应使压力急剧增加超过强度 脆性断裂:应力腐蚀、氢致开裂、持久(蠕变)断裂、低温脆断 断裂 韧性断裂 疲劳断裂:应力疲劳、应变疲劳、高温疲劳、热疲劳、腐蚀疲劳、蠕变疲劳 压力容器与管道主要失效模式 密封泄漏:充装过量(冒顶) 泄漏 腐蚀穿孔、穿透的裂纹或冶金、焊接缺陷(满足LBB条件) 过热、过载引起的鼓胀、屈曲、伸长、凹坑(dent) 过量变形 蠕变、亚稳定相的相变 电化学腐蚀:均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、沉积物下腐蚀、溶解 氧腐蚀、碱腐蚀、硫化物腐蚀、氯化物腐蚀、硝酸盐腐蚀 表面损伤 冲蚀、气蚀 金馬夹」高温氧化腐蚀、金属尘化或灾难性渗碳腐蚀、环烷酸腐蚀 外来机械损伤:油气长输管线的主要失效模式之 辐照损伤脆化 材料性能 金相组织变化:珠光体球化、石墨化、S相析岀长大、渗碳、渗氮、脱碳、回 退化 火脆化与敏化、应变时效 氢致损伤:氢腐蚀、氢脆(微裂纹)、堆焊层的氢致剥离
爆炸 断裂 泄漏 过量变形 表面损伤、 金属损失 材料性能 退化 物理爆炸：物理原因（温度、内压）使应力超过强度 化学爆炸：异常化学反应使压力急剧增加超过强度 脆性断裂：应力腐蚀、氢致开裂、持久（蠕变）断裂、低温脆断 韧性断裂 疲劳断裂：应力疲劳、应变疲劳、高温疲劳、热疲劳、腐蚀疲劳、蠕变疲劳 密封泄漏：充装过量（冒顶） 腐蚀穿孔、穿透的裂纹或冶金、焊接缺陷（满足LBB条件） 过热、过载引起的鼓胀、屈曲、伸长、凹坑（dent） 蠕变、亚稳定相的相变 电化学腐蚀：均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、沉积物下腐蚀、溶解 氧腐蚀、碱腐蚀、硫化物腐蚀、氯化物腐蚀、硝酸盐腐蚀 冲蚀、气蚀 高温氧化腐蚀、金属尘化或灾难性渗碳腐蚀、环烷酸腐蚀 外来机械损伤：油气长输管线的主要失效模式之一 辐照损伤脆化 金相组织变化：珠光体球化、石墨化、S相析出长大、渗碳、渗氮、脱碳、回 火脆化与敏化、应变时效 氢致损伤：氢腐蚀、氢脆（微裂纹）、堆焊层的氢致剥离 压 力 容 器 与 管 道 主 要 失 效 模 式
1.2主要失效原因 大量统计资料表明,压力容器与管道 的主要失效原因包括运行操作、管理、 设计制造、检测维修和外来损伤等方 重大事故可定性为:责任事故或设备 事故
1.2 主要失效原因 • 大量统计资料表明，压力容器与管道 的主要失效原因包括运行操作、管理、 设计制造、检测维修和外来损伤等方 面。 • 重大事故可定性为：责任事故或设备 事故
运行操作:违反操作规程、介质超标 管理:缺少现代安全管理体系、职工素质教育差 责任事故 压力容器与管道主要失效原因 检测维修:严重损伤未能被检测发现或缺少科学评价、 不合理的维修工艺(尤其是停工状态的维修) 设计制造:设计缺陷、选材不当、用材错误、存在超标 焊接或冶金缺陷、焊接或组装残余应力过大 设备事故 外来损伤:外来机械损伤、地震、洪水、雷击、大风等
压力容器与管道主要失效原因 责任事故设备事故 运行操作：违反操作规程、介质超标 管理：缺少现代安全管理体系、职工素质教育差 检测维修：严重损伤未能被检测发现或缺少科学评价、 不合理的维修工艺（尤其是停工状态的维修） 设计制造：设计缺陷、选材不当、用材错误、存在超标 焊接或冶金缺陷、焊接或组装残余应力过大 外来损伤：外来机械损伤、地震、洪水、雷击、大风等
2、压力容器与道典型失效案三 2.1典型爆炸事故案例 ■爆炸分为物理爆炸和化学爆炸 ■物理爆炸是指物理原因(温度、压力) 使容器或管道的工作应力超过极限强度 ■化学爆炸是指异常化学反应使压力急剧 增加引起的。一般是由于可燃性气体与 空气的混合达到了爆炸极限范围,或是 放热化学反应失控。 ■两者可以通过爆炸能量的估算进行区分
2、压力容器与管道典型失效案例 爆炸分为物理爆炸和化学爆炸。 物理爆炸是指物理原因（温度、压力） 使容器或管道的工作应力超过极限强度。 化学爆炸是指异常化学反应使压力急剧 增加引起的。一般是由于可燃性气体与 空气的混合达到了爆炸极限范围，或是 放热化学反应失控。 两者可以通过爆炸能量的估算进行区分。 2.1 典型爆炸事故案例
2.1.1西安"35”液化 ■1998年3月5日,西安液化石油气站2个 400m3球罐发生特大爆炸事故 ■事故过程为:下午4:40发现1号球罐下部 排污管道法兰泄漏,虽然消防战士和职工 奋力抢救,但由于没有先进的堵漏技术 泄漏持续约3h,整个厂区充满了石油气, 配电间电火花引爆,形成厂区大火,使球 罐温度急剧升高,最终物理爆炸。 ■法兰泄漏与一只紧固螺栓的疲劳断裂有关。 事故性质确定为设备事故
2.1.1 西安“3·5”液化石油气站特大爆炸事 故 1998年3月5日，西安液化石油气站2个 400 m3球罐发生特大爆炸事故。 事故过程为：下午4：40发现1号球罐下部 排污管道法兰泄漏，虽然消防战士和职工 奋力抢救，但由于没有先进的堵漏技术， 泄漏持续约3h，整个厂区充满了石油气， 配电间电火花引爆，形成厂区大火，使球 罐温度急剧升高，最终物理爆炸。 法兰泄漏与一只紧固螺栓的疲劳断裂有关。 事故性质确定为设备事故
2.1.2四川七桥输气站‘7·18”爆炸事故等 1998年7月18日,四川大天池气田天然气管线七桥输气站分离 器管道发生特大爆炸事故。 ≯事故过程:7月17日在修复泄漏的法兰后,进行用天然气置换 管道系统内的空气作业,置换气流速度为20.6m/s,远大于技 术标准要求的小于5m/s,随后工作人员发现管道有升温、升压 现象,进行了水冷降温和放空处理,效果不明显,在打开管道 系统的一个阀门时发生了管道弯头处的爆炸。 ˆ爆炸管道弯头为20钢273×9无缝管弯制,材质正常。大的爆炸 碎片有6块,最重的为18.8kg,飞出318m远。爆炸源区断口为 塑性剪切,壁厚明显减薄,快速断裂区断口有人字纹,尖端指 向源区。管道内发现有硫化铁产物。为了确定爆炸性质,在现 场调査的数据基础上,进行了爆炸能量的估算,确认该事故为 化学爆炸,是管道内天然气与空气混合达到爆炸极限,起因是 管道内有氧存在使硫化物自燃 1997年大庆油田、1998年中原油田发生的两起注天然气压缩机 出口管爆炸事故,均为天然气的化学爆炸,与七桥事故相似
2.1.2 四川七桥输气站“7·18”爆炸事故等 1998年7月18日，四川大天池气田天然气管线七桥输气站分离 器管道发生特大爆炸事故。 事故过程：7月17日在修复泄漏的法兰后，进行用天然气置换 管道系统内的空气作业，置换气流速度为20.6m/s，远大于技 术标准要求的小于5m/s，随后工作人员发现管道有升温、升压 现象，进行了水冷降温和放空处理，效果不明显，在打开管道 系统的一个阀门时发生了管道弯头处的爆炸。 爆炸管道弯头为20钢273×9无缝管弯制，材质正常。大的爆炸 碎片有6块，最重的为18.8kg，飞出318m远。爆炸源区断口为 塑性剪切，壁厚明显减薄，快速断裂区断口有人字纹，尖端指 向源区。管道内发现有硫化铁产物。为了确定爆炸性质，在现 场调查的数据基础上，进行了爆炸能量的估算，确认该事故为 化学爆炸，是管道内天然气与空气混合达到爆炸极限，起因是 管道内有氧存在使硫化物自燃。 1997年大庆油田、1998年中原油田发生的两起注天然气压缩机 出口管爆炸事故，均为天然气的化学爆炸，与七桥事故相似
2.1.3北乐东万 火灾爆 故 ·1997年6月27日北京东方化工厂罐区发生了 特大火灾爆炸事故,死亡20余人。 ·经过事故调查结论为:石脑油A罐“装满外 溢”蒸发,造成大面积的石脑油气的爆炸、 爆燃、燃烧,最后引起乙烯B罐的爆炸 石脑油A罐“装满外溢”(“冒顶”)是整个事 故的起因,显然应属于违章操作引起的责任 事故
2.1.3北京东方化工厂“6·27”特大火灾爆炸事 故 • 1997年6月27日北京东方化工厂罐区发生了 特大火灾爆炸事故，死亡20余人。 • 经过事故调查结论为：石脑油A罐“装满外 溢”蒸发，造成大面积的石脑油气的爆炸、 爆燃、燃烧，最后引起乙烯B罐的爆炸。 • 石脑油A罐“装满外溢”(“冒顶”)是整个事 故的起因，显然应属于违章操作引起的责任 事故
2.1.4美国丁二烯铁路罐车的灾难性爆炸 ■20世纪90年代美国发生了一起丁二烯铁路罐车的灾难性爆炸事故。罐车长 19m,外径3054mm,筒体厚度15.9mm,封头厚度17.5mm,容积127m3。 安全阀设置压力193MPa,材料相当于20Mn 该罐车在3个月前的例行维修中未进行最后填充氮气的处理,即事故前罐车内 是存有空气的。一列罐车在丁二烯储运场开始充装丁二烯,该罐车在最后充装 位置,环境温度-5.6℃,约1.5h后,罐内压力达到0.79~0.83MPa。为了释 放过高的压力,将罐车与放空管道相连,放空管道通向放空火炬装置,该装置 可以点燃释放的气体。在打开放空管道时,现场人员看到一个小火炬点燃,但 是只有几秒钟便熄灭。随后听到两个爆炸声在放空火炬装置,同时听到一个爆 炸声在该罐车,并且有一个铅笔状火焰从安全阀急剧升起,高度达15m。随即 该罐车剧烈爆炸,60余个碎片飞出,最远达195m,总重约5227kg。爆炸时, 罐内丁二烯蒸气占有的空间为20%(约25m3) ■分析结论为罐车设计、选用材料、材料缺陷、罐车制造、维护使用均与丁二烯 化学爆炸事故有关。爆炸是在安全阀打开(压力为1.93MPa后,但是明显低于 正常承载能力(2.76MPa时发生的,显然与入孔一罐体连接结构不合理造成高 度应力集中以及材料存在缺陷有关。当然,如果罐车内没有空气存在,也不会 引起丁二烯的爆炸。爆炸点火应当是打开放空管道时的静电火花。 ■防止措施:①改善人孔一罐体连接结构设计,增加圆锥形过渡段,减少应力 集中;②严格控制材料冶金质量;③防止违章操作,充装丁二烯以前罐车内 定要充氮惰性处理,并且充装丁二烯的压力不大于827kPa
2.1.4美国丁二烯铁路罐车的灾难性爆炸 20世纪90年代美国发生了一起丁二烯铁路罐车的灾难性爆炸事故。罐车长 19m，外径305 4mm，筒体厚度15.9mm，封头厚度17.5mm，容积127m3。 安全阀设置压力1.93MPa，材料相当于20Mn。 该罐车在3个月前的例行维修中未进行最后填充氮气的处理，即事故前罐车内 是存有空气的。一列罐车在丁二烯储运场开始充装丁二烯，该罐车在最后充装 位置，环境温度-5.6℃ ，约1.5h后，罐内压力达到0.79～0.83MPa。为了释 放过高的压力，将罐车与放空管道相连，放空管道通向放空火炬装置，该装置 可以点燃释放的气体。在打开放空管道时，现场人员看到一个小火炬点燃，但 是只有几秒钟便熄灭。随后听到两个爆炸声在放空火炬装置，同时听到一个爆 炸声在该罐车，并且有一个铅笔状火焰从安全阀急剧升起，高度达15m。随即 该罐车剧烈爆炸，60余个碎片飞出，最远达195m，总重约5227kg。爆炸时， 罐内丁二烯蒸气占有的空间为20%(约25m3)。 分析结论为罐车设计、选用材料、材料缺陷、罐车制造、维护使用均与丁二烯 化学爆炸事故有关。爆炸是在安全阀打开(压力为1.93MPa)后，但是明显低于 正常承载能力(2.76MP a)时发生的，显然与入孔一罐体连接结构不合理造成高 度应力集中以及材料存在缺陷有关。 当然，如果罐车内没有空气存在，也不会 引起丁二烯的爆炸。爆炸点火应当是打开放空管道时的静电火花。 防止措施：① 改善人孔一罐体连接结构设计，增加圆锥形过渡段 ，减少应力 集中；②严格控制材料冶金质量；③防止违章操作，充装丁二烯以前罐车内一 定要充氮惰性处理，并且充装丁二烯的压力不大于827kPa
