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弯管的安全运行措施及失效原因

2018-12-31 13:05:02

管道运输作为五大运输方式之一,在油气输送中发挥着越来越大的作用。我国油气管道在“十一五”和“十二五”期间发展迅速,建成了西气东输(二线、三线)、中亚管线(B线、C线)、中缅管线、陕京三线等油气战略通道。同时,中俄管线、新粤浙管线等管道工程己经在积极筹划之中。此外,油田集输管网和城市燃气管网的管道长度约几十万千米,也是油气管道的重要组成部分。油气管道会因外部干扰、管材、腐蚀和施工质量等因素发生失效事故,导致火灾、爆炸、中毒,进而可能造成重大人员伤亡、经济损失及环境污染。其中,弯管作为油气输送管道的关键组成部分,往往承受更复杂的应力和苛刻的工况,弯管的失效风险因而随之增加。因此,为了保障油气管道的可靠运行,需要特别关注弯管的失效控制。

失效控制是从技术层面保障油气管道运行的重要措施之一,主要是对油气管道的失效模式、失效原因和机理进行诊断,研究提出控制失效的措施。目前,我国失效控制意识相对比较淡薄。失效控制与完整性管理是并重的,将两者综合起来,可以较大限度地杜绝恶性事故的发生,保障油气管道的运行。因此,本文基于失效控制技术,分析了在2000~2015年由石油管工程技术研究院完成的弯管失效分析案例,对其失效原因进行了分类,为油气管道的运行提供参考。

弯管并未受到机械损伤及环境腐蚀。但是弯管的外弧侧力学性能不符合标准要求。其中,外弧侧的屈服强度远超出标准要求的上限,伸长率因过小而不合格;同时,外弧侧的夏比冲击值也严重不符合标准要求。进一步对断口进行组织及裂纹分析后表明,弯管起裂处组织全部为脆性的马氏体组织。其产生的主要原因是在弯管制造过程中,由于其横截面加热温度分布不均匀,弯曲段外弧侧加热温度高,而冷速又过快,导致外弧侧出现了高强度、低韧性的马氏体组织,属于弯管热垠制工艺不当。弯管在制造中由于热处理过程和弯曲压力的不稳定,可能在弯管外弧侧产生微裂纹,这些微裂纹可在弯管内压力作用下发生脆性裂纹扩展,发生断裂或管线的爆裂。

经失效研究分析,弯管的化学成分、夏比冲击及硬度等试验结果符合产品标准要求,而外弧侧管体拉伸强度不符合标准要求。在对弯管的裂纹分析后发现,裂纹内存在黄色金属物质,裂纹扩展沿晶界分布。裂纹内黄色金属物质为铜元素。弯管的这种失效原因一般称为铜污染(或铜脆),产生原因是在弯管感应加热垠制过程中,因工艺不当使钢管受到铜污染,在高温下铜不能固溶于钢中,钢与铁形成低熔点共晶物存在钢中晶粒边界,使管材的强度和延展性降低。弯管在制造过程中承受了拉应力而发生了铜脆开裂。

对于中频弯管加工件的弯制质量会产生怎样的影响呢?

首先,我们需要考虑的一个因素就是所选择弯管管道的壁厚。这时候,我们主要应当考虑的因素就是抗震要求以及热胀等方面的影响。通常情况下,弯管加工件的壁厚不得超过的限制,否则的话,有可能会导致管道支撑载荷过大。

点,我们需要考虑的因素就是应当选择哪一种冷却介质以及如何控制冷却的温度情况。由于在进行弯管加工的时候,我们可以采取不同的热处理方法,考虑到其对于弯管力学性能的不同影响,我们不仅要选择较佳的推进速度,同时还应当保证较为适合的加热温度。只有这样,才能够确保整个管系可靠。

第三,通常情况下,当对中频弯管加工件进行了去应力处理之后,其可能会出现不同程度的回弹。而如果回弹角度过大,将会造成弯管的弯曲角度超过规定的允许偏差。 

弯管泄漏处有一条沿纵向长度约为23 mm的裂纹,沿横向由许多细小的裂纹组成裂纹群,裂纹群长度约为100 mm。对弯管开裂部分进行解剖分析,发现位于弯曲段外弧侧的泄漏部位有横向、纵向裂纹及镶嵌于内部的异物存在,且裂纹边缘局部有脱碳现象。块状异物来源于钢坯中的夹渣,钢坯中一旦存在夹杂,就会破坏材料的连续性,并形成局部应力集中,在随后的板卷轧制、制管及热垠等型变加工中,夹渣就会成为弯管开裂的裂纹源,带有裂纹的弯管在后续的现场水压试验过程中,在内压及应力集中的共同作用下,裂纹进一步扩展,从而导致泄漏。

对弯管内壁凹坑观察分析后发现,凹坑具有明显的冲蚀痕迹,可以确定弯管内壁凹坑为压裂液冲蚀产生的冲蚀坑。弯管冲蚀是指液体或固体以松散的小颗粒按的速度或角度对弯管材料表面进行冲击所造成的一种材料损耗现象或过程,冲蚀有时也称为冲蚀磨损。影响弯管冲蚀磨损的因素主要有压裂液成分、使用因素和材料性能等方面。高压弯管是压裂高压管汇中的重要组成部分,由于其结构的特殊性,它更容易遭受压裂液的冲刷腐蚀,弯管的冲蚀磨损比直管部分的磨损大约严重50倍。

结论与建议

1)弯管失效原因主要有三大类:热垠工艺不当、原材料缺陷及服役环境。

2)对于热垠工艺不当引起的管体组织异常,建议弯管在热垠制过程中改进生产工艺,严格执行制造工艺规范,确保弯管各项性能指标符合相关标准和技术规格书要求;对于铜污染,建议在弯管制造过程中,加强现场管理,杜绝母管与铜合金或者其他低熔点金属接触。

3)对于原材料缺陷,建议加强弯管母管入厂、弯管出厂前的无损检测工作,防止有缺陷的母管进厂、有裂纹的弯管出厂。

4)对于因服役环境造成的失效,建议应定期采取的无损检测方法(如超声波检测技术)检查弯管壁厚减薄状况;其次在油气进入管线前可进行脱水和杂质处理,防止水分及固体颗粒(砂砾)随油气进入管线对其腐蚀和冲击的影响;另外可采用耐蚀性能较好的弯管。

5)为加强弯管的管理,应重视失效分析工作。现场可通过便携式硬度计、金相、化学成分等检测,确定管件是否存在问题。当不影响抢修,可取下样品及时送往第三方机构进行失效分析工作,以便总结分析事故原因。


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