03.23 设备及管道泄漏

工艺生产设备上 （容器、 塔器、 换热器、 反应器、 锅炉等） 也会发生泄漏事故。如大型气柜上出现的腐蚀孔洞、 裂纹， 流体压力容器上出现的裂纹、 渗漏现象等； 工艺生产管道上， 由于其输送的流体介质的不断流动， 在腐蚀、 冲刷、 振动等因素影响下， 在直管输送管段上， 异径管段上， 流体介质改变方向的弯头及三通处， 管道的纵焊焊缝及环焊焊缝上，也同样会出现泄漏现象。造成设备和管道泄漏的原因较多， 有人为的 （选材不当、 结构不合理、 焊缝缺陷、 防腐蚀措施不完善、 安装质量欠佳等） 和自然的 （温度变化、 地震、 地质变迁、 雷雨风暴、 季节变化、 非人为的破坏等） 因素。

1、腐蚀引起的泄漏

由于腐蚀可以产生泄漏， 腐蚀的性质不同也会产生不同形式的泄漏， 如均匀腐蚀造成管壁或设备外壁一层层脱落， 最后造成大面积穿孔， 浸蚀或汽蚀使金属表面呈蜂窝状，随着时间的推移而形成腐蚀穿孔， 应力腐蚀往往是没有变形预兆的突然断裂。还有电化学腐蚀、 点蚀、 晶间腐蚀、 氢腐蚀等等， 其结果或使材料机械性能降低， 或使金属管道腐蚀穿孔而造成泄漏。

在动态条件下处理腐蚀所造成的泄漏时， 应当慎重。尤其是选用注剂式带压密封技术来消除泄漏时， 更应格外小心。因为这项技术在注射密封注剂时， 会产生很大的推力，这个推力对于泄漏缺陷部位来说， 相当于受到外压的作用， 而泄漏缺陷部位的金属组织，由于腐蚀的作用， 机械强度下降或壁厚减薄， 若不采取相应的补救措施， 实际作业时， 可能会出现局部失稳或将密封注剂沿泄漏通道注射到工艺管道之中， 严重时有可能将工艺管道堵死， 引起其他堵塞。因此， 在确定施工方案时， 应首先考虑泄漏部位的机械强度，然后再决定采用那一种方法加以消除。

2、焊缝缺陷引起的泄漏

无论是大型金属容器， 还是长达数百公里的流体金属输送管道， 都必须通过焊接的方法实现连接， 并得到机械性能优良的焊接接头。但是， 在焊接的过程中， 由于人为的因素及其他自然因素的影响， 在焊缝形成过程中不可避免地存在着各种缺陷。焊缝上发生的泄漏现象， 相当大一部分是由焊接过程中所遗留下来的焊接缺陷所引起的。

最常用的焊接方法是电焊和气焊， 常见的焊缝缺陷如下：

（1） 电焊焊缝缺陷

电焊是通过电能所产生的高温电弧而得到整体金属接头的过程。电焊焊缝常见的缺陷有：

a） 未焊透

焊件的间隙或边缘未熔化， 留下的间隙叫未焊透。如图2-6所示。由于存在着未焊透， 压力介质会沿着层间的微小间隙出现渗漏现象， 严重时也会发生喷射状泄漏。

b） 夹渣

在焊缝中存在的非金属物质称为夹渣。如图2-7 所示。夹渣主要是由于操作技术不良， 使熔池中的熔渣未浮出而存在于焊缝之中， 夹渣也可能来自母材的脏物。

夹渣有的能够看到， 称为外缺陷； 有的存在于焊缝深处， 肉眼无法看到， 通过无损探伤可以看到， 称为内缺陷。无论内缺陷还是外缺陷， 对焊缝的危害都是很大的， 它们的存在降低了焊缝的机械性能。而某些具有针状的显微夹杂物， 其夹渣的尖角将会引起应力集中， 几乎和裂纹相等。焊缝里的针状氮化物和磷化物， 会使金属发脆， 氧化铁和硫化铁还能形成裂纹。

夹渣引起的焊缝泄漏也是比较常见的， 特别是在那些焊缝质量要求不高的流体输送管路及容器上， 夹渣存在的焊缝段内会造成局部区域内的应力集中， 使夹渣尖端处的微小裂纹扩展， 当这个裂纹穿透管道壁厚时， 就会发生泄漏现象。

c） 气孔

在金属焊接过程中， 由于某些原因使熔池中的气体来不及逸出而留在熔池内， 焊缝中的流体金属凝固后形成孔眼， 称之为气孔。如图2-8所示。气孔的形状、 大小及数量与母材钢种、 焊条性质、 焊接位置及电焊工的操作技术水平有关。形成气孔的气体有的是原来熔解于母材或焊条钢芯中的气体； 有的是药皮在熔化时产生的气体； 有的是母材上的锈、 垢等物在受热后分解产生的； 也有的来自于大气。而低碳钢焊缝中的气孔主要是氢或一氧化碳气孔。

根据气孔产生部位的不同， 可分为表面气孔和内部气孔； 根据分布情况的不同， 可分为疏散气孔、 密集气孔、 连续气孔等。这些气孔产生的原因是多种多样的， 所形成的气孔形状大小也各不相同， 有球形、 椭圆形、 旋涡形和毛虫状等。

气孔对焊缝的强度影响极大， 它能使焊缝的有效工作截面积减小， 降低焊缝的机械性能， 特别是对弯曲和冲击韧性影响最大， 破坏了焊缝的致密性。连续气孔还会导致焊接结构的破坏。

单一的小气孔一般不会引起泄漏。但长形气孔的尖端在温差应力、 安装应力或其他自然力的作用下， 会出现应力集中的现象， 致使气孔尖端处出现裂纹， 并不断扩展， 最后导致泄漏； 连续蜂窝状气孔则会引起点状泄漏。处理这类焊缝气孔引起的泄漏， 可以采用带压粘接密封技术中所介绍的简便易行的方法加以消除； 当泄漏压力及泄漏量较大，人员难以靠近泄漏部位， 则可以采用注剂式带压密封技术加以消除； 允许动火的部位也可考虑采用带压焊接密封技术中介绍的方法加以消除， 其强度和使用寿命会更高更长。

d） 裂纹

裂纹是金属中最危险的缺陷。也是各种材料焊接过程中时常遇到的问题。这种金属中的危险缺陷有不断扩展和延伸的趋势， 从密封的角度考虑， 裂纹的扩展最终会引起被密封流体介质的外泄。

裂纹按其所存在的部位可分为纵向裂纹、 横向裂纹、 焊缝中心裂纹、 根部裂纹、 弧坑裂纹、 热影响区裂纹等， 如图2-9所示。有时裂纹出现在焊缝的表面上， 有时也出现在焊缝的内部。有时是宏观的， 有时是微观的， 只有用显微镜才能观察出来。常见裂纹有：

焊接金属热裂纹。这种裂纹的特征是断口呈蓝黑色， 即金属在高温下被氧化的颜色， 裂纹总是产生在焊缝正中心或垂直于焊缝鱼鳞波纹， 焊缝表面可见的热裂纹呈不明显的锯齿形， 弧坑处的花纹状或稍带锯齿状的直线裂纹也属于热裂纹。

焊接金属冷裂纹。冷裂纹则与热裂纹有所不同， 它是在焊接后的较低温度下产生的， 温度一般在200~300℃左右。冷裂纹可以在焊缝冷却过程中立即出现， 有些也可以延迟几小时、 几天甚至一、 二个月之后才出现， 故冷裂纹又叫延迟裂纹。延迟裂纹大多数产生在基本金属上或基本金属与焊缝交界的熔合线上， 大多数是纵向分布， 少数情况下也可能是横向裂纹， 其外观特征是： 显露在焊接金属表面的冷裂纹断面上没有明显的氧化色彩， 断口发亮； 其金相特征是： 冷裂纹可能发生在晶界上， 也可能贯穿于晶粒体内部。

以上我们只介绍了几种常见电焊焊缝缺陷及产生的原因。当然一些其他因素同样会造成焊缝缺陷。总的来讲， 无论哪种焊接缺陷存在于焊缝上， 都会影响到焊缝的质量，削弱焊缝的强度， 也是造成设备、 管道泄漏的重要原因

（2） 气焊焊缝缺陷

气焊是利用焊炬喷出的可燃气体与氧气混合燃烧后， 其热量把两焊件的接缝处加热到熔化状态， 用或不用填充材料把焊件连接起来， 得到整体焊接接头的过程。在采用气焊焊接过程中， 同电焊一样， 由于某些原因， 焊缝中有时也会出现一些焊接缺陷。

a） 过热和过烧

过热和过烧， 一般是指钢在气焊时金属受热到一定程度后， 金属组织所发生的变化。金属产生过热的特征是在金属表面变黑， 同时有氧化皮出现。在组织上表现为晶粒粗大； 而过烧时， 除晶粒粗大外， 晶粒边界也被强烈氧化， 焊缝的宏观特征是 “发渣” 。过热的金属会变脆， 若过烧则会更脆。造成这种缺陷的主要原因是：1 火焰能率太大；2 焊接速度太慢；3 焊炬在一处停留时间太长。另外还与采用了氧气过剩的氧化焰、 焊丝成分不合格及在风力过大处焊接等客观因素有关。显然， 这种焊接缺陷的存在必然影响到焊缝质量。

b） 气孔

气孔是遗留在焊缝中的气泡。气焊产生气孔的主要原因有：1 工件与焊丝表面不干净， 有油、 锈、 漆及氧化铁皮等； 2 焊丝与母材化学成分不符合要求； 3 焊接速度太快；4 焊丝与母材的加热熔化配合不协调。气孔的存在将减少焊缝的有效截面积， 破坏了焊缝的致密性， 降低了焊接接头的机械性能.

c） 夹渣

当被焊工件和焊丝上存有油污、 油漆、 铁锈等脏物， 而进行组对焊接时， 又没有采取必要的手段加以清理， 就可能产生夹渣。这种夹渣与电焊时所产生的夹渣引起的危害是一样的。

d） 咬边

咬边是在基本金属和焊缝金属交界处所形成的凹坑或凹槽。在焊接横焊缝时， 焊缝上部最易形成咬边现象。原因是， 焊嘴倾斜角度不对及焊嘴、 焊丝的摆动不当， 火焰能率太大等。焊缝形成咬边缺陷后， 减少了金属的有效截面积， 同时在咬边处形成应力集中，这种应力集中同样会引起焊缝中微小裂纹的扩展而出现泄漏现象。

e） 裂纹

气焊过程中产生裂纹的主要原因有： 1 焊件和焊丝的成分、 组织不合格 （如金属中含碳量过高， 硫磷杂质过多及组织不均匀等） ；2 焊接时应力过大， 焊缝加强高度不够或焊缝熔合不良；3 焊接长焊缝时， 焊接顺序不妥当； 4 点固焊时， 焊缝太短或熔合不良； 5 作业场所的气温低； 6 收尾时焊口没填满等。对金属来说， 裂纹是最危险的焊接缺陷， 它的存在明显地降低了焊接构件的承载能力， 裂纹的尖端不可避免地会出现应力集中。应力集中又会使裂纹不断扩展， 裂纹达到一定深度就会破坏管道、 设备的封闭性能， 流体介质就会沿着这些裂纹外泄。

无论是电焊焊缝缺陷， 还是气焊焊缝缺陷的存在， 都是引起焊缝泄漏的根本原因。从治本的角度出发， 提高焊接质量是完全必要的。但对已经投产运行的设备、 管道焊缝上出现的泄漏， 则必须采用动态密封技术加以消除， 以保证生产的安全进行。

3、振动及冲刷引起的泄漏

管道振动。在日常生活中稍加留意就可以观察到， 例如： 当我们打开或关闭自来水龙头时， 有时管道会 “嘟、 嘟” 作响， 此时注意观察或用手摸管道， 可以发现它在振颤， 这种现象就是管道的振动。进一步观察， 还可以发现这种现象一般只发生在水龙头开启到某个特定位置的时候， 对于全开或全闭的管道则无此类现象。由此可以说明振动与水龙头的开启程度有关。凡是经常发生振动的管道， 发生泄漏的概率要比正常管道多得多。生产企业管道和管路系统也会发生与此完全相同的情况， 但危险的程度会更大， 它能使法兰的连接螺栓松动， 垫片上的密封比压下降， 振动还会使管道焊缝内的缺陷扩展， 最终导致严重的泄漏事故。那么是什么引起的管道振动而产生破坏呢？

（1） 共振

每一根管道 （包括液柱） 或者两固定支点的每一节管段， 都有其固有的振动频率。其频率的大小主要取决于管长、 管径和管道壁厚及整体重量。当与管道相连接的各种机械（如泵、 压缩机等） 的振动频率与管道的固有振动频率非常接近或完全相同时， 投入运行的管道就会发生振动， 振幅也会越来越大， 管道内的流体介质压力与速度也将发生激烈的周期性的波动。这种不断增大的振幅和激烈的流体波动， 不但会使密封部位产生泄漏， 而且还会使管道上的焊缝出现开焊而发生泄漏。

（2） 由流体的自激振荡引起的脉动

这是管道内液体流动 （或液、 气两相混流） 所引起的振动问题。主要表现在以下几方面：

a） 液体管道与往复式机械 （例如活塞泵、 压缩机、 柱塞泵等） 相连接时， 因流量的波动而引起管内液体速度的波动。我们知道， 速度的大小和方向的改变会引起动反力的变化。因此" 波动的力要形成振动， 缸数和冲程数越小， 这种波动就越明显。此外， 活塞式本身的往复运动就是波动的， 工作缸在曲轴的一侧不对称， 惯性力不平衡也是造成振动的因素。

b） 压力波动。装有轴流式、 离心式及其他回转式泵类和叶片式压缩机管路， 如果机器的特性曲线是有驼峰的， 那么在小流量下， 会出现运行不稳的现象。泵类运行时还存在着汽蚀现象， 这些都会引起管道内的压力波动而导致管路振动。

c） 加热气体引起的振动。在管路系统中间设有加热装置 （例如锅炉） 或发热反应装置和换热器时， 由于存在气柱现象而引起严重的振动。

d） 由于气泡凝结而引起的振动。这种振动发生在气、 液两相混流的管道中， 气泡的凝结将引起流体介质体积的急剧变化， 液体产生振荡， 造成管路振动。

e） 液体流动产生的旋涡 （卡门旋涡） 引起的振动。液体流过流量孔板、 节流孔板、 整流板处及未全开的阀门时， 将会产生很强的旋涡， 流速越大， 旋涡的能量和区域也越大，在旋涡内液流紊乱， 压力下降， 波动极大， 引起管路的振动。特别是未全开的闸板阀门和非流线型的绕流体， 这种紊乱和波动尤为严重。

f） 水击引起的压力波， 造成管道内液体柱自激振荡， 即水锤现象。易发生在蒸汽输送管道上， 管内凝结水被高速蒸汽推动， 在管内高速流动， 当遇到阀门或管道转弯处就会出现撞击， 引起管道的强烈振动。

( 3） 机械振动与振动传递

机械振动包括管路系统中的泵、 阀、 压缩机等本身的振动。例如叶片式机械的转子不平衡、 轴的弯曲、 轴承间隙增大等都会使机械振动； 闸阀打开后， 阀板成为仅在填料部位有支承的悬臂杆件， 液体流过时， 在其后产生旋涡振动的同时， 还引起阀板的机械振动。在打开阀门到某一开度时， 这种振动最明显， 管道内发出巨大的 “啪啪” 响声。

振动传递是指管路系统周围的其他振源通过地面或建筑物等传递给管道的振动。例如在管道邻近工矿企业重型机械的启动和停车， 巨型锻压机械 （空气锤、 水压机， 摩擦压力机等） 在工作； 靠近山区的管道， 因开山劈岭进行爆破传递给管道系统的振动； 铁路附近的管道， 因火车通行时给其传递来的振动； 宽阔的原野及近海的大型输送流体的管路因大风引起的振动； 舰艇上的流体管路因风浪引起的振动等。

管路的振动必然存在位移。这样在管路上的法兰、 焊缝及各种密封薄弱环节就会逐步被破坏而发生泄漏， 当然从治本的原则考虑， 重要的是消除或隔离振源。但对已经投入运行的管路系统出现的泄漏， 动态密封技术则会显示出极大的优越性和实用价值。

冲刷引起的泄漏主要是由于高速流体在改变方向时， 对管壁产生较大的冲刷力所致。在冲刷力的作用下， 管壁金属不断被流体介质带走， 壁厚逐渐变薄， 这种过程就像滴水穿石一样， 最终造成管道穿孔而发生泄漏。冲刷引起的泄漏常见于输送蒸汽的管道弯头处， 如图2-10所示。因为流体介质在弯头处要改变流动方向， 同时对于冲压成型和冷煨、 热煨成型的弯头， 弯曲半径最大一侧还存在着加工减薄量。所以泄漏常在此处发生。冲刷造成的泄漏如不及时处理， 将会随着时间的推移， 孔洞部位会迅速扩大。因此，对这类泄漏应及早采取措施， 彻底根除。

4、冻裂引起的泄漏

在严寒的冬季， 我国北方大部分地区的气温都会降到零下十几度。在工业区和居民区， 有时人们会看到一股股清澈的水从地面涌出， 而很快结成新的冰面， 有经验的人会知道， 这是埋藏在地下的工业水管线或民用自来水管线被冻裂所引起的。水在受热时会产生体积膨胀， 而逐步转变为气体； 而在低于摄氏零度以下时， 水同样会出现体积膨胀的现象。但这时它不是由液体转变成气体， 而是由液体转变为固体。这 ( 点违背了人们日常理解的物体热胀冷缩的规律。如果结冻过程是在某一输送管道内完成的， 这个膨胀的过程就会受到管壁的制约， 当水在结冰过程中所产生体积膨胀力施加给管壁而引起的环向拉伸应力大于管道金属材料的抗拉强度极限时， 管壁就会出现裂纹或破损， 而使水大量外流。这种现象对于架设于地面上的水、 蒸汽管路同样会发生。通常的解决办法是立刻停水， 挖出埋于地下的损坏管道进行修复

对于地下铺设的管道， 防止冻坏的方法是使其安装深度在冻土层以下， 对于架设在地面上的管线可加设保温层， 加蒸汽伴热或使管线内的水处于流动状态， 都可以有效地防止结冻。一旦发生冻裂跑水事故， 应尽快加以消除。在不允许断水的情况下， 可根据泄漏部位情况， 采用动态密封技术中相应的方法进行动态消除。对于冻裂同时又冻堵的管线应在进行动态密封作业后， 再用加热的方法使管线畅通。