03.23 設備及管道洩漏

工藝生產設備上 （容器、 塔器、 換熱器、 反應器、 鍋爐等） 也會發生洩漏事故。如大型氣櫃上出現的腐蝕孔洞、 裂紋， 流體壓力容器上出現的裂紋、 滲漏現象等； 工藝生產管道上， 由於其輸送的流體介質的不斷流動， 在腐蝕、 沖刷、 振動等因素影響下， 在直管輸送管段上， 異徑管段上， 流體介質改變方向的彎頭及三通處， 管道的縱焊焊縫及環焊焊縫上，也同樣會出現洩漏現象。造成設備和管道洩漏的原因較多， 有人為的 （選材不當、 結構不合理、 焊縫缺陷、 防腐蝕措施不完善、 安裝質量欠佳等） 和自然的 （溫度變化、 地震、 地質變遷、 雷雨風暴、 季節變化、 非人為的破壞等） 因素。

1、腐蝕引起的洩漏

由於腐蝕可以產生洩漏， 腐蝕的性質不同也會產生不同形式的洩漏， 如均勻腐蝕造成管壁或設備外壁一層層脫落， 最後造成大面積穿孔， 浸蝕或汽蝕使金屬表面呈蜂窩狀，隨著時間的推移而形成腐蝕穿孔， 應力腐蝕往往是沒有變形預兆的突然斷裂。還有電化學腐蝕、 點蝕、 晶間腐蝕、 氫腐蝕等等， 其結果或使材料機械性能降低， 或使金屬管道腐蝕穿孔而造成洩漏。

在動態條件下處理腐蝕所造成的洩漏時， 應當慎重。尤其是選用注劑式帶壓密封技術來消除洩漏時， 更應格外小心。因為這項技術在注射密封注劑時， 會產生很大的推力，這個推力對於洩漏缺陷部位來說， 相當於受到外壓的作用， 而洩漏缺陷部位的金屬組織，由於腐蝕的作用， 機械強度下降或壁厚減薄， 若不採取相應的補救措施， 實際作業時， 可能會出現局部失穩或將密封注劑沿洩漏通道注射到工藝管道之中， 嚴重時有可能將工藝管道堵死， 引起其他堵塞。因此， 在確定施工方案時， 應首先考慮洩漏部位的機械強度，然後再決定採用那一種方法加以消除。

2、焊縫缺陷引起的洩漏

無論是大型金屬容器， 還是長達數百公里的流體金屬輸送管道， 都必須通過焊接的方法實現連接， 並得到機械性能優良的焊接接頭。但是， 在焊接的過程中， 由於人為的因素及其他自然因素的影響， 在焊縫形成過程中不可避免地存在著各種缺陷。焊縫上發生的洩漏現象， 相當大一部分是由焊接過程中所遺留下來的焊接缺陷所引起的。

最常用的焊接方法是電焊和氣焊， 常見的焊縫缺陷如下：

（1） 電焊焊縫缺陷

電焊是通過電能所產生的高溫電弧而得到整體金屬接頭的過程。電焊焊縫常見的缺陷有：

a） 未焊透

焊件的間隙或邊緣未熔化， 留下的間隙叫未焊透。如圖2-6所示。由於存在著未焊透， 壓力介質會沿著層間的微小間隙出現滲漏現象， 嚴重時也會發生噴射狀洩漏。

b） 夾渣

在焊縫中存在的非金屬物質稱為夾渣。如圖2-7 所示。夾渣主要是由於操作技術不良， 使熔池中的熔渣未浮出而存在於焊縫之中， 夾渣也可能來自母材的髒物。

夾渣有的能夠看到， 稱為外缺陷； 有的存在於焊縫深處， 肉眼無法看到， 通過無損探傷可以看到， 稱為內缺陷。無論內缺陷還是外缺陷， 對焊縫的危害都是很大的， 它們的存在降低了焊縫的機械性能。而某些具有針狀的顯微夾雜物， 其夾渣的尖角將會引起應力集中， 幾乎和裂紋相等。焊縫裡的針狀氮化物和磷化物， 會使金屬發脆， 氧化鐵和硫化鐵還能形成裂紋。

夾渣引起的焊縫洩漏也是比較常見的， 特別是在那些焊縫質量要求不高的流體輸送管路及容器上， 夾渣存在的焊縫段內會造成局部區域內的應力集中， 使夾渣尖端處的微小裂紋擴展， 當這個裂紋穿透管道壁厚時， 就會發生洩漏現象。

c） 氣孔

在金屬焊接過程中， 由於某些原因使熔池中的氣體來不及逸出而留在熔池內， 焊縫中的流體金屬凝固後形成孔眼， 稱之為氣孔。如圖2-8所示。氣孔的形狀、 大小及數量與母材鋼種、 焊條性質、 焊接位置及電焊工的操作技術水平有關。形成氣孔的氣體有的是原來熔解於母材或焊條鋼芯中的氣體； 有的是藥皮在熔化時產生的氣體； 有的是母材上的鏽、 垢等物在受熱後分解產生的； 也有的來自於大氣。而低碳鋼焊縫中的氣孔主要是氫或一氧化碳氣孔。

根據氣孔產生部位的不同， 可分為表面氣孔和內部氣孔； 根據分佈情況的不同， 可分為疏散氣孔、 密集氣孔、 連續氣孔等。這些氣孔產生的原因是多種多樣的， 所形成的氣孔形狀大小也各不相同， 有球形、 橢圓形、 旋渦形和毛蟲狀等。

氣孔對焊縫的強度影響極大， 它能使焊縫的有效工作截面積減小， 降低焊縫的機械性能， 特別是對彎曲和衝擊韌性影響最大， 破壞了焊縫的緻密性。連續氣孔還會導致焊接結構的破壞。

單一的小氣孔一般不會引起洩漏。但長形氣孔的尖端在溫差應力、 安裝應力或其他自然力的作用下， 會出現應力集中的現象， 致使氣孔尖端處出現裂紋， 並不斷擴展， 最後導致洩漏； 連續蜂窩狀氣孔則會引起點狀洩漏。處理這類焊縫氣孔引起的洩漏， 可以採用帶壓粘接密封技術中所介紹的簡便易行的方法加以消除； 當洩漏壓力及洩漏量較大，人員難以靠近洩漏部位， 則可以採用注劑式帶壓密封技術加以消除； 允許動火的部位也可考慮採用帶壓焊接密封技術中介紹的方法加以消除， 其強度和使用壽命會更高更長。

d） 裂紋

裂紋是金屬中最危險的缺陷。也是各種材料焊接過程中時常遇到的問題。這種金屬中的危險缺陷有不斷擴展和延伸的趨勢， 從密封的角度考慮， 裂紋的擴展最終會引起被密封流體介質的外洩。

裂紋按其所存在的部位可分為縱向裂紋、 橫向裂紋、 焊縫中心裂紋、 根部裂紋、 弧坑裂紋、 熱影響區裂紋等， 如圖2-9所示。有時裂紋出現在焊縫的表面上， 有時也出現在焊縫的內部。有時是宏觀的， 有時是微觀的， 只有用顯微鏡才能觀察出來。常見裂紋有：

焊接金屬熱裂紋。這種裂紋的特徵是斷口呈藍黑色， 即金屬在高溫下被氧化的顏色， 裂紋總是產生在焊縫正中心或垂直於焊縫魚鱗波紋， 焊縫表面可見的熱裂紋呈不明顯的鋸齒形， 弧坑處的花紋狀或稍帶鋸齒狀的直線裂紋也屬於熱裂紋。

焊接金屬冷裂紋。冷裂紋則與熱裂紋有所不同， 它是在焊接後的較低溫度下產生的， 溫度一般在200~300℃左右。冷裂紋可以在焊縫冷卻過程中立即出現， 有些也可以延遲幾小時、 幾天甚至一、 二個月之後才出現， 故冷裂紋又叫延遲裂紋。延遲裂紋大多數產生在基本金屬上或基本金屬與焊縫交界的熔合線上， 大多數是縱向分佈， 少數情況下也可能是橫向裂紋， 其外觀特徵是： 顯露在焊接金屬表面的冷裂紋斷面上沒有明顯的氧化色彩， 斷口發亮； 其金相特徵是： 冷裂紋可能發生在晶界上， 也可能貫穿於晶粒體內部。

以上我們只介紹了幾種常見電焊焊縫缺陷及產生的原因。當然一些其他因素同樣會造成焊縫缺陷。總的來講， 無論哪種焊接缺陷存在於焊縫上， 都會影響到焊縫的質量，削弱焊縫的強度， 也是造成設備、 管道洩漏的重要原因

（2） 氣焊焊縫缺陷

氣焊是利用焊炬噴出的可燃氣體與氧氣混合燃燒後， 其熱量把兩焊件的接縫處加熱到熔化狀態， 用或不用填充材料把焊件連接起來， 得到整體焊接接頭的過程。在採用氣焊焊接過程中， 同電焊一樣， 由於某些原因， 焊縫中有時也會出現一些焊接缺陷。

a） 過熱和過燒

過熱和過燒， 一般是指鋼在氣焊時金屬受熱到一定程度後， 金屬組織所發生的變化。金屬產生過熱的特徵是在金屬表面變黑， 同時有氧化皮出現。在組織上表現為晶粒粗大； 而過燒時， 除晶粒粗大外， 晶粒邊界也被強烈氧化， 焊縫的宏觀特徵是 “發渣” 。過熱的金屬會變脆， 若過燒則會更脆。造成這種缺陷的主要原因是：1 火焰能率太大；2 焊接速度太慢；3 焊炬在一處停留時間太長。另外還與採用了氧氣過剩的氧化焰、 焊絲成分不合格及在風力過大處焊接等客觀因素有關。顯然， 這種焊接缺陷的存在必然影響到焊縫質量。

b） 氣孔

氣孔是遺留在焊縫中的氣泡。氣焊產生氣孔的主要原因有：1 工件與焊絲表面不乾淨， 有油、 鏽、 漆及氧化鐵皮等； 2 焊絲與母材化學成分不符合要求； 3 焊接速度太快；4 焊絲與母材的加熱熔化配合不協調。氣孔的存在將減少焊縫的有效截面積， 破壞了焊縫的緻密性， 降低了焊接接頭的機械性能.

c） 夾渣

當被焊工件和焊絲上存有油汙、 油漆、 鐵鏽等髒物， 而進行組對焊接時， 又沒有采取必要的手段加以清理， 就可能產生夾渣。這種夾渣與電焊時所產生的夾渣引起的危害是一樣的。

d） 咬邊

咬邊是在基本金屬和焊縫金屬交界處所形成的凹坑或凹槽。在焊接橫焊縫時， 焊縫上部最易形成咬邊現象。原因是， 焊嘴傾斜角度不對及焊嘴、 焊絲的擺動不當， 火焰能率太大等。焊縫形成咬邊缺陷後， 減少了金屬的有效截面積， 同時在咬邊處形成應力集中，這種應力集中同樣會引起焊縫中微小裂紋的擴展而出現洩漏現象。

e） 裂紋

氣焊過程中產生裂紋的主要原因有： 1 焊件和焊絲的成分、 組織不合格 （如金屬中含碳量過高， 硫磷雜質過多及組織不均勻等） ；2 焊接時應力過大， 焊縫加強高度不夠或焊縫熔合不良；3 焊接長焊縫時， 焊接順序不妥當； 4 點固焊時， 焊縫太短或熔合不良； 5 作業場所的氣溫低； 6 收尾時焊口沒填滿等。對金屬來說， 裂紋是最危險的焊接缺陷， 它的存在明顯地降低了焊接構件的承載能力， 裂紋的尖端不可避免地會出現應力集中。應力集中又會使裂紋不斷擴展， 裂紋達到一定深度就會破壞管道、 設備的封閉性能， 流體介質就會沿著這些裂紋外洩。

無論是電焊焊縫缺陷， 還是氣焊焊縫缺陷的存在， 都是引起焊縫洩漏的根本原因。從治本的角度出發， 提高焊接質量是完全必要的。但對已經投產運行的設備、 管道焊縫上出現的洩漏， 則必須採用動態密封技術加以消除， 以保證生產的安全進行。

3、振動及沖刷引起的洩漏

管道振動。在日常生活中稍加留意就可以觀察到， 例如： 當我們打開或關閉自來水龍頭時， 有時管道會 “嘟、 嘟” 作響， 此時注意觀察或用手摸管道， 可以發現它在振顫， 這種現象就是管道的振動。進一步觀察， 還可以發現這種現象一般只發生在水龍頭開啟到某個特定位置的時候， 對於全開或全閉的管道則無此類現象。由此可以說明振動與水龍頭的開啟程度有關。凡是經常發生振動的管道， 發生洩漏的概率要比正常管道多得多。生產企業管道和管路系統也會發生與此完全相同的情況， 但危險的程度會更大， 它能使法蘭的連接螺栓鬆動， 墊片上的密封比壓下降， 振動還會使管道焊縫內的缺陷擴展， 最終導致嚴重的洩漏事故。那麼是什麼引起的管道振動而產生破壞呢？

（1） 共振

每一根管道 （包括液柱） 或者兩固定支點的每一節管段， 都有其固有的振動頻率。其頻率的大小主要取決於管長、 管徑和管道壁厚及整體重量。當與管道相連接的各種機械（如泵、 壓縮機等） 的振動頻率與管道的固有振動頻率非常接近或完全相同時， 投入運行的管道就會發生振動， 振幅也會越來越大， 管道內的流體介質壓力與速度也將發生激烈的週期性的波動。這種不斷增大的振幅和激烈的流體波動， 不但會使密封部位產生洩漏， 而且還會使管道上的焊縫出現開焊而發生洩漏。

（2） 由流體的自激振盪引起的脈動

這是管道內液體流動 （或液、 氣兩相混流） 所引起的振動問題。主要表現在以下幾方面：

a） 液體管道與往復式機械 （例如活塞泵、 壓縮機、 柱塞泵等） 相連接時， 因流量的波動而引起管內液體速度的波動。我們知道， 速度的大小和方向的改變會引起動反力的變化。因此" 波動的力要形成振動， 缸數和衝程數越小， 這種波動就越明顯。此外， 活塞式本身的往復運動就是波動的， 工作缸在曲軸的一側不對稱， 慣性力不平衡也是造成振動的因素。

b） 壓力波動。裝有軸流式、 離心式及其他迴轉式泵類和葉片式壓縮機管路， 如果機器的特性曲線是有駝峰的， 那麼在小流量下， 會出現運行不穩的現象。泵類運行時還存在著汽蝕現象， 這些都會引起管道內的壓力波動而導致管路振動。

c） 加熱氣體引起的振動。在管路系統中間設有加熱裝置 （例如鍋爐） 或發熱反應裝置和換熱器時， 由於存在氣柱現象而引起嚴重的振動。

d） 由於氣泡凝結而引起的振動。這種振動發生在氣、 液兩相混流的管道中， 氣泡的凝結將引起流體介質體積的急劇變化， 液體產生振盪， 造成管路振動。

e） 液體流動產生的旋渦 （卡門旋渦） 引起的振動。液體流過流量孔板、 節流孔板、 整流板處及未全開的閥門時， 將會產生很強的旋渦， 流速越大， 旋渦的能量和區域也越大，在旋渦內液流紊亂， 壓力下降， 波動極大， 引起管路的振動。特別是未全開的閘板閥門和非流線型的繞流體， 這種紊亂和波動尤為嚴重。

f） 水擊引起的壓力波， 造成管道內液體柱自激振盪， 即水錘現象。易發生在蒸汽輸送管道上， 管內凝結水被高速蒸汽推動， 在管內高速流動， 當遇到閥門或管道轉彎處就會出現撞擊， 引起管道的強烈振動。

( 3） 機械振動與振動傳遞

機械振動包括管路系統中的泵、 閥、 壓縮機等本身的振動。例如葉片式機械的轉子不平衡、 軸的彎曲、 軸承間隙增大等都會使機械振動； 閘閥打開後， 閥板成為僅在填料部位有支承的懸臂杆件， 液體流過時， 在其後產生旋渦振動的同時， 還引起閥板的機械振動。在打開閥門到某一開度時， 這種振動最明顯， 管道內發出巨大的 “啪啪” 響聲。

振動傳遞是指管路系統周圍的其他振源通過地面或建築物等傳遞給管道的振動。例如在管道鄰近工礦企業重型機械的啟動和停車， 巨型鍛壓機械 （空氣錘、 水壓機， 摩擦壓力機等） 在工作； 靠近山區的管道， 因開山劈嶺進行爆破傳遞給管道系統的振動； 鐵路附近的管道， 因火車通行時給其傳遞來的振動； 寬闊的原野及近海的大型輸送流體的管路因大風引起的振動； 艦艇上的流體管路因風浪引起的振動等。

管路的振動必然存在位移。這樣在管路上的法蘭、 焊縫及各種密封薄弱環節就會逐步被破壞而發生洩漏， 當然從治本的原則考慮， 重要的是消除或隔離振源。但對已經投入運行的管路系統出現的洩漏， 動態密封技術則會顯示出極大的優越性和實用價值。

沖刷引起的洩漏主要是由於高速流體在改變方向時， 對管壁產生較大的沖刷力所致。在沖刷力的作用下， 管壁金屬不斷被流體介質帶走， 壁厚逐漸變薄， 這種過程就像滴水穿石一樣， 最終造成管道穿孔而發生洩漏。沖刷引起的洩漏常見於輸送蒸汽的管道彎頭處， 如圖2-10所示。因為流體介質在彎頭處要改變流動方向， 同時對於衝壓成型和冷煨、 熱煨成型的彎頭， 彎曲半徑最大一側還存在著加工減薄量。所以洩漏常在此處發生。沖刷造成的洩漏如不及時處理， 將會隨著時間的推移， 孔洞部位會迅速擴大。因此，對這類洩漏應及早採取措施， 徹底根除。

4、凍裂引起的洩漏

在嚴寒的冬季， 我國北方大部分地區的氣溫都會降到零下十幾度。在工業區和居民區， 有時人們會看到一股股清澈的水從地面湧出， 而很快結成新的冰面， 有經驗的人會知道， 這是埋藏在地下的工業水管線或民用自來水管線被凍裂所引起的。水在受熱時會產生體積膨脹， 而逐步轉變為氣體； 而在低於攝氏零度以下時， 水同樣會出現體積膨脹的現象。但這時它不是由液體轉變成氣體， 而是由液體轉變為固體。這 ( 點違背了人們日常理解的物體熱脹冷縮的規律。如果結凍過程是在某一輸送管道內完成的， 這個膨脹的過程就會受到管壁的制約， 當水在結冰過程中所產生體積膨脹力施加給管壁而引起的環向拉伸應力大於管道金屬材料的抗拉強度極限時， 管壁就會出現裂紋或破損， 而使水大量外流。這種現象對於架設於地面上的水、 蒸汽管路同樣會發生。通常的解決辦法是立刻停水， 挖出埋於地下的損壞管道進行修復

對於地下鋪設的管道， 防止凍壞的方法是使其安裝深度在凍土層以下， 對於架設在地面上的管線可加設保溫層， 加蒸汽伴熱或使管線內的水處於流動狀態， 都可以有效地防止結凍。一旦發生凍裂跑水事故， 應儘快加以消除。在不允許斷水的情況下， 可根據洩漏部位情況， 採用動態密封技術中相應的方法進行動態消除。對於凍裂同時又凍堵的管線應在進行動態密封作業後， 再用加熱的方法使管線暢通。