金屬軟管的標(biāo)準(zhǔn)比對和質(zhì)量提升研究

蘇文娟，毛小虎，王志成,張 劍,俞 躍,劉 崢,李 科，朱祥軍

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院, 南京 210036；2.中國特種設(shè)備檢測研究院,北京 100029；

0 概述

金屬軟管是承壓設(shè)備裝置系統(tǒng)中的重要組成部分，通常用以補償管道或設(shè)備連接之間的相互位移，吸收振動能量，廣泛用在石油化工等領(lǐng)域。金屬軟管未納入2014版《特種設(shè)備目錄》，金屬軟管的制造未納入壓力管道元件制造許可項目[1]。GB/T 20801.1—2020《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第1部分：總則》中對管道組成件的定義為用于連接或者裝配成壓力密封的管道系統(tǒng)機械元件，其中包括耐壓軟管；TSG D0001—2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程——工業(yè)管道》第三條中注2關(guān)于管道組成件的定義包括了耐壓軟管。我國金屬軟管制造水平參差不齊，目前金屬軟管不在特種設(shè)備目錄行列，無需取得制造許可，在壓力管道系統(tǒng)中使用的耐壓軟管存在著一定程度的監(jiān)管缺失，因此，制定科學(xué)、完善的標(biāo)準(zhǔn)對規(guī)范金屬軟管行業(yè)顯得尤為重要。本文將通過故障樹分析金屬軟管失效原因，進(jìn)一步比較國內(nèi)外金屬軟管主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的差異，并提出國內(nèi)金屬軟管質(zhì)量提升的建議。

1 金屬軟管失效原因

金屬波紋軟管是壓力系統(tǒng)中的組成部分，實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的失效案例，分析失效原因有接頭與波紋管焊縫開裂[2]、應(yīng)力腐蝕開裂和固溶處理不當(dāng)[3]、疲勞破壞、腐蝕泄漏、選型錯誤造成的爆破失效、接頭失效造成的軟管脫落[4]、網(wǎng)套與波紋管摩擦所致的機械損傷[5]、接頭密封失效、裝卸臂接口連接脫落、網(wǎng)套拉斷和鼓包等。上述羅列的其他失效原因主要來自于文獻(xiàn)[6-10]，其原因可歸納為操作安裝不規(guī)范和軟管質(zhì)量本質(zhì)缺陷。

2 金屬軟管FTA失效分析

故障樹分析法(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)常常用在系統(tǒng)失敗的各種因素的分析，包括硬件、軟件、環(huán)境和人為因素等。近年來，故障樹分析廣泛應(yīng)用在軍事宇航、電子和化工等行業(yè)中，通過故障分析提高系統(tǒng)的可靠性，本文將金屬軟管當(dāng)做一個小型系統(tǒng)進(jìn)行故障樹分析。

對一個系統(tǒng)而言，可能發(fā)生的故障原因可能很多，圖1根據(jù)軟管的組成結(jié)構(gòu)，分析引起軟管故障的各項因素。對于“或門”結(jié)構(gòu)，當(dāng)輸入事件有一個發(fā)生時，輸出事件即發(fā)生。對故障樹定性分析，軟管故障中的底事件較多，最小割集存在24項(見表1中X1～X24)，一個最小割集代表了引起頂事件發(fā)生的故障模式，研究最小割集可以找出薄弱環(huán)節(jié)。對這24個底事件進(jìn)行分析，可察覺到有關(guān)金屬波紋軟管的設(shè)計、制造、檢驗以及安裝使用存在著標(biāo)準(zhǔn)的疏漏，在下文標(biāo)準(zhǔn)研究比對中，將有針對性地關(guān)注底事件所指向的標(biāo)準(zhǔn)部分，進(jìn)而找出差距。

圖1 金屬軟管失效故障樹分析

表1 金屬軟管失效事件說明

3 標(biāo)準(zhǔn)比對研究

3.1 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)體系

金屬軟管使用在航空航天、機械造船、礦山電子等各領(lǐng)域，為了能更全面地認(rèn)識我國特種設(shè)備行業(yè)軟管標(biāo)準(zhǔn)體系現(xiàn)狀，對行業(yè)內(nèi)現(xiàn)行軟管標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理。表2列出的標(biāo)準(zhǔn)為特種設(shè)備相關(guān)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，航天等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)未列入。

表2 金屬軟管主要國家標(biāo)準(zhǔn)

3.2 國外主要標(biāo)準(zhǔn)

美國標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3—2016《Process Piping》(工藝管道)表326.1[11]組件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定柔性金屬軟管引用標(biāo)準(zhǔn)為英國標(biāo)準(zhǔn)BS 6501-1:2004《Metal hose assemblies-Part1: Guidance on the Construction and Use of Corrugated Hose Assemblies》(金屬軟管組件-波紋形軟管組件的構(gòu)造和使用指南，以下簡稱“BS 6501-1”)[12]，配合BS EN ISO 10380使用，歐美主要的軟管標(biāo)準(zhǔn)為ISO 10380—2012《Pipework-Corrugated Metal Hoses and Hose Assemblies》(管道工程波紋狀金屬軟管和軟管組件，以下簡稱“ISO 10380”)[13], ISO 10806—2003《Pipework-Fittings for Corrugated Metal Hoses》(管道工程波紋狀金屬軟管用配件，以下簡稱“ISO 10806”)[14]和ISO 10380標(biāo)準(zhǔn)配套使用。此外，歐盟PED指令《Directive 2014/68/EU of The European Parliament and of the Council of 15 May 2014》(以下簡稱“PED 2014/68/EU”)[15]中涉及管道部分也是本文關(guān)注的重要部分。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)研究對比分析

國內(nèi)軟管的標(biāo)準(zhǔn)集中在各個相關(guān)行業(yè)，如石化、化工、燃?xì)獾染鶠橥扑]性標(biāo)準(zhǔn)(見表3)。個別標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)齡已經(jīng)超過了10年(見表4)，標(biāo)準(zhǔn)類型主要集中在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和部件標(biāo)準(zhǔn)上，目前尚無安全技術(shù)規(guī)范和試驗方法類的標(biāo)準(zhǔn)(見表5)。在標(biāo)準(zhǔn)歸口方面，隸屬于不同的標(biāo)委會，全國管路附件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會為主要的標(biāo)委會，但也不乏其他行業(yè)的技術(shù)委員會(見表6)。在TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)規(guī)范》和TSG R0005—2011《移動式壓力容器安全技術(shù)規(guī)范》中，對固定式壓力容器和移動式壓力容器之間使用的裝卸軟管(TSG 21—2016中7.1.9條)和移動壓力容器中的裝卸用管(TSG R0005—2011中6.3條)提出了安全使用的要求。

表3 標(biāo)準(zhǔn)級別情況

表4 標(biāo)齡情況

表5 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成情況

表6 標(biāo)準(zhǔn)歸口情況

下文將比較分析ISO 10380、BS 6501-1和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對金屬軟管的要求差異。

3.3.1 歐盟承壓設(shè)備指令(PED)

歐盟PED指令將行政管理和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格分開，是管理規(guī)范，并不限定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，承壓設(shè)備需滿足PED 2014/68/EU附錄Ⅰ規(guī)定的基本安全要求。“承壓設(shè)備”這個概念是指主要設(shè)計參數(shù)為“壓力”的設(shè)備，它包括容器、換熱器、壓力管道、安全附件、壓力附件，以及上述類型設(shè)備的組合所形成的具有特定功能的壓力系統(tǒng)。PED 2014/68/EU第2條第3款對管道的定義包括了軟管，類似于膨脹節(jié)的認(rèn)證，進(jìn)入歐洲市場的壓力設(shè)備產(chǎn)品需要取得該指令的合格評定。

歐盟PED指令第13條列出了壓力設(shè)備分類的規(guī)定，明確了流體組1(危險性的——包括易爆、極易燃、劇毒和氧化性流體等)、組2(非危險性)的范圍，通過計算PS(最大允許壓力)乘以DN(公稱尺寸)的值，依據(jù)不同流體組別將管路系統(tǒng)劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ三類；不同的類別采用不同的合格評定模式。歐盟PED指令中體現(xiàn)了對管道組件的分級管理的理念，若承壓設(shè)備歸為Ⅰ類，則制造廠出具書面的符合性申明即可，不需要授權(quán)機構(gòu)的參與；若承壓設(shè)備歸為Ⅱ類及以上，則必須選擇合適的授權(quán)機構(gòu)進(jìn)行評審。

3.3.2 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求的差異

我國金屬軟管標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14525—2010《波紋金屬軟管通用技術(shù)條件》和配套的接頭標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18615—2002《波紋金屬軟管用非合金鋼和不銹鋼接頭》在國內(nèi)使用最為廣泛。該兩項標(biāo)準(zhǔn)均是參考ISO標(biāo)準(zhǔn)制定的，其中GB/T 14525—2010部分參照ISO 10380—2003，但I(xiàn)SO 10380已升版至2012版本。GB/T 18615—2002等效采用ISO 10806：1994，但目前ISO 10806—2003為最新版本，技術(shù)上均存在一定差異。

GB/T 14525—2010參照ISO編制時，考慮我國國情，部分技術(shù)要求已降低。

設(shè)計制造要求的具體差異之處如表7所示，其中國外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要指ISO 10380—2012，BS 6501-1—2004和歐盟PED指令。

表7 金屬波紋軟管國內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求比較

(續(xù)表7)

3.3.3 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品評價和型式試驗的差異

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品評價和型式試驗差異也較大。ISO 10380標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品的符合性評價有兩種模式：(1)模式1，第三方檢驗可以做出類似“本產(chǎn)品通過ISO 10380的認(rèn)證”的評估；(2)模式2，波紋管制造商自行檢查產(chǎn)品，如未約請第三方進(jìn)行符合性評定，可以描述“波紋軟管符合ISO 10380標(biāo)準(zhǔn)”，這種情況下制造商要能向客戶或者第三方證明該標(biāo)準(zhǔn)被有效執(zhí)行。GB/T 14525—2010中并未提到產(chǎn)品的質(zhì)量評價方法，但規(guī)定了型式試驗檢驗時機、抽樣及判定。從表8可以看出，ISO 10380中型式試驗針對制造商和裝配商兩種對象開展，GB/T 14525—2010僅針對制造商，項目種類、型式試驗的規(guī)定和抽樣數(shù)量均存在差別。

表8 波紋軟管國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于型式試驗部分的差異

4 質(zhì)量提升方案

4.1 構(gòu)建認(rèn)證認(rèn)可分級管理制度

上文中提到了PED歐盟承壓設(shè)備指令的管理模式，它應(yīng)用于最大允許工作壓力PS大于0.5 bar(0.05 MPa)的壓力設(shè)備，低于此壓力的壓力設(shè)備認(rèn)為不存在重大風(fēng)險。PED把強制性的法規(guī)規(guī)范和非強制性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和諧地組合成一個體系。PED 2014/68/EU附錄Ⅰ基本安全要求ESR部分規(guī)定了設(shè)計、制造和材料的基本安全要求，值得一提的是，PED指令中焊接工藝評定、焊工資質(zhì)批準(zhǔn)和無損檢測人員批準(zhǔn)、材料評定、材料檢驗以及評審模式，均是根據(jù)壓力設(shè)備危險類別(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)區(qū)別對待的，如表9所示。

表9 PED承壓指令中部分分類管理

這種建立在具體產(chǎn)品規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)之上的分類分級的認(rèn)證認(rèn)可思路，值得我國壓力設(shè)備安全管理頂層設(shè)計者借鑒。設(shè)想在一個有腐蝕介質(zhì)存在的管道系統(tǒng)中，鋼管已經(jīng)根據(jù)損傷模式識別，要求進(jìn)行固溶處理，但軟管卻未要求進(jìn)行固溶處理，那么金屬軟管必然成為系統(tǒng)中的一個失效隱患所在。隨著我國市場監(jiān)管“放、管、服”的要求，壓力管道管件的許可種類已經(jīng)大幅刪減，制造企業(yè)的門檻降低，不需要認(rèn)證認(rèn)可的設(shè)備用在壓力設(shè)備系統(tǒng)中，有可能成為整個壓力設(shè)備的系統(tǒng)的短板，即使容器、管子等設(shè)備本體的質(zhì)量安全級別較高，各部件耦合后系統(tǒng)安全性反而可能降低，因此，需要根據(jù)壓力設(shè)備的介質(zhì)危險性對其進(jìn)行分類分級管理，重點關(guān)注高危險類別的壓力設(shè)備(容器、管道、壓力管道元件、安全附件等)。目前，我國特種設(shè)備職能部門分別制定了鍋爐、容器、工業(yè)管道等技術(shù)規(guī)范，壓力容器的分類基本參照了PED承壓設(shè)備指令的思路，但管道的分類依據(jù)并不全面，未考慮公稱直徑的影響，事實上不同直徑的管道失效后果是不一樣的，顯然采用同樣管理尺度對待是不科學(xué)的；管道所用的管道組成件并未都納入制造許可，對管道組成件的分級分類管理顯得尤為重要，而分類分級管理的重要依據(jù)之一為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系。

4.2 完善金屬波紋軟管標(biāo)準(zhǔn)體系

目前，我國壓力管道及管路附件的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系存在錯綜復(fù)雜的現(xiàn)象，化工、燃?xì)狻㈦娏Φ刃袠I(yè)的標(biāo)準(zhǔn)自成體系，部分內(nèi)容不協(xié)調(diào)，這有其歷史原因。金屬軟管是壓力管道組成件的一種，目前應(yīng)用較為廣泛的GB/T 14525—2010《波紋金屬軟管通用技術(shù)條件》主要起草單位為制造企業(yè)[18]，關(guān)注金屬軟管制造質(zhì)量的有國家儀器儀表元器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心[19]等質(zhì)量監(jiān)督檢驗科研單位；標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)相對薄弱，標(biāo)準(zhǔn)參與廣泛度不夠，需要增加設(shè)計、制造、檢驗等各環(huán)節(jié)的人力、物力投入。

此外，通過對上述國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的對比分析，主要有以下關(guān)鍵問題亟待解決：(1)波紋金屬軟管標(biāo)準(zhǔn)分類不細(xì)致，不能體現(xiàn)抗腐蝕性能的優(yōu)劣；(2)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)缺少對設(shè)計需求信息的采集，忽略的因素往往會成為金屬軟管使用中的隱患，如不考慮介質(zhì)流速可能會引起金屬軟管的共振失效；(3)金屬波紋軟管的導(dǎo)電性要求在標(biāo)準(zhǔn)中未體現(xiàn)。優(yōu)秀化工企業(yè)陶氏化學(xué)(DOW)關(guān)于軟管的驗收標(biāo)準(zhǔn)中對導(dǎo)電連續(xù)性有明確要求，最大電阻不得超過以下兩個指標(biāo)：一是0.75 Ω/m，二是總電阻10 Ω；(4)需要建立不同服役條件下，軟管和接頭材質(zhì)的選擇和安裝指南，以便使用和設(shè)計單位選取參考；(5)需要完善波紋金屬軟管接頭連接型式和標(biāo)準(zhǔn)，例如配套使用的GB/T 14525—2010中接頭型式提到了錐面型結(jié)構(gòu)件，GB/T 18615—2002中未見錐面密封型的接頭；(6)隨著我國制造能力的提升，波紋金屬軟管的各項性能試驗要求需要基于試驗和分析逐步完善和提高；(7)型式試驗要求的抽樣數(shù)量較少，型式試驗的項目、補充型式試驗的規(guī)定需要進(jìn)一步完善。

4.3 加強型式試驗對產(chǎn)品質(zhì)量提升的作用

在目前的特種設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求下，型式試驗是對金屬波紋軟管的最初也是唯一的質(zhì)量評價手段，是該產(chǎn)品走向市場的認(rèn)證認(rèn)可，所以說型式試驗對提高金屬波紋軟管整體行業(yè)的質(zhì)量起到相當(dāng)大的作用。因此，建立在標(biāo)準(zhǔn)完善的基礎(chǔ)上，需要型式試驗機構(gòu)或?qū)嵙^強的檢驗機構(gòu)來提供更為可靠的設(shè)計驗證、性能測試及失效分析，全方位地為金屬波紋軟管提供質(zhì)量評價服務(wù)，為提升產(chǎn)品質(zhì)量提供支持。

5 結(jié)語

(1)通過比較國內(nèi)外金屬軟管主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的差異，闡述了目前國內(nèi)金屬軟管標(biāo)準(zhǔn)亟待完善的方向，以保持標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性，減少因標(biāo)準(zhǔn)缺失而造成的軟管失效事故。

(2)建議借鑒歐盟承壓指令PED的管理模式，建立金屬軟管等壓力管道組成件的分級管理制度。

(3)當(dāng)前，金屬軟管無需取得制造許可，需進(jìn)一步挖掘型式試驗在金屬波紋軟管產(chǎn)品認(rèn)證、質(zhì)量提升方面的效力。