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(yàn)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(bǔ)償管道或設(shè)備連接之間的相互位移，吸收振動(dòng)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(xiàng)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(jī)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(shí)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(cuò)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(jī)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(gè)小型系統(tǒng)進(jìn)行故障樹分析。

對一個(gè)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(xiàng)因素。對于“或門”結(jié)構(gòu)，當(dāng)輸入事件有一個(gè)發(fā)生時(shí)，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(xiàng)(見表1中X1～X24)，一個(gè)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(gè)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(jì)、制造、檢驗(yàn)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(jī)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(gè)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(gè)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(yàn)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(huì)，全國管路附件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)為主要的標(biāo)委會(huì)，但也不乏其他行業(yè)的技術(shù)委員會(huì)(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(dòng)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(dòng)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(dòng)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?！俺袎涸O(shè)備”這個(gè)概念是指主要設(shè)計(jì)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(xiǎn)性的——包括易爆、極易燃、劇毒和氧化性流體等)、組2(非危險(xiǎn)性)的范圍，通過計(jì)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(jī)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(jī)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(xiàng)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(shí)，考慮我國國情，部分技術(shù)要求已降低。

設(shè)計(jì)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(jià)和型式試驗(yàn)的差異

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品評價(jià)和型式試驗(yàn)差異也較大。ISO 10380標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品的符合性評價(jià)有兩種模式：(1)模式1，第三方檢驗(yàn)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(jià)方法，但規(guī)定了型式試驗(yàn)檢驗(yàn)時(shí)機(jī)、抽樣及判定。從表8可以看出，ISO 10380中型式試驗(yàn)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(xiàng)目種類、型式試驗(yàn)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(yàn)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(xiǎn)。PED把強(qiáng)制性的法規(guī)規(guī)范和非強(qiáng)制性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和諧地組合成一個(gè)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(jì)、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(yàn)以及評審模式，均是根據(jù)壓力設(shè)備危險(xiǎn)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(jì)者借鑒。設(shè)想在一個(gè)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(gè)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(gè)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(xiǎn)性對其進(jìn)行分類分級管理，重點(diǎn)關(guān)注高危險(xiǎn)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(shí)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(cuò)綜復(fù)雜的現(xiàn)象，化工、燃?xì)?、電力等行業(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(yàn)中心[19]等質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(jì)、制造、檢驗(yàn)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(jì)需求信息的采集，忽略的因素往往會(huì)成為金屬軟管使用中的隱患，如不考慮介質(zhì)流速可能會(huì)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(yàn)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(gè)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(jì)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(xiàng)性能試驗(yàn)要求需要基于試驗(yàn)和分析逐步完善和提高；(7)型式試驗(yàn)要求的抽樣數(shù)量較少，型式試驗(yàn)的項(xiàng)目、補(bǔ)充型式試驗(yàn)的規(guī)定需要進(jìn)一步完善。

4.3 加強(qiáng)型式試驗(yàn)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(yàn)是對金屬波紋軟管的最初也是唯一的質(zhì)量評價(jià)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(yàn)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(yàn)機(jī)構(gòu)或?qū)嵙^強(qiáng)的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)來提供更為可靠的設(shè)計(jì)驗(yàn)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(jià)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(yàn)在金屬波紋軟管產(chǎn)品認(rèn)證、質(zhì)量提升方面的效力。