設(shè)計(jì)階段是壓力管道安全的重要保障

閆明杰 王久成

【摘要】設(shè)計(jì)是壓力管道安裝的第一階段，設(shè)計(jì)階段對(duì)于壓力管道在整個(gè)壽命期間的安全保障起著重要的作用。在管道運(yùn)行過(guò)程中，許多事故與設(shè)計(jì)失誤有關(guān)，這些失誤往往是由于安裝時(shí)沒有設(shè)計(jì)或者某一局部環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的差錯(cuò)而引起的，導(dǎo)致了管道的失效。本文闡述了壓力管道設(shè)計(jì)階段各個(gè)方面應(yīng)該包含的內(nèi)容并舉例說(shuō)明設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段容易發(fā)生的一些錯(cuò)誤，其中失效模式是按照最新的設(shè)計(jì)理念提出。

【關(guān)鍵詞】壓力管道;設(shè)計(jì);安全

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.24.

在工業(yè)部門的生產(chǎn)中以及在人民生活中均積極使用壓力管道，其中，工業(yè)部門的生產(chǎn)主要涉及冶金、輕工、石油、化工、機(jī)械、航天、國(guó)防、航空等。壓力管道作為一種承壓設(shè)備被使用，其具有顯著的特點(diǎn)，即爆炸而危險(xiǎn)，當(dāng)出現(xiàn)爆炸或泄漏事故的時(shí)候，往往會(huì)連帶出現(xiàn)災(zāi)難性事故，諸如，火災(zāi)、二次爆炸，中毒等，使其環(huán)境受到污染，嚴(yán)重威脅整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，與此同時(shí)，我國(guó)各項(xiàng)生產(chǎn)與人們的命財(cái)也遭受損失。基于此，國(guó)家頒布了《中華人民共和國(guó)特種設(shè)備安全法》，我國(guó)依據(jù)法律手段來(lái)管理特種設(shè)備的多個(gè)環(huán)節(jié)，包括：設(shè)備的生產(chǎn)、設(shè)備的經(jīng)營(yíng)、設(shè)備的使用、設(shè)備的檢驗(yàn)、設(shè)備的檢測(cè)以及監(jiān)督管理特種設(shè)備的安全等[1]。在安裝壓力管道的時(shí)候，需要從其設(shè)計(jì)開始，這個(gè)環(huán)節(jié)尤為重要。因其關(guān)系著壓力管道的安全[2]。

1、壓力管道的設(shè)計(jì)條件

就壓力管道而言，其設(shè)計(jì)條件尤為關(guān)鍵，只有設(shè)計(jì)條件準(zhǔn)確才能確保壓力管道的使用壽命。壓力管道當(dāng)處于生產(chǎn)裝置的過(guò)程中的時(shí)候、或是當(dāng)其處于應(yīng)用過(guò)程中的時(shí)候，其均處在一定的環(huán)境當(dāng)中使用。所以，為了確保壓力管道正常運(yùn)行需要設(shè)計(jì)人員做到如下幾個(gè)方面，其一，針對(duì)所設(shè)計(jì)的壓力管道需要把握其使用情況，使其順利進(jìn)行生產(chǎn)或應(yīng)用，也就是其操作條件，除此之外，人們還要清楚地把握其操作條件的波動(dòng)性，還要把握其所操作介質(zhì)固有的性質(zhì)，還要及時(shí)分析多種潛在的因素，筆者曾經(jīng)就碰到過(guò)有設(shè)計(jì)人員此種情況，即把操作工況的最大壓力組合與再生工況溫度當(dāng)中。管道設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合工藝條件來(lái)進(jìn)行，這里包括：壓力、溫度、流體的特性等。

2、介質(zhì)性質(zhì)與材料選擇

對(duì)于壓力管道，在使用之前需要清晰地把握以下兩個(gè)方面，其一，清晰把握所操作介質(zhì)的多種性質(zhì)，其二，清晰壓力管道的材料選擇。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)講，需要做到如下幾個(gè)方面：其一，要把握好壓力管道的幾個(gè)環(huán)節(jié)，諸如，所操作介質(zhì)的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)，還要清晰把握不同材料的腐蝕性能，另外，要對(duì)介質(zhì)進(jìn)行鑒別，看其是不是液化氣體、是不是有毒性介質(zhì)、是不是具有可燃性能的介質(zhì)，最終選取適宜的壓力管道材料，在這之后需要深入分析介質(zhì)，看其是不是會(huì)腐蝕已選定材料，尤其看其對(duì)壓力管道是否造成影響。例如，濕硫化氫腐蝕環(huán)境，因其材料是碳素鋼的，除此之外，奧氏體不銹鋼的晶間具有腐蝕性也能夠污染環(huán)境等，所以，國(guó)家提出更高的要求在設(shè)計(jì)當(dāng)中，這里包括：對(duì)材料的要求、制造的要求、檢驗(yàn)的要求、試驗(yàn)的要求、使用的要求及維護(hù)的要求等。

3、識(shí)別所設(shè)計(jì)的壓力管道的失效模式

對(duì)于壓力管道的失效來(lái)講，其涉及如下兩種情況：其一，當(dāng)壓力管道應(yīng)有的使用功能失去的時(shí)候;其二，當(dāng)壓力管道受到損傷的時(shí)候。所以，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該能夠識(shí)別出壓力管道的失效模式。反之，壓力管道就會(huì)有危險(xiǎn)情況存在，嚴(yán)重的時(shí)候有可能造成壓力管道被破壞[3]。現(xiàn)如今，壓力管道的失效模式包括如下幾種情況：其一，強(qiáng)度失效，這里涉及如下幾個(gè)部分，諸如，韌性發(fā)生斷裂、脆性發(fā)生斷裂、因疲勞而失去效能及因蠕變失去效能）、剛度失去效能、失穩(wěn)失去效能、腐蝕失去效能、設(shè)計(jì)壽命到期失去效能等。例如，氯氣處于干燥的環(huán)境中，其不會(huì)腐蝕碳鋼管道，反之，其會(huì)腐蝕碳鋼管道;法蘭剛度失效比較典型的案例，即法蘭密封泄漏事件;在特定介質(zhì)中，奧氏體不銹鋼會(huì)有晶間腐蝕產(chǎn)生，最終腐蝕失去效能;對(duì)于壓力管道，其經(jīng)常處在高溫高壓的環(huán)境中，為了緩和了管道疲勞應(yīng)力水平，需要選擇適宜的保溫材料與保溫方式;極個(gè)別失效往往發(fā)生在開停工時(shí)，諸如，加氫裝置與高溫硫化氫加氫裝置，其壓力管道的操作條件為高溫氫，且壓力管道材質(zhì)為珞鉬鋼，在操作狀態(tài)下，管道內(nèi)壁會(huì)存在一定數(shù)量的氫，在工作結(jié)束之后，當(dāng)冷卻速度太快的時(shí)候，導(dǎo)致氫擴(kuò)散不出來(lái)，使管壁內(nèi)部存在一定數(shù)量的過(guò)飽和氫，使其亞臨界裂紋的情況發(fā)生，進(jìn)而發(fā)生脆性斷裂失效的情況，嚴(yán)重影響管道的安全，所以，降溫速度要適宜才行?；诖?，存在于管內(nèi)壁的氫盡最大程度被吸出來(lái)，此外，緊急停車的時(shí)候也要避免經(jīng)常發(fā)生，以上均為設(shè)計(jì)人員應(yīng)該提高警惕。

4、壓力管道設(shè)計(jì)技術(shù)條件

管道設(shè)計(jì)文件中應(yīng)對(duì)管道的級(jí)別劃分給予明確，管道安裝及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)給予明確，為了滿足建設(shè)單位提出高于國(guó)家現(xiàn)有規(guī)范要求的管道，采用無(wú)損檢測(cè)的方法及檢測(cè)比例應(yīng)給予明確。壓力管道設(shè)計(jì)文件應(yīng)符合TSGR1001-2019《壓力容器壓力管道設(shè)計(jì)許可規(guī)則》的要求[4]。

5、壓力管道設(shè)計(jì)文件要點(diǎn)

（1）設(shè)計(jì)者已經(jīng)給用戶提出了設(shè)計(jì)條件，而用戶對(duì)這些條件沒有認(rèn)真進(jìn)行研究，沒有目的性地滿足用戶，使壓力管道在使用中失去效用。例如某供熱公司地處江邊附近，用戶為了安裝便捷提出采用材質(zhì)為304的波紋補(bǔ)償器，設(shè)計(jì)者沒有考慮到管線鋪設(shè)地理位置，致使補(bǔ)償器長(zhǎng)期在水中浸泡，水中含有融雪劑等帶來(lái)的大量氯離子，造成冬季運(yùn)行中多個(gè)補(bǔ)償器開裂。

（2）設(shè)計(jì)文件中不明確管道分類，例如長(zhǎng)輸燃?xì)夤艿繥A類按照公用管道GB1類設(shè)計(jì)，廠區(qū)內(nèi)燃?xì)夤艿繥C類按公用燃?xì)夤艿繥B1設(shè)計(jì)。

（3）據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)我市在用工業(yè)管道2000年以前安裝的68%沒有設(shè)計(jì)圖紙，其中在用冷庫(kù)尤為問題突出2000年之前安裝的80%沒有設(shè)計(jì)圖紙，2000年至今仍有50%沒有設(shè)計(jì)圖紙。

（4）設(shè)計(jì)文件中材料選擇不科學(xué)，例如GC1類管道材質(zhì)選用20#鋼管。

（5）材料標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)文件不明確。例如設(shè)計(jì)文件只提出管材選用20#鋼，哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的20#鋼不明確，致使個(gè)別企業(yè)為了降低成本選用GB8162標(biāo)準(zhǔn)中20#鋼代替GB8163等標(biāo)準(zhǔn)中20#鋼。

結(jié)論：

由于管道的特殊性，人很難接觸到管道內(nèi)表面，致使管道定期檢驗(yàn)很難進(jìn)行內(nèi)部檢測(cè)，對(duì)于埋地管道進(jìn)行定期檢驗(yàn)更是難上加難，這就促使管道安裝時(shí)保證管道優(yōu)生格外重要，為在管道安裝過(guò)程中落實(shí)國(guó)家所規(guī)定的法規(guī)與方針，使其技術(shù)要求達(dá)到統(tǒng)一，使其技術(shù)領(lǐng)先，經(jīng)濟(jì)更加合理，具有安全性，提高質(zhì)量，必須加強(qiáng)設(shè)計(jì)是壓力管道安全的重要保障這一理念。保護(hù)環(huán)境、節(jié)約土地，使用領(lǐng)先的技術(shù)，設(shè)計(jì)方案不斷優(yōu)化，確定經(jīng)濟(jì)工藝合理及工藝參數(shù)最佳。確保管道安裝過(guò)程中的監(jiān)督檢驗(yàn)及運(yùn)行過(guò)程中的定期檢驗(yàn)有依據(jù)，為管道安全運(yùn)行起到保駕護(hù)航的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)特種設(shè)備安全法（中華人民共和國(guó)主席令第四號(hào)）[S].

[2]TSG R1001-2019壓力容器壓力管道設(shè)計(jì)許可規(guī)則[S].

[3]TSGD7005-2018壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則-工業(yè)管道[S].

[4]TSGD7006-2020壓力管道監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則[S].