壓力管道類別劃分原則探討

張有渝 李玲曉 趙國洪

1. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 浙江浙能天然氣管網(wǎng)有限公司, 浙江 杭州 310052;3. 中國石油天然氣股份有限公司天然氣銷售河北分公司， 河北 唐山 063000

0 前言

壓力管道廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活,由于壓力管道中的介質(zhì)是帶壓運(yùn)行,且很多介質(zhì)具有易燃易爆或腐蝕性的特點(diǎn),故當(dāng)壓力管道出現(xiàn)異常情況或事故時,往往導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此,中國以標(biāo)準(zhǔn)形式對壓力管道設(shè)計(jì)、施工、安裝、運(yùn)行進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定和要求,且以法律和條例形式對壓力管道的監(jiān)管作出了規(guī)定。

壓力管道中運(yùn)行的介質(zhì)種類繁多,性質(zhì)各異,壓力管道的功能、屬性也隨著業(yè)主建設(shè)目的的不同而不同,有的壓力管道設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行條件甚至還很嚴(yán)苛,因此壓力管道的正確設(shè)計(jì)、施工、安裝、運(yùn)行與監(jiān)管十分重要,是其長期安全運(yùn)行的重要保證。

壓力管道的正確設(shè)計(jì),首先需要選擇適合該壓力管道的設(shè)計(jì)規(guī)范,而選擇依據(jù)則應(yīng)是壓力管道所屬的類別。壓力管道類別選擇的正誤決定了設(shè)計(jì)、施工、安裝、運(yùn)行與監(jiān)管等一系列環(huán)節(jié)的正誤,更決定了其是否能長期安全運(yùn)行,所以壓力管道類別劃分與選擇是保證壓力管道長期安全運(yùn)行的先決條件。

壓力管道類別劃分與選擇的先決條件是在理論分析的基礎(chǔ)上,規(guī)定類別劃分的原則。無論是在壓力管道行業(yè)興起的初期,還是在壓力管道已廣泛應(yīng)用的現(xiàn)在,均存在確定壓力管道類別劃分原則的必要性。美國在壓力管道規(guī)范編制的初期,經(jīng)歷了25年修訂合并的過程,才完成了ASME B31.3《工藝管道》(以下簡稱ASME B31.3)的完整編制[1-2]。規(guī)定壓力管道的類別劃分原則還可避免將不同類別的壓力管道設(shè)施進(jìn)行錯誤劃分(如避免將輸氣管道的站場劃為工藝管道類別),從而避免了在設(shè)計(jì)、施工、安裝、運(yùn)行、監(jiān)管的各個環(huán)節(jié)錯誤執(zhí)行不同類別壓力管道規(guī)范的失策。

本文從壓力管道的要素、功能、屬性切入,對其類別劃分與選擇進(jìn)行理論分析,從而得出壓力管道類別劃分的原則,以期為壓力管道設(shè)計(jì)、施工、安裝、運(yùn)行、監(jiān)管提供類別選擇的依據(jù),保證其長期安全運(yùn)行。

1 定義及分析

1.1 定義

壓力管道:“利用一定的壓力,用于輸送氣體或者液體的管狀設(shè)備,其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于0.1 MPa(表壓)的氣體、液化氣體、蒸汽介質(zhì)或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體介質(zhì),且公稱直徑大于25 mm的管道[3]。”

長輸管道:“產(chǎn)地、儲存庫、用戶間的用于輸送(油氣)商品介質(zhì)的管道[4]。”

輸油管道工程:“用管道輸送原油、成品油和液化石油氣的建設(shè)工程。一般包括輸油管線、輸油站及輔助設(shè)施等工程內(nèi)容[5]?！?/p>

輸氣管道工程:“用管道輸送天然氣、煤層氣和煤制天然氣的工程。一般包括輸氣管道、輸氣站、管道穿(跨)越及輔助生產(chǎn)設(shè)施等工程內(nèi)容[6]?！?/p>

集氣管道:“氣田內(nèi)部自一級氣液分離器至天然氣處理廠/凈化廠之間的天然氣輸送管道[7]。”

城鎮(zhèn)燃?xì)?“從城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)或居民點(diǎn)中的地區(qū)性氣源點(diǎn),通過輸配系統(tǒng)供給居民生活、商業(yè)、工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)、采暖通風(fēng)和空調(diào)等各類用戶公用性質(zhì)的,且符合本規(guī)范燃?xì)赓|(zhì)量要求的可燃?xì)怏w。城鎮(zhèn)燃?xì)庖话惆ㄌ烊粴狻⒁夯蜌夂腿斯っ簹鈁8]。”“城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)一般由門站、燃?xì)夤芫W(wǎng)、儲氣設(shè)施、調(diào)壓設(shè)施、管理設(shè)施、監(jiān)控系統(tǒng)等組成[8]?！薄俺擎?zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的主要部分是燃?xì)夤芫W(wǎng)[9]?！?/p>

工藝:“生產(chǎn)某種物質(zhì)產(chǎn)品所必須的方法、技藝[2]?！?/p>

裝置內(nèi)單元:“按生產(chǎn)完成一個工藝操作過程的設(shè)備、管道及儀表等的組合體[10]?！?/p>

裝置:“一個或一個以上相關(guān)聯(lián)的工藝單元的組合[10]?！?/p>

動力管道:“火力發(fā)電廠用于輸送蒸汽、汽水兩相介質(zhì)的管道[11]?！?/p>

熱力管道:“由熱源出口分界點(diǎn)至熱用戶(民用或工業(yè))進(jìn)口分界點(diǎn)之間,敷設(shè)在城鎮(zhèn)范圍內(nèi)的蒸汽管道和熱水管道及其附屬設(shè)施[12]?！?/p>

1.2 分析

分析各種壓力管道相關(guān)定義,可得出以下三點(diǎn)。

1)有一類壓力管道僅用于輸送氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì),將這些介質(zhì)從一始發(fā)地輸送到另一終端接收地,這些介質(zhì)在輸送過程中的性能、狀態(tài)均不發(fā)生變化,如輸油管道、輸氣管道、集氣管道、城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿兰盀闊捰蛷S/石化廠供應(yīng)氫氣的氫氣管道。

2)另一類壓力管道則是在介質(zhì)從裝置起點(diǎn)到終點(diǎn)的輸送過程中,每一段管道中的介質(zhì)都與其前后段管道中的介質(zhì)不同,在性能、參數(shù)或狀態(tài)上發(fā)生了變化,在裝置的終點(diǎn)生產(chǎn)出了新物質(zhì),如工藝管道。

3)動力管道既不屬于從起點(diǎn)到終點(diǎn)輸送介質(zhì)的輸送管道,也不屬于從裝置起點(diǎn)到終點(diǎn)生產(chǎn)出了新物質(zhì)的工藝管道,它是屬于利用液態(tài)水的相態(tài)變化起到能量傳遞作用的壓力管道。

2 壓力管道的要素、功能與屬性

2.1 要素

《辭?！穼Α耙亍钡慕忉屖?“構(gòu)成事物的必要因素[13]?！?/p>

壓力管道存在的必要因素,即要素有二:一是管道(一般是圓形鋼管),二是管道內(nèi)的帶壓力的介質(zhì)。在壓力管道這兩個要素中,處于首要地位的是帶壓力的介質(zhì),無論是從壓力管道建設(shè)的目的及壓力管道設(shè)計(jì)參數(shù)的確定,還是從管道材質(zhì)的選擇,以及安全運(yùn)行管理或監(jiān)管考慮,帶壓力的介質(zhì)都是首要考慮的因素。可以說,是根據(jù)介質(zhì)的成分、性質(zhì)、狀態(tài)和管道工程建設(shè)目的來決定管道的材質(zhì)和各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)。

壓力管道中運(yùn)行的帶壓力的介質(zhì)均為流體,其類別、品種千差萬別,特別是工藝管道中的流體介質(zhì)品種十分繁雜,但是流體中的氣體、液體都有一定的共性,例如介質(zhì)的流動性,這是流體的基本性能,正因?yàn)榫邆浯诵阅?介質(zhì)才能在壓力管道中流動。由于流體介質(zhì)具備可壓縮性,流體介質(zhì)在壓力管道中的輸送才具有經(jīng)濟(jì)上的價(jià)值。

管道中的流體介質(zhì)與外界環(huán)境是隔絕的,因此其性能和狀態(tài)是穩(wěn)定不變的。這不僅對輸送管道中的流體介質(zhì)很重要,對利用該流體的某一特性輸送能量或傳遞該流體介質(zhì)的其它功能則更為重要。例如火力發(fā)電廠動力管道中主蒸汽管道里的高壓蒸汽,就是保持了在高壓蒸汽鍋爐過熱器出口聯(lián)箱具備的高溫高壓性能,直至汽輪機(jī)主汽閥進(jìn)口之間管道,其高壓蒸汽的狀態(tài)、溫度、壓力都是穩(wěn)定不變的,實(shí)質(zhì)是高壓蒸汽攜帶的能量是穩(wěn)定不變的。

流體介質(zhì)的這些性質(zhì)必須處于管道中才能發(fā)揮出來,所以帶壓力的介質(zhì)與管道二者密不可分,共同構(gòu)成了壓力管道的兩個要素。

2.2 功能

《辭海》對“功能”的解釋是:“功效,作用。多指器官和機(jī)件而言[13]?！?/p>

壓力管道的功能根據(jù)其建設(shè)目的不同而不同。油氣長輸管道和集輸管道建設(shè)的目的是將天然氣、石油及其成品由油氣田或煉油廠/石化廠輸送到用戶集中地或儲存庫;管道輸送中,還將有分輸站將油氣經(jīng)分輸管道輸送至各個城市或大型用戶。城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿绖t是將燃?xì)庥沙鞘虚T站輸送至城鎮(zhèn)的用戶家庭或加氣站等,這些管道具備的是輸送功能。

工藝管道從屬于工藝裝置,工藝裝置主要由設(shè)備(塔、反應(yīng)器、反應(yīng)釜、換熱設(shè)備、加熱爐、分離過濾設(shè)備等)、工藝管道、機(jī)泵、壓縮機(jī)、閥門、控制儀表等及工業(yè)設(shè)施組成。工藝裝置建設(shè)的目的是為了將一種或多種原料物質(zhì)在設(shè)備中經(jīng)過化學(xué)變化或物理變化生成新的物質(zhì),即從工藝裝置進(jìn)口的流體介質(zhì),在經(jīng)過設(shè)備和工藝管道的工藝流程之后,到裝置出口端生產(chǎn)出新的流體或固體產(chǎn)品。顯然,工藝裝置的功能是生產(chǎn)新物質(zhì)產(chǎn)品,作為工藝裝置重要組成部分的工藝管道,其功能即是配合工藝設(shè)備生產(chǎn)新物質(zhì)產(chǎn)品。

動力管道是火力發(fā)電廠發(fā)電機(jī)組的重要組成部件,火力發(fā)電廠的三大主機(jī)(鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī))之間得以聯(lián)通實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能的必要部件就是動力管道。動力管道聯(lián)通鍋爐與汽輪機(jī),將蒸汽的熱能傳遞到汽輪機(jī),熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電[14],所以動力管道實(shí)質(zhì)上是通過輸送蒸汽或汽水來傳遞/輸送熱能的管道。這就是動力管道的功能。同樣,熱力管道也是傳遞/輸送熱能的管道。

兩條輸送相同介質(zhì)的壓力管道,并不一定是同類壓力管道。例如長距離輸送氫氣用作燃料/原料的氫氣管道屬于長輸管道;而在煉油廠/石化廠的加氫裂化裝置中,無論是新氫管道還是循環(huán)氫管道均是用來為加氫反應(yīng)器輸送氫氣,在加氫反應(yīng)器中,借助于催化劑的作用,各種大分子烴類和氫氣產(chǎn)生以加氫和裂化為主的一系列平行順序反應(yīng),生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)輕質(zhì)油品[15],顯然新氫管道和循環(huán)氫管道應(yīng)屬于工藝管道。

2.3 屬性

《辭海》對“屬性”的解釋是:“屬性是邏輯名詞,即對象的特性、特征,包括狀態(tài)、動作、關(guān)系等[13]。”

壓力管道的屬性,即在其所屬工程、裝置、項(xiàng)目中的地位,與相關(guān)設(shè)備、機(jī)件、構(gòu)件間的關(guān)系,是處于主導(dǎo)地位還是從屬地位。對于輸送介質(zhì)的油氣管道、城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿?、氫氣管道等輸送管?其功能是輸送介質(zhì),這一功能在管道中就能完成,長輸管道工程中還有其它設(shè)備、儀表、閥門,如清管收發(fā)裝置、匯氣管、放空立管等,這些設(shè)備、儀表、閥門均起輔助作用,長輸管道的設(shè)計(jì)參數(shù)和選材等都取決于管道本身的需要,不受其它設(shè)備、機(jī)件的影響,所以輸送管道的屬性在其所屬工程、項(xiàng)目中處于主導(dǎo)地位。

工藝管道是工藝裝置的重要組成部分。在工藝裝置里,為生產(chǎn)新物質(zhì)，原料進(jìn)入裝置進(jìn)口后必須在工藝設(shè)備(如塔器、反應(yīng)器、反應(yīng)釜、加熱爐、管式裂解爐等)中進(jìn)行化學(xué)變化或物理變化,因此工藝設(shè)備中就必須具備相應(yīng)的工藝參數(shù)(如壓力、溫度、流速、反應(yīng)時間等)。這就決定了工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)。工藝設(shè)備的選材應(yīng)根據(jù)參與化學(xué)變化或物理變化的介質(zhì)腐蝕性、壓力、溫度條件來決定。工藝管道作為聯(lián)通這些工藝設(shè)備的管道,其設(shè)計(jì)參數(shù)和管道材質(zhì)也就隨著工藝設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)和選材的確定而確定。因此相對于工藝設(shè)備而言,工藝管道顯然在工藝裝置中處于從屬地位。

動力管道在火力發(fā)電廠的主要作用是將鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽輸送到汽輪機(jī),驅(qū)動汽輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn),帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。鍋爐中的水蒸發(fā)為蒸汽的實(shí)質(zhì)是鍋爐中燃燒的燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?這些熱能傳遞給載熱工質(zhì)水,從而水蒸發(fā)為蒸汽[14]。所以動力管道的介質(zhì)蒸汽實(shí)質(zhì)上是熱能的攜帶和傳遞者,而水成為蒸汽的原因是利用了水的相態(tài)變化性能,在所有固態(tài)和液態(tài)物質(zhì)中,水的比熱最大(等于1)[16]。在火力發(fā)電廠三大主機(jī)和動力管道以及相關(guān)的儀表、閥門、管件等組成的發(fā)電機(jī)組中,顯然應(yīng)首先根據(jù)發(fā)電量的需求來決定三大主機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)和材質(zhì)選用,三大主機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和材質(zhì)決定了動力管道的設(shè)計(jì)參數(shù)和材質(zhì)。因此在發(fā)電機(jī)組中,動力管道處于從屬地位。同樣,熱力管道也處于從屬地位。

2.4 小結(jié)

壓力管道的要素、功能、屬性,由壓力管道自身在其所屬工程、項(xiàng)目、裝置中的地位/作用決定,這是壓力管道類別劃分原則的理論基礎(chǔ)。

3 建立壓力管道類別劃分原則的意義

3.1 ASME B31.3規(guī)范編制歷史變遷的啟示

3.1.1 規(guī)范編制歷史變遷

美國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(American Standards Association,ASA)為開發(fā)壓力管道規(guī)范,于1926年成立了一個B31項(xiàng)目,由當(dāng)時的美國機(jī)械工程師學(xué)會(American Society of Mechanical Engineers,ASME)主管,后于1935年頒布了第1版《美國壓力管道試行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》;經(jīng)過多年的應(yīng)用、修改,1942年第一次出版了ASA B31.1《美國標(biāo)準(zhǔn)——壓力管道規(guī)范》(以下簡稱ASA B31.1),直至1955年,其間多次修訂出版了該規(guī)范;從1955年開始,ASA B31.1中適用于不同行業(yè)的幾個獨(dú)立篇章被分離出來,編制成不同的壓力管道規(guī)范出版,其中ASA B31.3《石油煉廠管道規(guī)范》(以下簡稱ASA B31.3)于1959年出版;當(dāng)時被獨(dú)立分離出來的ASA B31.6《化工廠管道》(以下簡稱ASA B31.6)初稿于1974年完成,準(zhǔn)備報(bào)批,但因該規(guī)范與ASA B31.3“關(guān)系太密切”,1976年二者被合并成ANSI B31.3—1976《化工廠和煉油廠管道》(以下簡稱ANSI B31.3—1976)出版;B31.10專業(yè)委員會對當(dāng)時獨(dú)立分離出來的ASA B31.10《深冷管道規(guī)范》(以下簡稱ASA B31.10)編寫了草案,并于1981年擬上報(bào)批準(zhǔn),但也因其內(nèi)容與ANSI B31.3“重疊甚多”,故決定把這兩個規(guī)范合并為一個規(guī)范ANSI/ASME B31.3—1984《化工廠和煉油廠管道》(以下簡稱ANSI/ASME B31.3—1984)。ANSI/ASME B31.3—1984規(guī)范B31.3前面的縮寫變化是由于ASA于1967—1969年間改名為美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(American National Standards Institute,ANSI),1978年管道標(biāo)準(zhǔn)委員會又改變主管機(jī)構(gòu),成為ASME下面的一個委員會,因此將該規(guī)范定名為ASME B31.3,并于1993年將該規(guī)范改名為《工藝管道》[1-2,17]。

美國從1959年出版ASA B31.3,1976年將其與ASA B31.6合并成ANSI B31.3—1976出版,歷經(jīng)17年的時間完成了煉油廠管道規(guī)范與同類化工廠管道規(guī)范的合并，后來于1981年將準(zhǔn)備報(bào)批的ASA B31.10合并到ANSI B31.3,直到1984年正式出版ANSI/ASME B31.3—1984,又經(jīng)歷了8年的時間。煉油、化工、深冷三個行業(yè)的管道規(guī)范,歷經(jīng)25年的時間才成為了一個統(tǒng)一的壓力管道規(guī)范ASME B31.3。

3.1.2 啟示

1)2010年時任ASME B31標(biāo)準(zhǔn)委員會委員、B31.3工藝管道篇委員會主席查爾斯·貝赫特Ⅳ(Charles Becht Ⅳ)博士對化工廠和石油煉廠管道規(guī)范合并的解釋是“二者關(guān)系太密切了”,ASA B31.10《深冷管道規(guī)范》合并到ASME B31.3的理由是內(nèi)容“重疊甚多”[1,17]。實(shí)際上這是說煉油、化工、深冷三個行業(yè)的管道規(guī)范包括流體分類、設(shè)計(jì)、材料、管道組件、制作、施工、安裝、檢驗(yàn)與試驗(yàn)等規(guī)定都是相同或相近的,沒有必要單獨(dú)成篇,而予以合并,但是這個發(fā)現(xiàn)分別經(jīng)歷了17年和8年的歷程。在文獻(xiàn)[1]中查爾斯·貝赫特Ⅳ未作深入分析,筆者認(rèn)為這是由于在管道規(guī)范立項(xiàng)編制之前,未對壓力管道進(jìn)行類別劃分的研究,更沒有進(jìn)行類別劃分原則的研究,未從理論分析上確定壓力管道類別劃分原則,因而將工藝裝置中的工藝管道不恰當(dāng)?shù)匕凑招袠I(yè)領(lǐng)域來劃分管道類別,形成了分別編制煉油、化工、深冷三個行業(yè)的管道規(guī)范的局面。由此可見,從理論分析上確定壓力管道類別劃分原則的重要意義是可以指導(dǎo)壓力管道規(guī)范的立項(xiàng)和編制,少走或不走彎路。當(dāng)然,由于當(dāng)年美國的壓力管道規(guī)范立項(xiàng)編制是國際首次,沒有經(jīng)驗(yàn),因此ASME B31.3規(guī)范所歷經(jīng)的曲折過程,也可以理解。

2)對壓力管道類別的劃分,應(yīng)該跳出行業(yè)領(lǐng)域的局限,從壓力管道的功能和其它因素著手進(jìn)行劃分。正是從以前煉油、化工、深冷三個行業(yè)的壓力管道共同點(diǎn)找出了跨行業(yè)的規(guī)律,從而得到了跨行業(yè)的ASME B31.3的出版。這也符合技術(shù)發(fā)展的規(guī)律,以前的煉油、化工行業(yè)基本是互不相干的領(lǐng)域,由于技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了石油化工行業(yè),所以ASME B31.3實(shí)際上是“石油、石油化工和化工行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)”[1]。

3.2 建立類別劃分原則的意義

3.2.1 為正確編制和選擇壓力管道規(guī)范提供理論依據(jù)

壓力管道必須確保長期安全運(yùn)行,這是對壓力管道的根本要求。為此,首先是對壓力管道類別進(jìn)行正確的劃分、確定;再根據(jù)壓力管道類別,正確編制和選擇設(shè)計(jì)規(guī)范,這是保證壓力管道安全運(yùn)行的首要條件。為了避免壓力管道的錯誤分類,應(yīng)以理論分析為基礎(chǔ),確定類別劃分原則,從而為設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理、監(jiān)管各方面提供確定壓力管道類別的科學(xué)依據(jù)。

不恰當(dāng)?shù)剡x擇壓力管道規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)的問題是存在的。查爾斯·貝赫特IV博士在文獻(xiàn)[1]中指出,美國允許業(yè)主自主選擇ASME B31.3應(yīng)用于其建設(shè)的管道項(xiàng)目中,有很多人對在化工廠產(chǎn)權(quán)范圍內(nèi)的建筑系統(tǒng)管道(如采暖系統(tǒng)管道)采用ASME B31.3設(shè)計(jì)、施工,而不是采用ASME B31.9《建筑管道》,他認(rèn)為這樣選擇規(guī)范的作法是“令人不解的”[1]。這說明在美國未能正確選擇壓力管道設(shè)計(jì)和施工規(guī)范的情況比較多,值得中國壓力管道設(shè)計(jì)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)注意。

3.2.2 為正確實(shí)行壓力管道監(jiān)管提供理論依據(jù)

中國為保證特種設(shè)備的長期安全運(yùn)行,對特種設(shè)備的監(jiān)管作出了立法和行政規(guī)定,其中壓力管道和壓力容器是涉及面較廣的兩類特種設(shè)備。要對壓力管道的設(shè)計(jì)、運(yùn)行實(shí)行正確監(jiān)管,首先要正確劃分壓力管道類別,對不同類別的壓力管道實(shí)行不同方式的監(jiān)管。壓力管道類別的劃分,應(yīng)在理論分析的基礎(chǔ)上確立類別劃分原則,依據(jù)分類原則確定監(jiān)管方式和制度,使建設(shè)方、設(shè)計(jì)方、施工方都有共同的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn),保證管道長期安全運(yùn)行。

3.2.3 指導(dǎo)新出現(xiàn)的壓力管道類別劃分

依據(jù)壓力管道類別劃分原則可對新出現(xiàn)的壓力管道確定類別,正確選擇壓力管道規(guī)范,或在編制新的壓力管道規(guī)范時借鑒同類壓力管道已有規(guī)范的內(nèi)容,避免走彎路。

4 壓力管道類別劃分原則

壓力管道類別劃分原則是以其要素、功能、屬性為理論基礎(chǔ)，根據(jù)壓力管道自身的內(nèi)在因素,包括其功能、介質(zhì)、終端目標(biāo)/用戶等,劃分壓力管道類別。

壓力管道類別劃分為三類，決定其類別劃分的因素是有先后順序的,不是并列的。應(yīng)在全部分析其內(nèi)在因素后,才能判定壓力管道的類別。

4.1 功能因素

功能因素是壓力管道類別劃分的首要因素,依據(jù)壓力管道功能的不同,可以將其劃分為輸送管道、工藝管道、能量/性能傳遞管道。

4.1.1 輸送管道

輸送管道本質(zhì)僅僅是輸送流體介質(zhì),其功能是將介質(zhì)從一始發(fā)地輸送到另一終端接收地,輸送過程中介質(zhì)的性能、狀態(tài)均不發(fā)生改變,這種輸送功能在壓力管道中就能完成。輸送管道在輸送管道工程中居主導(dǎo)地位,如原油或成品油輸送管道、天然氣輸送管道、城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿?、氫氣輸送管道等?/p>

4.1.2 工藝管道

工藝管道本質(zhì)就是在工藝裝置中配合/協(xié)同工藝設(shè)備生產(chǎn)出新物質(zhì),這是工藝管道的功能。

從工藝裝置進(jìn)口進(jìn)入的流體介質(zhì)原料,在工藝設(shè)備中發(fā)生化學(xué)變化或物理變化,生成新物質(zhì),每一段管道中的介質(zhì)都與前后段管道中的介質(zhì)在成分或性能狀態(tài)上不同。顯然,工藝管道在工藝裝置中處于從屬地位,如煉油、石油化工、化工、氣體分離等裝置中的工藝管道。

4.1.3 能量/性能傳遞管道

能量/性能傳遞管道本質(zhì)是與能量/性能轉(zhuǎn)換設(shè)備相連接/配合,利用介質(zhì)性能、狀態(tài)變化所具備的能力進(jìn)行能量/性能傳遞的管道,這是能量/性能傳遞管道的功能。這類管道中的介質(zhì)性能或狀態(tài)不是常態(tài),但其性能、狀態(tài)在管道中卻保持不變。如火力發(fā)電廠動力管道、熱力管道,建筑系統(tǒng)管道中的采暖管道、空調(diào)管道。

火力發(fā)電廠動力管道實(shí)質(zhì)上是鍋爐將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成水的相態(tài)變化成蒸汽后儲備的熱能,儲備了熱能的蒸汽在動力管道(如主蒸汽管道)中保持性能狀態(tài)不變,被輸送到汽輪機(jī)入口做功。所以動力管道的功能實(shí)質(zhì)是通過輸送蒸汽或汽水來輸送熱能的管道。

4.1.4 同功能壓力管道的共性

1)同功能壓力管道有許多共性,因此在管道規(guī)范的編制和使用上都有很多相同或相近的規(guī)定或作法,如輸油、輸天然氣、輸氫氣的管道,雖然輸送的介質(zhì)不同,介質(zhì)成分和性能狀態(tài)差別很大,但是都有可能要穿跨越山脈、河流、公路、鐵路,線路選擇、地區(qū)類別劃分、管道材質(zhì)選用等方面,規(guī)范的規(guī)定和設(shè)計(jì)方法都有類似或相同之處,如果有新介質(zhì)的輸送管道,則可以選擇相類似的規(guī)范作設(shè)計(jì)和施工參考。

2)不同功能的壓力管道則是各自獨(dú)立的管道體系,它們均有各自成熟完整的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和監(jiān)管中,均應(yīng)執(zhí)行各自所屬類別的壓力管道規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),不應(yīng)混用,亦不應(yīng)將不同類的壓力管道中的某一子項(xiàng)目劃分到另一類的壓力管道中,從而帶來潛在的安全隱患[2]。

3)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿酪矊儆谳斔凸艿?但與長輸管道有區(qū)別,管道主要集中在城區(qū)、集鎮(zhèn)范圍,很少有山脈、河流、鐵路的穿跨越,管道直徑較小,設(shè)計(jì)壓力較低;但其設(shè)計(jì)、施工的許多方面與長輸管道有相同或相近的規(guī)定,如直管段強(qiáng)度計(jì)算公式及強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)、焊縫系數(shù)選取、管道通過地區(qū)的類別劃分等均是相同或相近的規(guī)定;但是在進(jìn)一步的因素類別劃分時,其與長輸管道的區(qū)別就顯示出來了,是與長輸管道不同類別的管道。

4.2 介質(zhì)因素

功能相同的壓力管道,由于介質(zhì)不同,在設(shè)計(jì)參數(shù)、管道材質(zhì)選用、計(jì)算公式、設(shè)備、儀表、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行操作等多方面均有很大區(qū)別,如輸油管道與輸氣管道,同是輸氣管道的天然氣管道與氫氣管道,但采用的壓力管道規(guī)范不同。煉油工藝裝置中的加氫裂化裝置和石油化工裝置中的乙烯裝置,雖然同是工藝裝置,但是由于原料介質(zhì)不同、產(chǎn)品不同,前者原料介質(zhì)是大分子烴類如重柴油、焦化蠟油等,和氫氣在催化劑作用下,經(jīng)裂化和加氫反應(yīng),生成石腦油、航空煤油等產(chǎn)品[15],主要工藝設(shè)備是加氫反應(yīng)器;后者原料介質(zhì)是石腦油、乙烷、丙烷等,經(jīng)高溫裂解生成乙烯,主要工藝設(shè)備是管式裂解爐，顯然與上述工藝裝置配套的工藝管道也不相同。

對于同一介質(zhì),當(dāng)其次要/微量成分發(fā)生改變時,導(dǎo)致介質(zhì)的性質(zhì)產(chǎn)生重大變化,這也是壓力管道類別劃分應(yīng)考慮的因素,如含硫酸性天然氣和凈化天然氣,雖然主要成分都是甲烷,但由于含硫酸性天然氣中含有水和硫化氫,當(dāng)硫化氫分壓大于等于0.000 3 MPa(絕)[18]而具有強(qiáng)腐蝕性時,設(shè)計(jì)施工遵循的是GB 50349《氣田集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》,而不是GB 50251《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》,而且還應(yīng)遵循SY/T 0599《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕開裂金屬材料技術(shù)規(guī)范》。對于中國今后有待發(fā)展的混氫天然氣管道,如何進(jìn)行類別劃分和執(zhí)行規(guī)范及監(jiān)管,也是有待研究的新問題。

4.3 終端目標(biāo)/用戶因素

對于輸送管道和能量/性能傳遞管道,在同功能、同介質(zhì)的前提下,還應(yīng)考慮終端目標(biāo)/用戶因素,如為城鎮(zhèn)居民家庭供應(yīng)家用天然氣的管道,由于要進(jìn)入每戶家庭(即用戶),因此有GB 50028《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定了設(shè)計(jì)、施工、安裝和運(yùn)行的技術(shù)要求,不同于天然氣長輸管道規(guī)范。熱力管道的功能與動力管道的功能相同,雖然同是通過輸送蒸汽或熱水來傳遞熱能的管道,但熱力管道不同于動力管道,其終端目標(biāo)是為居民家庭冬季供熱,因此設(shè)計(jì)、施工、檢驗(yàn)與試驗(yàn)執(zhí)行的規(guī)范是CJJ 34《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》。

工藝管道不存在終端目標(biāo)/用戶因素。

4.4 壓力管道的級別劃分

壓力管道類別確定之后,有些類別的管道可能會根據(jù)不同的設(shè)計(jì)參數(shù)(如壓力、溫度、管道直徑)或介質(zhì)的性質(zhì)(如腐蝕性、流動性等),對管道進(jìn)行分級,如高壓、中壓、低壓管道。管道的分級一般在相應(yīng)的管道規(guī)范中有明確規(guī)定,設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行應(yīng)按規(guī)范執(zhí)行。

5 氫氣管道

氫能利用是當(dāng)前國際上環(huán)境保護(hù)、凈零排放的發(fā)展方向,氫氣管道是其中一個重要領(lǐng)域。氫氣管道的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行技術(shù)已趨于成熟,國際上第一部氫氣管道規(guī)范是美國2009年頒布的ASME B31.12《氫氣配管系統(tǒng)和管道》(以下簡稱ASME B31.12)。中國的氫氣管道建設(shè)與運(yùn)行長度,截至2017年約400 km,主要為石化廠加氫裝置供應(yīng)氫氣,應(yīng)該說尚處于初期發(fā)展階段,有大量的技術(shù)工作待開展。

5.1 ASME B31.12與相關(guān)規(guī)范的比較

ASME B31.12自頒布至今已有3版修訂,分別是2009年版、2014年版、2019年版,該規(guī)范包含了四個部分,其中“工業(yè)管道系統(tǒng)”(指應(yīng)用氫能的工業(yè)領(lǐng)域,包括煉油廠、石化廠的工藝裝置)和“管道線路”的內(nèi)容分別對應(yīng)于ASME B31.3和ASME B31.8《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》(以下簡稱ASME B31.8),將上述3個ASME B31管道規(guī)范的對應(yīng)內(nèi)容分別進(jìn)行對比,從壓力管道類別劃分的視角得出以下看法。

1)ASME B31.12是以介質(zhì)氫氣為對象編制的規(guī)范,不同于以前編制出版的ASME B31其它管道規(guī)范,是以管道功能為主線編制規(guī)范,說明同為氫氣介質(zhì),但是管道功能不同,則其執(zhí)行的規(guī)范不同,所以壓力管道類別劃分的首要因素是管道功能。

2)ASME B31.12的“工業(yè)管道系統(tǒng)”和“管道線路”部分分別與ASME B31.3和ASME B31.8相對應(yīng),其中設(shè)計(jì)、施工、檢驗(yàn)與試驗(yàn)的方法和數(shù)據(jù)等內(nèi)容規(guī)定均是相同或相近的,說明功能相同的同類管道在設(shè)計(jì)、施工、檢驗(yàn)與試驗(yàn)上是有共性的,可以借鑒。但是由于介質(zhì)氫氣與天然氣或工藝裝置的其它介質(zhì),在化學(xué)成分上不同且性質(zhì)上各具特性,在選材、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與技術(shù)要求、結(jié)構(gòu)及施工、運(yùn)行等方面各有特點(diǎn),因此需要分別編制以不同介質(zhì)為對象的管道規(guī)范。

3)在天然氣長輸管道中混氫后,管道成為兩種介質(zhì)的混輸管道,管道改造時應(yīng)如何執(zhí)行規(guī)范和監(jiān)管還有待探討。

5.2 建議

5.2.1 管線鋼管抗氫脆性能的試驗(yàn)研究

5.2.1.1 氫脆定義

氫脆是指金屬“由于吸收和固溶氫原子而導(dǎo)致的脆性[19]?！盇SME B31.12對氫脆的解釋是:氫進(jìn)入金屬后,局部氫濃度達(dá)到飽和時,引起金屬塑性下降,誘發(fā)裂紋或產(chǎn)生滯后斷裂的現(xiàn)象。

氫不但能促使脆性斷裂,也能促使塑性斷裂。

5.2.1.2 分析

氫氣用管道輸送的方式有兩種:一是新建氫氣管道輸送;二是利用在役天然氣長輸管道混氫輸送[20]。

中國的天然氣長輸管道從輸量上存在著加入氫氣混輸?shù)目赡苄?。天然氣長輸管道的用管主要是兩大類:一是干線鋼管,一般采用管線鋼鋼管,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 9711《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》(以下簡稱GB/T 9711)或API SPEC 5L《管線鋼管規(guī)范》的控軋鋼/熱機(jī)械成型(交貨狀態(tài)),產(chǎn)品規(guī)范水平為PSL2級,管型為直縫鋼管或螺旋焊縫鋼管;二是站場用鋼管,一般均采用無縫鋼管或直縫鋼管,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 9711和GB 6479《高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管》、GB 5310《高壓鍋爐用無縫鋼管》、GB/T 8163《輸送流體用無縫鋼管》,這類鋼管輸送介質(zhì)為凈化氣,不存在腐蝕問題。

管線鋼鋼管及其焊縫的抗氫脆試驗(yàn)研究少,更缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),因此盡快開展管線鋼鋼管及其焊縫和無縫鋼管的抗氫脆試驗(yàn)研究非常必要,它是建設(shè)氫氣管道或采用在役天然氣長輸管道作混氫輸送的必備條件之一,特別是對大口徑高強(qiáng)度的管線鋼鋼管X70、X80及其焊縫作抗氫脆試驗(yàn)研究更具有潛在價(jià)值,即使試驗(yàn)研究的結(jié)論是否定的,也是值得的。

5.2.1.3 抗氫脆試驗(yàn)研究的要點(diǎn)建議

抗氫脆試驗(yàn)研究的對象是用于建設(shè)氫氣管道的鋼管及其焊縫,和擬利用在役天然氣長輸管道作混氫輸送管道的管線鋼鋼管及其焊縫與無縫鋼管,這二者是不相同的。

1)抗氫脆試驗(yàn)研究是一項(xiàng)涉及面較廣的大型試驗(yàn)研究,應(yīng)該有計(jì)劃有組織地開展;新建氫氣管道和利用在役天然氣長輸管道作混氫輸送管道的鋼管及其焊縫抗氫脆試驗(yàn)研究,宜各自單獨(dú)立項(xiàng)開展。該項(xiàng)試驗(yàn)研究宜在管道工藝試驗(yàn)研究有定論后進(jìn)行。

2)擬用于混氫的在役天然氣長輸管道,至少應(yīng)考慮下述問題:用作試驗(yàn)研究的鋼管和焊材,盡可能與在役管道的鋼管及焊材同牌號、同規(guī)格,且鋼管的生產(chǎn)工藝和現(xiàn)場鋼管對接的環(huán)縫焊接工藝應(yīng)與在役管道的相同;試驗(yàn)研究的鋼管及焊材標(biāo)準(zhǔn),以及焊接工藝、熱處理等執(zhí)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)均應(yīng)與在役管道執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相同；試驗(yàn)研究應(yīng)考慮在役管道現(xiàn)場施工環(huán)境條件因素的影響。

3)關(guān)于管道鋼管管型的問題:GB 4962—2008《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》第4.4.4條規(guī)定“氫氣管道應(yīng)采用無縫金屬管道”,GB/T 34542.1—2017《氫氣儲存輸送系統(tǒng) 第1部分：通用要求》第4.2.6.2款規(guī)定“氫氣管道宜采用無縫金屬管道”,按上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,氫氣管道應(yīng)/宜采用無縫金屬管,一般為無縫鋼管;但是在役天然氣長輸管道干線鋼管一般均采用管線鋼的直縫或/和螺旋縫埋弧焊管,只有支線鋼管當(dāng)直徑較小時可能采用無縫鋼管;且上述標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定與ASME B31.12—2019版差異較大;試驗(yàn)研究的成果將用于管道的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)必須執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定,所以,開展鋼管抗氫脆性能的試驗(yàn)研究(包括新建氫氣管道和在役天然氣混氫管道)和開發(fā)抗氫脆管線鋼管之前,應(yīng)對上述標(biāo)準(zhǔn)為什么這樣規(guī)定和是否執(zhí)行上述標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定有明晰的判定。

5.2.2 編制氫氣管道規(guī)范

氫氣管道的建設(shè)和在役天然氣長輸管道改建為混氫管道,均需有可執(zhí)行的規(guī)范以保證管道的長期安全運(yùn)行。目前可以采用ASME B31.12或其它規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工,但從長遠(yuǎn)發(fā)展考慮,中國應(yīng)有自己的氫氣管道的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,現(xiàn)在著手組織編制氫氣管道規(guī)范是必要的。雖然在網(wǎng)上可查到GB/T 34542.5《氫氣儲存輸送系統(tǒng) 第5部分：氫氣輸送系統(tǒng)技術(shù)要求》,但未見正式出版,且不清楚“輸送系統(tǒng)”與“管道”及“技術(shù)要求”與“規(guī)范”有無差異。

6 結(jié)論

1)建立壓力管道類別劃分原則的意義是為正確編制和選擇壓力管道設(shè)計(jì)、施工、安裝、檢驗(yàn)與試驗(yàn)、驗(yàn)收規(guī)范,確保管道長期安全運(yùn)行及監(jiān)管,提供以理論分析為基礎(chǔ)的依據(jù)。

2)壓力管道內(nèi)在的要素、功能與屬性是壓力管道類別劃分原則的理論基礎(chǔ)。

3)壓力管道類別劃分原則是根據(jù)壓力管道內(nèi)在因素的不同進(jìn)行類別劃分。壓力管道內(nèi)在因素有功能、介質(zhì)、終端目標(biāo)/用戶,這些內(nèi)在因素應(yīng)用于壓力管道類別劃分是有先后順序的,功能是壓力管道類別劃分的首要因素。

4)功能因素相同或功能、介質(zhì)因素均相同的同類壓力管道,在設(shè)計(jì)、施工、安裝、檢驗(yàn)與試驗(yàn)等方面有許多相同或相近的規(guī)定或方法,但是由于介質(zhì)成分、性質(zhì)、狀態(tài)不同,或終端目標(biāo)/用戶不同,管道又有許多重大的區(qū)別,必須編制不同的壓力管道規(guī)范供使用。

不同類別的壓力管道有獨(dú)立的自成體系的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,設(shè)計(jì)壓力管道應(yīng)采用各自所屬類別的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,不可錯用其它類別的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

5)氫氣管道和在役天然氣混氫管道的建設(shè)與開發(fā)尚有許多的試驗(yàn)研究工作亟需開展,其中鋼管材料抗氫脆性能的試驗(yàn)研究和開發(fā)抗氫脆管線鋼管的試驗(yàn)研究(包括焊材和焊接工藝的試驗(yàn)研究)是重要內(nèi)容,建議有計(jì)劃地組織開展研究工作。