工業廠房壓力管道安裝質量控制技術研究與分析

周志武

摘要：本文就實際項目闡述了如何提高管網質量技術控制，并進行理論的核算分析和關鍵質量點控制措施，確保壓管從原材的驗收、破壞機理的分析、焊接工藝控制、采用新技術檢測等分析與探討，重點闡述紅外成像技術的推廣應用，瞻望了新型檢測技術未來的研究發展方向。

Abstract： This paper expounds how to improve the quality and technical control of pipeline network on the basis of actual projects， and carries out theoretical accounting analysis. The key quality point control measures to ensure that the pressure pipe are analyzed and discussed from the aspects of raw material acceptance， failure mechanism analysis， welding process control， and new technology detection， with emphasis on the popularization and application of infrared imaging technology. It looks forward to the future research and development direction of the new detection technology.

關鍵詞：動力系統；質量通病；壁厚強度；內部應力；質量控制；檢測措施；紅外熱成像技術；應用分析

Key words： power system；mass defects；wall thickness strength；internal stress；quality control；testing measures；infrared thermal imaging technology；application analysis

中圖分類號：U175；TB492 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0110-04

1 緒論

1.1 研究目的和意義

本文針對汽車工業廠房的動力系統進行了詳細的分析和研究論述，首先論述了項目的特點和核心組成部分：廠區給排水系統（包括污水、消防外網、自來水、中水、生產生活給水等）、動力系統（包括天然氣、熱水、壓縮空氣）、暖通系統（包括冷凍水、冷卻水）、管道支架系統。

如何利用先進的焊接和檢測技術保質保量的完成項目設計任務，首先進行了分析：①材料的理論復核計算，管道的壁厚強度、運行過程內部應力分析。②焊接全流程的質量控制。③壓力管道的檢測措施比較和國內新舊檢測措施的對比。④確定采用新型檢測技術：紅外線成像技術的應用。

研究的意義：①在項目的實施過程中，把握關鍵核心的技術領域、全面分析和探討專業的理論知識和采取相應的合理措施。②推廣應用、以點帶面、從一個項目上要全面熟識相關領域的工程項目控制難點和重點。③高科技、高技術、跨行業的先進設備，技術的推廣和應用。

1.2 本文的研究思路和主要研究的內容

本文研究思路和主要研究的內容是引用工業廠房動力系統項目，闡述了影響管網質量、安全技術的諸方面因素，并進行理論的計算分析和項目實施質量控制的一系列措施，確保壓力管道安裝，從原材的驗收、破壞機理的分析、焊接工藝控制、采用新工藝進行檢測等多方面分析與探討，重點研究紅外成像技術其在壓力管道檢測中的應用，分析總結了各類新型檢測技術在及未來的發展和推廣的必要性。

2 工業廠房壓力管道的種類和成因

2.1 項目概述

神龍汽車廠區外網工程位于四川省成都市龍泉驛區，該項目總承包范圍主要包括廠區給排水系統、動力系統、暖通系統、管道支架系統共四大主系統。

2.2 廠區管網種類和技術要求

2.2.1 廠區給排水系統設計性能參數（表1）

2.2.2 廠區公用動力系統設計參數（表2）

3 壓力管道引起質量通病理論計算分析

3.1 壓力直管道的壁厚強度核算

在管道安裝之前，針對設計文件標定的管道強度進行檢算，原因是國內管道標準很多，管壁厚度設計計算參數取值不一致，避免實際設計計算過于保守。采用標準常用的環向應力計算法進行檢算，標準（環向應力+軸向應力）=當量應力<管道最低屈服強度，確定管道壁厚要依據選取規范的管道標準壁厚進行園整，最終確定壁厚設計是否符合規范要求。

3.1.1 計算依據

國內管道壁厚計算的相關規范：GB50316—2008工業金屬管道設計規范；GB20801—2006—壓力管道規范；《工業金屬管道設計規范》GB50316-2000。

3.1.2 壓力直管的厚度核算標準

3.1.3 壓力直管計算程序

3.1.3.1 計算步驟

根據《鋼制壓力容器》GB150—1998中3.7規定，當鋼管采用100%無損檢測時，Ej=1.00；根據《工業金屬管道設計規范》GB50316-2000中表1-2規定，奧氏體鋼溫度小于或等于482攝氏度時，Y取0.4。

3.1.3.2 計算理論結果

根據3.1.3.1計算，確認直管從總管至減壓撬設計壁厚為3.4162mm，系統選用DN100以上的管道，符合規范標準要求。本管網各個系統外徑和壁厚滿足標準規范要求。

3.1.4 斜接彎管的耐壓強度核算

由一條焊縫方向改變的角度α大于3°的管段構成的斜接彎管的強度計算，當斜接彎管角度α≤3°時，可免做強度計算。多接縫斜接彎管的最大許用內壓力Pm應取下式計算的較小值。

現場焊接彎管角度大于3°，考慮現場斜接彎管焊接難度過大，全部交給廠家進行加工為成品斜接彎管，現場按照直管進行校核檢算。

3.2 管道在運行過程中應力分析

管道應力分析的必要性、安全穩定性主要從兩方面綜合考慮：一是管道材質的穩定性、二是管道運行過程中受到的外力荷載和管道自身發生熱膨脹等內力的作用，使管道內部產生應力的困擾，造成穩定性失穩或者管道結構的破壞，發生質量、安全事故。

3.2.1 管道應力分析的考慮因素

3.2.1.1 管道靜力因素分析

①管道自身的安全、按照設計要求、標準規范進行安裝。②計算管道對支架和土建結構物的作用力，保證下部結構的穩定性。③管道位移、考慮管道自身變形產生的位移造成結構脫落或碰撞，并為應力計算提供依據。

3.2.1.2 管道動力因素分析

①考慮管道由于外力的作用，產生振動發生的結構破壞。②運行設備的固有頻率和振型分析，防治管道系統發生機械破壞。③生產、生活給排水和壓縮機與往復泵管道的固有頻率和振型分析，防治管道因為振動發生疲勞破壞。④壓力管道由于內部氣體壓力脈動的聲學分析，計算管道內氣體的固有頻率和壓力脈動，防止氣柱共振和壓力脈動過大，造成管道的頻繁振動。

3.2.2 壓力管道的應力分析與分類及校核準則

壓力管道的主要考慮整個管道系統的應力和柔性兩方面，要綜合考慮管系的復雜程度，丟棄管道局部的幾何特性，將復雜的計算過程簡潔化，便于理論分析工作的完成。

3.2.2.1 壓力管道的應力分類

壓力管道設計按照ASMEB31系列規范標準，管網的應力檢算的標準按照ASMEB31.3工藝管道標準進行校核，綜合考慮管道應力，不在按照工業管道一次應力和二次應力的概念進行詳細的區分，主要原因是整個管道設計采用的薄壁設計（3.1.3已經進行了詳細的檢算分析）排除詳細的局部應力分析兩方面的原因。

3.2.2.2 管道應力分析中的薄壁假設

依據計算結論K=D0/Di=1.2為分界（D0/Di=管道外徑/內徑），計算結果為K≤1.2為薄壁結構，對于薄壁結構的應力分布，有以下幾點結論：

①壁厚設計較薄，認為應力沿壁厚均勻分布。

②可以認為徑向應力δr與環向應力δθ和軸向應力δz相比較很小，近似認為δr=0。

3.2.3 管道在運行過程中內部應力檢算校核

由于壓力、外力和設備的持續加載造成管道產生縱向應力之和為SL，依據ASMEB31.3的二次應力校核準則，持續加載造成管道的熱膨脹、冷縮以及端點位移等因素使管道位移應力范圍SE不得超出許用值SA，即SE≤SA。

Sc=冷態許用應力、f=許用應力范圍減少系數。Sh=評用應力、查詢材料力學表。

二次應力范圍SE依據最大剪應力理論的當量應力計算所得：

Sb=管道合成彎矩引起的應力、St=管道扭矩引起的應力。

4 壓力管道的質量控制措施

4.1 管材的檢驗

管道主要組成由管材、管件與閥門組成，對于進場的材料全部進行驗收和抽檢，符合規范設計要求的材料投入使用。針對特殊構件閥門等要進行密封性能檢驗和調試檢查，確保質量。

4.2 加工和焊接、安裝過程的質量控制

按JGJ81-2002《鋼結構焊接技術規程》的要求對焊工和焊接程序進行認證，被認證的設備型號和焊縫都應與施工過程中的相同。

4.2.1 焊接工作人員要求

參與本工程的所有焊工（含定位焊工）必須經過培訓取得上崗證書，并在其允許范圍內工作。焊工在焊接過程中應嚴格遵守工藝操作規程，并對其焊接的產品質量負責。

4.2.2 操作注意事項

焊接前首先經過工藝評定，根據焊接工藝評定編制焊接工藝。注意事項如下：①焊接前檢查焊接設備，焊縫清除干凈，露出金屬光澤。②檢查焊縫坡口形式及幾何尺寸是否符合設計要求，調整好焊接參數。③采用的焊接方法：手工電弧焊、埋弧自動焊、CO2氣體保護焊、電渣焊。④焊接后焊縫清理干凈，滿足焊接要求。主要外觀質量檢查、對接焊縫余高小于3mm、焊件過渡平和，熔透深度滿足規范。

4.3 壓力管道檢測措施分析

常規檢測方法：外觀檢測、壓力檢測、焊縫無損檢測。

新型無損檢測技術：超聲導波技術、聲發射、磁記憶檢測、紅外熱成像檢測、光纖傳感檢測。

壓力管道檢測技術的應用比較見表3、表4。

5 壓力管道選用紅外熱成像檢測技術的應用分析

綜合比較各類檢測技術后，考慮現場的基本條件和操作環境的可實施性，專家組評定采用紅外熱成像檢測技術，主要考慮方面：操作簡便、成像檢測精度高、實用環境范圍廣、監測數據分析準確。

5.1 紅外熱成像技術原理分析

在熱力學理論體系下，溫度在絕對零度以上的物體， 其內部分子在運動的過程中，都會產生熱輻射的情況，發出紅外線。基于物體的這一特殊性，檢測技術人員借助探測裝置對紅外線進行捕捉，捕捉到的紅外線信號快速轉化為電信號，實現對物體的勘測。勘測結果直觀性地展現在顯示器上，根據檢測人員獲取熱圖像以及溫度值，進行檢測結果分析。

5.2 紅外熱成像檢測流程

在檢測過程中，使用HY-2001G 、Ti20等型號紅外熱成像儀器作為檢測設備，檢測過程必須以管道泵為壓力源，形成一個完整的壓力管道系統，使用各個系統中的介質熱水作為檢測物質，將整個溫度保持在設計要求范圍內，使用紅外熱成像技術對整個區域進行檢測。

①圖像的聚焦：瞄準測設部位，正確聚焦，確保紅外能量導向探測器的像元上，轉動調焦輪使Imager聚焦，顯示屏上熱圖像變得最清晰。②圖像的捕捉：確保Imager開啟狀態，捕捉到最清晰圖像后，保持熱像儀與被測設備水平一致，扣動扳機，捕捉圖像。顯示屏出現Imager captured確認信息。③檢查圖像按F1（store）鍵保存圖像。扣動一次扳機繼續測設。④數據分析：測設完畢后使用PC與熱成像儀進行連接，使用INSIDE IR與Ti20配套的圖像分析軟件進行數據分析。

5.3 紅外熱成像檢測數據分析、缺陷處理

①使用軟件進行圖像分析（圖2-圖5）。

壓力管道在焊接、加工環節，出現質量缺陷，導致整個壓力管道出現隔熱性缺陷。

②檢測缺陷處理：壓力管道檢測后出現區域性缺陷，安排施工人員進行返工處理、編制返修工藝審批后，針對缺陷焊縫返修，重新進行檢測，合格為止。

5.4 檢測結果的分析

①紅外熱成像檢測是高溫壓力管道焊接和內部缺陷檢驗的可靠方法，檢測出的最小缺陷尺寸遠小于管道允許缺陷的尺寸，滿足設計、規范要求。②材料導熱率是影響檢測靈敏度的關鍵因素，導熱率越低，檢測靈敏度越高，缺陷顯現時間越長。③缺陷的幾何尺寸是影響紅外熱成像檢測靈敏度的關鍵因素，缺陷面積越大，可檢出的壁厚減薄量的靈敏度越高；面積越小，靈敏度越低。④材料的厚度也是影響靈敏度的關鍵因素，材料越厚，缺陷檢測靈敏度越低，但缺陷的可觀測時間越長。⑤溫度激勵方式是影響檢測靈敏度的關鍵因素，內部加熱法的缺陷檢測靈敏度高于外部冷卻法，制冷氣體冷卻的靈敏度高于冰冷卻的靈敏度。

5.5 紅外熱成象檢測的優點

①紅外熱成像技術探測距離較遠，適用于大面積的遙感測量，并且白晝、黑夜的變化并不會對紅外線成像技術檢測結果帶來影響，高檢測精度，使得紅外熱成像技術的分辨率可以保持在0.02℃的范圍，為故障檢測以及維修工作的開展提供了必要的數據支持。②測溫范圍廣，溫度在 -50～2000℃的范圍內，紅外熱成像技術都可以正常工作，對動態目標以及靜態目標都有較好的檢測能力。③是一種直觀地顯示材料、結構物完整連續性及其結合上存在不連續缺陷的檢測技術。④是非接觸的無損檢測技術，即連續對被測物作上下、左右非接觸的連續掃描，顯示靈敏度高、精度高，能區分0.1度的溫差。⑤檢測結果極可靠，能快速和預知性發現問題。

6 結術語

隨著現代科技技術的高速發展，我國汽車產業已經步入了一個嶄新的領域，適應時代、緊跟發展的步伐、應用先進的機械設備、施工工藝將是不可避免的趨勢，讓我們引領行業的發展，時刻捕捉科技的閃光點，服務于項目的實施、推進。

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