設計階段是壓力管道安全的重要保障

閆明杰 王久成

【摘要】設計是壓力管道安裝的第一階段，設計階段對于壓力管道在整個壽命期間的安全保障起著重要的作用。在管道運行過程中，許多事故與設計失誤有關(guān)，這些失誤往往是由于安裝時沒有設計或者某一局部環(huán)節(jié)設計的差錯而引起的，導致了管道的失效。本文闡述了壓力管道設計階段各個方面應該包含的內(nèi)容并舉例說明設計人員在設計階段容易發(fā)生的一些錯誤，其中失效模式是按照最新的設計理念提出。

【關(guān)鍵詞】壓力管道;設計;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、機械、航天、國防、航空等。壓力管道作為一種承壓設備被使用，其具有顯著的特點，即爆炸而危險，當出現(xiàn)爆炸或泄漏事故的時候，往往會連帶出現(xiàn)災難性事故，諸如，火災、二次爆炸，中毒等，使其環(huán)境受到污染，嚴重威脅整個社會經(jīng)濟的發(fā)展，與此同時，我國各項生產(chǎn)與人們的命財也遭受損失。基于此，國家頒布了《中華人民共和國特種設備安全法》，我國依據(jù)法律手段來管理特種設備的多個環(huán)節(jié)，包括：設備的生產(chǎn)、設備的經(jīng)營、設備的使用、設備的檢驗、設備的檢測以及監(jiān)督管理特種設備的安全等[1]。在安裝壓力管道的時候，需要從其設計開始，這個環(huán)節(jié)尤為重要。因其關(guān)系著壓力管道的安全[2]。

1、壓力管道的設計條件

就壓力管道而言，其設計條件尤為關(guān)鍵，只有設計條件準確才能確保壓力管道的使用壽命。壓力管道當處于生產(chǎn)裝置的過程中的時候、或是當其處于應用過程中的時候，其均處在一定的環(huán)境當中使用。所以，為了確保壓力管道正常運行需要設計人員做到如下幾個方面，其一，針對所設計的壓力管道需要把握其使用情況，使其順利進行生產(chǎn)或應用，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性，還要把握其所操作介質(zhì)固有的性質(zhì)，還要及時分析多種潛在的因素，筆者曾經(jīng)就碰到過有設計人員此種情況，即把操作工況的最大壓力組合與再生工況溫度當中。管道設計應結(jié)合工藝條件來進行，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

對于壓力管道，在使用之前需要清晰地把握以下兩個方面，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。對于設計人員來講，需要做到如下幾個方面：其一，要把握好壓力管道的幾個環(huán)節(jié)，諸如，所操作介質(zhì)的物理性質(zhì)與化學性質(zhì)，還要清晰把握不同材料的腐蝕性能，另外，要對介質(zhì)進行鑒別，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)，看其是不是會腐蝕已選定材料，尤其看其對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，國家提出更高的要求在設計當中，這里包括：對材料的要求、制造的要求、檢驗的要求、試驗的要求、使用的要求及維護的要求等。

3、識別所設計的壓力管道的失效模式

對于壓力管道的失效來講，其涉及如下兩種情況：其一，當壓力管道應有的使用功能失去的時候;其二，當壓力管道受到損傷的時候。所以，設計人員應該能夠識別出壓力管道的失效模式。反之，壓力管道就會有危險情況存在，嚴重的時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，強度失效，這里涉及如下幾個部分，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、設計壽命到期失去效能等。例如，氯氣處于干燥的環(huán)境中，其不會腐蝕碳鋼管道，反之，其會腐蝕碳鋼管道;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，奧氏體不銹鋼會有晶間腐蝕產(chǎn)生，最終腐蝕失去效能;對于壓力管道，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力水平，需要選擇適宜的保溫材料與保溫方式;極個別失效往往發(fā)生在開停工時，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)壁會存在一定數(shù)量的氫，在工作結(jié)束之后，當冷卻速度太快的時候，導致氫擴散不出來，使管壁內(nèi)部存在一定數(shù)量的過飽和氫，使其亞臨界裂紋的情況發(fā)生，進而發(fā)生脆性斷裂失效的情況，嚴重影響管道的安全，所以，降溫速度要適宜才行。基于此，存在于管內(nèi)壁的氫盡最大程度被吸出來，此外，緊急停車的時候也要避免經(jīng)常發(fā)生，以上均為設計人員應該提高警惕。

4、壓力管道設計技術(shù)條件

管道設計文件中應對管道的級別劃分給予明確，管道安裝及驗收標準給予明確，為了滿足建設單位提出高于國家現(xiàn)有規(guī)范要求的管道，采用無損檢測的方法及檢測比例應給予明確。壓力管道設計文件應符合TSGR1001-2019《壓力容器壓力管道設計許可規(guī)則》的要求[4]。

5、壓力管道設計文件要點

（1）設計者已經(jīng)給用戶提出了設計條件，而用戶對這些條件沒有認真進行研究，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的波紋補償器，設計者沒有考慮到管線鋪設地理位置，致使補償器長期在水中浸泡，水中含有融雪劑等帶來的大量氯離子，造成冬季運行中多個補償器開裂。

（2）設計文件中不明確管道分類，例如長輸燃氣管道GA類按照公用管道GB1類設計，廠區(qū)內(nèi)燃氣管道GC類按公用燃氣管道GB1設計。

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

（4）設計文件中材料選擇不科學，例如GC1類管道材質(zhì)選用20#鋼管。

（5）材料標準設計文件不明確。例如設計文件只提出管材選用20#鋼，哪個標準中的20#鋼不明確，致使個別企業(yè)為了降低成本選用GB8162標準中20#鋼代替GB8163等標準中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，致使管道定期檢驗很難進行內(nèi)部檢測，對于埋地管道進行定期檢驗更是難上加難，這就促使管道安裝時保證管道優(yōu)生格外重要，為在管道安裝過程中落實國家所規(guī)定的法規(guī)與方針，使其技術(shù)要求達到統(tǒng)一，使其技術(shù)領(lǐng)先，經(jīng)濟更加合理，具有安全性，提高質(zhì)量，必須加強設計是壓力管道安全的重要保障這一理念。保護環(huán)境、節(jié)約土地，使用領(lǐng)先的技術(shù)，設計方案不斷優(yōu)化，確定經(jīng)濟工藝合理及工藝參數(shù)最佳。確保管道安裝過程中的監(jiān)督檢驗及運行過程中的定期檢驗有依據(jù)，為管道安全運行起到保駕護航的作用。

參考文獻：

[1]中華人民共和國特種設備安全法（中華人民共和國主席令第四號）[S].

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

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

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