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，這些失誤往往是由于安裝時沒有設計或者某一局部環節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容并舉例說明設計人員在設計階段容易發生的一些錯誤，其中失效模式是按照最新的設計理念提出。

【關鍵詞】壓力管道;設計;安全

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

在工業部門的生產中以及在人民生活中均積極使用壓力管道，其中，工業部門的生產主要涉及冶金、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，當出現爆炸或泄漏事故的時候，往往會連帶出現災難性事故，諸如，火災、二次爆炸，中毒等，使其環境受到污染，嚴重威脅整個社會經濟的發展，與此同時，我國各項生產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》，我國依據法律手段來管理特種設備的多個環節，包括：設備的生產、設備的經營、設備的使用、設備的檢驗、設備的檢測以及監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，這個環節尤為重要。因其關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固有的性質，還要及時分析多種潛在的因素，筆者曾經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、介質性質與材料選擇

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的多種性質，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節，諸如，所操作介質的物理性質與化學性質，還要清晰把握不同材料的腐蝕性能，另外，要對介質進行鑒別，看其是不是液化氣體、是不是有毒性介質、是不是具有可燃性能的介質，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，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，韌性發生斷裂、脆性發生斷裂、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;在特定介質中，奧氏體不銹鋼會有晶間腐蝕產生，最終腐蝕失去效能;對于壓力管道，其經常處在高溫高壓的環境中，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，且壓力管道材質為珞鉬鋼，在操作狀態下，管道內壁會存在一定數量的氫，在工作結束之后，當冷卻速度太快的時候，導致氫擴散不出來，使管壁內部存在一定數量的過飽和氫，使其亞臨界裂紋的情況發生，進而發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常發生，以上均為設計人員應該提高警惕。

4、壓力管道設計技術條件

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有規范要求的管道，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則》的要求[4]。

5、壓力管道設計文件要點

（1）設計者已經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，廠區內燃氣管道GC類按公用燃氣管道GB1設計。

（3）據不完全統計我市在用工業管道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，致使個別企業為了降低成本選用GB8162標準中20#鋼代替GB8163等標準中20#鋼。

結論：

由于管道的特殊性，人很難接觸到管道內表面，致使管道定期檢驗很難進行內部檢測，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生格外重要，為在管道安裝過程中落實國家所規定的法規與方針，使其技術要求達到統一，使其技術領先，經濟更加合理，具有安全性，提高質量，必須加強設計是壓力管道安全的重要保障這一理念。保護環境、節約土地，使用領先的技術，設計方案不斷優化，確定經濟工藝合理及工藝參數最佳。確保管道安裝過程中的監督檢驗及運行過程中的定期檢驗有依據，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則[S].

[3]TSGD7005-2018壓力管道定期檢驗規則-工業管道[S].

[4]TSGD7006-2020壓力管道監督檢驗規則[S].