化工壓力管道設(shè)計中的安全問題研究

柳斐斐

（山東科達化工工程有限公司，山東濰坊 261041）

1 壓力管道設(shè)計中安全的重要性

現(xiàn)如今中國化工企業(yè)在高速的發(fā)展，但化工行業(yè)及其快速增長也帶來了許多負面問題，如安全問題、污染問題、生態(tài)環(huán)境問題、高能耗、產(chǎn)能過剩等。其中常見的問題就是，在一些特殊的化工廠中，內(nèi)部由數(shù)百個甚至數(shù)千個彼此相鄰的危險裝置組成的化工廠通常具有高度復(fù)雜性和相互依賴性的特點。這些儲存、運輸或處理危險物質(zhì)（例如，易燃、易爆、有毒）的裝置通常處于高溫高壓條件下。因此，主要不希望出現(xiàn)的情況（例如，壓力管道的泄漏、管道的爆炸）可能導(dǎo)致重大事故。此外，這些主要事故可能會傳播到附近的設(shè)施，引發(fā)一系列事故，導(dǎo)致整體后果比主要事件更為嚴(yán)重，這種現(xiàn)象被稱為連鎖效應(yīng)或多米諾骨牌效應(yīng)。化工區(qū)一旦發(fā)生重大事故，可能造成巨大的財產(chǎn)損失、人員傷亡、嚴(yán)重的環(huán)境污染以及生態(tài)倫理問題。

2 管道運輸物料種類的安全分析

石油和天然氣工業(yè)中用于輸送各種介質(zhì)的鋼質(zhì)管道經(jīng)常暴露在嚴(yán)酷的內(nèi)部和外部環(huán)境條件下，導(dǎo)致材料因腐蝕而降解。這些管道通常由碳鋼和低等級合金鋼制成，容易受到管道內(nèi)部酸性過程及其與環(huán)境的電化學(xué)相互作用的腐蝕攻擊。此外，管道腐蝕對經(jīng)濟和安全都有不小的影響，其中占全球石油和天然氣行業(yè)發(fā)生故障的四分之一。近年來，石油和天然氣管道的監(jiān)測、監(jiān)管和執(zhí)法不力導(dǎo)致了數(shù)以百萬計的管道爆炸等報道層出不窮。通常，石油和天然氣管道事故主要分為三個不同的類別進行分析：① 危險液體，包括天然氣液體、精煉石油產(chǎn)品和原油；②氣體分配管線，將氣體進行輸送；③天然氣輸送和收集，將天然氣從井中輸出再送到加工廠和遠市場。因此對以上的管道的物料運輸方式進行油氣管道的泄漏檢測有利于減少碳排放和環(huán)境污染，也是管道完整性管理的關(guān)鍵。目前，管道泄漏檢測技術(shù)主要針對輸水管道，且大多基于聲學(xué)檢測原理。相對于輸水管道，油氣管道的特殊性主要體現(xiàn)在以下幾個方面

1）油氣管道的壓力遠高于輸水管道；

2）油氣管道中的介質(zhì)具有高風(fēng)險。由于這兩種特殊性，很難對油氣管道進行在線檢測。

3 管道設(shè)計中安全問題分析

一般而言，對管道設(shè)計中安全的威脅可分為以下幾類：材料和結(jié)構(gòu)缺陷，例如有缺陷的縱向管縫、管體或接頭焊縫；施工、維護或第三方挖掘造成的機械損壞；不正確的操作；腐蝕、蠕變和開裂機制；設(shè)備故障。

3.1 管道腐蝕

管道的內(nèi)部腐蝕是一個隨時間變化的隨機過程。腐蝕速率的任何測量或估計都不可避免，并且也包含一定程度的不確定性，因為它受到許多隨機和認知不確定性因素的影響，例如從地質(zhì)地層中提取的原油混合物、生水、有機酸和各種溶解氣體如二氧化碳（CO2）和硫化氫（H2S），為鋼創(chuàng)造了腐蝕環(huán)境，管道腐蝕缺陷的存在會降低管道壁厚，并引入額外的應(yīng)力集中，導(dǎo)致管道承載能力降低，減少管道物料運輸?shù)膲勖?/p>

3.2 管道的塌陷

對于一些深埋地下的管道來說，例如油氣管道，通常將物料運輸?shù)膲毫艿缆袢氲叵拢枪艿琅c地面沉降區(qū)的相互作用給管道設(shè)計、施工、運行和維護帶來了額外的困難。地基沉降作用下的管道變形方式關(guān)系到關(guān)鍵部位高應(yīng)力、高應(yīng)變的發(fā)展。當(dāng)這些應(yīng)力和應(yīng)變超過管道材料的極限要求時，管體的自身將無法承受物料運輸過程中所帶來的高應(yīng)力作用，就可能導(dǎo)致管道失效。在這種情況下，破壞模式主要包括開裂和屈曲。因此，在管道設(shè)計和運行之前必須進行系統(tǒng)全面的評估以及施工地點的地質(zhì)勘探工作，以避免過度的基礎(chǔ)沉降活動影響管道安全[4]。

3.3 管道材料的選取

管道材料選用所涉及的各種方法、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。連同制造管道、配件的材料和配套設(shè)備，還必須考慮其他材料和因素，例如管道將浸入的材料、環(huán)境以及管道系統(tǒng)將輸送的流體或材料。在選擇合適的材料時，還必須考慮系統(tǒng)所適應(yīng)的溫度和應(yīng)力以及管道的尺寸。每個代碼都包含列出的材料，這些材料是各個社區(qū)已經(jīng)檢查并發(fā)現(xiàn)適合在與該代碼相關(guān)的系統(tǒng)中使用的材料。未列出的材料也經(jīng)常被接受，但有一定的限制。對于未列出的材料，必須按照規(guī)范中規(guī)定的方法來確定材料是否符合使用標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 管道疲勞性能

管道疲勞斷裂是油氣管道輸送服務(wù)過程中的主要失效模式。焊接接頭作為管線管最薄弱的部位，要引起重視。由于連接管道各部分的首尾焊縫鋼筋需要拆除，因此有必要對焊縫加固拆除前后焊接接頭的疲勞性能進行研究。并且一些企業(yè)的管道物料通常長距離的運輸，如果遇到地震等惡劣環(huán)境，會對壓力管道產(chǎn)生巨大影響，因此對管線鋼也要求具有較高的抗變形能力。在日常運作中，由于日常壓力波動引起的循環(huán)載荷，例如運行過程中工作壓力的停止和啟動，疲勞裂紋可能在管道運行過程中成核和擴展，甚至最終發(fā)生災(zāi)難性故障，產(chǎn)生大面積的泄漏，嚴(yán)重危害環(huán)境以及人類的生活。在這方面，管道抗疲勞知識對于在施工過程中為管道設(shè)計和材料選擇提供參考以及預(yù)測管道的使用壽命至關(guān)重要。

3.5 管道截止閥的安裝

管道截止閥的安裝對于化工企業(yè)安全防護是必不可少的，為了控制可能發(fā)生的管道泄漏情況，每條管道都應(yīng)配備特殊的截止閥。每當(dāng)管道減壓時，例如漏油，閥門會自動密封管道，將管道分成幾段。因此，漏油僅限于兩個連續(xù)閥門之間損壞部分的體積。這將極大減少物料的損失。此外管道截止閥的安裝還需要配備直徑較大的閥桿，因為在閥門關(guān)閉時，需要向閥瓣施加較大的壓力，為保障閥門關(guān)閉時管道的密封性，操作力所需要克服的阻力，是閥桿和填料的摩擦力與由介質(zhì)壓力所產(chǎn)生的推力，所以在關(guān)閉截止閥時要比開啟閥門時更費力。因此需要選擇力臂較長的閥桿，避免閥桿頂彎的問題出現(xiàn)。

4 管道泄漏的檢測方法

對于化工管道泄漏檢測的方法，首先需要選擇合適的技術(shù)，對于不同的環(huán)境、傳輸介質(zhì)或檢測對象要具有相應(yīng)的適應(yīng)性，可以根據(jù)不斷變化的信息提高自身性能，完成任務(wù)。此外對于檢漏系統(tǒng)來說，檢測系統(tǒng)的靈敏度也是非常重要的，對于泄漏監(jiān)測系統(tǒng)需要有較高的泄漏監(jiān)測靈敏度以及較短的報警響應(yīng)時間。最后還需要確保檢漏系統(tǒng)能在一定的干擾和噪聲影響的情況下準(zhǔn)確完成檢漏的工作，并確保漏報和誤報在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

4.1 常規(guī)檢測泄漏

對于所有常規(guī)管道、法蘭、閥門等，通過觀察判斷管道各處是否有冒煙、滲出、結(jié)垢等現(xiàn)象，來粗略的判斷管道。對于特殊物料運輸?shù)墓艿溃缤咚埂⒙葰狻⒁簯B(tài)烴類等易燃易爆或有毒氣體時，則需要通過肥皂水或者精密的試紙試漏，觀察管道焊接閥門或儀器設(shè)備處是否有輕微的漏氣情況，并且及時處理。對于一些沒有危害的氣體就可以用輕薄的紙條進行試漏，觀察紙條是否有被吹動的現(xiàn)象。此類檢測方法僅適用儀器設(shè)備處微小的泄漏。

4.2 聲波檢測方法

對于一些大型化工企業(yè)，壓力管道系統(tǒng)比較復(fù)雜，常規(guī)的泄漏檢測將不能滿足于保障企業(yè)以及操作人員的安全，其將會應(yīng)用一些先進的技術(shù)，例如聲發(fā)射法是聲響傳感器安裝在緊靠管壁外側(cè)。如果壓力管道不慎發(fā)生泄漏，在泄漏點將會產(chǎn)生特殊的噪音，安裝在管道外壁的聲響靈敏傳感器會被接收和將聲響放大。計算機軟件會識別出此類信號，將接收到的噪聲處理成直觀的聲音全波形圖像，再通過對全波形圖像的細致分析，達到監(jiān)測管道泄漏情況和定位泄漏點的目的。該技術(shù)適用于管內(nèi)流量小、壓力高的管道。在檢測埋地管道，聲發(fā)射技術(shù)比其他檢測方法具有更高的靈敏度，泄漏源的定位也非常準(zhǔn)確。

4.3 光學(xué)檢測方法

二極管激光吸收的檢測原理基于光譜吸收原理。氣體分子選擇性地吸收光，氣體的濃度是通過分析激光的初始功率和回波功率來獲得的。將激光調(diào)諧到被測氣體的吸收波長，由氣體吸收部分激光能量，并利用接收到的激光回波信號，只是使用二極管激光進行照明。這種技術(shù)適用于近距離手持設(shè)備。當(dāng)激光束射向目標(biāo)氣體管道時，如果天然氣泄漏，光束將被部分吸收，泄漏氣團的激光在氣團后被反射回物體。為了確定反射物體和探測器的甲烷濃度，探測器接收并解調(diào)光譜信號。實驗表明，該系統(tǒng)與甲烷具有良好的線性關(guān)系，系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠。

4.4 氣敏檢測方法

電纜傳感器也已用于氣體泄漏檢測。電纜是使用與某些物質(zhì)接觸時會發(fā)生反應(yīng)的材料制成的。這種反應(yīng)會改變電纜的特性，例如電阻或電容，可以通過監(jiān)測來感知泄漏的出現(xiàn)。在一個系統(tǒng)中使用了對碳氫化合物敏感的傳感電纜，該系統(tǒng)可以以大約 20m 的精度檢測和定位泄漏。其原理主要是一個電路連接到電源，另一個電路連接到報警器。當(dāng)兩個電路接觸時，將發(fā)出警報信號。根據(jù)所使用的電纜，可以使用多種機制來產(chǎn)生短路。當(dāng)分離電線的材料降解時，可能會發(fā)生直接電線接觸，在存在泄漏氣體的情況下，允許它們接觸。當(dāng)使用一種涂層材料時，可以實現(xiàn)相同的效果，一旦與氣體接觸就會膨脹，迫使兩根線連接在一起。這種泄漏檢測技術(shù)提供了相當(dāng)快的響應(yīng)，并且比某些計算方法更靈敏。

5 提高管道安全性的措施

5.1 管道材料的選擇

在化工管道的設(shè)計中，管道的選取是非常重要的，對于不同的企業(yè)，所要設(shè)計的壓力管道也是不同的，要明確管道各種材料的性能參數(shù)以及適用性，并且要符合經(jīng)濟適用，這對于企業(yè)來說非常重要。要保障管道有一定的機械強度，一定要滿足當(dāng)前企業(yè)的運輸要求，在企業(yè)選用壓力管道材料時，先對本企業(yè)運輸?shù)奈锪线M行分析，查找國家相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，承受操作過程壓力以及最苛刻溫度壓力的材料。這樣做的目的主要是為了在管道投放使用中可以延長管道的使用壽命，在后續(xù)的管道設(shè)計中，也要注意不使用其他不合標(biāo)準(zhǔn)的材料，要結(jié)合實際的化工設(shè)計安全來進行 完善。

5.2 管道的防腐

可以通過為管道提供外部涂層、使用隔離層、陰極保護系統(tǒng)或這些方法的組合來防止腐蝕。內(nèi)襯包括瀝青、水泥砂漿、合成樹脂和鍍鋅，而涂料包括樹脂或 PE 套管。多層方法現(xiàn)在是鋼和 DI 的標(biāo)準(zhǔn)用途，包括聚合物薄膜（環(huán)氧樹脂）或水泥砂漿襯里、黏合的鋅和水性漆涂層或鋅和鋁的混合物，其作用類似于鍍鋅但使表面積極防止腐蝕蔓延。在對鋼鐵具有高度腐蝕性的環(huán)境中，可以包括額外的保護，例如陰極保護。然而，這些方法并不完美。因此，必須定期檢查涂層、隔離層和陰極保護系統(tǒng)的狀況是否存在任何問題。這種方法的主要缺點是增加了項目成本，并且由于需要采取某些保護措施，可能會減慢管道建設(shè)和安裝過程。

5.3 管道支撐架

通常在一些化工工廠中可能會將物料運輸管道懸掛在地上的支架上。但由于環(huán)境、天氣和人為等因素，如管體自身過重、強降雨、狂風(fēng)和坍塌等，管道因此處于完全懸掛的狀態(tài)。此狀態(tài)下的管體本身以及管道與設(shè)備的焊接處會產(chǎn)生過大的應(yīng)力（特別是在物料的傳輸過程中），降低管道及焊接處的機械強度，隨著時間的推移使管道發(fā)生形變。因此為防止管道懸空所產(chǎn)生的管體局部應(yīng)力的增加，可以在較長管道中段下方增設(shè)了支撐保護架，來承擔(dān)管體本身的部分重量，減少管體產(chǎn)生的應(yīng)力，進而延長運輸管道的使用壽命。

5.4 加強操作人員培養(yǎng)

人為錯誤是導(dǎo)致這些事故的主要原因，這可能是由于員工的安全文化不良和安全意識低下所致。在一些中小化工企業(yè)，由于安全投入不足，安全監(jiān)管缺失，問題可能會更加嚴(yán)重。要通過安全教育、安全培訓(xùn)、交流等方式，更加重視企業(yè)內(nèi)部安全文化的建設(shè)和提升，要對前段的操作人員進行系統(tǒng)以及專項的培訓(xùn)，當(dāng)員工取得相應(yīng)的資質(zhì)后再進行上崗操作，之后還需要定期讓員工進行安全操作規(guī)范的學(xué)習(xí)，進而保障實際操作零失誤。

6 結(jié)束語

壓力管道設(shè)計的好壞關(guān)系著整個化工企業(yè)之后物料運輸安全以及管道自身的使用壽命，同樣管道的設(shè)計安全問題也直接影響到操作人員的生命安全。因此，在安裝及設(shè)計壓力管道的過程中，要細致地對施工工作進行監(jiān)督檢驗，做好施工記錄，以明確相關(guān)人員的范圍和職責(zé)內(nèi)容，以防在后續(xù)工作中出現(xiàn)問題可以及時對前期工作進行調(diào)查并快速解決。進而進行具體分析結(jié)合具體情況，及時找到問題的根本，并提出有效的解決辦法。對壓力管道的設(shè)計進行合理的改善，保障其正常運行，為社會以及人們的生活提供更加便利以及安全的服務(wù)。