工業(yè)管道定期檢驗中典型問題淺析

王小朋,趙智強,劉時,呂少偉

(陜西省石化壓力容器檢驗站,陜西 西安 710000)

工業(yè)管道是指企業(yè)為滿足工藝生產制作的用于輸送液體、氣體或固體顆粒的管道系統(tǒng),廣泛應用于各工業(yè)領域。工業(yè)管道工藝流程種類之多、施工安裝環(huán)境狀態(tài)之復雜、輸送介質品種之多、運行條件之苛刻在壓力管道中絕無僅有,其設計和安裝需要考慮許多因素,包括管道的材料、尺寸、厚度、連接方式和支撐結構等,若破裂或泄漏可能會導致嚴重的事故,造成人員傷亡和財產損失,因此對于工業(yè)管道的設計、安裝和運行使用,需要嚴格遵守相關的法律法規(guī)和標準,還需要進行定期的檢驗、檢測和維護、修理,以確保工業(yè)管道系統(tǒng)運行的安全與可靠。

1 定期檢驗

1.1 檢驗程序

工業(yè)管道定期檢驗程序在《管檢規(guī)》中有明確的要求,具體步驟包括:檢驗方案的制定、檢驗前準備、檢驗實施、缺陷以及問題的處理、檢驗結果匯總、檢驗報告出具等。檢驗工作開始前,檢驗人員需要審查待檢管道的相關資料,包括設計資料(設計單位資質證明、設計及安裝說明書、設計圖樣、強度計算書等)、安裝資料(安裝單位資質證明、竣工驗收資料以及安裝監(jiān)督檢驗證書等)、改造或者重大修理資料(施工方案、竣工資料以及安全技術規(guī)范要求的改造、重大維修監(jiān)督檢驗證書)、使用管理資料(《使用登記證》《使用登記表》《壓力管道基本信息匯總表-工業(yè)管道》以及運行記錄、開停車記錄、運行條件變化情況、運行中出現異常以及相應處理情況的記錄等)、檢驗和檢查資料(安全附件以及儀表的校驗、檢定資料、定期檢驗周期內的年度檢查報告和上次定期檢驗報告);根據工業(yè)管道的資料審查結果、工藝使用情況、損傷模式、失效模式以及安全技術規(guī)范的要求,檢驗機構應當確定本次管道定期檢驗項目并制定檢驗方案,對于有特殊情況的工業(yè)管道,檢驗機構應當就其檢驗方案征求使用單位意見,并由檢驗人員嚴格按照批準方案開展檢驗工作[1]。

1.2 定期檢驗項目

《管檢規(guī)》中規(guī)定工業(yè)管道的定期檢驗項目應當以宏觀檢驗、壁厚測定和安全附件的檢驗為主,必要時應根據實際情況進行非破壞性檢測,增加表面缺陷檢測、埋藏缺陷檢測、材質分析、耐壓強度校核、應力分析、耐壓試驗和泄露試驗等項目[1],主要檢查工業(yè)管道材質和規(guī)格,外表面腐蝕、磨損、裂紋等缺陷,管道支撐結構是否完好,焊縫幾何尺寸以及埋藏的焊接缺陷,安全附件及儀表是否進行有效檢定或按期更換,耐壓試驗測試系統(tǒng)承壓強度和密封性能,泄漏試驗測試是否存在微量泄漏。

2 典型問題

2.1 絕熱層和防腐層破損、剝落

根據GB 50316—2000(2008版)《工業(yè)金屬管道設計規(guī)范》第12章要求,一般架空工業(yè)金屬管道的外表面防銹應采用涂漆方式,涂層類別應耐大氣腐蝕,涂漆前管道外表面應清理干凈[2]。壓力管道在使用過程中,由于工藝條件和安全使用的需要,必須進行保溫或保冷,這種保溫或保冷統(tǒng)稱為絕熱。絕熱層主要減少管道內外部熱量的傳遞,滿足工藝溫度要求,防止管道及其組成件表面結露或結霜。絕熱層外防護層同時能有效防止雨水進入絕熱層,防止產生大氣腐蝕(有保溫層),維持正常生產。

如圖1所示,在某化工企業(yè)工藝管道定期檢驗過程中,發(fā)現該條工業(yè)管道絕熱層和防腐層破損、剝落。初步分析認為該現象可能與管道防腐涂層類別使用不合理、涂漆工藝不規(guī)范、絕熱層外防護層經外力破壞、施工不規(guī)范等因素有關,導致雨水或水汽進入絕熱層,在金屬表面結露,形成潮濕環(huán)境,破壞了表面防腐涂層,增加了金屬本體腐蝕的可能性,屬于保溫層下腐蝕。腐蝕是金屬材料表面由于受到周圍介質的作用而發(fā)生狀態(tài)變化,金屬原子失去電子被氧化,發(fā)生相態(tài)變化,從而使金屬材料遭受破壞的形式;腐蝕減薄可能出現在整體或局部,在管道系統(tǒng)中,厚度方向的減薄往往會導致系統(tǒng)承載能力的下降,甚至造成腐蝕穿孔、破裂等嚴重后果,腐蝕同時也可能產生危害性極大的裂紋,造成管道的裂穿泄漏、嚴重時會導致管道破裂或爆炸。因此使用單位應加強管道養(yǎng)護,對日常巡檢或定期檢驗過程中發(fā)現存在絕熱層和防腐層破損、剝落現象的工業(yè)管道,應及時將絕熱層和防腐層破損、剝落部位外表面清理干凈,嚴格按照防腐絕熱操作工藝重新進行防腐絕熱處理,恢復防腐絕熱功能, 避免管道本體發(fā)生腐蝕問題,確保工業(yè)管道正常運行、安全生產。

圖1 絕熱層和防腐層破損、剝落

2.2 電弧灼傷

電弧灼傷通常是由于焊工在焊接接頭以外部位采用引弧這種不適當的焊接技術,造成母材產生非常有害的一種不連續(xù)缺陷。焊件表面引弧會使金屬產生局部熱影響區(qū),增大裂紋產生傾向,重則造成壓力管道結構的失效。GB/T 20801.4—2020《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第4部分:制作與安裝》中第7.5節(jié)規(guī)定了焊接的基本要求,第7.5.7條規(guī)定不得在焊件表面引弧或試驗電流,對于設計溫度小于等于-20 ℃的管道、淬硬傾向較大的合金鋼管道、不銹鋼及有色金屬管道,其表面均不得有電弧擦傷等缺陷[3]。

如圖2所示,某條天然氣管道在首次定期檢驗過程中,發(fā)現焊縫附近管道本體上存在一處電弧灼傷焊接缺陷,經測量灼傷深度約2.40 mm,該缺陷造成管道本體產生了不連續(xù)結構且減小了有效承載厚度。該缺陷容易引發(fā)裂紋、腐蝕等危險缺陷,使管道潛在失效危險,所以電弧灼傷危害性不可忽視。分析認為該缺陷是由于焊工施工安裝過程中未嚴格按照標準要求施焊,焊接時在管道本體引弧所產生的缺陷。使用單位在工業(yè)管道施工安裝階段,應嚴格審查現場安裝單位施工資質、人員資質以及質量體系運行的有效性,避免因不規(guī)范施工使管道產生問題、缺陷。對類似缺陷使用單位應打磨消除并圓滑過渡,打磨后應測量剩余壁厚,剩余壁厚滿足管道安全使用的可以繼續(xù)使用,剩余壁厚不滿足管道安全使用的應當補焊或者應力分析,否則應更換管件。

2.3 支吊架偏移

支吊架是工業(yè)管道的重要組成部分,按其支承形式,下部支承管道質量的叫支架,上方吊掛承受管道質量的為吊架。支吊架是工業(yè)管道系統(tǒng)中用于支撐和固定管道的裝置,其設置與管道中的應力分布、位移和振動等因素密切相關,主要功能是承擔管道的重力載荷、應力波動、同時通過限制管道軸向及徑向方向位移、控制減緩管道振動的方式,確保管道系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和安全性。

如圖3所示,在某化工企業(yè)蒸汽管道宏觀檢驗過程中,發(fā)現該條管道的支吊架發(fā)生軸向位移。初步分析主要原因是支吊架的位置和定位在設計或施工過程中出現偏差,蒸汽管道系統(tǒng)在運行過程中介質溫度變化使管道發(fā)生熱脹冷縮、產生振動,最終導致支吊架的位置發(fā)生軸向位移。支吊架軸向位移會導致管道系統(tǒng)應力集中,增加管道的應力和應變,降低管道的強度和壽命,還有可能影響鄰近管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性,嚴重的可能會進一步導致管道焊接接頭處破裂,造成介質泄漏和安全事故發(fā)生。因此企業(yè)應定期檢查和維護管道系統(tǒng)的支吊架,確保其正確地安裝和定位,對發(fā)生偏移的支吊架,應及時采取控制措施,確保管道系統(tǒng)安全運行。

圖3 支吊架偏移

2.4 管件壁厚全面減薄

如圖4所示,對某企業(yè)蒸汽管道進行首次定期檢驗,該管道設計規(guī)格為Φ108×6.0 mm,設計腐蝕裕量為1.6 mm,檢驗時通過壁厚測定確定彎頭部位最小壁厚為3.4 mm,直管部位最小壁厚5.7 mm。經分析判斷,該工業(yè)管道管件(彎頭)壁厚存在全面減薄,需按照《管檢規(guī)》2.4.2.6條進行耐壓強度校核,同時按照3.2.3條,對管子、管件壁厚全面減薄進行安全狀況等級評定。管件厚度方向的減薄會導致管道強度不足、承載能力下降,產生穿孔、裂紋等損傷形態(tài),在特定工況下導致破裂或突然爆炸的嚴重后果,一般由于管道內介質長期對管壁沖刷、沖蝕等機械損傷或腐蝕減薄引起。安全狀況等級評定通過,則使用單位應加強使用管理,定期進行壁厚測定,否則應對該管件進行更換維修。

圖4 管件壁厚全面減薄

2.5 結構不合理

壓力管道施工安裝過程中,施工單位不負責任,未嚴格按照設計圖紙施工且未履行設計變更手續(xù),就會出現實際投用管道規(guī)格、結構與原設計不相符,造成管道結構不合理現象。GB/T 20801.3—2020《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第3部分:設計與計算》中5.2節(jié)規(guī)定了管道組成件連接形式選用,第5.2.2.3條規(guī)定采用承插焊的焊接接頭應符合(a)～(e)規(guī)定[4],其中(a)條款規(guī)定承插焊的焊接接頭,一般用于公稱直徑不大于DN50的工業(yè)管道;(c)條款規(guī)定承插焊焊接不得用于可能產生縫隙腐蝕或嚴重沖蝕、要求焊接部位及管道內壁光滑過渡、劇烈循環(huán)工況、GC1級管道且公稱直徑大于DN50的場合[4]。

如圖5所示,某條工業(yè)管道首次定期檢驗過程中,發(fā)現該條管道彎頭規(guī)格比直管小且連接方式為承插連接,原設計為90°彎頭對焊連接,出現彎頭規(guī)格和連接方式與原設計不相符、管道彎頭結構不合理現象。上述不合理結構會使彎頭半徑過小、結構不光滑、連接方式不合理、應力集中等,造成局部介質流度增大,雷諾系數增大,形成不規(guī)則的紊流,加大內壁沖刷;同時不合理的連接方式會造成結構不連續(xù),導致應力集中,容易發(fā)生破裂或泄露。安裝單位應嚴格按照設計要求,合理選擇彎頭的規(guī)格和連接方式,確保流體在彎頭內部的流動平穩(wěn)。

圖5 彎頭結構不合理

2.6 焊接缺陷

焊接質量對工業(yè)管道運行安全有最直接的影響。焊接缺陷是由于焊接電流、速度、預熱時間和溫度控制等多種因素產生,均是由于焊工未嚴格按照評定合格的焊接工藝操作導致發(fā)生的。常見的焊接缺陷有:裂紋、未熔合、未焊透、夾雜、夾鎢、氣孔等。焊接缺陷的存在往往會導致焊接部位結構上的不連續(xù),減小其有效截面積,導致接頭的承載能力降低、造成應力集中,產生裂紋或致使裂紋擴展。管道系統(tǒng)中危害最大的焊接缺陷為裂紋和未熔合。

某企業(yè)工業(yè)管道設計規(guī)格為Φ159×4.5 mm、材質20#、管道級別GC2級、焊縫檢驗要求進行10%的X射線檢測且檢測質量不低于NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2部分:射線檢測》中AB級射線檢測技術的Ⅲ級質量要求。檢驗人員在首次定期檢驗時按照《管檢規(guī)》2.4.2.4條要求,使用射線檢測對該管道焊接接頭進行埋藏缺陷檢測[1],發(fā)現2#焊口存在整圈未焊透、裂紋缺陷,如圖6所示,底片顯示存在未焊透長度L=90 mm、自身高度H=1.3 mm,裂紋長度L=6 mm,依據NB/T 47013.2—2015該缺陷評定為Ⅳ級,不符合設計檢測驗收質量要求,并且該焊接缺陷超過GB/T 20801所允許范圍,需按照《管檢規(guī)》進行安全狀況等級評定。

圖6 未焊透、裂紋缺陷

按照《管檢規(guī)》3.2.5條進行評級,該接頭在裂紋缺陷,管道安全狀況等級評定為4級。使用單位應按照TSG D0001—2009《壓力管道安全技術監(jiān)察規(guī)程—工業(yè)管道》第五章第三節(jié)要求及時處理。涉及重大維修的,應由有資格的安裝單位進行施工,施工前應當制訂重大維修方案并且經過使用單位技術負責人批準。施工結束后,安裝單位應當向使用單位提供施工質量證明文件,監(jiān)督檢驗機構在監(jiān)督檢驗后,應當提供監(jiān)督檢驗報告,工業(yè)管道的維修應當參照相關標準進行,維修后的管道安全性能必須滿足安全使用要求[5]。

2.7 耐壓試驗不合格

管道耐壓試驗可分為:液壓試驗、氣壓試驗和氣液組合試驗,其目的是檢查管道系統(tǒng)的承壓強度和密封性能。GB/T 20801中對耐壓試驗的方法和步驟有明確的要求。

依據《管檢規(guī)》2.4.2.8條關于耐壓試驗的要求,在定期檢驗過程中,當檢驗人員對管道安全狀況有懷疑時應當進行耐壓試驗;耐壓試驗的試驗參數、準備工作、安全防護、試驗介質、試驗過程、試驗結論等應當符合TSG D0001—2009和GB/T 20801的相關規(guī)定,耐壓試驗的參數應以本次定期檢驗確定的允許(監(jiān)控)使用參數為基礎計算[1]。

某企業(yè)工業(yè)管道停用超過1個檢驗周期,現進行重新投用前的定期檢驗,依據檢驗方案需進行耐壓試驗。如圖7所示,液壓試驗保壓期間,管道彎頭部位出現泄漏,液壓試驗不合格,安全狀況等級評定為4級。初步分析,出現泄漏原因為該條管道停用期間未進行吹掃置換或氮氣保護,彎頭部位殘余介質與空氣混合使管道本體發(fā)生腐蝕穿孔,造成泄漏。使用單位對于已經泄露的管道,應嚴格按照TSG D0001—2009第五章使用、改造、維修要求及時進行處理。對于存在同樣情況的停用管道,使用單位應及時進行吹掃置換或氮氣保護,避免腐蝕現象的發(fā)生。

圖7 液壓試驗不合格

3 結論

國家市場監(jiān)督管理總局關于全國特種設備安全狀況的通告中顯示,2021年我國在冊壓力管道75.75萬km,2022年在冊壓力管道85.9萬km,壓力管道數量在逐年增長,且安全事故頻發(fā),嚴重危及人民群眾的生命財產安全。工業(yè)管道應按期進行定期進行檢驗,排除安全隱患,根據定期檢驗中發(fā)現的問題和缺陷,綜合評定其對管道運行造成的不利影響和危害程度,同時也讓使用單位對管道使用的安全狀況有全面了解,確保工業(yè)管道在定檢周期內能夠安全運行。由此可見定期檢驗能有效排查壓力管道在設計、安裝時的遺留問題以及使用過程中產生的問題和缺陷。