设计阶段是压力管道安全的重要保障

闫明杰 王久成

【摘要】设计是压力管道安装的第一阶段，设计阶段对于压力管道在整个寿命期间的安全保障起着重要的作用。在管道运行过程中，许多事故与设计失误有关，这些失误往往是由于安装时没有设计或者某一局部环节设计的差错而引起的，导致了管道的失效。本文阐述了压力管道设计阶段各个方面应该包含的内容并举例说明设计人员在设计阶段容易发生的一些错误，其中失效模式是按照最新的设计理念提出。

【关键词】压力管道;设计;安全

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

在工业部门的生产中以及在人民生活中均积极使用压力管道，其中，工业部门的生产主要涉及冶金、轻工、石油、化工、机械、航天、国防、航空等。压力管道作为一种承压设备被使用，其具有显著的特点，即爆炸而危险，当出现爆炸或泄漏事故的时候，往往会连带出现灾难性事故，诸如，火灾、二次爆炸，中毒等，使其环境受到污染，严重威胁整个社会经济的发展，与此同时，我国各项生产与人们的命财也遭受损失。基于此，国家颁布了《中华人民共和国特种设备安全法》，我国依据法律手段来管理特种设备的多个环节，包括：设备的生产、设备的经营、设备的使用、设备的检验、设备的检测以及监督管理特种设备的安全等[1]。在安装压力管道的时候，需要从其设计开始，这个环节尤为重要。因其关系着压力管道的安全[2]。

1、压力管道的设计条件

就压力管道而言，其设计条件尤为关键，只有设计条件准确才能确保压力管道的使用寿命。压力管道当处于生产装置的过程中的时候、或是当其处于应用过程中的时候，其均处在一定的环境当中使用。所以，为了确保压力管道正常运行需要设计人员做到如下几个方面，其一，针对所设计的压力管道需要把握其使用情况，使其顺利进行生产或应用，也就是其操作条件，除此之外，人们还要清楚地把握其操作条件的波动性，还要把握其所操作介质固有的性质，还要及时分析多种潜在的因素，笔者曾经就碰到过有设计人员此种情况，即把操作工况的最大压力组合与再生工况温度当中。管道设计应结合工艺条件来进行，这里包括：压力、温度、流体的特性等。

2、介质性质与材料选择

对于压力管道，在使用之前需要清晰地把握以下两个方面，其一，清晰把握所操作介质的多种性质，其二，清晰压力管道的材料选择。对于设计人员来讲，需要做到如下几个方面：其一，要把握好压力管道的几个环节，诸如，所操作介质的物理性质与化学性质，还要清晰把握不同材料的腐蚀性能，另外，要对介质进行鉴别，看其是不是液化气体、是不是有毒性介质、是不是具有可燃性能的介质，最终选取适宜的压力管道材料，在这之后需要深入分析介质，看其是不是会腐蚀已选定材料，尤其看其对压力管道是否造成影响。例如，湿硫化氢腐蚀环境，因其材料是碳素钢的，除此之外，奥氏体不锈钢的晶间具有腐蚀性也能够污染环境等，所以，國家提出更高的要求在设计当中，这里包括：对材料的要求、制造的要求、检验的要求、试验的要求、使用的要求及维护的要求等。

3、识别所设计的压力管道的失效模式

对于压力管道的失效来讲，其涉及如下两种情况：其一，当压力管道应有的使用功能失去的时候;其二，当压力管道受到损伤的时候。所以，设计人员应该能够识别出压力管道的失效模式。反之，压力管道就会有危险情况存在，严重的时候有可能造成压力管道被破坏[3]。现如今，压力管道的失效模式包括如下几种情况：其一，强度失效，这里涉及如下几个部分，诸如，韧性发生断裂、脆性发生断裂、因疲劳而失去效能及因蠕变失去效能）、刚度失去效能、失稳失去效能、腐蚀失去效能、设计寿命到期失去效能等。例如，氯气处于干燥的环境中，其不会腐蚀碳钢管道，反之，其会腐蚀碳钢管道;法兰刚度失效比较典型的案例，即法兰密封泄漏事件;在特定介质中，奥氏体不锈钢会有晶间腐蚀产生，最终腐蚀失去效能;对于压力管道，其经常处在高温高压的环境中，为了缓和了管道疲劳应力水平，需要选择适宜的保温材料与保温方式;极个别失效往往发生在开停工时，诸如，加氢装置与高温硫化氢加氢装置，其压力管道的操作条件为高温氢，且压力管道材质为珞钼钢，在操作状态下，管道内壁会存在一定数量的氢，在工作结束之后，当冷却速度太快的时候，导致氢扩散不出来，使管壁内部存在一定数量的过饱和氢，使其亚临界裂纹的情况发生，进而发生脆性断裂失效的情况，严重影响管道的安全，所以，降温速度要适宜才行。基于此，存在于管内壁的氢尽最大程度被吸出来，此外，紧急停车的时候也要避免经常发生，以上均为设计人员应该提高警惕。

4、压力管道设计技术条件

管道设计文件中应对管道的级别划分给予明确，管道安装及验收标准给予明确，为了满足建设单位提出高于国家现有规范要求的管道，采用无损检测的方法及检测比例应给予明确。压力管道设计文件应符合TSGR1001-2019《压力容器压力管道设计许可规则》的要求[4]。

5、压力管道设计文件要点

（1）设计者已经给用户提出了设计条件，而用户对这些条件没有认真进行研究，没有目的性地满足用户，使压力管道在使用中失去效用。例如某供热公司地处江边附近，用户为了安装便捷提出采用材质为304的波纹补偿器，设计者没有考虑到管线铺设地理位置，致使补偿器长期在水中浸泡，水中含有融雪剂等带来的大量氯离子，造成冬季运行中多个补偿器开裂。

（2）设计文件中不明确管道分类，例如长输燃气管道GA类按照公用管道GB1类设计，厂区内燃气管道GC类按公用燃气管道GB1设计。

（3）据不完全统计我市在用工业管道2000年以前安装的68%没有设计图纸，其中在用冷库尤为问题突出2000年之前安装的80%没有设计图纸，2000年至今仍有50%没有设计图纸。

（4）设计文件中材料选择不科学，例如GC1类管道材质选用20#钢管。

（5）材料标准设计文件不明确。例如设计文件只提出管材选用20#钢，哪个标准中的20#钢不明确，致使个别企业为了降低成本选用GB8162标准中20#钢代替GB8163等标准中20#钢。

结论：

由于管道的特殊性，人很难接触到管道内表面，致使管道定期检验很难进行内部检测，对于埋地管道进行定期检验更是难上加难，这就促使管道安装时保证管道优生格外重要，为在管道安装过程中落实国家所规定的法规与方针，使其技术要求达到统一，使其技术领先，经济更加合理，具有安全性，提高质量，必须加强设计是压力管道安全的重要保障这一理念。保护环境、节约土地，使用领先的技术，设计方案不断优化，确定经济工艺合理及工艺参数最佳。确保管道安装过程中的监督检验及运行过程中的定期检验有依据，为管道安全运行起到保驾护航的作用。

参考文献：

[1]中华人民共和国特种设备安全法（中华人民共和国主席令第四号）[S].

[2]TSG R1001-2019压力容器压力管道设计许可规则[S].

[3]TSGD7005-2018压力管道定期检验规则-工业管道[S].

[4]TSGD7006-2020压力管道监督检验规则[S].