工业管道定期检验中典型问题浅析

王小朋,赵智强,刘时,吕少伟

(陕西省石化压力容器检验站,陕西 西安 710000)

工业管道是指企业为满足工艺生产制作的用于输送液体、气体或固体颗粒的管道系统,广泛应用于各工业领域。工业管道工艺流程种类之多、施工安装环境状态之复杂、输送介质品种之多、运行条件之苛刻在压力管道中绝无仅有,其设计和安装需要考虑许多因素,包括管道的材料、尺寸、厚度、连接方式和支撑结构等,若破裂或泄漏可能会导致严重的事故,造成人员伤亡和财产损失,因此对于工业管道的设计、安装和运行使用,需要严格遵守相关的法律法规和标准,还需要进行定期的检验、检测和维护、修理,以确保工业管道系统运行的安全与可靠。

1 定期检验

1.1 检验程序

工业管道定期检验程序在《管检规》中有明确的要求,具体步骤包括:检验方案的制定、检验前准备、检验实施、缺陷以及问题的处理、检验结果汇总、检验报告出具等。检验工作开始前,检验人员需要审查待检管道的相关资料,包括设计资料(设计单位资质证明、设计及安装说明书、设计图样、强度计算书等)、安装资料(安装单位资质证明、竣工验收资料以及安装监督检验证书等)、改造或者重大修理资料(施工方案、竣工资料以及安全技术规范要求的改造、重大维修监督检验证书)、使用管理资料(《使用登记证》《使用登记表》《压力管道基本信息汇总表-工业管道》以及运行记录、开停车记录、运行条件变化情况、运行中出现异常以及相应处理情况的记录等)、检验和检查资料(安全附件以及仪表的校验、检定资料、定期检验周期内的年度检查报告和上次定期检验报告);根据工业管道的资料审查结果、工艺使用情况、损伤模式、失效模式以及安全技术规范的要求,检验机构应当确定本次管道定期检验项目并制定检验方案,对于有特殊情况的工业管道,检验机构应当就其检验方案征求使用单位意见,并由检验人员严格按照批准方案开展检验工作[1]。

1.2 定期检验项目

《管检规》中规定工业管道的定期检验项目应当以宏观检验、壁厚测定和安全附件的检验为主,必要时应根据实际情况进行非破坏性检测,增加表面缺陷检测、埋藏缺陷检测、材质分析、耐压强度校核、应力分析、耐压试验和泄露试验等项目[1],主要检查工业管道材质和规格,外表面腐蚀、磨损、裂纹等缺陷,管道支撑结构是否完好,焊缝几何尺寸以及埋藏的焊接缺陷,安全附件及仪表是否进行有效检定或按期更换,耐压试验测试系统承压强度和密封性能,泄漏试验测试是否存在微量泄漏。

2 典型问题

2.1 绝热层和防腐层破损、剥落

根据GB 50316—2000(2008版)《工业金属管道设计规范》第12章要求,一般架空工业金属管道的外表面防锈应采用涂漆方式,涂层类别应耐大气腐蚀,涂漆前管道外表面应清理干净[2]。压力管道在使用过程中,由于工艺条件和安全使用的需要,必须进行保温或保冷,这种保温或保冷统称为绝热。绝热层主要减少管道内外部热量的传递,满足工艺温度要求,防止管道及其组成件表面结露或结霜。绝热层外防护层同时能有效防止雨水进入绝热层,防止产生大气腐蚀(有保温层),维持正常生产。

如图1所示,在某化工企业工艺管道定期检验过程中,发现该条工业管道绝热层和防腐层破损、剥落。初步分析认为该现象可能与管道防腐涂层类别使用不合理、涂漆工艺不规范、绝热层外防护层经外力破坏、施工不规范等因素有关,导致雨水或水汽进入绝热层,在金属表面结露,形成潮湿环境,破坏了表面防腐涂层,增加了金属本体腐蚀的可能性,属于保温层下腐蚀。腐蚀是金属材料表面由于受到周围介质的作用而发生状态变化,金属原子失去电子被氧化,发生相态变化,从而使金属材料遭受破坏的形式;腐蚀减薄可能出现在整体或局部,在管道系统中,厚度方向的减薄往往会导致系统承载能力的下降,甚至造成腐蚀穿孔、破裂等严重后果,腐蚀同时也可能产生危害性极大的裂纹,造成管道的裂穿泄漏、严重时会导致管道破裂或爆炸。因此使用单位应加强管道养护,对日常巡检或定期检验过程中发现存在绝热层和防腐层破损、剥落现象的工业管道,应及时将绝热层和防腐层破损、剥落部位外表面清理干净,严格按照防腐绝热操作工艺重新进行防腐绝热处理,恢复防腐绝热功能, 避免管道本体发生腐蚀问题,确保工业管道正常运行、安全生产。

图1 绝热层和防腐层破损、剥落

2.2 电弧灼伤

电弧灼伤通常是由于焊工在焊接接头以外部位采用引弧这种不适当的焊接技术,造成母材产生非常有害的一种不连续缺陷。焊件表面引弧会使金属产生局部热影响区,增大裂纹产生倾向,重则造成压力管道结构的失效。GB/T 20801.4—2020《压力管道规范 工业管道 第4部分:制作与安装》中第7.5节规定了焊接的基本要求,第7.5.7条规定不得在焊件表面引弧或试验电流,对于设计温度小于等于-20 ℃的管道、淬硬倾向较大的合金钢管道、不锈钢及有色金属管道,其表面均不得有电弧擦伤等缺陷[3]。

如图2所示,某条天然气管道在首次定期检验过程中,发现焊缝附近管道本体上存在一处电弧灼伤焊接缺陷,经测量灼伤深度约2.40 mm,该缺陷造成管道本体产生了不连续结构且减小了有效承载厚度。该缺陷容易引发裂纹、腐蚀等危险缺陷,使管道潜在失效危险,所以电弧灼伤危害性不可忽视。分析认为该缺陷是由于焊工施工安装过程中未严格按照标准要求施焊,焊接时在管道本体引弧所产生的缺陷。使用单位在工业管道施工安装阶段,应严格审查现场安装单位施工资质、人员资质以及质量体系运行的有效性,避免因不规范施工使管道产生问题、缺陷。对类似缺陷使用单位应打磨消除并圆滑过渡,打磨后应测量剩余壁厚,剩余壁厚满足管道安全使用的可以继续使用,剩余壁厚不满足管道安全使用的应当补焊或者应力分析,否则应更换管件。

2.3 支吊架偏移

支吊架是工业管道的重要组成部分,按其支承形式,下部支承管道质量的叫支架,上方吊挂承受管道质量的为吊架。支吊架是工业管道系统中用于支撑和固定管道的装置,其设置与管道中的应力分布、位移和振动等因素密切相关,主要功能是承担管道的重力载荷、应力波动、同时通过限制管道轴向及径向方向位移、控制减缓管道振动的方式,确保管道系统运行稳定性和安全性。

如图3所示,在某化工企业蒸汽管道宏观检验过程中,发现该条管道的支吊架发生轴向位移。初步分析主要原因是支吊架的位置和定位在设计或施工过程中出现偏差,蒸汽管道系统在运行过程中介质温度变化使管道发生热胀冷缩、产生振动,最终导致支吊架的位置发生轴向位移。支吊架轴向位移会导致管道系统应力集中,增加管道的应力和应变,降低管道的强度和寿命,还有可能影响邻近管道系统的稳定性,严重的可能会进一步导致管道焊接接头处破裂,造成介质泄漏和安全事故发生。因此企业应定期检查和维护管道系统的支吊架,确保其正确地安装和定位,对发生偏移的支吊架,应及时采取控制措施,确保管道系统安全运行。

图3 支吊架偏移

2.4 管件壁厚全面减薄

如图4所示,对某企业蒸汽管道进行首次定期检验,该管道设计规格为Φ108×6.0 mm,设计腐蚀裕量为1.6 mm,检验时通过壁厚测定确定弯头部位最小壁厚为3.4 mm,直管部位最小壁厚5.7 mm。经分析判断,该工业管道管件(弯头)壁厚存在全面减薄,需按照《管检规》2.4.2.6条进行耐压强度校核,同时按照3.2.3条,对管子、管件壁厚全面减薄进行安全状况等级评定。管件厚度方向的减薄会导致管道强度不足、承载能力下降,产生穿孔、裂纹等损伤形态,在特定工况下导致破裂或突然爆炸的严重后果,一般由于管道内介质长期对管壁冲刷、冲蚀等机械损伤或腐蚀减薄引起。安全状况等级评定通过,则使用单位应加强使用管理,定期进行壁厚测定,否则应对该管件进行更换维修。

图4 管件壁厚全面减薄

2.5 结构不合理

压力管道施工安装过程中,施工单位不负责任,未严格按照设计图纸施工且未履行设计变更手续,就会出现实际投用管道规格、结构与原设计不相符,造成管道结构不合理现象。GB/T 20801.3—2020《压力管道规范 工业管道 第3部分:设计与计算》中5.2节规定了管道组成件连接形式选用,第5.2.2.3条规定采用承插焊的焊接接头应符合(a)～(e)规定[4],其中(a)条款规定承插焊的焊接接头,一般用于公称直径不大于DN50的工业管道;(c)条款规定承插焊焊接不得用于可能产生缝隙腐蚀或严重冲蚀、要求焊接部位及管道内壁光滑过渡、剧烈循环工况、GC1级管道且公称直径大于DN50的场合[4]。

如图5所示,某条工业管道首次定期检验过程中,发现该条管道弯头规格比直管小且连接方式为承插连接,原设计为90°弯头对焊连接,出现弯头规格和连接方式与原设计不相符、管道弯头结构不合理现象。上述不合理结构会使弯头半径过小、结构不光滑、连接方式不合理、应力集中等,造成局部介质流度增大,雷诺系数增大,形成不规则的紊流,加大内壁冲刷;同时不合理的连接方式会造成结构不连续,导致应力集中,容易发生破裂或泄露。安装单位应严格按照设计要求,合理选择弯头的规格和连接方式,确保流体在弯头内部的流动平稳。

图5 弯头结构不合理

2.6 焊接缺陷

焊接质量对工业管道运行安全有最直接的影响。焊接缺陷是由于焊接电流、速度、预热时间和温度控制等多种因素产生,均是由于焊工未严格按照评定合格的焊接工艺操作导致发生的。常见的焊接缺陷有:裂纹、未熔合、未焊透、夹杂、夹钨、气孔等。焊接缺陷的存在往往会导致焊接部位结构上的不连续,减小其有效截面积,导致接头的承载能力降低、造成应力集中,产生裂纹或致使裂纹扩展。管道系统中危害最大的焊接缺陷为裂纹和未熔合。

某企业工业管道设计规格为Φ159×4.5 mm、材质20#、管道级别GC2级、焊缝检验要求进行10%的X射线检测且检测质量不低于NB/T 47013.2—2015《承压设备无损检测 第2部分:射线检测》中AB级射线检测技术的Ⅲ级质量要求。检验人员在首次定期检验时按照《管检规》2.4.2.4条要求,使用射线检测对该管道焊接接头进行埋藏缺陷检测[1],发现2#焊口存在整圈未焊透、裂纹缺陷,如图6所示,底片显示存在未焊透长度L=90 mm、自身高度H=1.3 mm,裂纹长度L=6 mm,依据NB/T 47013.2—2015该缺陷评定为Ⅳ级,不符合设计检测验收质量要求,并且该焊接缺陷超过GB/T 20801所允许范围,需按照《管检规》进行安全状况等级评定。

图6 未焊透、裂纹缺陷

按照《管检规》3.2.5条进行评级,该接头在裂纹缺陷,管道安全状况等级评定为4级。使用单位应按照TSG D0001—2009《压力管道安全技术监察规程—工业管道》第五章第三节要求及时处理。涉及重大维修的,应由有资格的安装单位进行施工,施工前应当制订重大维修方案并且经过使用单位技术负责人批准。施工结束后,安装单位应当向使用单位提供施工质量证明文件,监督检验机构在监督检验后,应当提供监督检验报告,工业管道的维修应当参照相关标准进行,维修后的管道安全性能必须满足安全使用要求[5]。

2.7 耐压试验不合格

管道耐压试验可分为:液压试验、气压试验和气液组合试验,其目的是检查管道系统的承压强度和密封性能。GB/T 20801中对耐压试验的方法和步骤有明确的要求。

依据《管检规》2.4.2.8条关于耐压试验的要求,在定期检验过程中,当检验人员对管道安全状况有怀疑时应当进行耐压试验;耐压试验的试验参数、准备工作、安全防护、试验介质、试验过程、试验结论等应当符合TSG D0001—2009和GB/T 20801的相关规定,耐压试验的参数应以本次定期检验确定的允许(监控)使用参数为基础计算[1]。

某企业工业管道停用超过1个检验周期,现进行重新投用前的定期检验,依据检验方案需进行耐压试验。如图7所示,液压试验保压期间,管道弯头部位出现泄漏,液压试验不合格,安全状况等级评定为4级。初步分析,出现泄漏原因为该条管道停用期间未进行吹扫置换或氮气保护,弯头部位残余介质与空气混合使管道本体发生腐蚀穿孔,造成泄漏。使用单位对于已经泄露的管道,应严格按照TSG D0001—2009第五章使用、改造、维修要求及时进行处理。对于存在同样情况的停用管道,使用单位应及时进行吹扫置换或氮气保护,避免腐蚀现象的发生。

图7 液压试验不合格

3 结论

国家市场监督管理总局关于全国特种设备安全状况的通告中显示,2021年我国在册压力管道75.75万km,2022年在册压力管道85.9万km,压力管道数量在逐年增长,且安全事故频发,严重危及人民群众的生命财产安全。工业管道应按期进行定期进行检验,排除安全隐患,根据定期检验中发现的问题和缺陷,综合评定其对管道运行造成的不利影响和危害程度,同时也让使用单位对管道使用的安全状况有全面了解,确保工业管道在定检周期内能够安全运行。由此可见定期检验能有效排查压力管道在设计、安装时的遗留问题以及使用过程中产生的问题和缺陷。