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壓力管道基礎知識

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壓力管道基礎知識

發布日期:2020-03-18 作者:沈陽青峰環境工程有限公司 點擊:

壓力管道基礎知識

壓力管道基礎知識 主要內容:

一、管道的概念

二、壓力管道的概念:

三、壓力管道的安全監察范圍

四、壓力管道的特點

五、壓力管道的結構要求

六、壓力管道的分類和分級

七、壓力管道失效的原因

八、壓力管道破壞特征

九、壓力管道事故防范和報告

十、管道系統的安全規定

一、管道的概念

根據國家標準《工業金屬管道設計規范》GB50316-2000的規定,管道是由管道組成件、管道支吊架等組成,用以輸送、分配、混合、分離、排放、計量或控制流體流動。

國家標準《工業金屬管道工程施工及驗收規范》GB50235-97的定義是:由管道組成件和管道支承件組成,用以輸送、分配、混合、分離、排放、計量、控制和制止流體流動的管子、管件、法蘭、螺栓連接、墊片、閥門和其他組成件或受壓部件的裝配總成。

按流體與設計條件劃分的多根管道連接成的一組管道稱之為“管道系統”或“管系”。

上述定義包含兩個含義:

(A)管道的作用:是用以輸送、分配、混合、分離、排放、計量、控制和制止流體流動。

1)流體:在有些標準中稱為介質。流體可按狀態或性質進行分類。

a)按狀態分:

氣體;

液體;

液化氣體:是指在一定壓力下呈液態存在的氣體;

漿體:是指可燃、易爆、有毒和有腐蝕性的漿體介質。

b)按性質分:

火災危險性;是指可燃介質引起燃燒的危險性,分為可燃氣體、液化氣體和可燃液體。有甲、乙、丙三類。 爆炸性;與空氣混合后可能發生爆炸的可燃介質或在高溫、高壓下可能引起爆炸的非可燃介質。 毒性;按GB5044分級。有劇毒(極度危害)和有毒(高度危害、中毒危害和輕度危害)兩大類四個級別。 腐蝕性。是指能灼傷人體組織并對管道材料造成損壞的物質。

2)輸送流體:依靠外界的動力(利用流體輸送機械如壓縮機、泵等給予的動能)或流體本身的驅動力(如介質本身的壓力)將管道源頭的流體輸送到管道的終點。

3)分配流體:通過管系中的支管將流體分配到設計規定的多個預定的設備或用戶。

4)混合流體:將管系中來自不同支管中的流體在管道中進行混合,如稀釋等。

5)分離流體:將管道內部不同狀態的流體通過支管進行分離,如汽液分離、油水分離等。

6)排放流體:將管道內部流體通過支管進行排放,如超壓放空、排放被分離的流體等。

7)計量流體:通過設置于管道系統中的計量儀表對輸送、分配的流體進行計量,如測量流量、壓力、溫度和粘度等。 8)控制流體:通過設置于管道系統中的控制元件對管內流體的流動進行控制,如調壓、減溫、流體分配和切斷等。 (B)管道的構成:由管道組成件、管道支吊架(管道支承件)等組成,是管子、管件、法蘭、螺栓連接、墊片、閥門、其他組成件或受壓部件和支承件的裝配總成。

1)管道組成件:指用于連接或裝配成管道的元件,包括管子、管件、法蘭、墊片、緊固件、閥門以及管道特殊件。所

謂管道特殊件,是指非普通標準組成件。是按工程設計條件特殊制造的管道組成件,包括膨脹節、特殊閥門、爆破片、阻火器、過濾器、撓性接頭及軟管等。

2)管道支吊架:用于支承管道或約束管道位移的各種結構的總稱,但不包括土建的結構。有固定支架、滑動支架、剛性吊架、導向架、限位架和彈簧支吊架等。在國家標準GB50235-97《工業金屬管道工程施工及驗收規范》中也稱為管道支承件,包括管道安裝件和附著件。

a)管道安裝件:指將負荷從管子或管道附著件上傳遞到支承結構或設備上的元件,包括吊桿、彈簧支吊架、斜拉桿、平衡錘、松緊螺栓、支撐桿、鏈條、導軌、錨固件、鞍座、墊板、滾柱、托座和滑動支架等。 b)附著件:用焊接、螺栓連接或夾緊方法附裝在管子上的零件,包括管吊、吊(支)耳、圓環、夾子、吊夾、緊固夾板和裙式管座等。

管道組成件和支承件在我國現行壓力管道法規中也統稱為壓力管道元件。

二、壓力管道的概念

壓力管道是管道中的一部分。從廣義上理解,所謂壓力管道,應當是指所有承受內壓或外壓的管道,無論其管內介質如何。但從我國頒發《壓力管道安全管理與監察規定》以后,“壓力管道”便成為受監察管道的專用名詞。在《壓力管道安全管理與監察規定》第二條中將壓力管道定義為:“在生產、生活中使用的可能引起燃爆或中毒等危險性較大的特種設備”,國務院2003年6月1日頒發實施的《特種設備安全監察條例》中,將壓力管道進一步明確為“利用一定的壓力,用于輸送氣體或者液體的管狀設備,其范圍規定為最高工作壓力大于或者等于0.1MPa(表壓)的氣體、液化氣體、蒸汽介質或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性,最高工作溫度高于或者等于標準渄點的液體介質,且公稱直徑大于25mm的管道”。這就是說,現在所說的“壓力管道”,不但是指其管內或管外承受壓力,而且其內部輸送的介質是“氣體、液化氣體和蒸汽”或“可能引起燃爆、中毒或腐蝕的液體”物質。這里所謂能燃爆、能中毒或有腐蝕性,具有如下內涵:

介質的燃爆性:即介質具有可燃性和爆炸性,在一定條件下能引起燃燒或爆炸,釀成火災和破壞。這些介質包括可燃氣體、液化烴和可燃液體等有火災危險性的物質,也包括容易引起爆炸的高溫高壓介質如蒸汽、超過標準沸點的高溫熱水、壓縮空氣和其他壓縮氣體等。其中,可燃介質的火災危險性根據《石油化工企業設計防火規范》GB50160和《建筑設計防火規范》GBJ16,共分為甲、乙、丙三類。

其中甲、乙類可燃氣體與空氣混合物的爆炸下限(體積)分別規定為:

甲類可燃氣體:,10%;

乙類可燃氣體:?10%。

甲、乙和丙類可燃液體的分類見表1。

表1 液化烴、可燃液體的火災危險性分類 類 別 類 別 名 稱 特 征

甲類 A 液化烴 15 度時蒸汽壓力,0.1MPa的烴類液體及其他類似液體 甲類 B 可燃液體 甲A以外的可燃液體,閃點,28度

乙類 A 可燃液體 閃點?28 度至?45 度

乙類 B 可燃液體 閃點,45 度至,60 度

丙類 A 可燃液體 閃點?60 0C至?120 0C

丙類 B 可燃液體 閃點,1200C

注:閃點低于45 0C的液體稱為易燃液體;閃點低于環境溫度的液體稱為易爆液體。

在GBJ16的規定中,屬于甲類火災危險性的可燃介質(或生產過程)還有:常溫下能自行分解或在空氣中氧化即能導致自燃或爆炸的物質;常溫下受到水或蒸汽作用能產生氣體并引起燃燒或爆炸的物質;遇酸、受熱、撞擊、摩擦、催化及遇有機物或硫磺等易燃的無機物,極易引起燃燒或爆炸的強氧化劑;受撞擊、摩擦或與氧化劑、有機物接觸時能引起燃燒或爆炸的物質;以及在密閉設備內操作溫度等于或超過物質本身自燃點的生產。屬于乙類火災危險性的介質主要是指不屬于甲類火災危險性的氧化劑和化學易燃固體,以及助燃氣體。

(B)介質的毒性:即介質具有使人中毒的特性。 當這些介質被人吸入或與人體接觸后,能對人體造成傷害,甚至死亡。根據《職業性接觸毒物危害程度分級》GB5044的規定,毒物按急性毒性、急性中毒發病狀況、慢性中毒患病狀況、慢性中毒后果、致癌性和最高允許濃度等六項指標,共分為極度危害、高度危害、中度危害和輕度危害四個等級。 極度危害介質有時也稱之為“劇毒介質”,高度、中度和輕度危害介質則統稱為“有毒介質“。劇毒介質(流體)在

我國國家標準《工業金屬管道工程施工及驗收規范》GB50235-97中的解釋是:如有極少量這類物質泄漏到環境中,被人吸入或與人體接觸,即使迅速治療, 也能對人體造成嚴重的和難以治療的傷害的物質。相當于現行國家標準《職業性接觸毒物危害程度分級》GB5044中 I 級危害程度(極度危害)的毒物。據此可以將劇毒介質理解為就是極度危害介質。而有毒介質在標準中的解釋是:這類物質泄漏到環境中,被人吸入或與人體接觸,如治療及時不致于對人體造成不易恢復的危害。

不過,毒性程度相同的毒物,在具體如何對待的問題上各行業也存在差異。如苯在《職業性接觸毒物危害程度分級》GB5044中被列入極度危害介質,在《壓力管道安全管理與監察規定》的解析中也作為極度危害介質的例子。而在《石油化工有毒、可燃介質管道工程施工及驗收規范》SH3501-2002的管道分級中,苯則被與高度危害介質同等對待。列入SHB級之中。相反,丙烯腈、光氣、二硫化碳和氟化氫等四種高度危害介質則在SH3501-2002中被與極度危害介質同樣看待,列入SHA級管道之中。這不但對施工質量標準和在用管道的檢驗要求有影響,同時對具體工程施工時劃分許可證級別也是有影響的。如承擔有苯介質的管道安裝工作時,若苯被視為極度危害介質,施工單位應持 GC 1級安裝許可證,而若作為高度危害介質時,則持證級別與管道的設計壓力和設計溫度有關。

對于這個問題的理解可以從毒物危害性分級的原則進行解釋:國家標準《職業性接觸毒物危害程度分級》GB5044-85對具體毒物的分級是以列舉常見的56種毒物在某些行業中的危害程度分級進行表達的。但該標準同時指出:對接觸同一毒物的其他行業(該標準表2中未列出的)的危害程度,可根據車間空氣中的毒物濃度、中毒患病率、接觸時間的長短,劃定級別。凡車間空氣中毒物濃度經常達到TJ36—79《工業企業設計衛生標準》中所規定的最高容許濃度值,而其患病率或癥狀發生率低于本分級標準中相應的值,可降低一級。所以,對每種具體物質,國家標準和專業標準在劃分危害等級時存在差異是正常的。因為除了致癌性和空氣中最高容許濃度外,其他四項指標都與生產過程和操作特點有關。石油、化工和石油化工等以管道輸送介質為主的生產過程,有毒物質處于連續、密閉狀況下流動,其危害程度取決于因事故致使毒物與人體接觸,或因經常性泄漏引起職業性慢性危害的機率,通常要低于開放性生產過程。因此,在壓力管道設計時具體確定毒物危害等級應主要以車間空氣中毒物濃度、中毒患病率、接觸時間長短來劃定。

上面提到的毒物危害性分級指標中,關于車間空氣中毒物的最高允許濃度規定如下:

極度危害:最高允許濃度小于0 .1 mg/m3;

高度危害:最高允許濃度為0 .1 mg/m3 ~1 .0 mg/m3。

根據《工業企業設計衛生標準》(TJ36—79)的規定,苯、丙烯腈、光氣、二硫化碳和氟化氫等五種毒物在車間空氣中和居住區大氣中的最高允許濃度見表2:

表2 幾種毒物的最高允許濃度 毒物名稱 苯 丙烯腈 光氣 二硫化碳 氟化氫 車間空氣允許濃度 40.0 2.0 0.5 10.0 1.0 (mg/m3)

居住區大氣允許濃度 0.04 0.007 0.8 0.05 —— (日平均mg/m3) (一次) (一次0.02) 由表2可見,苯在車間空氣中的最高允許濃度遠遠高于極度危害介質。同時,根據工業生產中管道輸送的連續性、密閉性特點,以及苯與操作人員的接觸時間長短和中毒患病率的情況分析,苯也不應屬于極度危害介質的范圍。所以,實際工作中確定介質的毒害程度應以設計文件確定的毒物性質或設計文件中指明的施工驗收規范為準。 另外,關于接觸時間長短我國尚未制定有關標準,美國政府工業衛生專家會議(ACGIH)推薦的三種接觸閾限值可作為參考:

1)以正常8小時工作日或40小時工作周的時間加權平均限值為指標,在此濃度下,反復接觸對全部人員都不致產生不良影響;

2)以短時間接觸(每次不超過15分鐘,每天不超過4次,每次間隔不少于1小時)的時間加權平均限值為指標,在此濃度下,人短時間連續接觸不致引起刺激作用、慢性或不可逆組織病理變化、麻醉而增加意外傷害、自救能力減退或工作效率明顯降低等;

3)上限值是指即使在瞬間也不得超過的最高濃度。

(C)介質的腐蝕性:是指能灼傷人體組織并對管道材料造成損壞的物質,如酸、堿以及其它能引起材料損害的流體如氫、硫化氫等。

三、壓力管道的安全監察范圍

根據《壓力管道安全管理與監察規定》,屬于安全監察范圍的壓力管道是具備下列條件之一的壓力管道及其附屬設施、安全保護裝置等。

1)毒性程度為極度危害的介質,不論壓力,溫度及狀態;

2)火災危險性為甲、乙類的介質,不論壓力、溫度及狀態;

3)最高工作壓力大于、等于0. 1 MPa的氣(汽)體、液化氣體介質,未規定性質及溫度,但《壓力管道安全管理與監察規定》中規定不屬于監察范圍的除外。

4)最高工作壓力大于、等于0.1 MPa的易燃 、易爆 、有毒,有腐蝕性介質或最高工作溫度高于、等于標準沸點的液體介質。

《壓力管道安全管理與監察規定》中規定以下四類管道不屬于監察范圍:

a)設備本體所屬管道。

b)軍事裝備,交通工具和核裝置中的管道。

c)無毒、不可燃、無腐蝕性的氣體,公稱直徑小于150mm 且最高工作壓力小于1.6 MPa的管道。 這里,所謂壓力管道所屬設施及安全保護裝置的定義是:

a)附屬設施主要指用于壓力管道的管道用設備、支吊架、陰極保護裝置等。

b)安全保護裝置主要指超溫、超壓控制裝置和報警裝置等。

注:最近頒發的《壓力管道使用登記管理規則》(試行)中對壓力管道、附屬設施和安全保護裝置的界定,明確為:

a)壓力管道指由管道組成件、管道支承件、安全保護裝置和附屬設施等組成的系統。用于輸送氣體或者液體的管狀設備;

b)附屬設施指陰極保護裝置、壓氣站、泵站、閥站、調壓站、監控系統等;

c)安全保護裝置指壓力管道上連接的安全閥、壓力表、爆破片和緊急切斷閥等。

四、壓力管道的特點

一個管道系統,為了完成流體的輸送、分配、混合、分離、排放、計量或控制流體流動的功能,必須與相應的動力設備、反應設備、儲存設備、分離設備、換熱設備、控制設備等連接在一起,形成一個系統,使管內流體具有一定的壓力、溫度和流量,完成設計預定的任務。同時,不同類別的壓力管道,由于材料、結構和敷設形式不同,其特點也有所不同:

(A)工業管道的特點

1)數量多,管道系統大,車間內管道布置交叉、緊湊;

2)管道組成件和支承件的材質、品種、規格復雜,質量均一性差;

3)運行過程受生產過程波動影響,運行條件變化多,如熱脹冷縮、交變載荷、溫度和壓力波動等; 4)腐蝕和破壞機理復雜,材料失效模式多。

(B)長輸管道和公用管道的特點

1)管道敷設長度大,跨越地區多,地形地質復雜;

2)埋地敷設多,缺陷檢測難度大;

3)容易遭受意外損傷。

五、壓力管道的結構要求

壓力管道由于輸送的流體具有毒性、燃爆性和腐蝕性,且又有高溫、高壓、低溫等特殊操作條件,使其具有相當大的危險性。因此,壓力管道系統結構應當具備下列條件:

耐壓強度:承受管內流體作用于管道上的壓力(內壓或外壓)、溫度所引起的應力及其長期、反復的影響,如蠕變和疲勞等;

密封性:阻止管道內部流動的流體泄漏到管道外部空間或流體中;

耐腐蝕性:承受管內流體對管道材料的腐蝕作用。管道材料的耐腐蝕等級分為4級,以年腐蝕速率衡量:充分耐腐蝕?0.05mm;

耐腐蝕,0.05,0.1mm;

尚耐腐蝕,0.1,0.5mm;

不耐腐蝕,0.5mm;

柔性:管道的柔性是反映管道變形難易程度的一個物理概念。管道在設計條件下工作時,因熱脹冷縮、端點附加

位移、管道支承設置不當等原因會產生應力過大、變形、泄漏或破壞等影響正常運行的情況。管道的柔性就是管道通過自身變形吸收因溫度變化發生尺寸變化或其他原因所產生的位移,保證管道上的應力在材料許用應力范圍內的性能。

為了滿足上述條件,管道系統的管道組成件必須使用耐介質腐蝕,有能夠在設計規定溫度下承受介質作用壓力的材料,且有相應的壁厚和密封結構。同時整個管道系統應有適當的支承。

在一些標準規范中,經常出現“劇烈循環條件”這一名詞。根據《工業金屬管道設計規范》GB50316-2000的解釋,劇烈循環條件是指:管道計算的最大位移應力范圍超過0.8倍許用的位移應力范圍和當量循環數大于7000或由設計確定的產生相等效果的條件。所謂“位移應力范圍”是指:由管道熱膨脹產生的位移所計算的應力。計算的最大位移應力范圍就是從最低溫度到最高溫度的全補償值進行計算的應力。設計對劇烈循環條件下運行的管道,在管道組成件的選用、管子和管件的最小厚度、無損檢測的要求等均有特殊的規定。 六、壓力管道的分類和分級

管道的用途廣泛,品種繁多。不同領域內使用的管道,其分類方法也不同。一般可以按用途、主體材料、敷設狀態和輸送介質等管道使用特性進行分類。具體情況可見圖1。

在一般法規、標準、規范中,為了便于設計、施工驗收和使用管理和檢驗,往往根據介質的特性和設計參數采用綜合分類、分級的方法,同時,在各行業的設計規范,施工驗收規范和維修、檢驗規程之間,對管道的分級或分類尚存在差異。如:

國家標準《工業金屬管道設計規范》GB50316中的流體根據狀態、性質和設計參數分為A1、A2、B、C、D五類。A1類為劇毒介質;A2類為有毒介質B類為可燃介質;C類、D類為非可燃、無毒介質,其中設計壓力小于等于1MPa,且設計溫度為-29,186?的為D類。化工、石油化工和電力等行業的施工及驗收規范對管道的分級或分類如下:

化工行業標準《化工金屬管道工程施工及驗收規范》HG20225—95按流體特性和設計參數分為A、B、C、D四類。基本與國家標準一致,但將有毒介質管道劃入B類管道。

石油化工行業標準《石油化工有毒、可燃介質管道工程施工及驗收規范》SH3501—2002按流體特性和設計參數分為SHA、SHB、SHC、SHD四級,如表3。

表3 SH3501-2001管 道 分 級

管道級別 適 用 范 圍

(1) 毒性程度為極度危害介質管道(苯管道除外)

(2) 毒性程度為高度危害介質的丙烯腈、光氣、二硫化碳和氟化氫介質管道 SHA (3) 設計壓力大于或等于10.0MPa的介質管道

(1) 毒性程度為極度危害介質的苯管道

SHB (2) 毒性程度為高度危害介質管道(丙烯腈、光氣、二硫化碳和氟化氫管道除外)

(3) 甲類、乙類可燃氣體和甲A類液化烴、甲B類、乙A類可燃液體介質管道

(1) 毒性程度為中度、輕度危害介質管道 SHC (2) 乙B類、丙類可燃液體介質管道

SHD 設計溫度低于-29?的低溫管道

七、壓力管道失效的原因

壓力管道“失效”一般是指壓力管道不能發揮原有效能的現象,可分為自然失效和異常失效兩種。由于壓力管道運行在內部介質和周圍環境的影響之下,不可避免地會產生溫度和壓力循環、腐蝕、振動以及材料金相組織變化等影響材料性能和連接接頭密封性能的問題,因此任何管道都有一定的使用壽命,自然失效就是在壓力管道達到使用壽命時發生的失效現象。自然失效可以通過定期檢驗或失效分析進行事先控制,以防止事故的發生。但是,在用壓力管道由于在設計、制造、安裝和運行中存在各種問題會導致異常失效,造成突發性破壞事故的發生。其原因主要有:

(A)職工素質差,違反操作規程運行,致使運行條件惡化,包括超壓、超溫、腐蝕性介質超標、壓力溫度異常脈動等;

使用壓力和溫度是壓力管道設計、選材、制造、安裝的依據。操作壓力和溫度超過規定將導致管壁應力值的增加或材料力學性能的下降,尤其是在焊縫、法蘭、彎頭、閥門、異徑管、補償器等幾何結構不連續處的局部應力和峰值應力會大幅增加,成為蠕變破壞的源頭。過低的操作溫度則會引起材料韌性下降,允許的臨界裂紋尺寸減小,從而有可能導致脆性破壞。超溫超壓還會導致管道接頭泄漏。

管道往往由于下列原因而產生交變載荷:

1)間斷輸送介質而對管道反復加壓和卸壓、升溫和降溫;

2)運行中壓力波動較大;

3)運行中溫度發生周期性變化,使管壁產生反復性溫度應力變化;

4)因其它設備、支承的交變外力和受迫振動。

在反復交變載荷的作用下,管道將發生疲勞破壞。主要是金屬的低周疲勞,其特點是應力較大而交變頻率較低。在幾何結構不連續的地方和焊縫附近存在應力集中,有可能達到和超過材料的屈服極限。這些應力如果交變地加載和卸載,將使受力最大的晶粒產生塑性變形并逐漸發展為細微的裂紋。隨著應力周期變化,裂紋也會逐步擴展,最后導致破壞。

交變載荷也會導致管道組成件和焊縫內部原有缺陷的擴大和管道連接接頭的泄漏。

(B)設計、制造、施工存在缺陷,如管道柔性不符合要求,材料選用不當或用材錯誤,存在焊接或冶金超標缺陷,焊接或組裝不合理造成應力過大,管道支承系統不合理等;

管道在投用前存在的原始缺陷會造成材料的低應力脆斷。介質和環境的侵害、操作不當、維護不力等原因,往往會引起材料性能惡化、材料損傷或破裂,或使管道連接接頭發生介質泄漏,最終使壓力管道失效,導致火災、爆炸和中毒、窒息等人身事故的發生。

(C)維修失誤,管道上的嚴重缺陷或損傷未能被檢測發現,或缺少科學評價,以及不合理的維修工藝造成新的缺陷和損傷等;

(D)外來損傷造成破壞,如地震、大風、洪水、雷擊和其它機械損傷和人為破壞等。

壓力管道的破壞型式很多。按破壞時的宏觀變形量可分為韌性破壞(延性破壞)和脆性破壞兩大類。按破壞時材料的微觀斷裂機制可分為韌窩斷裂、解理斷裂、沿晶斷裂和疲勞斷裂等型式。通常,在現場采用宏觀分類和斷裂特征相結合的方法進行分類,有韌性破壞、脆性破壞、腐蝕破壞、疲勞破壞、蠕變破壞等。 (E)腐蝕破壞

壓力管道的腐蝕是由于受到內部介質及外部環境介質的化學或電化學作用而發生的破壞。也包括機械等原因的共同作用結果。不合理的操作會導致介質濃度的變化,加劇腐蝕破壞。

壓力管道的腐蝕破壞的形態有全面腐蝕、局部腐蝕、應力腐蝕、腐蝕疲勞和氫損傷等。其中應力腐蝕往往在沒有先兆的情況下突然發生,故其危害性更大。

1)全面腐蝕

全面腐蝕也稱均勻腐蝕。是在管道較大面積上產生的程度基本相同的腐蝕。管道內部表面主要遭受輸送腐蝕性介質的腐蝕,而管道外部則主要遭受大氣銹蝕。

管道的全面腐蝕往往因使用條件的惡化而加劇。腐蝕介質的成分、含水量、氣相或液相的不同、流速和流動狀態、顆粒大小都會影響管道腐蝕失效的程度。腐蝕介質含量的超標或原料性質的劣化會對壓力管道產生危害。 大氣腐蝕會使管道組成件外部遭受損壞,影響管道組成件的強度和密封性。如不及時維護,也會引起事故。 2)局部腐蝕

局部腐蝕是發生在管道材料局部位置的腐蝕現象。

a)點腐蝕:集中在金屬表面個別小點上的深度較大的腐蝕,也稱孔蝕。奧氏體不銹鋼在接觸含氯離子或溴離子的介質時最容易發生點腐蝕。

b)縫隙腐蝕:當管道輸送的介質為電解質溶液時,在管道內表面的縫隙處,如法蘭墊片處、單面焊的未焊透處等,均會發生縫隙腐蝕。縫隙腐蝕往往是由于縫隙內和周圍溶液之間氧濃度或金屬離子濃度存在差異造成。 c)奧氏體不銹鋼焊接接頭的腐蝕:

?晶間腐蝕:晶間腐蝕是腐蝕局限在晶間和晶間附近,而晶粒本身腐蝕較小的一種腐蝕形態。腐蝕機理是“貧鉻理論”,即由于貧鉻的晶間區處于活化狀態,作為陽極,它與晶粒之間形成腐蝕原電池,其結果將造成晶粒脫落或使材料機械強度降低。

?δ鐵素體選擇性腐蝕:在某些強腐蝕介質中,奧氏體不銹鋼焊縫處的δ鐵素體相會被腐蝕或分解為σ相,結果呈海綿狀而使焊接接頭遭受破壞。

?刀口腐蝕:用Ni及Ti穩定的奧氏體不銹鋼,在氧化性介質中發生的刀口狀腐蝕。

3)應力腐蝕

金屬材料在拉應力和特定腐蝕介質的共同作用下發生的腐蝕稱為應力腐蝕。主要由焊接、冷加工和安裝時的殘余應力和管道內部的腐蝕性介質引起。應力腐蝕的裂紋呈枯樹支狀,大體上沿垂直于拉應力的方向發展。裂紋的微觀形態有穿晶型、晶間型和二者兼有的混合型。高強鋼管道在H2S含量超過一定值,并伴有水分時,會大大增加管壁應力腐蝕開裂的可能性。當焊縫硬度值超過HB200,含H2S超標時,極易導致焊縫的應力腐蝕。 ?堿脆:是金屬在堿液中的應力腐蝕。碳鋼、低合金鋼和不銹鋼等均可發生堿脆。

?不銹鋼的氯離子腐蝕:氯離子對不銹鋼產生的應力腐蝕。導致氯離子腐蝕的氯離子臨界濃度隨溫度上升而下降,高溫下,氯離子濃度只要達到10 ppm即可引起破裂。管道法蘭連接處的墊片、外部的保溫材料和支、吊架的墊層等材料中含氯離子的成分過高,也會導致氯離子腐蝕。

?不銹鋼連多硫酸腐蝕:在石油煉制過程中,鋼材受硫化氫腐蝕生成硫化鐵,停車后管道內部與空氣中的氧及水反應生成多硫酸,在不銹鋼管道的殘余應力較大處即會產生應力腐蝕。以加氫脫硫裝置為典型,不銹鋼連多硫酸的應力腐蝕破壞最近引人注目。

?硫化物應力腐蝕:金屬在同時含硫化氫和水的介質中發生的應力腐蝕。碳鋼和低合金鋼在20,40?溫度范圍內對硫酸的敏感性最大。奧氏體不銹鋼的硫化物應力腐蝕大多發生在高溫環境。在含硫化氫和水的介質中,如同時含有醋酸,或二氧化碳和氯化鈉,或磷化氫,或砷、硒、碲的化合物或氯離子,都會對腐蝕起促進作用。 4)腐蝕疲勞

腐蝕疲勞是交變應力與化學介質共同作用下發生的腐蝕開裂。壓力管道的疲勞源有機械激振、流體喘振、交變熱應力、壓力循環以及風振、地震等。腐蝕疲勞裂紋往往有多條但無分支,這是與應力腐蝕裂紋的區別。腐蝕疲勞裂紋一般是穿晶的。

5)氫損傷

氫滲透進入金屬內部造成金屬性能劣化稱為氫損傷。包括氫鼓泡、氫脆、脫碳和氫腐蝕。 氫鼓泡主要發生在含濕硫化氫的介質中,當氫原子向鋼中滲透擴散時,遇到了裂紋、分層、空隙、夾渣等缺陷就聚集起來合成氫分子,使體積膨脹。當這些缺陷在鋼材表面時就會形成鼓泡。

氫不論是以什么方式進入鋼都會引起鋼材氫脆,使鋼材的延伸率、斷面收縮率顯著下降。高強度鋼表現更加嚴重。 鋼中的滲碳體在高溫下與氫氣作用生成甲烷,反應結果使鋼材表面層的滲碳體減少,使碳從鄰近的尚未反應的金屬層逐漸擴散到這一反應區,于是有一定厚度的金屬因缺碳而變為鐵素體,出現脫碳現象。脫碳的結果使鋼材的表面強度和疲勞極限降低。

高溫高壓氫對鋼材作用的結果使其機械性能變劣,強度、韌性顯著降低,稱為氫腐蝕。在上述條件下,氫分子擴散到鋼的表面并產生吸附,其中部分被吸附的氫分子分離為氫原子和氫離子,經化學吸附,然后直徑很小的氫原(離)子透過表面層固溶到金屬內。因溶入的氫原子通過晶格和晶界向鋼內擴散,產生化學反應形成甲烷聚集在晶界原有微觀空隙內,反應過程使該區域的碳濃度降低,促使其他位置上的碳向其擴散補充,從而使甲烷量不斷增多形成局部壓力,最后發展為裂紋。聚集在鋼材表面的形成鼓泡,產生脫碳。

(F)沖蝕破壞

管道內部介質的長期、高速流動會使管道組成件內壁減薄或密封副遭受破壞,影響其耐壓強度和密封性能。隨著使用時間的延長,由內壁減薄造成的耐壓能力下降或密封副損壞而形成的泄漏便會成為事故的根源。 八、壓力管道破壞特征

由于管道破壞的起因和型式不同,所以破壞的特征也有所區別。

(A)韌性破壞是材料不存在明顯的缺陷或脆化,而是由于超壓導致的破壞。其特征有: 1)發生明顯變形,一般不產生碎片。破壞時直徑增大或局部鼓脹,管壁減薄。

2)實際爆破壓力與理論值相近。

3)斷口呈灰暗纖維狀,無金屬光澤,斷面有剪切唇。

4)斷口纖維區之外呈放射形花紋或人字形花紋,并有指向起爆點的特點。

(B)脆性破壞是管道破壞時沒有發生宏觀變形,破壞時的管壁應力也遠未達到材料的強度極限,甚至低于屈服極限的破壞現象。通常是由于材料的脆性或嚴重的缺陷引起,如材料的焊接和熱處理工藝不當,焊縫存在缺陷以及低溫引起的冷脆等。脆性破壞往往是瞬間發生,并以極快的速度擴展。因為其是在低應力下發生的破壞,故也稱低應力破壞。脆性破壞的特征是:

1)無明顯的塑性變形。

2)破壞時的應力較低。

3)材料脆化形成的脆性破壞,其斷口平齊,呈金屬光澤的結晶狀態。

4)因材料缺陷形成的脆性破壞,其斷口不呈結晶狀,而出現原始缺陷區、穩定擴展的纖維區、快速擴展的放射紋和人字紋區以及內外表面邊緣的剪切唇區。原始缺陷如是表面裂紋,則會出現深色的銹蝕狀態,如原始缺陷是內部氣孔、夾渣、未焊透等,也會在斷口上觀察到。

(C)疲勞破壞是材料長期承受大小和方向都隨時間而周期變化的交變載荷作用下發生疲勞裂紋核心,逐漸擴展最后形成斷裂的破壞形式。其特征是:

1)破壞部位集中在幾何不連續處或有裂紋類原始缺陷的焊縫處,整體上無塑性變形。

2)疲勞破壞的基本形式有爆破或泄漏兩種。前者易發生在強度高而韌性差的材料中,后者則發生于強度較低而韌性較好的材料中。

3)斷口上有明顯的裂紋產生區、擴展區和最終斷裂區。在擴展區,宏觀上有明顯的貝殼狀樹紋,且斷口平齊、光亮。最終斷裂區一般有放射狀的花紋或人字紋。

4)電鏡下觀察疲勞斷口的裂紋擴展區時,可見到獨特的疲勞輝紋。

(D)蠕變破壞是鋼材在高溫下低于材料屈服強度時發生的緩慢持續的伸長,最后產生破壞的現象。材料發生蠕變的過程有減速、恒速和加速三個階段。恒速階段是控制材料高溫使用壽命的階段。蠕變斷裂是沿晶斷裂,其特征是:

1)宏觀斷口呈粗糙的顆粒狀,無金屬光澤。

2)表面為氧化層或其他腐蝕物覆蓋。

3)管道在直徑方向有宏觀變形,并有沿徑向方向的小蠕變裂紋,甚至出現表面龜裂或穿透管壁而泄漏。 4)斷口與壁面垂直,壁厚無減薄,邊緣無剪切唇。

九、壓力管道事故防范和報告

為了防止或減少壓力管道的破壞事故,使用單位應采取必要的措施,包括:

——管道必須由有資格的設計單位進行設計并符合設計規范的規定;

——管道系統應按規定裝設安全泄壓裝置并保持其靈敏好用;

——采取有效措施防止大氣及介質對管道的腐蝕;

——管道投用前應進行役前檢查和驗收,管系結構、材料、焊接、熱處理、壓力試驗等關鍵環節必須符合規定要求;

——運行操作必須嚴格執行操作規程,控制工藝指標,杜絕超溫、超壓運行;

——檢修或局部更換管道時,避免錯用或不合理代用而降低管道的極限應力;

——加強對管道的維護檢查和定期檢驗;

——對長期放置不用、維護不良的管道,因發生大面積腐蝕、厚度減薄、強度減弱,再次啟用前應按規定進行全面檢驗。

當壓力管道發生安全事故后,使用單位除應迅速采取措施進行處理外,還應注意嚴格保護事故現場,及時收集有關信息和資料,如現場錄制的圖像、損壞件的斷口狀況、原始操作記錄以及事故調查報告等,以對事故分析提供客觀、科學的依據。

對事故原因進行分析時,應采取測量宏觀變形量;檢驗材料的化學成分和機械性能;進行斷口的宏觀分析和顯微分析等技術手段。然后依據有關資料和技術檢驗結果進

十、管道系統的安全規定

(一)超壓保護

(A)在運行中可能超壓的管道系統均應設置安全閥、爆破片等泄壓裝置。

(B)不宜使用安全閥的場合可用爆破片。爆破片設計爆破壓力與正常最大工作壓力的差值應有一定的裕量。 (C)安全閥應分別按排放氣(汽)體或液體進行選用,并考慮背壓的影響。安全閥的開啟壓力(整定壓力)除工藝有特殊要求外,為正常工作壓力的1.1倍,最低為1.05倍,但設計規范和設計文件有規定者除外。 (D)安全閥的入口管道壓力損失宜小于開啟壓力的3%,出口管道的壓力損失不宜超過開啟壓力的10%。 (E)安全閥的最大泄放壓力不宜超過管道設計壓力的1.1倍,火災事故時的最大泄放壓力不應超過設計壓力的1.21倍。

(F)安全閥或爆破片的入口管道和出口管道上不宜設置切斷閥。工藝有特殊要求必須設置時,還應設置旁通閥及就地壓力表。正常工作時安全閥或爆破片入口或出口的切斷閥應在開啟狀態下鎖住。旁通閥應在關閉狀態下鎖

住。并在圖紙上加注規定的符號。

(G)雙安全閥出入口設置三通式轉換閥時,兩個轉換閥應有可靠的連鎖機構。安全閥與轉換閥之間的管道應有排空措施。

(H)制造廠應保證產品性能符合設計提供的泄壓裝置詳細數據。

(二)閥門和盲板設置

(A)需防止倒流的管道上應設置止逆閥。

(B)正常運行中必須嚴格控制在開或關位置的閥門,設計應附加鎖定或鉛封的要求,并注明規定的代號。此類閥門只允許維修時在嚴格監督下使用并經有關負責人批準。

(C)當裝置停修時裝置外有可能或要求繼續運行的管道,在裝置邊界處除設置切斷閥外還應在閥門靠裝置一側設置盲板。

(D)運行中當有設備需切斷檢修時,在設備和閥門之間應設置盲板。對于可燃流體管道、閥門和盲板之間裝有小放空閥時,放空閥后的管道應引至安全地點。

(E)壓力試驗和氣密試驗需隔斷的位置應設盲板。

(F)液體溫度低于-5?或大氣腐蝕嚴重場合宜使用分離式盲板,即插板與墊環。不宜使用“8”字盲板。插板與墊環應有識別標記,標記部位應伸出法蘭。

(三)排放

(A)可燃流體應排入封閉的收集系統,嚴禁直接排入下水道。

(B)密度比環境空氣大的可燃氣體應排入火炬系統,密度比環境空氣小的可燃氣體,在允許不設火炬及符合衛生標準的情況下可排入大氣。

(C)無毒、不可燃、無閃蒸的流液體,在符合衛生標準及水道材料使用溫度和無腐蝕的情況下,可直接排入下水道。

(D)排放管應按排放量和工作壓力決定管徑。排放口流速應符合設計規范規定。不經常使用的常壓放空管口應加防鳥網。

(四)其他要求

(A)在寒冷氣候條件下,室外的冷卻水總管末端和冷卻器進出水管道應設防凍旁通管或其他防凍措施。氣體管道有冷凝液產生或液體管道有死角區,以及排液管有可能凍結時,宜設伴熱管。

(B)安裝在室內的可燃流體管道的薄弱環節的組成件,如玻璃液位計、視鏡等應有安全防護措施。 (C)管道系統所產生的靜電可通過設備或土建結構的接地網接地。其他防靜電要求應符合相應標準的規定。 (D)不允許流體中斷的重要設備宜采用雙管或設置帶有隔斷閥門的環狀管網等安全措施。 (E)與明火設備連接的可燃氣體減壓后的管道(包括火炬管道),和需隔斷易著火的管道(包括放空管)與其連接的設備時應設阻火設施。

(F)氧氣管道應符合下列規定:

1)強氧化性流體(氧或氟)管道應在管道預制后、安裝前分段或單件進行脫脂。脫脂后的管道組成件一概采用氮氣或空氣吹凈封閉。并應避免殘存脫脂介質與氧氣形成危險的混合物。

2)氧氣管道組成件選用應符合規范規定。并宜選用無縫管子和管件。設計壓力大于3MPa時宜采用奧氏體不銹鋼管。碳鋼和低合金鋼管道上設有調壓閥時,調壓閥前后1.5m范圍內宜采用奧氏體不銹鋼管及管件。閥門不應使用快開、快閉型,閥內墊片及填料不應采用易脫落碎屑、纖維的材料或可燃材料。

3)焊接應采用氬弧焊。

4)氧氣管道流速限制、靜電接地及管道布置應符合《氧氣站設計規范》GB50030和氧氣安全技術規程的規定。除非工藝流程有特殊設計要求及可靠的安全措施保證,氧氣管道嚴禁與可燃流體管道直接連接。 (G)夾套管應根據流體凝固點高低,其他物性改變條件及工藝要求分別選擇全夾套、部分夾套或簡易夾套結構。

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關鍵詞:管道,壓力管道,管道清潔

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