在用压力管道检验应力分析探讨

摘 要:通过《在用工业管道定期检验规程》(试行)的学习和实践应用,下文对管道位置、结构及确定管道减薄,腐蚀余量与安全状况进行了应力分析,并描述自己看法。

关键词:压力管道 宏观检查 应力分析 检验

1 前言

管道运输是与铁路、公路、水运、航空并列的五大运输方法。随着国家的经济繁荣、工业的快速发展,管道数量达到前所未有的水平。由于压力管道往往承受着高温和高压,介质又大都具有腐蚀、有毒、易燃、易爆等特点,一旦发生泄露容易引发火灾、爆炸或中毒事故,使企业生产和人民的生命财产蒙受巨大损失。

2 压力管道的宏观检查

在压力管道常规检验过程中,人们往往把注意力放在管道的全面减薄和局部减薄上,对管道宏观检查只是检查管道之间是否碰撞,管子是否下沉,支吊架是否完好,管子外壁是否腐蚀等,而经常忽视管道、支承件的位置合理性及整条管线的结构能否满足应力分析和柔性设计的要求。

应力分析是一个复杂的过程,通常使用专门的管道应力分析软件进行。在工业管道检验中一般不要求进行应力分析,应力分析及柔性设计计算、工业管道布置由设计人员来完成。一般情况下检验人员在检验时应注意下面两个方面的问题:

(1)管道布置合理性检验在GB50316《工业金属管道设计规范》的第8部分“管道的布置”中已给出了较为详细的规定和要求。检验人员在具备相应的管道知识、工程经验以及熟悉管道标准的前提下,通过认真检查可以发现管道布置是否合理。

(2)工业管道柔性计算、支吊架设计在GB50316《工业金属管道设计规范》的第9、10部分给出了较为详细的规定和计算方法。但是在实际情况中,往往存在由于设计或施工问题造成的工业管道结构不合理现象,尤其是早期投用的未经过应力分析或柔性分析的老工业管道问题更为突出。这样就对检验人员提出了结构合理性检验的要求。检验人员一般可以通过两种途径发现上述问题:

①检验中直接发现的问题。当工业管道存在不满足有关柔性设计或结构设计要求时,有些情况是可以直接通过检验发现的。例如支吊架的间距是否合理,可以根据GB50316《工业金属管道设计规范》的规定进行测量。对有柔性设计要求的工业管道固定点或固定支撑之间是否采用自然补偿或其它类型的补偿器结构问题。

②工业管道或工业管道组成件发生异常现象,失效或破坏,管道焊缝出现裂纹,由此间接发现可能存在的结构不合理现象。例如工业管道有无异常的挠曲和下沉,是否存在异常变形,支吊架是否破坏,膨胀节是否破坏或存在异常情况等。下面两个案例给出了压力管道在使用过程中失效常见的两种模式。

【案例一】由于管道结构不合理导致管道破坏

在某化工股份有限公司三期蒽醌装置压力管道检验过程中,一条高温压缩空气管线就出现上述问题。该管线于1998年安装,材质:10钢,规格:φ426×9mm,工作压力:0.4MPa,工作温度:400℃,工作介质:压缩空气。在对该管线进行宏观检查时,可直接发现在Ⅰ的位置(见图1)应设置一个承重支吊架来支撑阀门和管道的重量,如果在原设计未考虑此部分载荷,将会对邻近的管道组成件及焊口产生较大一次局部薄膜应力,使其破坏或失效。接下来在2#焊口继续进行射线检测,结果仍然产生同样的缺陷。这样可以判断该管线结构不合理,要求使用单位委托设计单位进行应力分析计算,对该管线进行整改。在《在用工业管道定期检验规程》中对管道结构检查时只是检查支吊架的间距是否合理,而未对设计疏忽和安装原因漏掉的支吊架进行检查。这种现象在生产装置中还是存在的,对工业管道的安全影响较大。

【案例二】由于管道热应力引起变形导致管道破坏

管道的热应力是因管道热膨胀受到约束而产生的,管道的柔性愈大,则热胀变形的可能性愈大,热应力就愈小。在现场宏观检查时,应特别重视对较长的压力管道的补偿器间距的测量,如果发现间距不合理(补偿器间距超过正常间距的1.5倍)时,应对该间距内及两侧的直管进行重点检查,看其是否变形。

某化工股份有限公司一条输送原料萘油管道,将原料萘油输送到新生产区,输送距离为1497.5M。材质:20钢,规格:φ426×9mm,工作压力:0.6MPa,工作温度:120℃,工作介质:原料萘油。该管线输送介质距离较长,其中直线输送段基本上150米设有1个Z行补偿器,中间有一段距离300米上没有设置补偿器。结果我们检查时在此处发现一处长32.5米、宽2.0米的弯曲变形(见图2)。

图2 管道热应力引起变形导致管道破坏

3 安全状况等级的确定

压力管道使用过程中,由于腐蚀减薄造成压力管道失效大约占70%。在全面检验时,管道减薄处理是根据《在用工业管道定期检验规程》(试行)的第46条和第47条,以实际腐蚀减薄程度来判定在用压力管道安全状况等级和下一次检验周期。

3.1在用压力管道的全面减薄

《在用工业管道定期检验规程》(试行)第46条规定了如何根据工业管道的全面减薄状况确定其安全状况等级。

(1)工业管道壁厚的整体减薄通常由均匀腐蚀造成,这就降低了工业管道的承载能力。工业管道承受的载荷很复杂,内压载荷往往不是其承受的主要载荷。如果工业管道的壁厚扣除至下一检验周期腐蚀量的2倍后,仍然大于或等于设计所要求的最小壁厚,则表明工业管道的壁厚仍然满足设计规范的要求,因此不影响工业管道的定级。

(2)耐压强度校验不合格,安全状况等级为4级。我们在实际检验过程中,也只是仅仅通过耐压强度校验(只考虑内压载荷)来判定工业管道的安全状况等级,校验合格定为2或3级,不合格定为4级。这样做就把工业管道承受的附加弯矩、扭矩、管道和物料重量等组合载荷给忽略了。通过这种方法得出的结论将使压力管道的安全性得不到保证,对低压管道的校核就更没有多大意义。表1是给定压力、管径所需壁厚对照表(以20钢、100℃为例)。

从表1可以看出:(1)随着压力增加,考虑内压载荷所需要的壁厚也随之增加;(2)随着管径增加,考虑内压载荷所需要的壁厚也随之增加。因此可以得出下面三个结论。

结论一:在低压、小管径考虑内压载荷所需要的壁厚比附加的弯矩、扭矩、管道和物料重量等组合载荷所需要的壁厚要小得多,见表1斜体部分。此时仅通过耐压强度校验(只考虑内压载荷)来判定工业管道的安全状况等级不仅没有实际意义,而且会造成误判(延长使用周期)。

结论二:在工作压力小于1MPa时,内压载荷所需要的壁厚比其它组合载荷所需要的壁厚要小得多。所以用这样的方法来判定安全状况等级,会使压力管道在使用的过程中存在很大风险。在这种情况下,应把附加的弯矩、扭矩、管道和物料重量等组合载荷所需要的壁厚作为重点考虑对象。

表1 给定压力、管径所需壁厚对照表(20钢,100℃)

结论三:只有当工作压力达到足够大时,内压载荷由次要因素变为主要因素。在这种条件下,通过耐压强度校验来判定工业管道的安全状况等级,所得出结果与实际较为吻合。

3.2在用压力管道的局部减薄

《在用工业管道定期检验规程》(试行)第47条规定了管道局部减薄,安全状况等级的确定方法如下:

(1)若局部减薄在制造或验收规范所允许的范围内,则不影响定级。

(2)局部减薄超过制造或验收规范所允许的范围时,如果同时满足以下条件,则按照《在用工业管道定期检验规程》(试行)第47条的表3或表4定级;否则安全状况等级定为4级。

但《在用工业管道定期检验规程》(试行)第47条的表3和表4的计算和判定过程中没有考虑到设计所给定的腐蚀余量,而每个设计单位给定的腐蚀余量大致相同,如:碳素钢和低合金钢在一般腐蚀环境下(如:一般油品、油气、溶剂、非净化压缩空气等)所给定的腐蚀余量为1～1.5mm;特殊腐蚀环境下(如:酸性气、含硫污水、93%～98%硫酸、10%～40%碱液等)所给定的腐蚀余量为3mm。这两种腐蚀环境由于设计给定的腐蚀余量差值为1.5～2.0mm,若在特殊腐蚀环境下按照《在用工业管道定期检验规程》(试行)第47条的表3或表4定级,则造成误判。

4 结束语

压力管道的全面检验主要是进行现场的检验检测,以及把检验检测的结果与《在用工业管道定期检验规程》(试行)中的规定进行比较,确定压力管道的安全状况等级和下一个使用周期的年限。检验人员如能解决好上述两个问题,将对提高检验工作的正确性大有帮助。

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