柳斐斐

（山東科達(dá)化工工程有限公司，山東濰坊 261041）

1 壓力管道設(shè)計(jì)中安全的重要性

現(xiàn)如今中國(guó)化工企業(yè)在高速的發(fā)展，但化工行業(yè)及其快速增長(zhǎng)也帶來(lái)了許多負(fù)面問(wèn)題，如安全問(wèn)題、污染問(wèn)題、生態(tài)環(huán)境問(wèn)題、高能耗、產(chǎn)能過(guò)剩等。其中常見(jiàn)的問(wèn)題就是，在一些特殊的化工廠中，內(nèi)部由數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)彼此相鄰的危險(xiǎn)裝置組成的化工廠通常具有高度復(fù)雜性和相互依賴性的特點(diǎn)。這些儲(chǔ)存、運(yùn)輸或處理危險(xiǎn)物質(zhì)（例如，易燃、易爆、有毒）的裝置通常處于高溫高壓條件下。因此，主要不希望出現(xiàn)的情況（例如，壓力管道的泄漏、管道的爆炸）可能導(dǎo)致重大事故。此外，這些主要事故可能會(huì)傳播到附近的設(shè)施，引發(fā)一系列事故，導(dǎo)致整體后果比主要事件更為嚴(yán)重，這種現(xiàn)象被稱為連鎖效應(yīng)或多米諾骨牌效應(yīng)?；^(qū)一旦發(fā)生重大事故，可能造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡、嚴(yán)重的環(huán)境污染以及生態(tài)倫理問(wèn)題。

2 管道運(yùn)輸物料種類(lèi)的安全分析

石油和天然氣工業(yè)中用于輸送各種介質(zhì)的鋼質(zhì)管道經(jīng)常暴露在嚴(yán)酷的內(nèi)部和外部環(huán)境條件下，導(dǎo)致材料因腐蝕而降解。這些管道通常由碳鋼和低等級(jí)合金鋼制成，容易受到管道內(nèi)部酸性過(guò)程及其與環(huán)境的電化學(xué)相互作用的腐蝕攻擊。此外，管道腐蝕對(duì)經(jīng)濟(jì)和安全都有不小的影響，其中占全球石油和天然氣行業(yè)發(fā)生故障的四分之一。近年來(lái)，石油和天然氣管道的監(jiān)測(cè)、監(jiān)管和執(zhí)法不力導(dǎo)致了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的管道爆炸等報(bào)道層出不窮。通常，石油和天然氣管道事故主要分為三個(gè)不同的類(lèi)別進(jìn)行分析：① 危險(xiǎn)液體，包括天然氣液體、精煉石油產(chǎn)品和原油；②氣體分配管線，將氣體進(jìn)行輸送；③天然氣輸送和收集，將天然氣從井中輸出再送到加工廠和遠(yuǎn)市場(chǎng)。因此對(duì)以上的管道的物料運(yùn)輸方式進(jìn)行油氣管道的泄漏檢測(cè)有利于減少碳排放和環(huán)境污染，也是管道完整性管理的關(guān)鍵。目前，管道泄漏檢測(cè)技術(shù)主要針對(duì)輸水管道，且大多基于聲學(xué)檢測(cè)原理。相對(duì)于輸水管道，油氣管道的特殊性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面

1）油氣管道的壓力遠(yuǎn)高于輸水管道；

2）油氣管道中的介質(zhì)具有高風(fēng)險(xiǎn)。由于這兩種特殊性，很難對(duì)油氣管道進(jìn)行在線檢測(cè)。

3 管道設(shè)計(jì)中安全問(wèn)題分析

一般而言，對(duì)管道設(shè)計(jì)中安全的威脅可分為以下幾類(lèi)：材料和結(jié)構(gòu)缺陷，例如有缺陷的縱向管縫、管體或接頭焊縫；施工、維護(hù)或第三方挖掘造成的機(jī)械損壞；不正確的操作；腐蝕、蠕變和開(kāi)裂機(jī)制；設(shè)備故障。

3.1 管道腐蝕

管道的內(nèi)部腐蝕是一個(gè)隨時(shí)間變化的隨機(jī)過(guò)程。腐蝕速率的任何測(cè)量或估計(jì)都不可避免，并且也包含一定程度的不確定性，因?yàn)樗艿皆S多隨機(jī)和認(rèn)知不確定性因素的影響，例如從地質(zhì)地層中提取的原油混合物、生水、有機(jī)酸和各種溶解氣體如二氧化碳（CO2）和硫化氫（H2S），為鋼創(chuàng)造了腐蝕環(huán)境，管道腐蝕缺陷的存在會(huì)降低管道壁厚，并引入額外的應(yīng)力集中，導(dǎo)致管道承載能力降低，減少管道物料運(yùn)輸?shù)膲勖?/p>

3.2 管道的塌陷

對(duì)于一些深埋地下的管道來(lái)說(shuō)，例如油氣管道，通常將物料運(yùn)輸?shù)膲毫艿缆袢氲叵?，但是管道與地面沉降區(qū)的相互作用給管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)帶來(lái)了額外的困難。地基沉降作用下的管道變形方式關(guān)系到關(guān)鍵部位高應(yīng)力、高應(yīng)變的發(fā)展。當(dāng)這些應(yīng)力和應(yīng)變超過(guò)管道材料的極限要求時(shí)，管體的自身將無(wú)法承受物料運(yùn)輸過(guò)程中所帶來(lái)的高應(yīng)力作用，就可能導(dǎo)致管道失效。在這種情況下，破壞模式主要包括開(kāi)裂和屈曲。因此，在管道設(shè)計(jì)和運(yùn)行之前必須進(jìn)行系統(tǒng)全面的評(píng)估以及施工地點(diǎn)的地質(zhì)勘探工作，以避免過(guò)度的基礎(chǔ)沉降活動(dòng)影響管道安全[4]。

3.3 管道材料的選取

管道材料選用所涉及的各種方法、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。連同制造管道、配件的材料和配套設(shè)備，還必須考慮其他材料和因素，例如管道將浸入的材料、環(huán)境以及管道系統(tǒng)將輸送的流體或材料。在選擇合適的材料時(shí)，還必須考慮系統(tǒng)所適應(yīng)的溫度和應(yīng)力以及管道的尺寸。每個(gè)代碼都包含列出的材料，這些材料是各個(gè)社區(qū)已經(jīng)檢查并發(fā)現(xiàn)適合在與該代碼相關(guān)的系統(tǒng)中使用的材料。未列出的材料也經(jīng)常被接受，但有一定的限制。對(duì)于未列出的材料，必須按照規(guī)范中規(guī)定的方法來(lái)確定材料是否符合使用標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 管道疲勞性能

管道疲勞斷裂是油氣管道輸送服務(wù)過(guò)程中的主要失效模式。焊接接頭作為管線管最薄弱的部位，要引起重視。由于連接管道各部分的首尾焊縫鋼筋需要拆除，因此有必要對(duì)焊縫加固拆除前后焊接接頭的疲勞性能進(jìn)行研究。并且一些企業(yè)的管道物料通常長(zhǎng)距離的運(yùn)輸，如果遇到地震等惡劣環(huán)境，會(huì)對(duì)壓力管道產(chǎn)生巨大影響，因此對(duì)管線鋼也要求具有較高的抗變形能力。在日常運(yùn)作中，由于日常壓力波動(dòng)引起的循環(huán)載荷，例如運(yùn)行過(guò)程中工作壓力的停止和啟動(dòng)，疲勞裂紋可能在管道運(yùn)行過(guò)程中成核和擴(kuò)展，甚至最終發(fā)生災(zāi)難性故障，產(chǎn)生大面積的泄漏，嚴(yán)重危害環(huán)境以及人類(lèi)的生活。在這方面，管道抗疲勞知識(shí)對(duì)于在施工過(guò)程中為管道設(shè)計(jì)和材料選擇提供參考以及預(yù)測(cè)管道的使用壽命至關(guān)重要。

3.5 管道截止閥的安裝

管道截止閥的安裝對(duì)于化工企業(yè)安全防護(hù)是必不可少的，為了控制可能發(fā)生的管道泄漏情況，每條管道都應(yīng)配備特殊的截止閥。每當(dāng)管道減壓時(shí)，例如漏油，閥門(mén)會(huì)自動(dòng)密封管道，將管道分成幾段。因此，漏油僅限于兩個(gè)連續(xù)閥門(mén)之間損壞部分的體積。這將極大減少物料的損失。此外管道截止閥的安裝還需要配備直徑較大的閥桿，因?yàn)樵陂y門(mén)關(guān)閉時(shí)，需要向閥瓣施加較大的壓力，為保障閥門(mén)關(guān)閉時(shí)管道的密封性，操作力所需要克服的阻力，是閥桿和填料的摩擦力與由介質(zhì)壓力所產(chǎn)生的推力，所以在關(guān)閉截止閥時(shí)要比開(kāi)啟閥門(mén)時(shí)更費(fèi)力。因此需要選擇力臂較長(zhǎng)的閥桿，避免閥桿頂彎的問(wèn)題出現(xiàn)。

4 管道泄漏的檢測(cè)方法

對(duì)于化工管道泄漏檢測(cè)的方法，首先需要選擇合適的技術(shù)，對(duì)于不同的環(huán)境、傳輸介質(zhì)或檢測(cè)對(duì)象要具有相應(yīng)的適應(yīng)性，可以根據(jù)不斷變化的信息提高自身性能，完成任務(wù)。此外對(duì)于檢漏系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度也是非常重要的，對(duì)于泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要有較高的泄漏監(jiān)測(cè)靈敏度以及較短的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間。最后還需要確保檢漏系統(tǒng)能在一定的干擾和噪聲影響的情況下準(zhǔn)確完成檢漏的工作，并確保漏報(bào)和誤報(bào)在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

4.1 常規(guī)檢測(cè)泄漏

對(duì)于所有常規(guī)管道、法蘭、閥門(mén)等，通過(guò)觀察判斷管道各處是否有冒煙、滲出、結(jié)垢等現(xiàn)象，來(lái)粗略的判斷管道。對(duì)于特殊物料運(yùn)輸?shù)墓艿?，如瓦斯、氯氣、液態(tài)烴類(lèi)等易燃易爆或有毒氣體時(shí)，則需要通過(guò)肥皂水或者精密的試紙?jiān)嚶?，觀察管道焊接閥門(mén)或儀器設(shè)備處是否有輕微的漏氣情況，并且及時(shí)處理。對(duì)于一些沒(méi)有危害的氣體就可以用輕薄的紙條進(jìn)行試漏，觀察紙條是否有被吹動(dòng)的現(xiàn)象。此類(lèi)檢測(cè)方法僅適用儀器設(shè)備處微小的泄漏。

4.2 聲波檢測(cè)方法

對(duì)于一些大型化工企業(yè)，壓力管道系統(tǒng)比較復(fù)雜，常規(guī)的泄漏檢測(cè)將不能滿足于保障企業(yè)以及操作人員的安全，其將會(huì)應(yīng)用一些先進(jìn)的技術(shù)，例如聲發(fā)射法是聲響傳感器安裝在緊靠管壁外側(cè)。如果壓力管道不慎發(fā)生泄漏，在泄漏點(diǎn)將會(huì)產(chǎn)生特殊的噪音，安裝在管道外壁的聲響靈敏傳感器會(huì)被接收和將聲響放大。計(jì)算機(jī)軟件會(huì)識(shí)別出此類(lèi)信號(hào)，將接收到的噪聲處理成直觀的聲音全波形圖像，再通過(guò)對(duì)全波形圖像的細(xì)致分析，達(dá)到監(jiān)測(cè)管道泄漏情況和定位泄漏點(diǎn)的目的。該技術(shù)適用于管內(nèi)流量小、壓力高的管道。在檢測(cè)埋地管道，聲發(fā)射技術(shù)比其他檢測(cè)方法具有更高的靈敏度，泄漏源的定位也非常準(zhǔn)確。

4.3 光學(xué)檢測(cè)方法

二極管激光吸收的檢測(cè)原理基于光譜吸收原理。氣體分子選擇性地吸收光，氣體的濃度是通過(guò)分析激光的初始功率和回波功率來(lái)獲得的。將激光調(diào)諧到被測(cè)氣體的吸收波長(zhǎng)，由氣體吸收部分激光能量，并利用接收到的激光回波信號(hào)，只是使用二極管激光進(jìn)行照明。這種技術(shù)適用于近距離手持設(shè)備。當(dāng)激光束射向目標(biāo)氣體管道時(shí)，如果天然氣泄漏，光束將被部分吸收，泄漏氣團(tuán)的激光在氣團(tuán)后被反射回物體。為了確定反射物體和探測(cè)器的甲烷濃度，探測(cè)器接收并解調(diào)光譜信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)與甲烷具有良好的線性關(guān)系，系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠。

4.4 氣敏檢測(cè)方法

電纜傳感器也已用于氣體泄漏檢測(cè)。電纜是使用與某些物質(zhì)接觸時(shí)會(huì)發(fā)生反應(yīng)的材料制成的。這種反應(yīng)會(huì)改變電纜的特性，例如電阻或電容，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)來(lái)感知泄漏的出現(xiàn)。在一個(gè)系統(tǒng)中使用了對(duì)碳?xì)浠衔锩舾械膫鞲须娎|，該系統(tǒng)可以以大約 20m 的精度檢測(cè)和定位泄漏。其原理主要是一個(gè)電路連接到電源，另一個(gè)電路連接到報(bào)警器。當(dāng)兩個(gè)電路接觸時(shí)，將發(fā)出警報(bào)信號(hào)。根據(jù)所使用的電纜，可以使用多種機(jī)制來(lái)產(chǎn)生短路。當(dāng)分離電線的材料降解時(shí)，可能會(huì)發(fā)生直接電線接觸，在存在泄漏氣體的情況下，允許它們接觸。當(dāng)使用一種涂層材料時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)相同的效果，一旦與氣體接觸就會(huì)膨脹，迫使兩根線連接在一起。這種泄漏檢測(cè)技術(shù)提供了相當(dāng)快的響應(yīng)，并且比某些計(jì)算方法更靈敏。

5 提高管道安全性的措施

5.1 管道材料的選擇

在化工管道的設(shè)計(jì)中，管道的選取是非常重要的，對(duì)于不同的企業(yè)，所要設(shè)計(jì)的壓力管道也是不同的，要明確管道各種材料的性能參數(shù)以及適用性，并且要符合經(jīng)濟(jì)適用，這對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)非常重要。要保障管道有一定的機(jī)械強(qiáng)度，一定要滿足當(dāng)前企業(yè)的運(yùn)輸要求，在企業(yè)選用壓力管道材料時(shí)，先對(duì)本企業(yè)運(yùn)輸?shù)奈锪线M(jìn)行分析，查找國(guó)家相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，承受操作過(guò)程壓力以及最苛刻溫度壓力的材料。這樣做的目的主要是為了在管道投放使用中可以延長(zhǎng)管道的使用壽命，在后續(xù)的管道設(shè)計(jì)中，也要注意不使用其他不合標(biāo)準(zhǔn)的材料，要結(jié)合實(shí)際的化工設(shè)計(jì)安全來(lái)進(jìn)行 完善。

5.2 管道的防腐

可以通過(guò)為管道提供外部涂層、使用隔離層、陰極保護(hù)系統(tǒng)或這些方法的組合來(lái)防止腐蝕。內(nèi)襯包括瀝青、水泥砂漿、合成樹(shù)脂和鍍鋅，而涂料包括樹(shù)脂或 PE 套管。多層方法現(xiàn)在是鋼和 DI 的標(biāo)準(zhǔn)用途，包括聚合物薄膜（環(huán)氧樹(shù)脂）或水泥砂漿襯里、黏合的鋅和水性漆涂層或鋅和鋁的混合物，其作用類(lèi)似于鍍鋅但使表面積極防止腐蝕蔓延。在對(duì)鋼鐵具有高度腐蝕性的環(huán)境中，可以包括額外的保護(hù)，例如陰極保護(hù)。然而，這些方法并不完美。因此，必須定期檢查涂層、隔離層和陰極保護(hù)系統(tǒng)的狀況是否存在任何問(wèn)題。這種方法的主要缺點(diǎn)是增加了項(xiàng)目成本，并且由于需要采取某些保護(hù)措施，可能會(huì)減慢管道建設(shè)和安裝過(guò)程。

5.3 管道支撐架

通常在一些化工工廠中可能會(huì)將物料運(yùn)輸管道懸掛在地上的支架上。但由于環(huán)境、天氣和人為等因素，如管體自身過(guò)重、強(qiáng)降雨、狂風(fēng)和坍塌等，管道因此處于完全懸掛的狀態(tài)。此狀態(tài)下的管體本身以及管道與設(shè)備的焊接處會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力（特別是在物料的傳輸過(guò)程中），降低管道及焊接處的機(jī)械強(qiáng)度，隨著時(shí)間的推移使管道發(fā)生形變。因此為防止管道懸空所產(chǎn)生的管體局部應(yīng)力的增加，可以在較長(zhǎng)管道中段下方增設(shè)了支撐保護(hù)架，來(lái)承擔(dān)管體本身的部分重量，減少管體產(chǎn)生的應(yīng)力，進(jìn)而延長(zhǎng)運(yùn)輸管道的使用壽命。

5.4 加強(qiáng)操作人員培養(yǎng)

人為錯(cuò)誤是導(dǎo)致這些事故的主要原因，這可能是由于員工的安全文化不良和安全意識(shí)低下所致。在一些中小化工企業(yè)，由于安全投入不足，安全監(jiān)管缺失，問(wèn)題可能會(huì)更加嚴(yán)重。要通過(guò)安全教育、安全培訓(xùn)、交流等方式，更加重視企業(yè)內(nèi)部安全文化的建設(shè)和提升，要對(duì)前段的操作人員進(jìn)行系統(tǒng)以及專(zhuān)項(xiàng)的培訓(xùn)，當(dāng)員工取得相應(yīng)的資質(zhì)后再進(jìn)行上崗操作，之后還需要定期讓員工進(jìn)行安全操作規(guī)范的學(xué)習(xí)，進(jìn)而保障實(shí)際操作零失誤。

6 結(jié)束語(yǔ)

壓力管道設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系著整個(gè)化工企業(yè)之后物料運(yùn)輸安全以及管道自身的使用壽命，同樣管道的設(shè)計(jì)安全問(wèn)題也直接影響到操作人員的生命安全。因此，在安裝及設(shè)計(jì)壓力管道的過(guò)程中，要細(xì)致地對(duì)施工工作進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)，做好施工記錄，以明確相關(guān)人員的范圍和職責(zé)內(nèi)容，以防在后續(xù)工作中出現(xiàn)問(wèn)題可以及時(shí)對(duì)前期工作進(jìn)行調(diào)查并快速解決。進(jìn)而進(jìn)行具體分析結(jié)合具體情況，及時(shí)找到問(wèn)題的根本，并提出有效的解決辦法。對(duì)壓力管道的設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的改善，保障其正常運(yùn)行，為社會(huì)以及人們的生活提供更加便利以及安全的服務(wù)。