淺談長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)、施工中的幾點(diǎn)安全問題
一、前言
隨著管道輸送工藝的不斷發(fā)展，管道輸送以其輸送成本低、管理方便等優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用越來越大，但由于管道工程投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、整體性強(qiáng)，因此，管道安全問題顯得尤為重要。下面就談一談長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)、施工中的幾點(diǎn)安全問題。
二、管道材質(zhì)的選擇
由于在相同管徑和輸送壓力下，選用高強(qiáng)度鋼材可以減少鋼材用量，進(jìn)而降低管材的運(yùn)輸、施工等費(fèi)用。因此出于經(jīng)濟(jì)角度考慮，目前國內(nèi)外在管材選擇上多使用 高強(qiáng)度鋼材，如X65、X70、X80等，但由于冶金，軋制等技術(shù)原因，目前高強(qiáng)度鋼管、尤其是X80這樣的超高壓力鋼管還存在著一定問題，一是產(chǎn)品質(zhì)量 控制難度大，在管材內(nèi)部易出現(xiàn)隱形缺陷，二是隨著強(qiáng)度的提高，管材韌性尤其是管材沖擊韌性的上平臺(tái)能(CNN值)難以得到相應(yīng)提高。這兩種因素的迭加，再 加上管材在運(yùn)輸和施工過程中造成的損傷，使得高強(qiáng)度管道發(fā)生延性斷裂的幾率大大增加。
據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，使用X60以上級(jí)管材的各級(jí)管道，均有管道發(fā)生過延性斷裂。因此對(duì)長(zhǎng)輸管道而言，由于其管徑大、輸送距離長(zhǎng)，管材內(nèi)部缺陷、運(yùn)輸施工損傷及焊縫缺陷漏檢幾率增大，再加上管道沿途不乏人口密集地 區(qū)，輸送介質(zhì)一般又為易燃易爆或有毒介質(zhì)，這就對(duì)管道安全提出了更高的要求，因此，目前在管道材質(zhì)選擇上應(yīng)選用技術(shù)較為成熟、CNN值較高、焊接工藝成熟 的X60、X65級(jí)鋼管為宜。
三、管道的斷裂與止裂
1960年美國Transwestem公 司在對(duì)一條直徑φ762、材質(zhì)X52的輸氣管道進(jìn)行氣壓試驗(yàn)時(shí)，管道發(fā)生斷裂，斷裂長(zhǎng)度為13km，裂源為一根管子在運(yùn)輸過程中造成的損傷，起裂后，裂紋 向兩邊擴(kuò)展，一端碰到一個(gè)厚壁三通后止裂，另一端碰到一根韌性較大的管子而止裂。若當(dāng)時(shí)管道已投入運(yùn)營，管內(nèi)介質(zhì)為有毒或易燃易爆氣體，發(fā)生這樣的斷裂， 其災(zāi)難性后果是可以想象的。因此，對(duì)材質(zhì)等級(jí)較高的管道在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮管道裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的控制。
管道斷裂可以分為脆性斷裂和韌性斷裂兩種。就脆性斷裂而言，隨著冶金技術(shù)水平的提高，目前象X70鋼其韌性形貌轉(zhuǎn)變溫度已達(dá)到-40℃以下，在我國這樣的氣候條件下，一般不具備發(fā)生脆性斷裂的條件。 但當(dāng)管道的CNN值較低時(shí)，在常溫下管道易發(fā)生韌性斷裂。近來的研究表明，雖然對(duì)于韌性斷裂，其裂紋擴(kuò)展速度一般只有60～250m/s，而象天然氣等氣 體的減壓波速度約為400m/s;按照過去的理論，裂紋似乎應(yīng)該止裂，但對(duì)于輸氣管道而言，因?yàn)樵跍p壓波的后面，裂紋尖端處的輸送介質(zhì)仍保留有一定的壓 力，在氣體釋放過程中，由于氣體體積的快速膨脹，把能量傳給裂紋，如果在此溫度下材料的CNN值較低，仍會(huì)造成裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展。在裂紋處殘留的壓力越高裂 紋擴(kuò)展速度越快，并且隨著環(huán)向應(yīng)力和管道直徑的增加，產(chǎn)生韌性斷裂失穩(wěn)擴(kuò)展的趨勢(shì)就越大，也就是說止裂越困難。尤其是近年來，出于管輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益考慮，對(duì) 管徑、輸送壓力、管材強(qiáng)度等級(jí)的選取越來越高，在這樣的條件下，要防止管道韌性斷裂的發(fā)生，就對(duì)管材的韌性提出了更高的要求。例如，據(jù)有關(guān)資料介紹，對(duì)于 西氣東輸管道(管道材質(zhì)為X70，管徑為1016mm，壁厚為19mm，輸送介質(zhì)為天然氣)，要使其能自身止裂，其上平臺(tái)能應(yīng)達(dá)到154J。可見，要達(dá)到 這樣的韌性指標(biāo)是很困難的，也是不經(jīng)濟(jì)的。
因此說，對(duì)于長(zhǎng)輸管道，若選用X65級(jí)以上的管材，應(yīng)考慮設(shè)置止裂裝置，如設(shè)置止裂環(huán)、間斷插入低強(qiáng)高韌性鋼管等，同時(shí)出于經(jīng)濟(jì)考慮，應(yīng)根據(jù)不同的地區(qū)級(jí)別，確定經(jīng)濟(jì)合理的止裂裝置設(shè)置間距。
四、地震活動(dòng)斷層對(duì)管道的影響
長(zhǎng)輸管道輸送距離長(zhǎng)，一般會(huì)經(jīng)過多處活動(dòng)斷層地帶，因此應(yīng)在地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外先進(jìn)的抗震經(jīng)驗(yàn)，對(duì)穿越斷層段進(jìn)行仔細(xì)的分析和研究，制定出可靠的抗震方案。
近幾年來，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室對(duì)穿越活動(dòng)斷層的埋地管道做了大量的研究，在理論和解決措施上均取得了很大成就，但由于地層活動(dòng)的復(fù)雜性，目前也尚未完 全解決這一問題，因此在穿越活動(dòng)斷層埋地管道設(shè)計(jì)時(shí)還需在《埋地管道抗震規(guī)范》的基礎(chǔ)上，針對(duì)斷層具體情況作進(jìn)一步的探討。
另外，為防止地層活動(dòng)造成管道破壞采取有效的預(yù)防手段是非常必要的，如對(duì)活動(dòng)斷層段的管道位移或應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將其納入管道控制之中，以便隨時(shí)掌握斷層活動(dòng)情況和管道安全狀況，確保管道運(yùn)行安全。
五、管道的質(zhì)量檢驗(yàn)
管道質(zhì)量的好壞不僅與管道壽命、經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)，而且直接關(guān)系著管道的運(yùn)行安全，因此，對(duì)管道建設(shè)的設(shè)計(jì)、采購、施工等各個(gè)環(huán)節(jié)和工序均應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的 質(zhì)量檢驗(yàn)和控制。目前我國的長(zhǎng)輸管道質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)和施工規(guī)范中對(duì)設(shè)計(jì)、原材料檢驗(yàn)以及各施工工序質(zhì)量的檢驗(yàn)和控制均有了較為詳細(xì)的規(guī)定，這里不再重 復(fù)，但施工規(guī)范中對(duì)管道試壓檢驗(yàn)的規(guī)定值得作進(jìn)一步的探討。
我國現(xiàn)行規(guī)范一般規(guī)定以液體作試壓介質(zhì)時(shí)，試驗(yàn)壓力取為管道設(shè)計(jì)工作壓力的1. 25倍，嚴(yán)密性試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)工作壓力，試壓分為分段試壓和整體試壓兩道工序。根據(jù)我國有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，管道操作壓力一般取材料規(guī)定最低屈服極限的 0.72倍，也就是說強(qiáng)度試驗(yàn)壓力相當(dāng)于材料規(guī)定最低屈服極限的0.9倍，應(yīng)該說這樣的試驗(yàn)壓力是偏低的。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，以材料實(shí)際屈服極限的0.9倍 這樣的應(yīng)力水平進(jìn)行試壓只能排除管道中25%～30%的缺陷，再考慮不同廠家供應(yīng)的鋼材其實(shí)際屈服極限與規(guī)定值的差別，這樣一種靜態(tài)的試驗(yàn)方法所排除的缺 陷比例將更低。因此說，這樣的試驗(yàn)方法不是完全合適的。而使用目前國外應(yīng)用較為廣泛的壓力一容積圖這一動(dòng)態(tài)控制手段，將試驗(yàn)壓力控制在0.95～1.0倍 材料實(shí)際屈服極限之間更為科學(xué)。這樣一方面，據(jù)統(tǒng)計(jì)可以暴露出60%以上的有害缺陷，另一方面，對(duì)不同的管材均可適用。
對(duì)試壓工序而言，由于 長(zhǎng)輸管道距離長(zhǎng)、缺陷總量多，再加上缺陷暴露的先后有別，致使試壓時(shí)反復(fù)升壓降壓，這樣由于缺陷處裂紋擴(kuò)展的積累，會(huì)使管材出現(xiàn)承壓能力逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這就是 很多管道試壓時(shí)，前幾次試驗(yàn)壓力達(dá)到較高水平時(shí)才出現(xiàn)泄漏，但后面的試壓卻在較低壓力水平時(shí)出現(xiàn)泄漏的原因。
因此，試壓時(shí)采用高試驗(yàn)壓力、低 試驗(yàn)次數(shù)的試驗(yàn)方法較為合理。具體的做法可以對(duì)管道分段進(jìn)行強(qiáng)度試壓，因?yàn)榇藭r(shí)管道長(zhǎng)度短，缺陷總量少，可以有效降低升降壓次數(shù)。各段間連接的死口進(jìn)行 100%超聲波和射線探傷，取消整體強(qiáng)度試壓而只做整體嚴(yán)密性檢查。這樣可以節(jié)省試壓時(shí)間和費(fèi)用，有效暴露管道的有害缺陷，同時(shí)避免多次升降壓對(duì)管道造成 損傷。
六、結(jié)束語
長(zhǎng)輸管道工程投資大、整體性強(qiáng)，因此在工程線路勘察設(shè)計(jì)、材料設(shè)備選用、施工及將來的運(yùn)行管理中應(yīng)充分考慮管道的安全性能，以確保其運(yùn)行安全，為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮出應(yīng)有的作用。
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