在用工业管道定期检验规程的制订与应用

在用工业管道定期检验规程的制订与应用合肥通用机械研究所陈学东王冰国家质检总局锅炉局管道处修长征2020/1/252一、从石油化工工业管道使用现状与常见缺陷分析二、正确把握“管检规”重要概念与条文三、工业压力管道安全保障技术研究进展四、基于风险的检验（RBI）简介主要内容1.我国石化企业工业管道使用现状2020/1/2541.1我国工业压力管道事故情况图１1994～2002年部分国内压力管道事故的统计情况463836272116181016675449282617232133149128995514960334633050100150199419951996199719981999200020012002事故起数死亡人数受伤人数2020/1/255图21994～2002年部分国内工业压力管道事故直接经济损失情况23043500106480450860420575.61030500100015002000250030003500199419951996199719981999200020012002直接经济损失(万元)2020/1/2561.2石化企业压力管道基本情况调查第一次调查1995～1996年，中石化总公司、35家企业54346台压力容器、6475.7公里Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类压力管道第二次调查1997.10，中石化总公司、36家企业1166台高强钢压力容器、1565条80.4公里高强钢压力管道第三次调查2000.10，中石化股份公司、30余家企业686台液化石油气球罐第四次调查1998～2000，二十余家企业含缺陷压力管道、介质环境作用下含缺陷压力容器第五次调查2001年，中石油9家企业26021台压力容器与5000余公里压力管道2020/1/257图3石化企业Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类管道事故原因24.5%8.5%29.8%10.5%26.7%安装原因设计原因制造原因管理不善腐蚀与冲蚀2020/1/2581.3工业压力管道目前存在的主要问题先天不足、后天失控(96年以前)压力管道设计、制造、安装、检验及使用管理的标准规范不统一、不齐全、甚至相互矛盾压力管道的设计工作缺乏有效的管理压力管道的组成件(如管子、管件、阀门、法兰等)的产品制造过程中没有强制性的监督控制压力管道的安装队伍混乱，管理失控缺乏完整的压力管道事故统计报告资料超标缺陷严重工业管道检验、检测与缺陷处理缺乏有效的依据逐步改善(96年以后)2.石化企业压力管道中常见缺陷情况及分析2020/1/25102.1先天原始缺陷(60%)与使用中的新生缺陷(40%)相互影响九十年代以前投用的压力管道由于制造安装质量严重失控，管道中原始缺陷较多九十年代以后在用的新老管道由于介质腐蚀性加剧，管道中新生缺陷，尤其是介质环境引起的损伤明显增多一般情况下管道严重损坏事故大多由原始缺陷引起，35～40%是使用中的缺陷与损伤引起原始缺陷与使用中新生缺陷是相互影响的，一条管线原始缺陷多，在使用中也容易新生缺陷，如不合理管道结构，不合适的管道组成件选型都会在使用中诱导缺陷产生使用环境变化也会使一些人们不注意的原始问题暴露2020/1/25112.2原始缺陷中的焊接缺陷占80%以上《管检规》第49条2.2.1焊接接头的对口形状不符要求如：a.对接接头无间隙、无坡口：焊缝出现严重未焊透或未熔合b.角焊缝对口不符合要求管端盲板的角接焊缝不按规定，随意进行组对焊接，导致焊肉不饱满；严重未焊透，造成管端盲板受水击时飞出或脱落的事故。如某再生器主送风管道，因主管管端盲板角焊缝缺肉，盲板飞出，使主风机短路，两段空气压差急增，导致近400吨再生器振动的事故。主管上的扫线管马鞍型接口角焊缝，对口为不焊透连接，角焊缝凸起，熔合线又严重的咬边，在扫线吹扫时的振动，造成断裂泄漏，380℃高温重油泄出着火事故。2020/1/2512马鞍焊缝接口问题造成的失效：图4接管角焊缝的不规范焊接a.对口间隙大小不均：导致局部未焊透或焊肉较簿，在热应力和腐蚀介质富集下的断裂泄漏；b.在对口间隙大的一侧填塞金属，致使严重未焊透开裂2020/1/2513低点放空接管角焊缝问题图5低点放空接管a.开口的随意性：接管不插入，插入无间隙b.焊接位置困难：导致焊肉不饱满、缺肉、焊波不均匀、受力后断裂2020/1/25142.2.2焊接接头焊接工艺不严格执行a.Cr-Mo钢同钢种焊缝预热温度、层间温度、后热处理的温度不按焊接工艺进行，使焊接头出现淬硬组织，容易产生开裂。b.Cr-Mo钢用奥氏体类不锈钢焊条的异种钢焊接用交流电源和直流正极焊接，导致熔深大、焊接接头热影区增宽、降低接头抗冲击能力，熔合区组织易出现马氏体组织，在熔合线处出现裂纹或“刀状腐蚀”。奥氏体焊条碳含量偏高，如C≤0.20，易出现晶间腐蚀或晶间应力腐蚀。奥氏体焊条的Ni、Cr含量偏低，易在接头的熔合区出现淬硬组织，出现裂纹。用焊碳钢的操作(运条方式)施焊不锈钢焊缝，焊接线能量偏大，易出现过热缺陷。如晶粒粗大，碳化物沿晶界折出的敏化失效。2020/1/25152.3凹坑与局部减薄类缺陷的“死”与“活”《管检规》第46、47、48条表面缺陷打磨形成凹坑——“死”缺陷由表面缺陷打磨形成凹坑，在使用中没有介质腐蚀的话，这类凹坑或局部减薄一般不会发生变化，是“死”缺陷，而且位置固定，容易发现与监控，相对危害性较小。腐蚀坑、冲刷磨损沟槽——“活”缺陷在使用中产生的凹坑与减薄，如腐蚀坑，冲刷磨损沟槽等等，这类缺陷是“活”缺陷，减薄尺寸会不断加大，并且可能存在于管道任何位置，难于发现，因而危害性较大，企业中的很多多爆炸事故因此而引起。2020/1/2516流向流向流向流向2020/1/25172.4无形的缺陷《管检规》第45条“有形缺陷”，是可以用无损检测方法发现的，如裂纹、未焊透、气孔等焊接缺陷及几何偏差“无形缺陷”，无形、弥散、难以用无损检测方法发现，一般无法修复，是材质的损伤与蜕化，如氢脆、应力腐蚀、回火脆化等等。如美国1999年加氢裂化管线爆炸就是因为临氢管线上铸态不锈钢阀门脆化损伤引起。大连WEPC的阀门已发现了同样问题，只是发现及时未酿成事故。图6高温油气管线的球化和石墨化2020/1/2518图7奥氏体不锈钢晶间腐蚀图8奥氏体不锈钢应力腐蚀2020/1/2519图9低碳钢珠光体球化及石墨化图10低碳钢珠光体球化(完全)2020/1/25202.5结构缺陷管系结构布置不合理、变形无法补偿、局部高应力等《管检规》第44条图11两管道间跨线加阀门2.5.1不同的管道安装方式导致失效管道跨线加阀门：如图Dg80、Pg40的阀门a图法兰泄漏b图缓和了法兰接口的应力状态不泄漏2020/1/2521两条蒸汽跨线连接转线a图在“B”蒸汽配汽线上马鞍焊缝开裂、泄漏b图改接后的跨线上增加一只弯头，马鞍口焊缝处的应力状况得以改善再不开裂不泄漏图12两蒸汽线间跨线连接方法2020/1/25222.5.2管系中的高应力“点”，导致开裂、泄漏图12两换热器壳程之间连接线如图，两换热器壳程管系中大小头端部的“4点”，计算反力矩达4543kgfm，焊缝出现过裂纹并泄漏。为降低“4点”的反力矩，将大小头移至“B或C”点、“4点”的反力矩就降至2182.3kgfm。使“4点”的反力矩减少了50%以上，就免出了裂纹的再出现2020/1/2523如图，换热器E01的连接法兰“A”长期泄漏，在法兰密封面上采用更换垫片材质和垫片型式，均未能消出泄漏，应力分析计算结果表明，其X、Z方向的合成反力矩达7292kgfm，将管系按图示要求改造后，合成反力矩降至1025kgfm，法兰处不再出现泄漏。图14换热器与过滤器之间管系改造前后图2020/1/25242.5.3管系结点因疲劳应力导致的开裂图15焦炭塔塔底进料及暖塔管系图1—四通切换阀2,3—塔底进料口4,5—暖塔堵焦阀口焦碳塔塔焦阀接管48小时在四通阀“1”处变换一次进油状态，进油温度达480℃时“4”、“5”点的轴向温差高达153℃(一般72℃)。在430℃壁温下计算的管端推力矩达20.236N.m。在长年的温差引起的管端推力矩的作用下，出现沿接管加强板角焊缝的整圈开裂。断口取样经电镜观察图象，呈典型的疲劳条纹形断口，裂纹深度达3～6毫米。2020/1/2525制氢装置酸性水汽提进水管接管，在塔壁进口接管处呈穿透性断裂图16气提塔塔入口接管角焊缝穿透裂纹2020/1/25262.5.4地基沉降原因宝钢一期动力管网地处沿海地基沉降普遍、建造时基础处理不到位。主管道支架附近新建车间或挖排水沟，水土流失，由于基础沉降不均，最大降量达到320mm，造成主管道水平度出现偏差，受力不等，在工作应力状态下管道有些部位的应力水平大大超过原设计水平。如在化工厂附近由于Φ2200mm主管道与支管道Φ1800mm管道基础沉降不均匀，造成支管道严重开裂、膨胀节也因此发生变形及泄漏。对宝钢一期动力管网因基础沉降引起管道、膨胀节受力不均进行了有限元计算与分析。部分计算结果见下图：图18支架不均匀沉降使管道受力不均第18处图17支架不均匀沉降状态2020/1/2528图19双支架工作状况下位移变形图图20双支架工作状况下的应力等级图2020/1/2529图21有限元计算应力分布图计算分析结果表明：支架不均匀沉降已对宝钢的安全生产构成严重威胁采取措施：托补修复、调整沉降严重的支架。2020/1/2530图22BFG动力管线(调整前)沿纬三路92#至纬三路104#支架间最大TRESCA应力曲线图23BFG动力管线(调整后)沿纬三路92#至纬三路104#支架间最大TRESCA应力曲线2020/1/2531图24COG动力管线(调整前)沿纬三路137#至纬三路147#支架间最大TRESCA应力曲线图25COG动力管线(调整后)沿纬三路137#至纬三路147#支架间最大TRESCA应力曲线2020/1/25322.6管道组成件与支承件的质量问题《管检规》第45、51、52条管件(三通、弯头、大小头等)、法兰、螺栓、垫片、阀门、接头、过滤器、支吊架等组成件与支承件的失效破坏同样也会造成管道的失效与破坏。由于这些元件涉及专业多、行业广，长期以来，质量难以控制。2.6.1管材自身质量不合格化学成分严重偏差管壁厚度不均管材自身有可见裂纹和壁厚分层管材(不锈钢)其微观组织出现差异2020/1/25332.6.2管道组成件的质量问题合金钢管件热处理质量控制不严格，导致高硬度管件在焊接、试压和使用中开裂管件锻造工艺不严格，出现锻制时变形量过大，管件内壁形成大量的纵向沟槽，锻造过程中又不规则的冷却，使锻件淬硬，在腐蚀环境下，加速了管件断裂管件原材料不合格。如不锈钢成分不合格，未进行固熔处理等制造商用非整体拼焊结构的法兰来假冒整体法兰2020/1/2534膨胀节失效国内某石化公司1#重油催化裂化装置反应再生系统外取热器催化剂入口管复式自由型膨胀节在开车和运行过程中先后发生复式自由型膨胀节整体失稳和单式绞链型膨胀节腐蚀穿孔等失效事故。图22再生系统外取热器催化剂入口管膨胀节布置简图2020/1/25352.7高强钢应用与介质环境苛刻化高强钢应用带来裂纹敏感性增大，尤其是在各种高温临氢及腐蚀性介质作用下管道发生腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳、蠕变、氢损伤的概率大大增加。介质环境苛刻导致管道内壁腐蚀常温下湿硫化氢、无水液氨、Cl-、硝酸盐等的应力腐蚀高温下环烷酸、硫化物及氢损伤保温防腐措施不善导致管道外壁腐蚀不锈钢管道外壁氯离子应力腐蚀，碳钢露点腐蚀、酸、碱腐蚀等3.提高压力管道安全运行的途径与对策2020/1/25373.1建立法规、完善标准《压力管道安全管理与监察规定》《在用压力管道定期检验规程》──结合了SHS01005《工业管道维护检修规程》、《化工部工业管道检验规程》，吸收国家“八五”、“九五”攻关课题成果。GB50316-2000《工业金属管道设计规范》GB50235–97《工业金属管道工程施工及验收规范》GB50236–98《现场设备、工业管