在役管道完整性安全(Fitness)评定

大量的管道被应用在石化化工、石油及天然气、能源(火电和核电)以及公共设施(市政热力和燃气)等系统中,用来输送不同的流体,满足生产和生活使用。极大地提高了工业生产效率,改善了人们的生活。

由于管道承受重量,温度和压力,线路距离长,运行环境复杂,事故影响范围大,危害程度高。国家针对管道,尤其是压力管道的材料、设计、安装、检验,以及运行管道完整性都做出了很多相关规范,并且实行监管。确保管道安全运行。

质检总局《特种设备目录》 (2014年第114号)中,对压力管道的定义,是指利用一定的压力,用于输送气体或者液体的管状设备,其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa(表压),介质为气体、液化气体、蒸汽或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体,且公称直径大于或者等于50mm的管道。公称直径小于150mm,且其最高工作压力小于1.6MPa(表压)的输送无毒、不可燃、无腐蚀性气体的管道和设备本体所属管道除外。

管道按服役行业被划分为GA(油气长输管道),GB(市政燃气和热力管道), GC(化工管道)和GD(电力动力管道),并且颁发了相应的管道及管件器材规范,管道设计规范,管道施工检验规范等系列规范,供工程建设使用。

工艺管道系统一旦进入运行生产,管道和其他设备一样,就进入服役状态。针对大量的在役管道系统,由于施工质量的影响、现场环境的改变、运行异常操作的变化和影响,人们发现一个设计合理的管道系统,在运行过程中,管道位置可能不在设计状态,会出现一些新的问题,如管道振动,噪音,管道过度变形,连接设备管口破坏,管道占压,支架脱空、沉降、腐蚀,及焊缝缺陷带入运营管道中等。这些问题影响管道安全性和可靠性,威胁人身、财产安全。我们统称这些问题为“管道完整性问题”

从事管道工程设计的单位专业化程度很高,都是依据规范进行管道设计,确保安全和寿命保障。管道规范对材料、设计、施工和检验都有严格清楚的要求。专业设计和施工单位完成的管道工程总体上都是合格可靠的。但多数管道系统一旦进入服役,管道移交给运营人员来做生产,管道完整性类问题的检查和监管就移交给运营和管道监察机构。

一旦发生上述“管道完整性类问题”,为确保安全生产,现场运营公司和监督检验机构迫切地需要解决它们。而多数运营和监督检验机构人员对管道设计规范和设计技术及解决问题方法缺乏了解。监督检验机构多数人都是从事压力容器检验出身的。压力管道不同于压力容器,管道受力十分复杂。管道力学基于结构力学,兼有承压设计的一个管道系统方案,结构布置涉及工程力学问题;而压力容器则是以承压设计为主,兼顾承重设计的单体设备设计。这就导致很多人认为“管道完整性类问题”就是缺陷检查,甚至有很多人误认为管道可以在上面安装应变片,以检测管道应力,保证管道安全。

针对在役管道出现的各类问题,我们到底应当如何分析,如何解决这些运营管道的问题,保证生产安全?根据我们多年对这类问题的研究和处理经验,通过查阅大量国内外文献,将这些类问题处理方法和方式整理出来,供运营和监督检验机构人员参考。

在役类管道完整性问题的解决可以归纳为以下四种:

  • 管道支架失效和管道变形—通过管道应力分析解决
  • 管道振动—振动测量和危害评估
  • 管道腐蚀—剩余强度和承压能力检查
  • 管道缺陷—断裂分析

 

以上四类问题约占比例如下图所示:

  1. 管道支架失效和管道变形,在役管道应力分析

在役管道进行应力分析的意义在于:

由于施工质量的影响、现场环境的改变、运行参数的变化、非正常操作等原因,管道离开设计位置,支撑条件发生变化。此外,除了基本载荷之外,管道还会受到其他载荷作用(见下表)。设计报告已不足以判断管道的安全性,需要根据现场真实状态,结合设计阶段的分析报告,做出现场真实模型,校核管道应力状态,评定其安全性。

表管道载荷

基本载荷 持续载荷 重量、压力
热胀载荷 温差、管口初始位移
偶然载荷 风载荷、地震作用、水锤汽锤、安全阀泄放
运行中额外载荷 持续载荷 沉降、占压
偶然载荷 交通碾压

管道运行中可能存在的应力问题:

垮塌:支吊架支撑管道重量。支架跨度过大,或支架距离集中质量过远,都可能导致管道垮塌。施工时支架的未充分支撑,运行时各种问题导致的支架脱离,都有可能导致这个问题。

图 管道垮塌失效

碰撞、支架脱落:由于介质温度的影响,管道热胀冷缩,会产生位移。如果并排管道的位移控制不好,或管道间距预留不够,可能发生碰撞;如果支架没有考虑足够的位移量,可能发生支架脱落。一旦出现支架脱落,相当于除去此处支架,跨度增加,可能引起垮塌,也可能会引起其他支架超载、设备管口超载等问题。

图 管道碰撞和支架脱落

沉降:沉降可能带来三个问题。一,支架基础沉降,导致支架脱空;二,管道埋地部分的土壤沉降,产生强制位移;三,储罐基础沉降,导致管口向下位移,带着管道变形。

图 管道沉降

占压:由于城市规划,在埋地管道的地面增加建筑设施,如果管道埋深较浅,可能会发生失稳变形。

交通碾压:新铺设的公路可能与埋地管道存在交叉点,如果管道埋深较浅,可能发生失稳变形。

图 交通碾压

这些问题都需要采用设计阶段必备的一维梁单元有限元分析软件进行应力分析,进而解决问题。

图 管道应力分析模型

此类管道问题约占在役管道问题的80%以上。

  2.在役管道振动分析

管道运行过程中,有可能会发生振动。管道振动主要是由机械振动或流致振动导致的。

图管道振动

如果发生振动,主要是导致疲劳破坏,同时也可能导致支架脱落、焊口开裂、法兰泄漏等各种失效,以及噪声污染,加速管道磨损等问题。管道振动分析的首要问题和重要内容是找出振动的原因。

振动原因有两种:机械振源和水力振源。

  • 机械振动是由于诸如泵或压缩机之类的动设备引起,又导致与之相连管道的振动。动设备可以将振动通过其管嘴直接传递到管道上,直接导致管道振动;也可能先导致结构或地板振动,然后通过结构和支架将振动传递给管道,间接导致管道振动。如果机械振源的振动频率与管道固有频率相差较大,管道可能只伴随设备振动;如果两者接近,则管道可能放大振动,即发生共振。

图 设备频率

原则上,机械振动可以通过优化支架,改变管系固有频率的方法或者隔绝振动的方法实现控制。

  • 水力学引起的流致振动比较复杂,液体系统往往是FIV(高流速,管道柔软)和FIP(流体在分支盲端诱发脉动流体);气体系统往往是AIV声学振动,气蚀,水击和往复泵及压缩机引发的流体脉动导致的。

原则上,振动分析和解决往往是从克服振源和提高管道频率两个方面来解决问题。但解决这些问题,需要通过接受系统化、专业化的管道振动方面的培训,然后采用先进的手段工具对管道系统进行详细的定性定量分析,才能准确地找到振源,进一步有效地防控管道振动。

发生振动的在役管道,可以通过基本测量(测振动频率,振幅,速度或加速度),或高级测量(测动应变)即可获得疲劳影响水平,快速判断管道是否能够继续运行,还是必须停车增改。具体可参照EI(Guidelines for the Avoidance of VibrationInduced Fatigue Failure in Process Pipework)导则进行测量和评定。

管道振动问题约占管道问题的10%左右。

   3.在役管道腐蚀与防护

管道的腐蚀按照破坏形式可以分为:均匀腐蚀和局部腐蚀。

均匀腐蚀包含:管道内表面遭受输送物料的全面腐蚀和外壁裸露表面遭受的锈蚀。

图 均匀锈蚀

局部腐蚀包含:点蚀、缝隙腐蚀、磨损腐蚀、应力腐蚀等。

图 点蚀

图 缝隙腐蚀

图 应力腐蚀

均匀腐蚀由管道材料和物料腐蚀特性确定。设计时考虑足够的腐蚀裕量即可保证安全,因此不是危害最大的腐蚀形态。

局部腐蚀:点蚀、缝隙腐蚀和磨损腐蚀的机理类似,均为由于材料外表面的缺陷原因导致局部腐蚀加速,其危害性较大。应力腐蚀可以理解为材料在较大的应力作用下,内部小缺陷增长为大缺陷导致腐蚀加速。

管道在设计初期,都会考虑介质和选材,管道防腐方案。对于埋地管道油气往往都是防腐涂层+阴极保护,区域供热直埋都是采用有PE外护的聚氨酯保温管。

  • 物料特性导致的腐蚀可以通过采用耐腐蚀性能更好的材料、涂覆耐腐蚀层、增加阴极或阳极保护等方法加以控制。

图 阴极保护

  • 应力导致的腐蚀需要通过降低管道应力的方法加以控制。

如果现场出现腐蚀问题,首先需要对腐蚀处管道进行评估(ASME B31G)。

ASME B31G规范对于腐蚀缺陷尺寸进行测量,然后根据尺寸,采用三级评定:

  • 第一级,根据腐蚀尺寸直接查经验表格,评估是否可继续使用
  • 第二级,根据腐蚀尺寸得到当量壁厚,反折最大许用压力,评估是否可继续使用
  • 第三级,根据腐蚀尺寸,做详细的有限元模型,评估应力状态,看是否可继续使用

评估之后,还需要明确腐蚀成因,以防控后面的腐蚀:

  • 防腐涂层脱落,或防腐效果不好,需要重新涂覆或更换材料;
  • 保护金属消耗过大,需要重新补充或更换;
  • 应力腐蚀,需要通过管道应力分析,调整管道应力;

管道腐蚀问题约占管道问题的5%左右。

  4.含缺陷管道的断裂分析评定

管道在建造过程中可能会存在缺陷,如材料本身的缺陷、焊接的质量缺陷。这些缺陷在建造阶段就应当被消除。如果建造阶段没有发现,这些缺陷将进入运行阶段。

图 焊缝咬边

运行阶段也可能会出现一切缺陷问题,如裂纹缺陷、腐蚀凹坑、弯管起褶、撞击损伤、划伤等。

图 弯管起褶

图 撞击损伤

图 划伤

       如果在管道运行中发现了缺陷的存在,直接有效地解决方案就是更换管段或管件。但通常无法及时更换元件,或更换成本较高。这种情况下可以通过缺陷评估,判断是否可以继续使用,以及剩余使用寿命,在合适的时间(如,系统大修)更换管道元件。

弯管起褶可能出现在预应力弯头处,或埋地管道土壤沉降段。根据规范PFI ES-24,可以根据经验公式做出简单判断管道的安全性:

图 弯管起褶评定

       如上图所示,根据起褶处的环向应力,可以得到允许的起褶高度和管道直径的比值。

其他缺陷(如裂纹、撞击凹坑、划伤等)的评估与腐蚀评估类似,可以分为以下步骤:

a)通过测量缺陷长度和深度,将缺陷量化,得到缺陷的长度、深度

图缺陷尺寸定义

     b)第二步的评定分为三个级别:

-1)根据缺陷的当量长度、深度,查经验表格,确定此缺陷是否能够接受

-2)根据缺陷的长度、深度,得到缺陷处元件的当量壁厚,根据此壁厚进行管道整体应力分析一维梁单元有限元分析评定此应力状态是否满足要求

-3)根据-2)中整体应力分析得到的缺陷元件两端的载荷,进行详细的局部有限元分析壳单元有限元分)将缺陷的实际尺寸纳入考虑,得到缺陷元件的应力状态(需要获得缺陷位置的局部膜应力和局部弯应力),评定是否满足要求。

图 局部有限元分析

从上文可以看出,缺陷评定的三个级别可以看做“在100米外”、“在1米”、“拿着放大镜”看管道。可以根据管道重要性和更换元件的成本,选择用哪种方法分析缺陷。

缺陷评定问题约占管道问题的5%以下。

综上:

  • 在役管道的绝大部分问题是支架、碰撞、沉降、管口变形等问题,可以通过管道应力分析解决。
  • 管道振动需要“追根溯源”,通过定性定量分析得到振动的起因,根据振源类型解决。
  • 管道需要有效的防腐措施,腐蚀通常不会产生。发生腐蚀后,需要评定腐蚀处的承压能力,判断能否继续使用。另外,应力腐蚀需要通过应力分析降低腐蚀处的应力才能彻底解决。
  • 缺陷需要从源头处防控,通过严格的质量控制,消除材料和焊接缺陷。如果缺陷已经产生,更换管道元件是快速有效的解决方案。但在役管道元件通常无法及时更换。通过缺陷评定,可以得到含缺陷管道的使用寿命,延后更换元件的时间。

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