《特種設備安全監察條例》對壓力管道的定義是: 壓力管道,是指利用一定的壓力,用于輸送氣體或者液體的管狀設備,其范圍規定為最高工作壓力大于或者等于0.1MPa(表壓)的氣體、液化氣體、蒸汽介質或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標準沸點的液體介質,且公稱直徑大于25mm的管道。這就是說,現在所說的“壓力管道”,不但是指其管內或管外承受壓力,而且其內部輸送的介質是“氣體、液化氣體和蒸汽”或“可能引起燃爆、中毒或腐蝕的液體”物質。這里所謂能燃爆、能中毒或有腐蝕性,具有如下內涵:
介質的燃爆性:即介質具有可燃性和爆炸性,在一定條件下能引起燃燒或爆炸,釀成火災和破壞。這些介質包括可燃氣體、液化烴和可燃液體等有火災危險性的物質,也包括容易引起爆炸的高溫高壓介質如蒸汽、超過標準沸點的高溫熱水、壓縮空氣和其他壓縮氣體等。其中,可燃介質的火災危險性根據《石油化工企業設計防火規范》 GB50160和《建筑設計防火規范》GBJ16,共分為甲、乙、丙三類。
其中甲、乙類可燃氣體與空氣混合物的爆炸下限(體積)分別規定為:
甲類可燃氣體:<10%;
乙類可燃氣體:≥10%。
甲、乙和丙類可燃液體的分類見表1。
表1 液化烴、可燃液體的火災危險性分類
類 別 |
名 稱 |
特 征 | |
甲類 |
A |
液化烴 |
15 0C時蒸汽壓力>0.1MPa的烴類液體及其他類似液體 |
B |
可燃液體 |
甲A以外的可燃液體,閃點<28 0C | |
乙類 |
A |
可燃液體 |
閃點≥28 0C至≤45 0C |
B |
閃點>45 0C至<60 0C | ||
丙類 |
A |
可燃液體 |
閃點≥60 0C至≤120 0C |
B |
閃點>1200C |
注:閃點低于45 ℃的液體稱為易燃液體;閃點低于環境溫度的液體稱為易爆液體。在GBJ16的規定中,屬于甲類火災危險性的可燃介質(或生產過程)還有:常溫下能自行分解或在空氣中氧化即能導致自燃或爆炸的物質;常溫下受到水或蒸汽作用能產生氣體并引起燃燒或爆炸的物質;遇酸、受熱、撞擊、摩擦、催化及遇有機物或硫磺等易燃的無機物,極易引起燃燒或爆炸的強氧化劑;受撞擊、摩擦或與氧化劑、有機物接觸時能引起燃燒或爆炸的物質;以及在密閉設備內操作溫度等于或超過物質本身自燃點的生產。屬于乙類火災危險性的介質主要是指不屬于甲類火災危險性的氧化劑和化學易燃固體,以及助燃氣體。 (B)介質的毒性:即介質具有使人中毒的特性。當這些介質被人吸入或與人體接觸后,能對人體造成傷害,甚至死亡。根據《職業性接觸毒物危害程度分級》GB5044的規定,毒物按急性毒性、急性中毒發病狀況、慢性中毒患病狀況、慢性中毒后果、致癌性和最高允許濃度等六項指標,共分為極度危害、高度危害、中度危害和輕度危害四個等級。極度危害介質有時也稱之為“劇毒介質”,高度、中度和輕度危害介質則統稱為“有毒介質“。劇毒介質(流體)在我國國家標準《工業金屬管道工程施工及驗收規范》GB50235-97中的解釋是:如有極少量這類物質泄漏到環境中,被人吸入或與人體接觸,即使迅速治療,也能對人體造成嚴重的和難以治療的傷害的物質。相當于現行國家標準《職業性接觸毒物危害程度分級》GB5044中 I 級危害程度(極度危害)的毒物。據此可以將劇毒介質理解為就是極度危害介質。而有毒介質在標準中的解釋是:這類物質泄漏到環境中,被人吸入或與人體接觸,如治療及時不致于對人體造成不易恢復的危害。不過,毒性程度相同的毒物,在具體如何對待的問題上各行業也存在差異。如苯在《職業性接觸毒物危害程度分級》
GB5044中被列入極度危害介質,在《壓力管道安全管理與監察規定》的解析中也作為極度危害介質的例子。而在《石油化工有毒、可燃介質管道工程施工及驗收規范》SH3501-2002的管道分級中,苯則被與高度危害介質同等對待。列入SHB級之中。相反,丙烯腈、光氣、二硫化碳和氟化氫等四種高度危害介質則在SH3501-2002中被與極度危害介質同樣看待,列入SHA級管道之中。這不但對施工質量標準和在用管道的檢驗要求有影響,同時對具體工程施工時劃分許可證級別也是有影響的。如承擔有苯介質的管道安裝工作時,若苯被視為極度危害介質,施工單位應持 GC 1級安裝許可證,而若作為高度危害介質時,則持證級別與管道的設計壓力和設計溫度有關。對于這個問題的理解可以從毒物危害性分級的原則進行解釋:國家標準《職業性接觸毒物危害程度分級》GB5044-85對具體毒物的分級是以列舉常見的56 種毒物在某些行業中的危害程度分級進行表達的。但該標準同時指出:對接觸同一毒物的其他行業(該標準表2中未列出的)的危害程度,可根據車間空氣中的毒物濃度、中毒患病率、接觸時間的長短,劃定級別。凡車間空氣中毒物濃度經常達到TJ36—79《工業企業設計衛生標準》中所規定的最高容許濃度值,而其患病率或癥狀發生率低于本分級標準中相應的值,可降低一級。所以,對每種具體物質,國家標準和專業標準在劃分危害等級時存在差異是正常的。因為除了致癌性和空氣中最高容許濃度外,其他四項指標都與生產過程和操作特點有關。石油、化工和石油化工等以管道輸送介質為主的生產過程,有毒物質處于連續、密閉狀況下流動,其危害程度取決于因事故致使毒物與人體接觸,或因經常性泄漏引起職業性慢性危害的機率,通常要低于開放性生產過程。因此,在壓力管道設計時具體確定毒物危害等級應主要以車間空氣中毒物濃度、中毒患病率、接觸時間長短來劃定。上面提到的毒物危害性分級指標中,關于車間空氣中毒物的最高允許濃度規定如下: 極度危害:最高允許濃度小于0 .1 mg/m3;高度危害:最高允許濃度為0 .1 mg/m3 ~1 .0 mg/m3。根據《工業企業設計衛生標準》(TJ36—79)的規定,苯、丙烯腈、光氣、二硫化碳和氟化氫等五種毒物在車間空氣中和居住區大氣中的最高允許濃度見表 2:
表2 幾種毒物的最高允許濃度
毒物名稱 |
苯 |
丙烯腈 |
光氣 |
二硫化碳 |
氟化氫 |
車間空氣允許濃度 |
40.0 |
2.0 |
0.5 |
10.0 |
1.0 |
居住區大氣允許濃度 |
0.8 |
0.05 |
—— |
0.04 |
0.007 |
由表2可見,苯在車間空氣中的最高允許濃度遠遠高于極度危害介質。同時,根據工業生產中管道輸送的連續性、密閉性特點,以及苯與操作人員的接觸時間長短和中毒患病率的情況分析,苯也不應屬于極度危害介質的范圍。所以,實際工作中確定介質的毒害程度應以設計文件確定的毒物性質或設計文件中指明的施工驗收規范為準。
另外,關于接觸時間長短我國尚未制定有關標準,美國政府工業衛生專家會議(ACGIH)推薦的三種接觸閾限值可作為參考:
1)以正常8小時工作日或40小時工作周的時間加權平均限值為指標,在此濃度下,反復接觸對全部人員都不致產生不良影響;
2)以短時間接觸(每次不超過15分鐘,每天不超過4次,每次間隔不少于1小時)的時間加權平均限值為指標,在此濃度下,人短時間連續接觸不致引起刺激作用、慢性或不可逆組織病理變化、麻醉而增加意外傷害、自救能力減退或工作效率明顯降低等;
3)上限值是指即使在瞬間也不得超過的最高濃度。
(C)介質的腐蝕性:是指能灼傷人體組織并對管道材料造成損壞的物質,如酸、堿以及其它能引起材料損害的流體如氫、硫化氫等。
(三)壓力管道的安全監察范圍
根據《壓力管道安全管理與監察規定》,屬于安全監察范圍的壓力管道是具備下列條件之一的壓力管道及其附屬設施、安全保護裝置等。
1)毒性程度為極度危害的介質,不論壓力,溫度及狀態;
2)火災危險性為甲、乙類的介質,不論壓力、溫度及狀態;
3)最高工作壓力大于、等于0. 1 MPa的氣(汽)體、液化氣體介質,未規定性質及溫度,但《壓力管道安全管理與監察規定》中規定不屬于監察范圍的除外。
4)最高工作壓力大于、等于0.1 MPa的易燃 、易爆 、有毒,有腐蝕性介質或最高工作溫度高于、等于標準沸點的液體介質。
《壓力管道安全管理與監察規定》中規定以下四類管道不屬于監察范圍:
a)設備本體所屬管道。
b)軍事裝備,交通工具和核裝置中的管道。
c)無毒、不可燃、無腐蝕性的氣體,公稱直徑小于150mm 且最高工作壓力小于1.6 MPa的管道。
這里,所謂壓力管道所屬設施及安全保護裝置的定義是:
a)附屬設施主要指用于壓力管道的管道用設備、支吊架、陰極保護裝置等。
b)安全保護裝置主要指超溫、超壓控制裝置和報警裝置等。
注:最近頒發的《壓力管道使用登記管理規則》(試行)中對壓力管道、附屬設施和安全保護裝置的界定,明確為:
a)壓力管道指由管道組成件、管道支承件、安全保護裝置和附屬設施等組成的系統。用于輸送氣體或者液體的管狀設備;
b)附屬設施指陰極保護裝置、壓氣站、泵站、閥站、調壓站、監控系統等;
c)安全保護裝置指壓力管道上連接的安全閥、壓力表、爆破片和緊急切斷閥等。
二、壓力管道的主要特點和結構要求
(一)壓力管道的特點
一個管道系統,為了完成流體的輸送、分配、混合、分離、排放、計量或控制流體流動的功能,必須與相應的動力設備、反應設備、儲存設備、分離設備、換熱設備、控制設備等連接在一起,形成一個系統,使管內流體具有一定的壓力、溫度和流量,完成設計預定的任務。同時,不同類別的壓力管道,由于材料、結構和敷設形式不同,其特點也有所不同:
(A)工業管道的特點
1)數量多,管道系統大,車間內管道布置交叉、緊湊;
2)管道組成件和支承件的材質、品種、規格復雜,質量均一性差;
3)運行過程受生產過程波動影響,運行條件變化多,如熱脹冷縮、交變載荷、溫度和壓力波動等;
4)腐蝕和破壞機理復雜,材料失效模式多。
(B)長輸管道和公用管道的特點
1)管道敷設長度大,跨越地區多,地形地質復雜;
2)埋地敷設多,缺陷檢測難度大;
3)容易遭受意外損傷。
(二)壓力管道的結構要求
壓力管道由于輸送的流體具有毒性、燃爆性和腐蝕性,且又有高溫、高壓、低溫等特殊操作條件,使其具有相當大的危險性。因此,壓力管道系統結構應當具備下列條件:
耐壓強度:承受管內流體作用于管道上的壓力(內壓或外壓)、溫度所引起的應力及其長期、反復的影響,如蠕變和疲勞等;
密封性:阻止管道內部流動的流體泄漏到管道外部空間或流體中;
耐腐蝕性:承受管內流體對管道材料的腐蝕作用。管道材料的耐腐蝕等級分為4級,以年腐蝕速率衡量:充分耐腐蝕≤0.05mm;
耐腐蝕>0.05~0.1mm;
尚耐腐蝕>0.1~0.5mm;
不耐腐蝕>0.5mm;
柔性:管道的柔性是反映管道變形難易程度的一個物理概念。管道在設計條件下工作時,因熱脹冷縮、端點附加位移、管道支承設置不當等原因會產生應力過大、變形、泄漏或破壞等影響正常運行的情況。管道的柔性就是管道通過自身變形吸收因溫度變化發生尺寸變化或其他原因所產生的位移,保證管道上的應力在材料許用應力范圍內的性能。
為了滿足上述條件,管道系統的管道組成件必須使用耐介質腐蝕,有能夠在設計規定溫度下承受介質作用壓力的材料,且有相應的壁厚和密封結構。同時整個管道系統應有適當的支承。
在一些標準規范中,經常出現“劇烈循環條件”這一名詞。根據《工業金屬管道設計規范》GB50316-2000的解釋,劇烈循環條件是指:管道計算的最大位移應力范圍超過0.8倍許用的位移應力范圍和當量循環數大于7000或由設計確定的產生相等效果的條件。所謂“位移應力范圍”是指:由管道熱膨脹產生的位移所計算的應力。計算的最大位移應力范圍就是從最低溫度到最高溫度的全補償值進行計算的應力。設計對劇烈循環條件下運行的管道,在管道組成件的選用、管子和管件的最小厚度、無損檢測的要求等均有特殊的規定。
三、壓力管道的分類和分級
管道的用途廣泛,品種繁多。不同領域內使用的管道,其分類方法也不同。一般可以按用途、主體材料、敷設狀態和輸送介質等管道使用特性進行分類。具體情況可見圖1。
在一般法規、標準、規范中,為了便于設計、施工驗收和使用管理和檢驗,往往根據介質的特性和設計參數采用綜合分類、分級的方法,同時,在各行業的設計規范,施工驗收規范和維修、檢驗規程之間,對管道的分級或分類尚存在差異。如:
國家標準《工業金屬管道設計規范》GB50316中的流體根據狀態、性質和設計參數分為A1、A2、B、C、D五類。A1類為劇毒介質;A2類為有毒介質B類為可燃介質;C類、D類為非可燃、無毒介質,其中設計壓力小于等于1MPa,且設計溫度為-29~186℃的為D類。化工、石油化工和電力等行業的施工及驗收規范對管道的分級或分類如下:
化工行業標準《化工金屬管道工程施工及驗收規范》HG20225—95按流體特性和設計參數分為A、B、C、D四類。基本與國家標準一致,但將有毒介質管道劃入B類管道。