壓力管道類別劃分原則探討

張有渝 李玲曉 趙國洪

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 浙江浙能天然氣管網有限公司, 浙江 杭州 310052;3. 中國石油天然氣股份有限公司天然氣銷售河北分公司， 河北 唐山 063000

0 前言

壓力管道廣泛應用于生產和生活,由于壓力管道中的介質是帶壓運行,且很多介質具有易燃易爆或腐蝕性的特點,故當壓力管道出現異常情況或事故時,往往導致嚴重的后果。因此,中國以標準形式對壓力管道設計、施工、安裝、運行進行了嚴格的規定和要求,且以法律和條例形式對壓力管道的監管作出了規定。

壓力管道中運行的介質種類繁多,性質各異,壓力管道的功能、屬性也隨著業主建設目的的不同而不同,有的壓力管道設計參數和運行條件甚至還很嚴苛,因此壓力管道的正確設計、施工、安裝、運行與監管十分重要,是其長期安全運行的重要保證。

壓力管道的正確設計,首先需要選擇適合該壓力管道的設計規范,而選擇依據則應是壓力管道所屬的類別。壓力管道類別選擇的正誤決定了設計、施工、安裝、運行與監管等一系列環節的正誤,更決定了其是否能長期安全運行,所以壓力管道類別劃分與選擇是保證壓力管道長期安全運行的先決條件。

壓力管道類別劃分與選擇的先決條件是在理論分析的基礎上,規定類別劃分的原則。無論是在壓力管道行業興起的初期,還是在壓力管道已廣泛應用的現在,均存在確定壓力管道類別劃分原則的必要性。美國在壓力管道規范編制的初期,經歷了25年修訂合并的過程,才完成了ASME B31.3《工藝管道》(以下簡稱ASME B31.3)的完整編制[1-2]。規定壓力管道的類別劃分原則還可避免將不同類別的壓力管道設施進行錯誤劃分(如避免將輸氣管道的站場劃為工藝管道類別),從而避免了在設計、施工、安裝、運行、監管的各個環節錯誤執行不同類別壓力管道規范的失策。

本文從壓力管道的要素、功能、屬性切入,對其類別劃分與選擇進行理論分析,從而得出壓力管道類別劃分的原則,以期為壓力管道設計、施工、安裝、運行、監管提供類別選擇的依據,保證其長期安全運行。

1 定義及分析

1.1 定義

壓力管道:“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0.1 MPa(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25 mm的管道[3]。”

長輸管道:“產地、儲存庫、用戶間的用于輸送(油氣)商品介質的管道[4]。”

輸油管道工程:“用管道輸送原油、成品油和液化石油氣的建設工程。一般包括輸油管線、輸油站及輔助設施等工程內容[5]。”

輸氣管道工程:“用管道輸送天然氣、煤層氣和煤制天然氣的工程。一般包括輸氣管道、輸氣站、管道穿(跨)越及輔助生產設施等工程內容[6]。”

集氣管道:“氣田內部自一級氣液分離器至天然氣處理廠/凈化廠之間的天然氣輸送管道[7]。”

城鎮燃氣:“從城市、鄉鎮或居民點中的地區性氣源點,通過輸配系統供給居民生活、商業、工業企業生產、采暖通風和空調等各類用戶公用性質的,且符合本規范燃氣質量要求的可燃氣體。城鎮燃氣一般包括天然氣、液化石油氣和人工煤氣[8]。”“城鎮燃氣輸配系統一般由門站、燃氣管網、儲氣設施、調壓設施、管理設施、監控系統等組成[8]。”“城鎮燃氣輸配系統的主要部分是燃氣管網[9]。”

工藝:“生產某種物質產品所必須的方法、技藝[2]。”

裝置內單元:“按生產完成一個工藝操作過程的設備、管道及儀表等的組合體[10]。”

裝置:“一個或一個以上相關聯的工藝單元的組合[10]。”

動力管道:“火力發電廠用于輸送蒸汽、汽水兩相介質的管道[11]。”

熱力管道:“由熱源出口分界點至熱用戶(民用或工業)進口分界點之間,敷設在城鎮范圍內的蒸汽管道和熱水管道及其附屬設施[12]。”

1.2 分析

分析各種壓力管道相關定義,可得出以下三點。

1)有一類壓力管道僅用于輸送氣態或液態介質,將這些介質從一始發地輸送到另一終端接收地,這些介質在輸送過程中的性能、狀態均不發生變化,如輸油管道、輸氣管道、集氣管道、城鎮燃氣管道及為煉油廠/石化廠供應氫氣的氫氣管道。

2)另一類壓力管道則是在介質從裝置起點到終點的輸送過程中,每一段管道中的介質都與其前后段管道中的介質不同,在性能、參數或狀態上發生了變化,在裝置的終點生產出了新物質,如工藝管道。

3)動力管道既不屬于從起點到終點輸送介質的輸送管道,也不屬于從裝置起點到終點生產出了新物質的工藝管道,它是屬于利用液態水的相態變化起到能量傳遞作用的壓力管道。

2 壓力管道的要素、功能與屬性

2.1 要素

《辭海》對“要素”的解釋是:“構成事物的必要因素[13]。”

壓力管道存在的必要因素,即要素有二:一是管道(一般是圓形鋼管),二是管道內的帶壓力的介質。在壓力管道這兩個要素中,處于首要地位的是帶壓力的介質,無論是從壓力管道建設的目的及壓力管道設計參數的確定,還是從管道材質的選擇,以及安全運行管理或監管考慮,帶壓力的介質都是首要考慮的因素。可以說,是根據介質的成分、性質、狀態和管道工程建設目的來決定管道的材質和各項設計參數。

壓力管道中運行的帶壓力的介質均為流體,其類別、品種千差萬別,特別是工藝管道中的流體介質品種十分繁雜,但是流體中的氣體、液體都有一定的共性,例如介質的流動性,這是流體的基本性能,正因為具備此性能,介質才能在壓力管道中流動。由于流體介質具備可壓縮性,流體介質在壓力管道中的輸送才具有經濟上的價值。

管道中的流體介質與外界環境是隔絕的,因此其性能和狀態是穩定不變的。這不僅對輸送管道中的流體介質很重要,對利用該流體的某一特性輸送能量或傳遞該流體介質的其它功能則更為重要。例如火力發電廠動力管道中主蒸汽管道里的高壓蒸汽,就是保持了在高壓蒸汽鍋爐過熱器出口聯箱具備的高溫高壓性能,直至汽輪機主汽閥進口之間管道,其高壓蒸汽的狀態、溫度、壓力都是穩定不變的,實質是高壓蒸汽攜帶的能量是穩定不變的。

流體介質的這些性質必須處于管道中才能發揮出來,所以帶壓力的介質與管道二者密不可分,共同構成了壓力管道的兩個要素。

2.2 功能

《辭海》對“功能”的解釋是:“功效,作用。多指器官和機件而言[13]。”

壓力管道的功能根據其建設目的不同而不同。油氣長輸管道和集輸管道建設的目的是將天然氣、石油及其成品由油氣田或煉油廠/石化廠輸送到用戶集中地或儲存庫;管道輸送中,還將有分輸站將油氣經分輸管道輸送至各個城市或大型用戶。城鎮燃氣管道則是將燃氣由城市門站輸送至城鎮的用戶家庭或加氣站等,這些管道具備的是輸送功能。

工藝管道從屬于工藝裝置,工藝裝置主要由設備(塔、反應器、反應釜、換熱設備、加熱爐、分離過濾設備等)、工藝管道、機泵、壓縮機、閥門、控制儀表等及工業設施組成。工藝裝置建設的目的是為了將一種或多種原料物質在設備中經過化學變化或物理變化生成新的物質,即從工藝裝置進口的流體介質,在經過設備和工藝管道的工藝流程之后,到裝置出口端生產出新的流體或固體產品。顯然,工藝裝置的功能是生產新物質產品,作為工藝裝置重要組成部分的工藝管道,其功能即是配合工藝設備生產新物質產品。

動力管道是火力發電廠發電機組的重要組成部件,火力發電廠的三大主機(鍋爐、汽輪機、發電機)之間得以聯通實現發電功能的必要部件就是動力管道。動力管道聯通鍋爐與汽輪機,將蒸汽的熱能傳遞到汽輪機,熱能轉化成機械能帶動發電機發電[14],所以動力管道實質上是通過輸送蒸汽或汽水來傳遞/輸送熱能的管道。這就是動力管道的功能。同樣,熱力管道也是傳遞/輸送熱能的管道。

兩條輸送相同介質的壓力管道,并不一定是同類壓力管道。例如長距離輸送氫氣用作燃料/原料的氫氣管道屬于長輸管道;而在煉油廠/石化廠的加氫裂化裝置中,無論是新氫管道還是循環氫管道均是用來為加氫反應器輸送氫氣,在加氫反應器中,借助于催化劑的作用,各種大分子烴類和氫氣產生以加氫和裂化為主的一系列平行順序反應,生產出優質輕質油品[15],顯然新氫管道和循環氫管道應屬于工藝管道。

2.3 屬性

《辭海》對“屬性”的解釋是:“屬性是邏輯名詞,即對象的特性、特征,包括狀態、動作、關系等[13]。”

壓力管道的屬性,即在其所屬工程、裝置、項目中的地位,與相關設備、機件、構件間的關系,是處于主導地位還是從屬地位。對于輸送介質的油氣管道、城鎮燃氣管道、氫氣管道等輸送管道,其功能是輸送介質,這一功能在管道中就能完成,長輸管道工程中還有其它設備、儀表、閥門,如清管收發裝置、匯氣管、放空立管等,這些設備、儀表、閥門均起輔助作用,長輸管道的設計參數和選材等都取決于管道本身的需要,不受其它設備、機件的影響,所以輸送管道的屬性在其所屬工程、項目中處于主導地位。

工藝管道是工藝裝置的重要組成部分。在工藝裝置里,為生產新物質，原料進入裝置進口后必須在工藝設備(如塔器、反應器、反應釜、加熱爐、管式裂解爐等)中進行化學變化或物理變化,因此工藝設備中就必須具備相應的工藝參數(如壓力、溫度、流速、反應時間等)。這就決定了工藝設備的設計參數。工藝設備的選材應根據參與化學變化或物理變化的介質腐蝕性、壓力、溫度條件來決定。工藝管道作為聯通這些工藝設備的管道,其設計參數和管道材質也就隨著工藝設備設計參數和選材的確定而確定。因此相對于工藝設備而言,工藝管道顯然在工藝裝置中處于從屬地位。

動力管道在火力發電廠的主要作用是將鍋爐產生的高壓蒸汽輸送到汽輪機,驅動汽輪機高速旋轉,帶動發電機發電。鍋爐中的水蒸發為蒸汽的實質是鍋爐中燃燒的燃料化學能轉變為熱能,這些熱能傳遞給載熱工質水,從而水蒸發為蒸汽[14]。所以動力管道的介質蒸汽實質上是熱能的攜帶和傳遞者,而水成為蒸汽的原因是利用了水的相態變化性能,在所有固態和液態物質中,水的比熱最大(等于1)[16]。在火力發電廠三大主機和動力管道以及相關的儀表、閥門、管件等組成的發電機組中,顯然應首先根據發電量的需求來決定三大主機的設計參數和材質選用,三大主機設計參數和材質決定了動力管道的設計參數和材質。因此在發電機組中,動力管道處于從屬地位。同樣,熱力管道也處于從屬地位。

2.4 小結

壓力管道的要素、功能、屬性,由壓力管道自身在其所屬工程、項目、裝置中的地位/作用決定,這是壓力管道類別劃分原則的理論基礎。

3 建立壓力管道類別劃分原則的意義

3.1 ASME B31.3規范編制歷史變遷的啟示

3.1.1 規范編制歷史變遷

美國標準協會(American Standards Association,ASA)為開發壓力管道規范,于1926年成立了一個B31項目,由當時的美國機械工程師學會(American Society of Mechanical Engineers,ASME)主管,后于1935年頒布了第1版《美國壓力管道試行標準規范》;經過多年的應用、修改,1942年第一次出版了ASA B31.1《美國標準——壓力管道規范》(以下簡稱ASA B31.1),直至1955年,其間多次修訂出版了該規范;從1955年開始,ASA B31.1中適用于不同行業的幾個獨立篇章被分離出來,編制成不同的壓力管道規范出版,其中ASA B31.3《石油煉廠管道規范》(以下簡稱ASA B31.3)于1959年出版;當時被獨立分離出來的ASA B31.6《化工廠管道》(以下簡稱ASA B31.6)初稿于1974年完成,準備報批,但因該規范與ASA B31.3“關系太密切”,1976年二者被合并成ANSI B31.3—1976《化工廠和煉油廠管道》(以下簡稱ANSI B31.3—1976)出版;B31.10專業委員會對當時獨立分離出來的ASA B31.10《深冷管道規范》(以下簡稱ASA B31.10)編寫了草案,并于1981年擬上報批準,但也因其內容與ANSI B31.3“重疊甚多”,故決定把這兩個規范合并為一個規范ANSI/ASME B31.3—1984《化工廠和煉油廠管道》(以下簡稱ANSI/ASME B31.3—1984)。ANSI/ASME B31.3—1984規范B31.3前面的縮寫變化是由于ASA于1967—1969年間改名為美國國家標準學會(American National Standards Institute,ANSI),1978年管道標準委員會又改變主管機構,成為ASME下面的一個委員會,因此將該規范定名為ASME B31.3,并于1993年將該規范改名為《工藝管道》[1-2,17]。

美國從1959年出版ASA B31.3,1976年將其與ASA B31.6合并成ANSI B31.3—1976出版,歷經17年的時間完成了煉油廠管道規范與同類化工廠管道規范的合并，后來于1981年將準備報批的ASA B31.10合并到ANSI B31.3,直到1984年正式出版ANSI/ASME B31.3—1984,又經歷了8年的時間。煉油、化工、深冷三個行業的管道規范,歷經25年的時間才成為了一個統一的壓力管道規范ASME B31.3。

3.1.2 啟示

1)2010年時任ASME B31標準委員會委員、B31.3工藝管道篇委員會主席查爾斯·貝赫特Ⅳ(Charles Becht Ⅳ)博士對化工廠和石油煉廠管道規范合并的解釋是“二者關系太密切了”,ASA B31.10《深冷管道規范》合并到ASME B31.3的理由是內容“重疊甚多”[1,17]。實際上這是說煉油、化工、深冷三個行業的管道規范包括流體分類、設計、材料、管道組件、制作、施工、安裝、檢驗與試驗等規定都是相同或相近的,沒有必要單獨成篇,而予以合并,但是這個發現分別經歷了17年和8年的歷程。在文獻[1]中查爾斯·貝赫特Ⅳ未作深入分析,筆者認為這是由于在管道規范立項編制之前,未對壓力管道進行類別劃分的研究,更沒有進行類別劃分原則的研究,未從理論分析上確定壓力管道類別劃分原則,因而將工藝裝置中的工藝管道不恰當地按照行業領域來劃分管道類別,形成了分別編制煉油、化工、深冷三個行業的管道規范的局面。由此可見,從理論分析上確定壓力管道類別劃分原則的重要意義是可以指導壓力管道規范的立項和編制,少走或不走彎路。當然,由于當年美國的壓力管道規范立項編制是國際首次,沒有經驗,因此ASME B31.3規范所歷經的曲折過程,也可以理解。

2)對壓力管道類別的劃分,應該跳出行業領域的局限,從壓力管道的功能和其它因素著手進行劃分。正是從以前煉油、化工、深冷三個行業的壓力管道共同點找出了跨行業的規律,從而得到了跨行業的ASME B31.3的出版。這也符合技術發展的規律,以前的煉油、化工行業基本是互不相干的領域,由于技術的發展,出現了石油化工行業,所以ASME B31.3實際上是“石油、石油化工和化工行業的標準”[1]。

3.2 建立類別劃分原則的意義

3.2.1 為正確編制和選擇壓力管道規范提供理論依據

壓力管道必須確保長期安全運行,這是對壓力管道的根本要求。為此,首先是對壓力管道類別進行正確的劃分、確定;再根據壓力管道類別,正確編制和選擇設計規范,這是保證壓力管道安全運行的首要條件。為了避免壓力管道的錯誤分類,應以理論分析為基礎,確定類別劃分原則,從而為設計、施工、運行管理、監管各方面提供確定壓力管道類別的科學依據。

不恰當地選擇壓力管道規范進行設計的問題是存在的。查爾斯·貝赫特IV博士在文獻[1]中指出,美國允許業主自主選擇ASME B31.3應用于其建設的管道項目中,有很多人對在化工廠產權范圍內的建筑系統管道(如采暖系統管道)采用ASME B31.3設計、施工,而不是采用ASME B31.9《建筑管道》,他認為這樣選擇規范的作法是“令人不解的”[1]。這說明在美國未能正確選擇壓力管道設計和施工規范的情況比較多,值得中國壓力管道設計和監管機構注意。

3.2.2 為正確實行壓力管道監管提供理論依據

中國為保證特種設備的長期安全運行,對特種設備的監管作出了立法和行政規定,其中壓力管道和壓力容器是涉及面較廣的兩類特種設備。要對壓力管道的設計、運行實行正確監管,首先要正確劃分壓力管道類別,對不同類別的壓力管道實行不同方式的監管。壓力管道類別的劃分,應在理論分析的基礎上確立類別劃分原則,依據分類原則確定監管方式和制度,使建設方、設計方、施工方都有共同的執行標準,保證管道長期安全運行。

3.2.3 指導新出現的壓力管道類別劃分

依據壓力管道類別劃分原則可對新出現的壓力管道確定類別,正確選擇壓力管道規范,或在編制新的壓力管道規范時借鑒同類壓力管道已有規范的內容,避免走彎路。

4 壓力管道類別劃分原則

壓力管道類別劃分原則是以其要素、功能、屬性為理論基礎，根據壓力管道自身的內在因素,包括其功能、介質、終端目標/用戶等,劃分壓力管道類別。

壓力管道類別劃分為三類，決定其類別劃分的因素是有先后順序的,不是并列的。應在全部分析其內在因素后,才能判定壓力管道的類別。

4.1 功能因素

功能因素是壓力管道類別劃分的首要因素,依據壓力管道功能的不同,可以將其劃分為輸送管道、工藝管道、能量/性能傳遞管道。

4.1.1 輸送管道

輸送管道本質僅僅是輸送流體介質,其功能是將介質從一始發地輸送到另一終端接收地,輸送過程中介質的性能、狀態均不發生改變,這種輸送功能在壓力管道中就能完成。輸送管道在輸送管道工程中居主導地位,如原油或成品油輸送管道、天然氣輸送管道、城鎮燃氣管道、氫氣輸送管道等。

4.1.2 工藝管道

工藝管道本質就是在工藝裝置中配合/協同工藝設備生產出新物質,這是工藝管道的功能。

從工藝裝置進口進入的流體介質原料,在工藝設備中發生化學變化或物理變化,生成新物質,每一段管道中的介質都與前后段管道中的介質在成分或性能狀態上不同。顯然,工藝管道在工藝裝置中處于從屬地位,如煉油、石油化工、化工、氣體分離等裝置中的工藝管道。

4.1.3 能量/性能傳遞管道

能量/性能傳遞管道本質是與能量/性能轉換設備相連接/配合,利用介質性能、狀態變化所具備的能力進行能量/性能傳遞的管道,這是能量/性能傳遞管道的功能。這類管道中的介質性能或狀態不是常態,但其性能、狀態在管道中卻保持不變。如火力發電廠動力管道、熱力管道,建筑系統管道中的采暖管道、空調管道。

火力發電廠動力管道實質上是鍋爐將燃料的化學能轉換成水的相態變化成蒸汽后儲備的熱能,儲備了熱能的蒸汽在動力管道(如主蒸汽管道)中保持性能狀態不變,被輸送到汽輪機入口做功。所以動力管道的功能實質是通過輸送蒸汽或汽水來輸送熱能的管道。

4.1.4 同功能壓力管道的共性

1)同功能壓力管道有許多共性,因此在管道規范的編制和使用上都有很多相同或相近的規定或作法,如輸油、輸天然氣、輸氫氣的管道,雖然輸送的介質不同,介質成分和性能狀態差別很大,但是都有可能要穿跨越山脈、河流、公路、鐵路,線路選擇、地區類別劃分、管道材質選用等方面,規范的規定和設計方法都有類似或相同之處,如果有新介質的輸送管道,則可以選擇相類似的規范作設計和施工參考。

2)不同功能的壓力管道則是各自獨立的管道體系,它們均有各自成熟完整的規范標準,在設計、施工、運行和監管中,均應執行各自所屬類別的壓力管道規范標準,不應混用,亦不應將不同類的壓力管道中的某一子項目劃分到另一類的壓力管道中,從而帶來潛在的安全隱患[2]。

3)城鎮燃氣管道也屬于輸送管道,但與長輸管道有區別,管道主要集中在城區、集鎮范圍,很少有山脈、河流、鐵路的穿跨越,管道直徑較小,設計壓力較低;但其設計、施工的許多方面與長輸管道有相同或相近的規定,如直管段強度計算公式及強度設計系數、焊縫系數選取、管道通過地區的類別劃分等均是相同或相近的規定;但是在進一步的因素類別劃分時,其與長輸管道的區別就顯示出來了,是與長輸管道不同類別的管道。

4.2 介質因素

功能相同的壓力管道,由于介質不同,在設計參數、管道材質選用、計算公式、設備、儀表、結構、運行操作等多方面均有很大區別,如輸油管道與輸氣管道,同是輸氣管道的天然氣管道與氫氣管道,但采用的壓力管道規范不同。煉油工藝裝置中的加氫裂化裝置和石油化工裝置中的乙烯裝置,雖然同是工藝裝置,但是由于原料介質不同、產品不同,前者原料介質是大分子烴類如重柴油、焦化蠟油等,和氫氣在催化劑作用下,經裂化和加氫反應,生成石腦油、航空煤油等產品[15],主要工藝設備是加氫反應器;后者原料介質是石腦油、乙烷、丙烷等,經高溫裂解生成乙烯,主要工藝設備是管式裂解爐，顯然與上述工藝裝置配套的工藝管道也不相同。

對于同一介質,當其次要/微量成分發生改變時,導致介質的性質產生重大變化,這也是壓力管道類別劃分應考慮的因素,如含硫酸性天然氣和凈化天然氣,雖然主要成分都是甲烷,但由于含硫酸性天然氣中含有水和硫化氫,當硫化氫分壓大于等于0.000 3 MPa(絕)[18]而具有強腐蝕性時,設計施工遵循的是GB 50349《氣田集輸設計規范》,而不是GB 50251《輸氣管道工程設計規范》,而且還應遵循SY/T 0599《天然氣地面設施抗硫化物應力開裂和應力腐蝕開裂金屬材料技術規范》。對于中國今后有待發展的混氫天然氣管道,如何進行類別劃分和執行規范及監管,也是有待研究的新問題。

4.3 終端目標/用戶因素

對于輸送管道和能量/性能傳遞管道,在同功能、同介質的前提下,還應考慮終端目標/用戶因素,如為城鎮居民家庭供應家用天然氣的管道,由于要進入每戶家庭(即用戶),因此有GB 50028《城鎮燃氣設計規范》規定了設計、施工、安裝和運行的技術要求,不同于天然氣長輸管道規范。熱力管道的功能與動力管道的功能相同,雖然同是通過輸送蒸汽或熱水來傳遞熱能的管道,但熱力管道不同于動力管道,其終端目標是為居民家庭冬季供熱,因此設計、施工、檢驗與試驗執行的規范是CJJ 34《城鎮供熱管網設計規范》。

工藝管道不存在終端目標/用戶因素。

4.4 壓力管道的級別劃分

壓力管道類別確定之后,有些類別的管道可能會根據不同的設計參數(如壓力、溫度、管道直徑)或介質的性質(如腐蝕性、流動性等),對管道進行分級,如高壓、中壓、低壓管道。管道的分級一般在相應的管道規范中有明確規定,設計、施工和運行應按規范執行。

5 氫氣管道

氫能利用是當前國際上環境保護、凈零排放的發展方向,氫氣管道是其中一個重要領域。氫氣管道的設計、施工、運行技術已趨于成熟,國際上第一部氫氣管道規范是美國2009年頒布的ASME B31.12《氫氣配管系統和管道》(以下簡稱ASME B31.12)。中國的氫氣管道建設與運行長度,截至2017年約400 km,主要為石化廠加氫裝置供應氫氣,應該說尚處于初期發展階段,有大量的技術工作待開展。

5.1 ASME B31.12與相關規范的比較

ASME B31.12自頒布至今已有3版修訂,分別是2009年版、2014年版、2019年版,該規范包含了四個部分,其中“工業管道系統”(指應用氫能的工業領域,包括煉油廠、石化廠的工藝裝置)和“管道線路”的內容分別對應于ASME B31.3和ASME B31.8《輸氣和配氣管道系統》(以下簡稱ASME B31.8),將上述3個ASME B31管道規范的對應內容分別進行對比,從壓力管道類別劃分的視角得出以下看法。

1)ASME B31.12是以介質氫氣為對象編制的規范,不同于以前編制出版的ASME B31其它管道規范,是以管道功能為主線編制規范,說明同為氫氣介質,但是管道功能不同,則其執行的規范不同,所以壓力管道類別劃分的首要因素是管道功能。

2)ASME B31.12的“工業管道系統”和“管道線路”部分分別與ASME B31.3和ASME B31.8相對應,其中設計、施工、檢驗與試驗的方法和數據等內容規定均是相同或相近的,說明功能相同的同類管道在設計、施工、檢驗與試驗上是有共性的,可以借鑒。但是由于介質氫氣與天然氣或工藝裝置的其它介質,在化學成分上不同且性質上各具特性,在選材、設計數據與技術要求、結構及施工、運行等方面各有特點,因此需要分別編制以不同介質為對象的管道規范。

3)在天然氣長輸管道中混氫后,管道成為兩種介質的混輸管道,管道改造時應如何執行規范和監管還有待探討。

5.2 建議

5.2.1 管線鋼管抗氫脆性能的試驗研究

5.2.1.1 氫脆定義

氫脆是指金屬“由于吸收和固溶氫原子而導致的脆性[19]。”ASME B31.12對氫脆的解釋是:氫進入金屬后,局部氫濃度達到飽和時,引起金屬塑性下降,誘發裂紋或產生滯后斷裂的現象。

氫不但能促使脆性斷裂,也能促使塑性斷裂。

5.2.1.2 分析

氫氣用管道輸送的方式有兩種:一是新建氫氣管道輸送;二是利用在役天然氣長輸管道混氫輸送[20]。

中國的天然氣長輸管道從輸量上存在著加入氫氣混輸的可能性。天然氣長輸管道的用管主要是兩大類:一是干線鋼管,一般采用管線鋼鋼管,執行標準為GB/T 9711《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》(以下簡稱GB/T 9711)或API SPEC 5L《管線鋼管規范》的控軋鋼/熱機械成型(交貨狀態),產品規范水平為PSL2級,管型為直縫鋼管或螺旋焊縫鋼管;二是站場用鋼管,一般均采用無縫鋼管或直縫鋼管,執行標準為GB/T 9711和GB 6479《高壓化肥設備用無縫鋼管》、GB 5310《高壓鍋爐用無縫鋼管》、GB/T 8163《輸送流體用無縫鋼管》,這類鋼管輸送介質為凈化氣,不存在腐蝕問題。

管線鋼鋼管及其焊縫的抗氫脆試驗研究少,更缺乏實踐經驗,因此盡快開展管線鋼鋼管及其焊縫和無縫鋼管的抗氫脆試驗研究非常必要,它是建設氫氣管道或采用在役天然氣長輸管道作混氫輸送的必備條件之一,特別是對大口徑高強度的管線鋼鋼管X70、X80及其焊縫作抗氫脆試驗研究更具有潛在價值,即使試驗研究的結論是否定的,也是值得的。

5.2.1.3 抗氫脆試驗研究的要點建議

抗氫脆試驗研究的對象是用于建設氫氣管道的鋼管及其焊縫,和擬利用在役天然氣長輸管道作混氫輸送管道的管線鋼鋼管及其焊縫與無縫鋼管,這二者是不相同的。

1)抗氫脆試驗研究是一項涉及面較廣的大型試驗研究,應該有計劃有組織地開展;新建氫氣管道和利用在役天然氣長輸管道作混氫輸送管道的鋼管及其焊縫抗氫脆試驗研究,宜各自單獨立項開展。該項試驗研究宜在管道工藝試驗研究有定論后進行。

2)擬用于混氫的在役天然氣長輸管道,至少應考慮下述問題:用作試驗研究的鋼管和焊材,盡可能與在役管道的鋼管及焊材同牌號、同規格,且鋼管的生產工藝和現場鋼管對接的環縫焊接工藝應與在役管道的相同;試驗研究的鋼管及焊材標準,以及焊接工藝、熱處理等執行的規范標準均應與在役管道執行的標準規范相同；試驗研究應考慮在役管道現場施工環境條件因素的影響。

3)關于管道鋼管管型的問題:GB 4962—2008《氫氣使用安全技術規程》第4.4.4條規定“氫氣管道應采用無縫金屬管道”,GB/T 34542.1—2017《氫氣儲存輸送系統 第1部分：通用要求》第4.2.6.2款規定“氫氣管道宜采用無縫金屬管道”,按上述標準規定,氫氣管道應/宜采用無縫金屬管,一般為無縫鋼管;但是在役天然氣長輸管道干線鋼管一般均采用管線鋼的直縫或/和螺旋縫埋弧焊管,只有支線鋼管當直徑較小時可能采用無縫鋼管;且上述標準的規定與ASME B31.12—2019版差異較大;試驗研究的成果將用于管道的設計,設計必須執行標準規范的規定,所以,開展鋼管抗氫脆性能的試驗研究(包括新建氫氣管道和在役天然氣混氫管道)和開發抗氫脆管線鋼管之前,應對上述標準為什么這樣規定和是否執行上述標準的規定有明晰的判定。

5.2.2 編制氫氣管道規范

氫氣管道的建設和在役天然氣長輸管道改建為混氫管道,均需有可執行的規范以保證管道的長期安全運行。目前可以采用ASME B31.12或其它規范進行設計、施工,但從長遠發展考慮,中國應有自己的氫氣管道的國家標準規范,現在著手組織編制氫氣管道規范是必要的。雖然在網上可查到GB/T 34542.5《氫氣儲存輸送系統 第5部分：氫氣輸送系統技術要求》,但未見正式出版,且不清楚“輸送系統”與“管道”及“技術要求”與“規范”有無差異。

6 結論

1)建立壓力管道類別劃分原則的意義是為正確編制和選擇壓力管道設計、施工、安裝、檢驗與試驗、驗收規范,確保管道長期安全運行及監管,提供以理論分析為基礎的依據。

2)壓力管道內在的要素、功能與屬性是壓力管道類別劃分原則的理論基礎。

3)壓力管道類別劃分原則是根據壓力管道內在因素的不同進行類別劃分。壓力管道內在因素有功能、介質、終端目標/用戶,這些內在因素應用于壓力管道類別劃分是有先后順序的,功能是壓力管道類別劃分的首要因素。

4)功能因素相同或功能、介質因素均相同的同類壓力管道,在設計、施工、安裝、檢驗與試驗等方面有許多相同或相近的規定或方法,但是由于介質成分、性質、狀態不同,或終端目標/用戶不同,管道又有許多重大的區別,必須編制不同的壓力管道規范供使用。

不同類別的壓力管道有獨立的自成體系的標準規范,設計壓力管道應采用各自所屬類別的標準規范,不可錯用其它類別的標準規范。

5)氫氣管道和在役天然氣混氫管道的建設與開發尚有許多的試驗研究工作亟需開展,其中鋼管材料抗氫脆性能的試驗研究和開發抗氫脆管線鋼管的試驗研究(包括焊材和焊接工藝的試驗研究)是重要內容,建議有計劃地組織開展研究工作。