淺談長輸管道設計、施工中的幾點安全問題
一、前言
隨著管道輸送工藝的不斷發展，管道輸送以其輸送成本低、管理方便等優勢，在各個領域的應用越來越廣，在國民經濟發展中的作用越來越大，但由于管道工程投資大、建設周期長、整體性強，因此，管道安全問題顯得尤為重要。下面就談一談長輸管道設計、施工中的幾點安全問題。
二、管道材質的選擇
由于在相同管徑和輸送壓力下，選用高強度鋼材可以減少鋼材用量，進而降低管材的運輸、施工等費用。因此出于經濟角度考慮，目前國內外在管材選擇上多使用 高強度鋼材，如X65、X70、X80等，但由于冶金，軋制等技術原因，目前高強度鋼管、尤其是X80這樣的超高壓力鋼管還存在著一定問題，一是產品質量 控制難度大，在管材內部易出現隱形缺陷，二是隨著強度的提高，管材韌性尤其是管材沖擊韌性的上平臺能(CNN值)難以得到相應提高。這兩種因素的迭加，再 加上管材在運輸和施工過程中造成的損傷，使得高強度管道發生延性斷裂的幾率大大增加。
據有關資料統計，使用X60以上級管材的各級管道，均有管道發生過延性斷裂。因此對長輸管道而言，由于其管徑大、輸送距離長，管材內部缺陷、運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，輸送介質一般又為易燃易爆或有毒介質，這就對管道安全提出了更高的要求，因此，目前在管道材質選擇上應選用技術較為成熟、CNN值較高、焊接工藝成熟 的X60、X65級鋼管為宜。
三、管道的斷裂與止裂
1960年美國Transwestem公 司在對一條直徑φ762、材質X52的輸氣管道進行氣壓試驗時，管道發生斷裂，斷裂長度為13km，裂源為一根管子在運輸過程中造成的損傷，起裂后，裂紋 向兩邊擴展，一端碰到一個厚壁三通后止裂，另一端碰到一根韌性較大的管子而止裂。若當時管道已投入運營，管內介質為有毒或易燃易爆氣體，發生這樣的斷裂， 其災難性后果是可以想象的。因此，對材質等級較高的管道在設計時應考慮管道裂紋失穩擴展的控制。
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，隨著冶金技術水平的提高，目前象X70鋼其韌性形貌轉變溫度已達到-40℃以下，在我國這樣的氣候條件下，一般不具備發生脆性斷裂的條件。 但當管道的CNN值較低時，在常溫下管道易發生韌性斷裂。近來的研究表明，雖然對于韌性斷裂，其裂紋擴展速度一般只有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，裂紋似乎應該止裂，但對于輸氣管道而言，因為在減壓波的后面，裂紋尖端處的輸送介質仍保留有一定的壓 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，仍會造成裂紋的繼續擴展。在裂紋處殘留的壓力越高裂 紋擴展速度越快，并且隨著環向應力和管道直徑的增加，產生韌性斷裂失穩擴展的趨勢就越大，也就是說止裂越困難。尤其是近年來，出于管輸的經濟效益考慮，對 管徑、輸送壓力、管材強度等級的選取越來越高，在這樣的條件下，要防止管道韌性斷裂的發生，就對管材的韌性提出了更高的要求。例如，據有關資料介紹，對于 西氣東輸管道(管道材質為X70，管徑為1016mm，壁厚為19mm，輸送介質為天然氣)，要使其能自身止裂，其上平臺能應達到154J�？梢�，要達到 這樣的韌性指標是很困難的，也是不經濟的。
因此說，對于長輸管道，若選用X65級以上的管材，應考慮設置止裂裝置，如設置止裂環、間斷插入低強高韌性鋼管等，同時出于經濟考慮，應根據不同的地區級別，確定經濟合理的止裂裝置設置間距。
四、地震活動斷層對管道的影響
長輸管道輸送距離長，一般會經過多處活動斷層地帶，因此應在地質勘察的基礎上，結合國內外先進的抗震經驗，對穿越斷層段進行仔細的分析和研究，制定出可靠的抗震方案。
近幾年來，美國橡樹嶺國家實驗室對穿越活動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，但由于地層活動的復雜性，目前也尚未完 全解決這一問題，因此在穿越活動斷層埋地管道設計時還需在《埋地管道抗震規范》的基礎上，針對斷層具體情況作進一步的探討。
另外，為防止地層活動造成管道破壞采取有效的預防手段是非常必要的，如對活動斷層段的管道位移或應力變化進行監測，并將其納入管道控制之中，以便隨時掌握斷層活動情況和管道安全狀況，確保管道運行安全。
五、管道的質量檢驗
管道質量的好壞不僅與管道壽命、經濟效益息息相關，而且直接關系著管道的運行安全，因此，對管道建設的設計、采購、施工等各個環節和工序均應進行嚴格的 質量檢驗和控制。目前我國的長輸管道質量檢驗評定標準和施工規范中對設計、原材料檢驗以及各施工工序質量的檢驗和控制均有了較為詳細的規定，這里不再重 復，但施工規范中對管道試壓檢驗的規定值得作進一步的探討。
我國現行規范一般規定以液體作試壓介質時，試驗壓力取為管道設計工作壓力的1. 25倍，嚴密性試驗壓力為設計工作壓力，試壓分為分段試壓和整體試壓兩道工序。根據我國有關設計規范的規定，管道操作壓力一般取材料規定最低屈服極限的 0.72倍，也就是說強度試驗壓力相當于材料規定最低屈服極限的0.9倍，應該說這樣的試驗壓力是偏低的。據有關資料統計，以材料實際屈服極限的0.9倍 這樣的應力水平進行試壓只能排除管道中25%～30%的缺陷，再考慮不同廠家供應的鋼材其實際屈服極限與規定值的差別，這樣一種靜態的試驗方法所排除的缺 陷比例將更低。因此說，這樣的試驗方法不是完全合適的。而使用目前國外應用較為廣泛的壓力一容積圖這一動態控制手段，將試驗壓力控制在0.95～1.0倍 材料實際屈服極限之間更為科學。這樣一方面，據統計可以暴露出60%以上的有害缺陷，另一方面，對不同的管材均可適用。
對試壓工序而言，由于 長輸管道距離長、缺陷總量多，再加上缺陷暴露的先后有別，致使試壓時反復升壓降壓，這樣由于缺陷處裂紋擴展的積累，會使管材出現承壓能力逆轉現象，這就是 很多管道試壓時，前幾次試驗壓力達到較高水平時才出現泄漏，但后面的試壓卻在較低壓力水平時出現泄漏的原因。
因此，試壓時采用高試驗壓力、低 試驗次數的試驗方法較為合理。具體的做法可以對管道分段進行強度試壓，因為此時管道長度短，缺陷總量少，可以有效降低升降壓次數。各段間連接的死口進行 100%超聲波和射線探傷，取消整體強度試壓而只做整體嚴密性檢查。這樣可以節省試壓時間和費用，有效暴露管道的有害缺陷，同時避免多次升降壓對管道造成 損傷。
六、結束語
長輸管道工程投資大、整體性強，因此在工程線路勘察設計、材料設備選用、施工及將來的運行管理中應充分考慮管道的安全性能，以確保其運行安全，為國民經濟的發展發揮出應有的作用。
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