压力管道的定义及概念详解

    《特种设备安全监察条例》对压力管道的定义是：  压力管道，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）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、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介质，且公称直径大于25mm的管道。这就是说，现在所说的“压力管道”，不但是指其管内或管外承受压力，而且其内部输送的介质是“气体、液化气体和蒸汽”或“可能引起燃爆、中毒或腐蚀的液体”物质。这里所谓能燃爆、能中毒或有腐蚀性，具有如下内涵：
    介质的燃爆性：即介质具有可燃性和爆炸性，在一定条件下能引起燃烧或爆炸，酿成火灾和破坏。这些介质包括可燃气体、液化烃和可燃液体等有火灾危险性的物质，也包括容易引起爆炸的高温高压介质如蒸汽、超过标准沸点的高温热水、压缩空气和其他压缩气体等。其中，可燃介质的火灾危险性根据《石油化工企业设计防火规范》 GB50160和《建筑设计防火规范》GBJ16，共分为甲、乙、丙三类。
    其中甲、乙类可燃气体与空气混合物的爆炸下限（体积）分别规定为：
甲类可燃气体：＜10%；
乙类可燃气体：≥10%。
甲、乙和丙类可燃液体的分类见表1。

表1 液化烃、可燃液体的火灾危险性分类

注：闪点低于45 ℃的液体称为易燃液体；闪点低于环境温度的液体称为易爆液体。在GBJ16的规定中，属于甲类火灾危险性的可燃介质（或生产过程）还有：常温下能自行分解或在空气中氧化即能导致自燃或爆炸的物质；常温下受到水或蒸汽作用能产生气体并引起燃烧或爆炸的物质；遇酸、受热、撞击、摩擦、催化及遇有机物或硫磺等易燃的无机物，极易引起燃烧或爆炸的强氧化剂；受撞击、摩擦或与氧化剂、有机物接触时能引起燃烧或爆炸的物质；以及在密闭设备内操作温度等于或超过物质本身自燃点的生产。属于乙类火灾危险性的介质主要是指不属于甲类火灾危险性的氧化剂和化学易燃固体，以及助燃气体。 （B）介质的毒性：即介质具有使人中毒的特性。当这些介质被人吸入或与人体接触后，能对人体造成伤害，甚至死亡。根据《职业性接触毒物危害程度分级》GB5044的规定，毒物按急性毒性、急性中毒发病状况、慢性中毒患病状况、慢性中毒后果、致癌性和最高允许浓度等六项指标，共分为极度危害、高度危害、中度危害和轻度危害四个等级。极度危害介质有时也称之为“剧毒介质”，高度、中度和轻度危害介质则统称为“有毒介质“。剧毒介质（流体）在我国国家标准《工业金属管道工程施工及验收规范》GB50235-97中的解释是：如有极少量这类物质泄漏到环境中，被人吸入或与人体接触，即使迅速治疗，也能对人体造成严重的和难以治疗的伤害的物质。相当于现行国家标准《职业性接触毒物危害程度分级》GB5044中 I 级危害程度（极度危害）的毒物。据此可以将剧毒介质理解为就是极度危害介质。而有毒介质在标准中的解释是：这类物质泄漏到环境中，被人吸入或与人体接触，如治疗及时不致于对人体造成不易恢复的危害。不过，毒性程度相同的毒物，在具体如何对待的问题上各行业也存在差异。如苯在《职业性接触毒物危害程度分级》            

    GB5044中被列入极度危害介质，在《压力管道安全管理与监察规定》的解析中也作为极度危害介质的例子。而在《石油化工有毒、可燃介质管道工程施工及验收规范》SH3501-2002的管道分级中，苯则被与高度危害介质同等对待。列入SHB级之中。相反，丙烯腈、光气、二硫化碳和氟化氢等四种高度危害介质则在SH3501-2002中被与极度危害介质同样看待，列入SHA级管道之中。这不但对施工质量标准和在用管道的检验要求有影响，同时对具体工程施工时划分许可证级别也是有影响的。如承担有苯介质的管道安装工作时，若苯被视为极度危害介质，施工单位应持 GC 1级安装许可证，而若作为高度危害介质时，则持证级别与管道的设计压力和设计温度有关。对于这个问题的理解可以从毒物危害性分级的原则进行解释：国家标准《职业性接触毒物危害程度分级》GB5044-85对具体毒物的分级是以列举常见的56 种毒物在某些行业中的危害程度分级进行表达的。但该标准同时指出：对接触同一毒物的其他行业（该标准表2中未列出的）的危害程度，可根据车间空气中的毒物浓度、中毒患病率、接触时间的长短，划定级别。凡车间空气中毒物浓度经常达到TJ36—79《工业企业设计卫生标准》中所规定的最高容许浓度值，而其患病率或症状发生率低于本分级标准中相应的值，可降低一级。所以，对每种具体物质，国家标准和专业标准在划分危害等级时存在差异是正常的。因为除了致癌性和空气中最高容许浓度外，其他四项指标都与生产过程和操作特点有关。石油、化工和石油化工等以管道输送介质为主的生产过程，有毒物质处于连续、密闭状况下流动，其危害程度取决于因事故致使毒物与人体接触，或因经常性泄漏引起职业性慢性危害的机率，通常要低于开放性生产过程。因此，在压力管道设计时具体确定毒物危害等级应主要以车间空气中毒物浓度、中毒患病率、接触时间长短来划定。上面提到的毒物危害性分级指标中，关于车间空气中毒物的最高允许浓度规定如下： 极度危害：最高允许浓度小于0 .1 mg/m3；高度危害：最高允许浓度为0 .1 mg/m3 ~1 .0 mg/m3。根据《工业企业设计卫生标准》（TJ36—79）的规定，苯、丙烯腈、光气、二硫化碳和氟化氢等五种毒物在车间空气中和居住区大气中的最高允许浓度见表 2：

表2 几种毒物的最高允许浓度

由表2可见，苯在车间空气中的最高允许浓度远远高于极度危害介质。同时，根据工业生产中管道输送的连续性、密闭性特点，以及苯与操作人员的接触时间长短和中毒患病率的情况分析，苯也不应属于极度危害介质的范围。所以，实际工作中确定介质的毒害程度应以设计文件确定的毒物性质或设计文件中指明的施工验收规范为准。
另外，关于接触时间长短我国尚未制定有关标准，美国政府工业卫生专家会议（ACGIH）推荐的三种接触阈限值可作为参考：
1）以正常8小时工作日或40小时工作周的时间加权平均限值为指标，在此浓度下，反复接触对全部人员都不致产生不良影响；
2）以短时间接触（每次不超过15分钟，每天不超过4次，每次间隔不少于1小时）的时间加权平均限值为指标，在此浓度下，人短时间连续接触不致引起刺激作用、慢性或不可逆组织病理变化、麻醉而增加意外伤害、自救能力减退或工作效率明显降低等；
3）上限值是指即使在瞬间也不得超过的最高浓度。
（C）介质的腐蚀性：是指能灼伤人体组织并对管道材料造成损坏的物质，如酸、碱以及其它能引起材料损害的流体如氢、硫化氢等。
（三）压力管道的安全监察范围
根据《压力管道安全管理与监察规定》，属于安全监察范围的压力管道是具备下列条件之一的压力管道及其附属设施、安全保护装置等。
1）毒性程度为极度危害的介质，不论压力，温度及状态；
2）火灾危险性为甲、乙类的介质，不论压力、温度及状态；
3）最高工作压力大于、等于0. 1 MPa的气（汽）体、液化气体介质，未规定性质及温度，但《压力管道安全管理与监察规定》中规定不属于监察范围的除外。
4）最高工作压力大于、等于0.1 MPa的易燃 、易爆 、有毒，有腐蚀性介质或最高工作温度高于、等于标准沸点的液体介质。
《压力管道安全管理与监察规定》中规定以下四类管道不属于监察范围：
a）设备本体所属管道。
b）军事装备，交通工具和核装置中的管道。
c）无毒、不可燃、无腐蚀性的气体，公称直径小于150mm 且最高工作压力小于1.6 MPa的管道。
这里，所谓压力管道所属设施及安全保护装置的定义是：
a）附属设施主要指用于压力管道的管道用设备、支吊架、阴极保护装置等。
b）安全保护装置主要指超温、超压控制装置和报警装置等。
注：最近颁发的《压力管道使用登记管理规则》（试行）中对压力管道、附属设施和安全保护装置的界定，明确为：
a）压力管道指由管道组成件、管道支承件、安全保护装置和附属设施等组成的系统。用于输送气体或者液体的管状设备；
b）附属设施指阴极保护装置、压气站、泵站、阀站、调压站、监控系统等；
c）安全保护装置指压力管道上连接的安全阀、压力表、爆破片和紧急切断阀等。
二、压力管道的主要特点和结构要求
（一）压力管道的特点
一个管道系统，为了完成流体的输送、分配、混合、分离、排放、计量或控制流体流动的功能，必须与相应的动力设备、反应设备、储存设备、分离设备、换热设备、控制设备等连接在一起，形成一个系统，使管内流体具有一定的压力、温度和流量，完成设计预定的任务。同时，不同类别的压力管道，由于材料、结构和敷设形式不同，其特点也有所不同：
（A）工业管道的特点
1）数量多，管道系统大，车间内管道布置交叉、紧凑；
2）管道组成件和支承件的材质、品种、规格复杂，质量均一性差；
3）运行过程受生产过程波动影响，运行条件变化多，如热胀冷缩、交变载荷、温度和压力波动等；
4）腐蚀和破坏机理复杂，材料失效模式多。
（B）长输管道和公用管道的特点
1）管道敷设长度大，跨越地区多，地形地质复杂；
2）埋地敷设多，缺陷检测难度大；
3）容易遭受意外损伤。
（二）压力管道的结构要求
压力管道由于输送的流体具有毒性、燃爆性和腐蚀性，且又有高温、高压、低温等特殊操作条件，使其具有相当大的危险性。因此，压力管道系统结构应当具备下列条件：
耐压强度：承受管内流体作用于管道上的压力（内压或外压）、温度所引起的应力及其长期、反复的影响，如蠕变和疲劳等；
密封性：阻止管道内部流动的流体泄漏到管道外部空间或流体中；
耐腐蚀性：承受管内流体对管道材料的腐蚀作用。管道材料的耐腐蚀等级分为4级，以年腐蚀速率衡量：充分耐腐蚀≤0.05mm；
耐腐蚀＞0.05～0.1mm；
尚耐腐蚀＞0.1～0.5mm；
不耐腐蚀＞0.5mm；
柔性：管道的柔性是反映管道变形难易程度的一个物理概念。管道在设计条件下工作时，因热胀冷缩、端点附加位移、管道支承设置不当等原因会产生应力过大、变形、泄漏或破坏等影响正常运行的情况。管道的柔性就是管道通过自身变形吸收因温度变化发生尺寸变化或其他原因所产生的位移，保证管道上的应力在材料许用应力范围内的性能。
为了满足上述条件，管道系统的管道组成件必须使用耐介质腐蚀，有能够在设计规定温度下承受介质作用压力的材料，且有相应的壁厚和密封结构。同时整个管道系统应有适当的支承。
在一些标准规范中，经常出现“剧烈循环条件”这一名词。根据《工业金属管道设计规范》GB50316-2000的解释，剧烈循环条件是指：管道计算的最大位移应力范围超过0.8倍许用的位移应力范围和当量循环数大于7000或由设计确定的产生相等效果的条件。所谓“位移应力范围”是指：由管道热膨胀产生的位移所计算的应力。计算的最大位移应力范围就是从最低温度到最高温度的全补偿值进行计算的应力。设计对剧烈循环条件下运行的管道，在管道组成件的选用、管子和管件的最小厚度、无损检测的要求等均有特殊的规定。
三、压力管道的分类和分级
管道的用途广泛，品种繁多。不同领域内使用的管道，其分类方法也不同。一般可以按用途、主体材料、敷设状态和输送介质等管道使用特性进行分类。具体情况可见图1。
在一般法规、标准、规范中，为了便于设计、施工验收和使用管理和检验，往往根据介质的特性和设计参数采用综合分类、分级的方法，同时，在各行业的设计规范，施工验收规范和维修、检验规程之间，对管道的分级或分类尚存在差异。如：
国家标准《工业金属管道设计规范》GB50316中的流体根据状态、性质和设计参数分为A1、A2、B、C、D五类。A1类为剧毒介质；A2类为有毒介质B类为可燃介质；C类、D类为非可燃、无毒介质，其中设计压力小于等于1MPa，且设计温度为-29～186℃的为D类。化工、石油化工和电力等行业的施工及验收规范对管道的分级或分类如下：
化工行业标准《化工金属管道工程施工及验收规范》HG20225—95按流体特性和设计参数分为A、B、C、D四类。基本与国家标准一致，但将有毒介质管道划入B类管道。