管道器材是管道(配管)設計基礎,它直接影響管道系統乃至整個工程裝置的質量、安全和經濟性。管道器(qi)材(cai)在石油、化工、輕工、食品、制藥、冶金、電力等工程裝置中成本占比較大,管道器材的費用約占整個EPC總承包工程總投資的20%(其中,管件費用約占7.5%,閥門費用約占53%,法蘭費用約占12%,螺栓、螺母及墊片費用約占3%,管道其他費用約占2.5%);管道專業設計工作量約占整個工程總設計工作量的30%~40%;管道施工安裝工作量約占整個工程總工作量的50%。以上比例如圖1.1.1所示。


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  全球管道安全生產形勢嚴峻,火災爆炸的頻率和造成的經濟損失,一直呈增長趨勢。據資料統計:石油化工裝置統計事故中35%是由于管道系統引發的,這足以引起人們對管道安全屏障作用的關注。管道器材防護失效造成泄漏的原因,不外乎機械破壞、腐蝕和密封失效,這正是管道設計安全的要害。了解并處理好這些問題是管道設計者的責任。《中華人民共和國特種設備安全法》規定特種設備是指對人身及財產安全有較大危險性的鍋爐、壓力容器(含氣瓶)、壓(ya)力管(guan)道、電梯、起重機械、客運索道、大型游樂設施、場(廠)內專用機動車輛以及法律、行政法規規定適用本法的其他特種設備。壓力管道作為特種設備納入監管范圍。


  管道器材(piping material)選用是根據工程設計的總體條件、工藝條件及采購特點等因素,對管子、管道施工所占比例管件、閥(fa)門法蘭墊(dian)片緊固(gu)元件、特殊管道器材、隔熱材料、涂漆材料等的選用,包括管道材料的標準、材質、規格、結構形式、連接形式等內容的選定。國內外有的設計單位還包括計算管道口徑,計算管道壁厚及強度,匯總管道材料數量,向采購提出請購單,編制管道材料的采購技術要求文件(material requirement),對管道材料提供商文件的評閱(technical bid evaluation)、施工現場管道器材的檢驗和試驗等內容。管道器材選用的工作貫穿前端設計(FEED)、工程詢價(inquiry)、設計(design)、采購(procure)、施工(construct)等階段,具有以下特點。


1. 標準化(hua)


  目(mu)前大多(duo)數管(guan)道(dao)及其(qi)元件(jian)都進行(xing)了標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)化,并(bing)有相應的應用(yong)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)作支持。配(pei)管(guan)設(she)計管(guan)道(dao)材料(liao)選用(yong)時,首先要考慮的就是(shi)管(guan)道(dao)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)體系(xi)(xi)的選用(yong)。這些標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)應包括管(guan)子系(xi)(xi)列(lie)(lie)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)、管(guan)件(jian)系(xi)(xi)列(lie)(lie)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)、法(fa)蘭及其(qi)連(lian)接件(jian)系(xi)(xi)列(lie)(lie)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)、閥門系(xi)(xi)列(lie)(lie)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)等。其(qi)中(zhong)管(guan)子標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)和(he)法(fa)蘭標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)最具有代表性。


  世(shi)界各國(guo)應用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)管道標(biao)(biao)準(zhun)體系(xi)有(you)很多,不同國(guo)家有(you)不同的(de)(de)應用(yong)(yong)(yong)標(biao)(biao)準(zhun)和標(biao)(biao)準(zhun)體系(xi),而(er)在(zai)我國(guo),不同行業又各采(cai)用(yong)(yong)(yong)不同的(de)(de)應用(yong)(yong)(yong)標(biao)(biao)準(zhun)和標(biao)(biao)準(zhun)體系(xi)。這些(xie)標(biao)(biao)準(zhun)之間千差萬別,甚至有(you)些(xie)標(biao)(biao)準(zhun)和標(biao)(biao)準(zhun)體系(xi)相(xiang)差甚遠,相(xiang)互之間無(wu)法配(pei)套使(shi)用(yong)(yong)(yong)和互換(huan),從而(er)給使(shi)用(yong)(yong)(yong)者帶來了(le)不少麻(ma)煩(fan)。配(pei)管設(she)計管道材(cai)料選(xuan)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)第一步就是選(xuan)擇標(biao)(biao)準(zhun)體系(xi),并作為(wei)裝(zhuang)置內各專業設(she)計的(de)(de)統一規定,以避免各相(xiang)關專業因采(cai)用(yong)(yong)(yong)不能(neng)互換(huan)的(de)(de)其他標(biao)(biao)準(zhun)體系(xi)而(er)導致無(wu)法開展設(she)計銜接。


  有的(de)國家將(jiang)石化裝置配管(guan)設計管(guan)道(dao)器材規(gui)定了統一(yi)的(de)材料等級,無論是(shi)什(shen)么裝置,管(guan)道(dao)器材均從這個統一(yi)的(de)材料等級規(gui)定內(nei)進行選用并拷(kao)貝使用。


  在(zai)我國,有GB1燃氣管(guan)道(dao)、GB2熱力(li)管(guan)道(dao)、GCD動(dong)力(li)管(guan)道(dao)、GA長輸管(guan)道(dao),如果(guo)流(liu)體介(jie)質(zhi)種(zhong)類(lei)較單(dan)一,管(guan)道(dao)器(qi)材(cai)選用的種(zhong)類(lei)相對較少,可不單(dan)獨列(lie)材(cai)料等(deng)級(ji)規(gui)定(ding)文(wen)件。


2. 國際化


  現在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)工(gong)程項目越(yue)來越(yue)國(guo)際(ji)化(hua),有(you)的(de)(de)是建(jian)(jian)設(she)(she)在(zai)(zai)(zai)國(guo)外,有(you)的(de)(de)是國(guo)外投(tou)資建(jian)(jian)設(she)(she)在(zai)(zai)(zai)國(guo)內,有(you)的(de)(de)是在(zai)(zai)(zai)國(guo)外采購,有(you)的(de)(de)需(xu)要同時(shi)在(zai)(zai)(zai)幾個(ge)(ge)國(guo)家采購管(guan)(guan)道器(qi)材(cai)(cai),這就要求(qiu)(qiu)在(zai)(zai)(zai)管(guan)(guan)道器(qi)材(cai)(cai)設(she)(she)計(ji)時(shi)按照工(gong)程項目的(de)(de)具體要求(qiu)(qiu),選(xuan)用國(guo)際(ji)化(hua)標準(zhun)的(de)(de)管(guan)(guan)道器(qi)材(cai)(cai)。管(guan)(guan)道器(qi)材(cai)(cai)選(xuan)用設(she)(she)計(ji)標準(zhun)規范也逐漸在(zai)(zai)(zai)統一向(xiang)通用的(de)(de)國(guo)際(ji)化(hua)標準(zhun)看(kan)齊。筆者(zhe)前些年負責的(de)(de)某配管(guan)(guan)設(she)(she)計(ji),按照業主的(de)(de)要求(qiu)(qiu),不(bu)同種類的(de)(de)管(guan)(guan)道材(cai)(cai)料需(xu)要分別在(zai)(zai)(zai)6個(ge)(ge)國(guo)家進(jin)行采購。


3. 經(jing)濟性


  經(jing)濟性是指管(guan)道(dao)的(de)一(yi)(yi)(yi)次投資(zi)費用(yong)和操作維(wei)護(hu)費用(yong)的(de)綜合指數低。一(yi)(yi)(yi)般(ban)情況下,如果一(yi)(yi)(yi)次投資(zi)較(jiao)高(gao)的(de)話,其可(ke)靠性好(hao),操作、維(wei)護(hu)費用(yong)低;相反亦然。另外,在我國,美標體系管(guan)道(dao)材(cai)料(liao)價格,與我國標準體系管(guan)道(dao)材(cai)料(liao)價格也有差(cha)別(bie),應根據工程項目(mu)實(shi)際情況確定。對于特別(bie)重大(da)和復(fu)雜的(de)決策(ce),可(ke)借助計(ji)算機分析(xi)選(xuan)取技術和經(jing)濟的(de)最優化組合。在設(she)計(ji)時(shi),盡力(li)做到管(guan)系中各元件具有相同的(de)強度和壽命(ming)。


4. 多學科(ke)性(xing)


  管(guan)道(dao)器(qi)材設計(ji)(ji)是配(pei)管(guan)設計(ji)(ji)的(de)基礎技能之一,管(guan)道(dao)器(qi)材設計(ji)(ji)既要(yao)求(qiu)(qiu)從事這(zhe)項(xiang)設計(ji)(ji)的(de)工程技術人員具(ju)有(you)材料、力(li)(li)學、機(ji)械、技術經濟等多學科知(zhi)識,還要(yao)求(qiu)(qiu)能夠運用好計(ji)(ji)算(suan)機(ji)和外語兩個最(zui)重要(yao)的(de)工具(ju),結合(he)項(xiang)目實際的(de)采購情況,根(gen)據(ju)工藝專業的(de)工藝管(guan)道(dao)數據(ju)表(biao)要(yao)求(qiu)(qiu),根(gen)據(ju)管(guan)道(dao)布置、設備布置和管(guan)道(dao)應力(li)(li)分析的(de)特(te)殊要(yao)求(qiu)(qiu),根(gen)據(ju)甲方提出的(de)要(yao)求(qiu)(qiu),并遵(zun)循相關法規(gui)和規(gui)定,用計(ji)(ji)算(suan)機(ji)文本(ben)、表(biao)格或者數據(ju)庫表(biao)示出來,成(cheng)為一個系統(tong)的(de)、集體的(de)、創造性的(de)智力(li)(li)勞(lao)動(dong)。


  氧氣、硫酸等介質配管設計管道器材的選用,需要考慮流體的流速,還需要考慮配管設計的布置情況進行選材。有時候氧氣管道主管與分支旁路管的管道材質不應相同,因分支旁路管道內氧氣流速快,例如,p=2.0MPa 的氧氣管道,氧氣最高流速15m/s時可選用碳鋼管道材料,當氧氣最高流速達到25m/s時需選用不(bu)銹鋼管(guan)道材料。


  某工程濃硫酸管道用普通碳鋼管道材料,運行后發現腐蝕破壞,多處開始泄漏,后來換成了316L不銹鋼材質管道。經分析原因,是流速和硫酸濃度的問題。


  某熱水(shui)管道(dao)(dao)(dao)在(zai)管廊上用普通(tong)碳鋼(gang)管道(dao)(dao)(dao)加普通(tong)保(bao)(bao)溫管道(dao)(dao)(dao),直埋段時改用高密度聚乙烯外保(bao)(bao)護預制直埋保(bao)(bao)溫管。


5. 復雜性(xing)


  管(guan)(guan)道(dao)工(gong)程設計過(guo)程中實際應用(yong)的(de)管(guan)(guan)道(dao)器(qi)材種(zhong)(zhong)類很多(duo),使用(yong)工(gong)況也(ye)千差(cha)萬別,影響因素(su)和(he)環節也(ye)比(bi)(bi)較多(duo)。管(guan)(guan)道(dao)是一個(ge)系統(tong),相互關(guan)聯相互影響,牽一發動全(quan)身,管(guan)(guan)道(dao)組(zu)成件和(he)管(guan)(guan)道(dao)支承件的(de)種(zhong)(zhong)類繁(fan)多(duo),各(ge)種(zhong)(zhong)材料(liao)各(ge)有特(te)點(dian)和(he)具體技術要(yao)求,材料(liao)選(xuan)用(yong)復(fu)雜(za)。管(guan)(guan)道(dao)長徑比(bi)(bi)很大,極易失穩,受力情(qing)況比(bi)(bi)壓力容(rong)器(qi)更(geng)復(fu)雜(za)。管(guan)(guan)道(dao)內(nei)流體流動狀(zhuang)態復(fu)雜(za),緩沖余地小(xiao),工(gong)作條件變(bian)化頻率比(bi)(bi)壓力容(rong)器(qi)高(gao)(gao)(如高(gao)(gao)溫(wen)、高(gao)(gao)壓、低溫(wen)、低壓、位(wei)移變(bian)形、風(feng)、雪、地震等都可能(neng)影響管(guan)(guan)道(dao)受力情(qing)況)。在(zai)做配(pei)管(guan)(guan)設計管(guan)(guan)道(dao)器(qi)材選(xuan)用(yong)時需要(yao)全(quan)面統(tong)一考慮。