上海滬工閥門廠（集團）有限公司

本書共分 7 章。主要介紹國內(nèi)外工業(yè)管道及閥門的現(xiàn)狀與發(fā)展；工業(yè)管道及閥門維修、安裝必備的基本知識；管道布置和常用竹材、管件及附件；介紹管通和閥門的修理及安裝；管道的試壓與防腐保溫；管道故障及維護。附錄還介紹管路系統(tǒng)圖形符號和圖例。

本書可供管道、閥門機械設(shè)備維修人員和廣大工程技術(shù)人員參考使用。

序言

由中國機被工程學(xué)會設(shè)備與維修工程分會主編，機械工業(yè)出版社 1964 年 12 月出版發(fā)行的 《機修手冊》（8 卷 10 本），深受設(shè)備工程技術(shù)人員和廣大讀者的歡迎，曾于 1978 年和 1993 年兩次再版和 6 次印刷，對我國設(shè)備管理和維修工作起到了積極的作用。

隨著科技發(fā)展和知識更新，設(shè)備的更新?lián)Q代，《機修手冊》的內(nèi)容已不能適應(yīng)時代發(fā)展的要求，應(yīng)該重新編寫和修訂。但是，由于工程浩大，力不從心。為滿足廣大設(shè)備管理和維修工作者的需要，經(jīng)機械工業(yè)出版杜和中國機械工程學(xué)會設(shè)備與維修工程分會共同商定，從《機修手冊》中選出部分常用的、有代表性的機型，充實新技術(shù)、新內(nèi)容，以叢書的形式重新編寫。

從 2000 年開始，中國機械工程學(xué)會設(shè)備與維修工程分會組織四川省設(shè)備維修學(xué)會和中國第二重型機械集團公司、中國航天工業(yè)總公司第一研究院、兵器工業(yè)集團公司、沈陽市機械工程學(xué)會、陜西省設(shè)備維修學(xué)會和陜西鼓風機廠，上海市設(shè)備維修專業(yè)委員會和上海重型機器廠、天津塘沽設(shè)備維修學(xué)會和大沽化工廠、大連海事大學(xué)、武漢鋼鐵公司氧氣有限責任公司、廣東省機械工程學(xué)會和廣州工業(yè)大學(xué)、山西省設(shè)備維修學(xué)會和太原理工大學(xué)等單位進行編寫。

從 2002 年開始．到現(xiàn)在已經(jīng)出版 19 種。其中，2002 年出版了《液壓與氣動設(shè)備維修問答》、《空調(diào)制冷設(shè)備維修問答》、《數(shù)控機床故障檢測與維修問答》、《工業(yè)鍋爐維修與改造問答》4 種；2003 年出版了《電焊機維修問答》、《機床電器設(shè)備維修問答》、《電梯使用與維修問答》3 種；2004 年出版了《風機及系統(tǒng)運行與維修問答》、《發(fā)生爐煤氣生產(chǎn)設(shè)備運行與維修問答》、《起重設(shè)備維修問答》、《輸送設(shè)備維修問答》4 種；2005 年出版了《工廠電氣設(shè)備維修問答》、《密封使用與維修問答》、《設(shè)備潤滑維修問答》3 中。2006 年出版了《工程機械維修問答》、《工業(yè)爐維修問答》2 種。2007—2008 年出版了《泵類設(shè)備維修問答》、《段壓設(shè)備維修問答》、《鑄造設(shè)備維修問答》3 種。2009 年已出版與將出版的有《空分設(shè)備維修問答》、《壓力容器設(shè)備管理與維護問答》、《工業(yè)管道及閥門維修問答》。

正在編寫的有《礦山機械設(shè)備維護問答》、《焦爐機械設(shè)備安裝與維護問答》。

我們對積極參加組織、編寫和關(guān)心支持叢書編寫工作的同志表示感謝，也熱烈歡迎從事設(shè)備與維修工程的行家里手積極參加叢書的編寫工作，使這套叢書真正成為從事設(shè)備維修人員的良師益友。

編寫說明

管道及閥門在國民經(jīng)濟建設(shè)和人民生活中是不可缺少的設(shè)施。它涉及的領(lǐng)城較為廣泛，例如：熱能傳遞，給排水，各種氣體，液體和物料輸送。均要靠管道的輸送來完成。

從 20 世紀 50 年代開始，管道的接口采用焊接結(jié)構(gòu)代替螺紋聯(lián)接。管道的材質(zhì)從鑄鐵和碳鋼單一品種發(fā)展為多品種。僅從鋼的品種而言，就有碳鋼、合金鋼、耐熱鋼、耐酸鋼、不銹鋼等。有色金姚管材有鋁及鋁合金、銅及銅合金、鉛及鉛合金等。非金屬管材有硬質(zhì)聚氯乙烯管、水泥管、石棒水泥管、耐酸陶瓷管等許多品種。焊接工藝技術(shù)也隨著管材有了新的發(fā)展。因此，甘道及閥門維修、安裝也有了新的要求和國家新的標準檢驗。為此，中國機械工程學(xué)會設(shè)備與維修工程分會和機械工業(yè)出版社組織編寫了《工業(yè)管道及悶門維修問答》。

《工業(yè)管道及閥門維修問答》 是結(jié)合我們的實踐。對《機修手冊》第 5 卷第 6 篇工業(yè)管道的修理進行了修訂。并增加了管道及閥門維修、安裝必備的基本知識，以及新檢修標準和先進維修方法，對管道及閥門的使用、維護、檢修都有一定指導(dǎo)作用。這是管道及閥門的管理、選用、維修、安裝人員必備的一本新書。

本書第 1、3、7 章由王鳳喜編寫，第 2、4 章由黃進旗編寫，第 5 章由朱佺編寫，第 6 章由楊曉濱編寫，附錄由徐游編寫，孫先強也參加了部分編寫。全書由蔣世忠，曾翰林審稿。本書在編寫過程中得到中國策二重型機械集團公司總經(jīng)理石柯，副總經(jīng)理曾祥東。裝備部長郭國英等的熱情幫助和支持，在此表示感謝。

第 1 章 國內(nèi)外工業(yè)管道及閥門的現(xiàn)狀與發(fā)展

1-1 管道完整性管理技術(shù)的最新發(fā)展如何？

答：近年來，國外在管道完整性管理方面開展了大量的研究和實踐。在 2006 年召開的國際管道會議上，介紹了美國管道完整性管理的最新進展和發(fā)展趨勢，包括管道完整性管理的進展與實踐、直接評價技術(shù)、內(nèi)檢測技術(shù)進展等方面，并對我國開展管道完整性管理工作提出了建議。

（1）概述

國際管道會議（International Pipeline Conference）是由美國機械工程師學(xué)會（ASME）主辦的全球油氣管道工業(yè)界的盛會。2006 年 9 月 24~29 日，國際管道會議在加拿大卡爾加里市舉行。管道完整性管理 PIM（Pipeline Integrity Management），在此會議上依然是國際管道工業(yè)關(guān)注的熱點，論文多大 95 篇，內(nèi)容涉及管道完整性管理及技術(shù)的各個方面，體現(xiàn)了管道完整性管理的最新進展。

根據(jù)此會議情況，對美國危險液體管道完整性管理檢查工作、直接評價技術(shù)和內(nèi)檢測技術(shù)的最新進展和發(fā)展方向進行了分析，并針對上述方面對我國開展管道完整性管理工作提出建議。

（2）對危險液體管道完整性管理工作的檢查

2002 年 11 月，美國國會通過了專門的 H.R.3609 號法案—《管道安全增進法》，并于 2002 年 12 月 27 日 經(jīng)總統(tǒng)簽署后生效。此法案要求管道運營商在出現(xiàn)安全后果嚴重地區(qū)實施管道完整性管理計劃，按照管道長度對管道進行了分類：長度超過 804km（500mile）的為一類管道，長度小于804km（500mile）的為二類管道。要求運營商在 2004 年 9 月 30 日前，完成一類管道 50% 的基線評價；在 2005 年 8 月 16 日前，完成二類管道 50% 的管道基線評價。

為檢查管道運營商對法案的執(zhí)行情況及進一步推進完整性管理，美國管道和危險物質(zhì)管理局（PHMSA）從 2002 年 9 月開始，對危險液體管道完整性管理的實施情況進行了首輪檢查。在首輪檢查中，PHMSA 完成了所有一類管道以及部門二類管道的檢查。截止 2005 年 12 月，并完成了 175 個危險液體管道的首輪檢查，管道合計 273104km（169841mile），其中以確定為出現(xiàn)安全后果嚴重地區(qū)的為 121534km（75581mile）。在總結(jié)首輪檢查經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，從 2005 年中期開始，PHMSA 及其州屬管道安全機構(gòu)開始對危險液體管道進行第二輪檢查，重點在于落實首輪檢查中發(fā)現(xiàn)的需要改進的地方以及高風險因素。

1）檢查內(nèi)容：根據(jù)《風險管理示范綱要》、《系統(tǒng)完整性檢查指導(dǎo)綱要》，以及 APLI160《危險液體管道完整性管理》標準，對管道運營商建立完整性管理體系的要求。檢查內(nèi)容包括：①檢查完整性管理方案的程序、執(zhí)行情況和文檔編制；②檢查管道運營商完成的完整性評價；③檢查內(nèi)檢測結(jié)果及問題識別；④檢查修復(fù)和減緩計劃；⑤確認是否按法規(guī)要求的時間進行修復(fù)；⑥檢查試壓記錄是否按聯(lián)邦法規(guī) 49CFR495 執(zhí)行，檢查運營商對所有實驗失效的評估；⑦確認預(yù)防和減緩措施是否得到執(zhí)行；⑧檢查組進一步對資產(chǎn)、實際修復(fù)、直接評價及完整性管理方案相關(guān)的內(nèi)容進行全面監(jiān)督。

2）檢查結(jié)果：絕大多數(shù)管道運營商已經(jīng)建立并執(zhí)行了完整性管理體系，基本掌握了后果嚴重地區(qū)的管段，并按照規(guī)則要求，對這些地區(qū)進行了完整性評價。截止 2005 年 12 月，已經(jīng)完成了 86% 的危險液體管道的基線評價，只有極少數(shù)運營商未在最后時限前完成 50% 管段的完整性評價。在首輪檢查中，PHMSA 對 1200 個需要“立即修復(fù)”的缺陷處理情況進行了核實。除需要立即修復(fù)或 60 天、180 天之內(nèi)必須修復(fù)的情況外，運營商也修復(fù)了大量的其他異常情況，運營商也修復(fù)了大量的其他異常情況。行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，2004 年共有 11674 種情況被修復(fù)或減緩，包括影響后果嚴重地區(qū)和非影響區(qū)域。

PHMSA 總結(jié)首輪檢查經(jīng)驗，就以下方面提出了改進意見：①數(shù)據(jù)整合。有效的數(shù)據(jù)整合是完整性管理的關(guān)鍵，目前已經(jīng)開發(fā)了一些工具和方法，對不同類型數(shù)據(jù)進行組合分析，但這方面的工作還處于開始階段。②對內(nèi)檢測結(jié)果的響應(yīng)。部分運營商沒有利用內(nèi)檢測的結(jié)果進行分析，未及時根據(jù)內(nèi)檢測結(jié)果制定并執(zhí)行修復(fù)或減緩計劃，從而影響了對內(nèi)檢測結(jié)果的有效利用。③風險分析。多數(shù)運營商已應(yīng)用風險分析技術(shù)，對進行基數(shù)評價的管道進行排序；但一些運營商所運用的風險模型，還沒有覆蓋管道風險的全部范圍，仍然需要改進分析方法以覆蓋所有風險，尤其是要整合所有數(shù)據(jù)來恰當?shù)卦u價管道風險。④預(yù)防和減緩措施。首輪檢查中發(fā)現(xiàn)許多運營商缺乏預(yù)防和減緩措施的分析，包括對撿漏能力及緊急情況處理能力的評估。在已經(jīng)開始的第二輪檢查中，還未見到明顯的改進。⑤持續(xù)的評估和評價。完成基線評價后，在如何合理確定周期評價的時間間隔方面，需要進行進一步研究，應(yīng)著重于分析運營商進行周期評價的實施效果。⑥完整性管理實施細則。APLI160 是完整性管理的通用標準，運營商還應(yīng)建立實施細則，以增強完整性管理的有效性。⑦完整性決策和分析的技術(shù)基礎(chǔ)。運營商仍然沒有充分的利用歷史數(shù)據(jù)，來決定風險因素和再評價；另外，對歷史數(shù)據(jù)不充分情況下的決策分析方法有待改進。PHMSA 希望有更多的技術(shù)和方法，作為完整性決策和分析的基礎(chǔ)。⑧完整性程序文件。文件編制的完整性和質(zhì)量，是完整性程序的關(guān)鍵要素。許多運營商對評價記錄、修復(fù)記錄、文件的編制過程、技術(shù)驗證、決策基礎(chǔ)缺乏足夠的重視。

（3）直接評價技術(shù)的進展

內(nèi)檢測、試壓、直接評價是管道完整性評價的三種主要方法。盡管智能檢測器在不斷更新，但仍有許多管道不能使用內(nèi)檢測設(shè)備，試壓法是針對一些特定管道的評價方法，但要求管道在停輸狀態(tài)下使用。對無法進行內(nèi)檢測和試壓的管道，可以選擇使用直接評價技術(shù)進行完整性評價。與內(nèi)檢測、試壓等傳統(tǒng)評價方法相比，直接評價具有成本低、易實施等特點。近年來，許多管道運營商在完整性管理方案中，已經(jīng)列入了直接評價技術(shù)，例如：在 Gasunie 公司管轄的 12000km 的高壓管道中，僅有 50% 適合進行管道內(nèi)檢測，該公司從 2005 年開始，對不適合內(nèi)檢測的管道進行直接評價。

1）直接評價方法及相關(guān)技術(shù)：直接評價是一種把管道的物理特性、操作歷史與管道的檢測、檢查結(jié)果結(jié)合起來，采用不開挖檢測技術(shù)（一般為地上或間接檢測）、并根據(jù)檢測結(jié)果進行開挖和檢查，來確定管道完整性的方法。一般分為預(yù)評價、間接檢測、直接檢查、后評價四個步驟：①預(yù)評價。通過數(shù)據(jù)收集和分析、確定直接評價是否可行，劃分評價區(qū)域和選擇間接檢測工具。②間接測評。主要為地面檢測，目的是確定涂層缺陷嚴重程度、其他異常及管道上已發(fā)生或可能發(fā)生腐蝕的區(qū)域。③直接檢查。根據(jù)間接檢查結(jié)果的分析，來選擇開挖點位置和數(shù)量，并在開挖后對管道表面直接檢查。④后評價。驗證直接評價方法的有效性，并確定下一次評價的時間間隔。

直接評價按照管道的威脅因素，分為外腐蝕直接評價（ECDA）、內(nèi)腐蝕直接評價（ICDA）和應(yīng)力腐蝕開裂直接評價（SCCDA）。

ECDA 方法已較成熟。2002 年，美國腐蝕工程師協(xié)會（NACE）提出了 ECDA 方法的推薦標準 NACE RPO502-2002《管道外部腐蝕直接評價推薦作法》。

ICDA 方法分為三類，分別適用于干氣、濕氣和液體管道。目前針對干氣的 ICDA 方法，還有還有許多技術(shù)難題要克服。

SCCDA 方法步驟與 ECDA 相似，重點是識別容易發(fā)生 SCC 的情況和評估可疑的管道系統(tǒng)。此方法適用于高 pH 值的 SCC（傳統(tǒng)的）和接近中性 pH 值的 SCC（新型 SCC）。目前，北美已著手建立應(yīng)力腐蝕開裂的直接評價方法。針對應(yīng)力腐蝕開裂壓力試驗間隔時間的方法的研究也有了新的進展。

直接評價方法是實施，需要間接檢測方法作為技術(shù)支持。為提高檢測可靠性，NACE 要求運營商使用兩種或更多間接檢測工具，已對檢測結(jié)果相互驗證。

常用的間接評價及時有直流電位梯度檢測技術(shù)（DCVG）、密間隔電位檢測技術(shù)（CIPS）、交流電流衰減技術(shù)、電壓差技術(shù)等。

直接點位梯度檢測技術(shù)用來探測和查明涂層缺陷。其原理是：在施加了陰極保護埋地管線上，電流經(jīng)過土壤介質(zhì)，流入管道防腐層破損而裸露的管道處，在管道防腐層破壞處地面上形成一個電壓梯度場。在接近破損裸露點部位，電流密度增大，電壓梯度增大。一般情況下、電壓梯度與裸露面積成正比例關(guān)系該技術(shù)能檢測出較小的防腐層破損點、并可以精確定位，誤差為 ±15cm。這是世界上比較先進的埋地管道防腐層缺陷測試技術(shù)。

密間隔電位檢測技術(shù)是當今尖端的檢測技術(shù)之一，是一種用來提供管道對地電位與距離關(guān)系的地面檢測技術(shù)，能指示管道沿線的陰極保護效果，指出缺陷的嚴重性，并自動采集數(shù)據(jù)。其缺點是工作人員需攜檢測設(shè)備沿管道連續(xù)測量，其檢查結(jié)果不能指示圖層的剝離情況，還可能受到干擾電流的影響使用范圍受到一定的限制。

交流電流衰減技術(shù)采用等效電流原理，來評價防腐層絕緣電阻。當外加交流電流流過管道時，在管道周圍產(chǎn)生相應(yīng)的磁場。當管道外防腐層完好時，隨著管道的延伸，電流較平衡，無電流流失現(xiàn)象或流失較少，其管道周圍產(chǎn)生的磁場比較穩(wěn)定；當管道外防腐涂層破損或老化時，在破損處就會有電流流失現(xiàn)象，隨著管道的延伸，其在管道周圍磁場的強度就會減弱，這是目前國內(nèi)外應(yīng)用比較成熟的一種檢測方法，可長間距快速探測整條管線的防腐層狀況，也可縮短間距對損破點進行定位。

電流差檢測技術(shù)原理是：在管道與大地之間施加的交變電壓信號，通過管道防腐層破損點處時，會流失在大地土壤中；因而電流密度隨著遠離破損點的距離而減小，在破算點的上方地表面形成了一個交流電壓梯度，經(jīng)過濾波放大后，顯示檢測結(jié)果。

根據(jù) 2006 年國際管道會議上戰(zhàn)士的最新研究結(jié)果，美國西南研究院和 CC 技術(shù)公司，開發(fā)了應(yīng)用薄膜腐蝕傳感器與移動無線技術(shù)相結(jié)合的檢測管道內(nèi)腐蝕的技術(shù)；中國石油天然氣集團公司，開發(fā)了應(yīng)用超聲導(dǎo)波測量管道涂層內(nèi)腐蝕技術(shù)；PETROBRAS 公司開發(fā)了應(yīng)用聲學(xué)發(fā)射技術(shù)的直接評價方法；Trans Canada 公司開發(fā)出了應(yīng)用磁學(xué)的金屬損失檢測工具等。目前，結(jié)合 DCVC、CIPS、后處理差分全球定位系統(tǒng)（dGPS）三種技術(shù)的新型檢測設(shè)備正在研發(fā)之中。

2）直接評價技術(shù)標準：美國腐蝕工程師協(xié)會（NACE）正在或已經(jīng)編制了ECDA、DG-ICDA（干氣）、WG-ICDA（濕氣）和 SCCDA 標準。ECDA 標準已經(jīng)完成，也會并入該項規(guī)則。NACE 關(guān)于 DG-ICDA 的標準有望在近期出臺；WG-ICDA 和液體管道 ICDA 的初稿還處于編制的前期階段，有望在 NACE 2007年國際腐蝕會議上進行討論。

3）專題研究工作：為加強完整性相關(guān)技術(shù)的研究，美國國會加大了對 PHMSA 管道安全研發(fā)項目的支持力度。經(jīng)過過會的授權(quán)，PHMSA 重點資助了一些研發(fā)項目，以加強美國能源運輸和配送管道的安全性、可靠性和合乎環(huán)境要求的操作工藝的解決方案。從 2002 年開始，PHMSA 一共支持了 25 個與直接評價技術(shù)相關(guān)的研發(fā)項目，一些工業(yè)組織、管道運營商、管理者和研究機構(gòu)共同為這些項目提供了近 1400 萬美元的資助。這些項目由美國、加拿大和歐洲的研究機構(gòu)分別承擔，重點在于擴大直接評價的應(yīng)用范圍，以及在直接評價過程中各項完整性技術(shù)的整合。國際管道研究會（PRCI）、美國天然氣協(xié)會（AGA）和美國能源部州際天然氣協(xié)會（INGAA）等組織，也對許多企業(yè)和項目進行了贊助。

這些專題研究包括了實際效果研究、間接檢測設(shè)備應(yīng)用效果、流體力學(xué)模型、直接評價的不正確性和可靠性、對實踐的總結(jié)等，具體有以下幾個方面：①對 ECDA 和內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進行對比，以對 ECDA 方法進行驗證；通過實例論證 NACE 發(fā)布推薦的有效性；對復(fù)合管、光管、巖石區(qū)和其他難以進行 ECDA 評價的情況進行試驗；對不合適進行 ECDA 評價的條件進行研究；針對難以進行 ECDA 的區(qū)域開發(fā)機器人系統(tǒng)。②檢查驗證 DG-ICDA 作為預(yù)測內(nèi)腐蝕位置的方法，開展對 WG-ICDA 的初步研究。③評估導(dǎo)波技術(shù)的有效性，研究對遠距離超聲導(dǎo)波信號的增強及區(qū)域擴大可能性的評估；遠距離超聲導(dǎo)波與計算機終端的數(shù)據(jù)處理和通信系統(tǒng)結(jié)合技術(shù)；加大地面檢測管壁金屬損失工具的研發(fā)力度，使之能與智能檢測器技術(shù)抗衡。

PHMSA 和美國管道安全代表協(xié)會（NAPSR），聯(lián)合組織美國能源部州際天然氣協(xié)會（INGAA）、美國天然氣協(xié)會（AGA）、美國腐蝕工程師協(xié)會（NACE）、美國民用天然氣協(xié)會（APGA）舉辦了論壇，專題討論與天然氣完整性相關(guān)的直接評價技術(shù)。PHMSA 向管理者和行業(yè)推介直接評價研發(fā)的現(xiàn)狀，提供直接評價實施的典型案例。并討論 NACE 有關(guān) ECDA、ICDA、SCCDA 標準的進展情況。

直接評價技術(shù)將不斷為現(xiàn)在難以評價的區(qū)域，提供改進了的解決方案。直接評價不僅作為一種制藥的評價工具，同時作為智能檢測器和試壓的輔助工具，將具有更加廣泛的應(yīng)用前景。

（4）內(nèi)檢測技術(shù)的進展以及存在的問題

隨著完整性管理的發(fā)展，需要精確可靠的數(shù)據(jù)，來執(zhí)行先進的完整性評價計劃和優(yōu)化方法；對內(nèi)檢測器的精確性、可靠性、可重復(fù)性、可對比性以及高分辨率等方面，提出了更高的要求。各種檢測技術(shù)不斷發(fā)展，應(yīng)用各種原理的管道智能內(nèi)檢測不斷更新，內(nèi)檢測技術(shù)取得了實質(zhì)性的進展，但仍然存在一些問題。

1）裂紋內(nèi)檢測技術(shù)：目前最適合于檢測裂紋的技術(shù)是超聲波方法，脈沖波在管道內(nèi)表面和表面反向產(chǎn)生周向橫波；如果脈沖遇到裂紋，他就會原路返回并被變換器接收，由此檢測到該裂紋的存在。其主要優(yōu)點是能夠提供對管壁的定量檢測，具有較高的數(shù)據(jù)精度和置信度；缺點是需要耦合劑，應(yīng)用于輸氣管道時較復(fù)雜。

德國 ROSEN 公司研發(fā)出一種新型高分辨率超聲波檢測器。該探測器使用電磁聲波傳感檢測技術(shù)（EMAT）,提供了能有效和精確地檢測裂紋的新方法。研究人員花費 2 年的時間，驗證 EMAT 傳感器的技術(shù)和設(shè)計，從實驗室獲得的大量數(shù)據(jù)，證明了 EMAT 作為探測管道應(yīng)力腐蝕開裂和其他結(jié)構(gòu)缺陷的可行性。這一新型檢測器已經(jīng)通過了工業(yè)試驗，可以判斷 SCC、涂層剝落、其他裂紋缺陷、異常溝槽、人為缺陷等。該技術(shù)最大優(yōu)點是借助電子聲波傳感器，代替了傳統(tǒng)的壓電傳感器，使超聲波能在一種彈性導(dǎo)電介質(zhì)中得到激勵，不需要機械接觸或液體耦合，是適用于天然氣管道的超聲裂紋檢測器，其檢測指標見表 1-1。

注：D 為管徑

傳統(tǒng)的裂紋探測器可檢測的裂紋長度最小臨界值為 30mm。由表 1-1 可見，新型檢測器的裂紋長度最小臨界值達到 20mm。

2）同時進行金屬損失和裂紋的內(nèi)檢測技術(shù)；金屬損失及裂紋是管道的兩大主要缺陷，存在于管道的整個生命周期內(nèi)。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，管道運營商必須分別使用裂紋探測儀和金屬損失檢測儀，對管道的金屬損失和裂紋進行檢測，這會花費巨大的精力和財力。

2006 年的國際管道會議上，美國 GE-P Ⅱ 和德國 NDP 公司分別推出了一種先進的內(nèi)檢測器。應(yīng)用新一代超聲、電子技術(shù)與相控陣技術(shù)相結(jié)合，對超聲波傳感器進行了全新的設(shè)計，把金屬損失、壁厚及裂紋檢測功能融為一體，實現(xiàn)了一次通過可以同時檢測出管道的腐蝕和裂紋。

該技術(shù)的特點是：電子設(shè)施控制的超聲波束允許一次通過檢測金屬損失和裂紋；優(yōu)化的傳感器、超聲波束及大量的測量通道，實現(xiàn)了覆蓋整個管壁圓周的高分辨率；可敏感地探測小的凹陷和腐蝕造成的裂紋。

相控陣技術(shù)與傳統(tǒng)超聲技術(shù)相比，報本改進在于：傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)使用的超聲波束的形狀及傳播方向．被每個傳感器所固定，每個獨立的傳感器被固定排列，如果測量條件改變，則必須改變傳感器的排列類型；相控陣技術(shù)所使用的傳感器的排列和發(fā)射模式是程序化的，每個獨立的傳感器具有可以發(fā)射不同方向及不同聲束特性的功能，當測量條件發(fā)生變化時，超聲波束的設(shè)置全部由計算機界面執(zhí)行操作，不需要再對傳感器進行人工校準。

GE-P Ⅱ 公司的一次通過可同時檢測金屬損失及裂紋的新一代超聲波檢測器，已經(jīng)在 2005 年 3 月應(yīng)用于歐洲一條管徑為 609.6mm（24in）的成品油管道，并于 2005 年 9月，對北美一條管徑為 863.6mm（34in）的原油管道進行了檢測。這兩條管道以前均使用過金屬損失檢測器和裂紋檢測器，與以往的檢測數(shù)據(jù)進行對比表明，可以是圓周分辨率從 8mm 提高到 3.3mm。相控超聲技術(shù)內(nèi)檢測器不僅分辨率高，節(jié)約時間和費用，同時檢測數(shù)據(jù)具有高效的精確度和可靠度。

3）機械損傷檢測技術(shù)：機械損傷來自對管道表面的直接沖擊，包括巖石與管道的直接接觸、不適當?shù)慕ㄔO(shè)行為以及第三方挖掘等。有些損傷在未被發(fā)現(xiàn)情況下會維持相當長的時間，從而進一步形成腐蝕或裂紋，有可能導(dǎo)致管道以后的失效。目前，機械損傷已經(jīng)成為導(dǎo)致管道失效的主要原因之一。管道運營商希望通過使用適當?shù)膬?nèi)檢測工具，可以檢測各種原因造成的、影響管道有效內(nèi)徑的幾何異常現(xiàn)象，并確定其程度和位置。

最近兩年，幾何檢測要求提高了，其中對凹陷尺寸的最小要求是：高分辨率的幾何工具應(yīng)該能夠探測和定位深度大于等于 6.35mm（0.25in）的凹陷，而再用的幾何檢測器現(xiàn)狀是：對橢圓變形和大的變形難以提供凹陷評價的有效信息，基于 78 例現(xiàn)場挖掘證實，其探測率僅為 32%，無法滿足要求；對凹陷和橢圓變形的特征仍然沒有一個適當?shù)娜毕菰u價技術(shù)。對凹陷和機械損傷的高質(zhì)量內(nèi)檢測過程，應(yīng)能提供要求的信息，如凹陷的幾何形狀和數(shù)據(jù)，這些都對探測器機械損傷的內(nèi)檢測提出了更高的要求。

漏磁（MFL）技術(shù)應(yīng)用于管道內(nèi)檢測，已有超過 40 年的時間，一般用來探測腐蝕造成的金屬損失，是目前最適宜的腐蝕檢測技術(shù)；但由于機械損傷產(chǎn)生的漏磁信號，不能很好地判斷的 MFL 技術(shù)很少用于檢測機械損傷帶來的缺陷，在識別第三方破壞方面效果不佳。來自凹陷的漏磁信號的解釋困難由以下原因造成：機械損傷的漏磁信號在幾何和應(yīng)力的作用下是重疊的；機械損傷區(qū)域的應(yīng)力分布十分復(fù)雜，包括塑性變形和殘余應(yīng)力。

由于樓此技術(shù)被認為是最具有成本效率的內(nèi)檢測方法。管道運營商、管理者和研發(fā)人員都希望提高漏磁技術(shù)檢測機械損傷的靈敏度，從而使漏磁探測技術(shù)有效應(yīng)用于機械損傷缺陷的識別。目前該項工作有了以下新的發(fā)展：①德國 ROSEN 公司開發(fā)出用于內(nèi)檢測器的新一代幾何傳感器，可以提供高精度的管道內(nèi)部輪廓的幾何數(shù)據(jù)，如能探測到的最小凹陷是 4.47mm（0.176in）。這種傳感器結(jié)合了非接觸遠距離測量法與測徑器手臂的優(yōu)勢，允許傳感器在高動態(tài)運行載荷作用下工作；該傳感器與導(dǎo)航器、高分辨率漏磁檢測技術(shù)相結(jié)合，推進了機械損傷檢測工具的發(fā)展。②加拿大 BJ 公司開展了基于三軸漏磁信號是識別凹陷特性的研究。應(yīng)用三軸樓此工具檢測小凹陷（深度少于直徑 1%）的技術(shù)已經(jīng)有了重大進展，其檢測能力已在現(xiàn)場挖掘中得到了驗證。該項技術(shù)目前具有國際領(lǐng)先水平。

4）金屬損失檢測技術(shù)：過去幾年里，人們重點關(guān)注了金屬腐蝕的最小檢測深度；而現(xiàn)在對于金屬損失普遍關(guān)注的，是對腐蝕引起的金屬損失的探測、定位和尺寸測定。早期的漏磁檢測工具僅能探測大面積的腐蝕或腐蝕群。由于檢測其設(shè)計、傳感器、電子學(xué)和其他要素的改進，新型檢測工具已經(jīng)具有探測小缺陷能力，預(yù)測的缺陷尺寸也更加精確，并通過多種途徑進行了很大的改進，如大多數(shù)低分辨率檢測器，測量漏磁場僅在一個單一方向，現(xiàn)在高分辨率檢測器的檢測范圍是兩個或是三個相互垂直的方向，取樣率、特定距離收集的數(shù)據(jù)樣本和時間間隔也大大增大。

加拿大 BJ 公司應(yīng)用三軸漏磁技術(shù)的軸向磁場 MFL 檢測器研究，有了一定的進展。在三軸傳感器中，有三個單獨的、互相垂直的傳感方向；軸向傳感器記錄沿管道的平行方向；徑向傳感器記錄管道垂直方向；環(huán)向傳感器記錄圓周方向。第四個傳感器稱為旋轉(zhuǎn)傳感器，被用來識別內(nèi)外部的區(qū)別，也幫助識別和進行特征分類。這類高分辨率漏磁檢測器，可識別的金屬損失特征有金屬增長和金屬損失、復(fù)雜腐蝕情況、延長的軸向缺陷、制造缺陷、建設(shè)缺陷、焊縫裂紋、凹陷、折皺、圓鑿、圓周裂紋等。一般認為凹陷、折皺等管道凹陷無法被 MFL 識別，因此漏磁技術(shù)中關(guān)于非腐蝕特征的進一步研究變得更加重要，這仍是目前漏磁技術(shù)研究的方向

5）內(nèi)檢測技術(shù)存在的問題及發(fā)展方向：經(jīng)過多年應(yīng)用，內(nèi)檢測技術(shù)已經(jīng)成為評價管道缺陷和確保管道完整性的首選技術(shù)。高分辨率的內(nèi)檢測器（幾何、腐蝕、裂紋）可探測、定位、測量并顯示管壁上的異常。這些異常可以表示為幾何變形（凹陷、圓鑿、橢圓變形、折皺、彎曲）、腐蝕、裂紋和其他缺陷。但是、研究世界上最近發(fā)生的危險液體和天然氣管道事故，卻發(fā)現(xiàn)一些內(nèi)檢測結(jié)論為可繼續(xù)運行的管道，在內(nèi)檢測后的 6~12 個月內(nèi)就發(fā)生了失效事故。

2005 年，美國管道安全辦公室發(fā)布的數(shù)據(jù)表明，這些經(jīng)過檢測卻很快出現(xiàn)故障的管道，失效原因中，缺陷未被探測到的占 51%；對缺陷特征低估的占 32.3%；錯誤辨識的占 16.7%。這種現(xiàn)象對內(nèi)檢測器及相應(yīng)的內(nèi)檢測器技術(shù)提出了質(zhì)疑，文獻指出了內(nèi)檢測器面臨的問題和發(fā)展的問題。

內(nèi)檢測其已經(jīng)從純粹的檢測工具，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�精確地測量手段，目前面臨的問題如下：①管道測量的目標處在一個復(fù)雜、連續(xù)、變化的內(nèi)部環(huán)境（壓力、溫度、腐蝕等）和外部環(huán)境（周圍土壤、腐蝕、第三方干擾等）。②內(nèi)檢測器運行過程中，其關(guān)鍵部件可能會失效，但無法及時更換。③智能檢測器的運行參數(shù)不穩(wěn)定，如速率、磁場、檢測期間傳感器故障。④實際存在的缺陷數(shù)量大于被內(nèi)檢測器檢測到的數(shù)量，缺陷的實際大小一般大于內(nèi)檢測器給出的數(shù)據(jù)。⑤創(chuàng)建一個內(nèi)檢測方法與對比標準非常困難。

分析以上情況，內(nèi)檢測技術(shù)應(yīng)該在以下方面進行改進：①需要進一步改進內(nèi)檢測器的基本原理和技術(shù)，以改進現(xiàn)有內(nèi)檢測技術(shù)存在的未探測到、低估危險及錯誤辨識等方面的性能。②對內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進行整體的統(tǒng)計分析，確定內(nèi)檢測遺漏和錯誤辨識的缺陷的數(shù)量、尺寸和位置，評價內(nèi)檢測器檢測到的缺陷的實際數(shù)量和尺寸。③對各種內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的差異進行對比分析，以對測量錯誤進行歸納、驗證檢測器、現(xiàn)場和計算機數(shù)據(jù)。

（5）工作建議

完整性管理是保證管道安全運行的有效手段。中國管道行業(yè)已經(jīng)初步建立起完整性管理的理念，開始制定完整性實施計劃及相關(guān)技術(shù)標準，并已經(jīng)對陜京管道、廣東 LNG 管道等進行了內(nèi)檢測實踐，取得了良好的效果。為了更好地開展完整性管理，現(xiàn)結(jié)合國際上完整性管理的最新進展，提出以下建議。

1）提高對直接評價的重視程度。由于內(nèi)檢測技術(shù)適用范圍的局限性，相當數(shù)量的管道需要通過直接評價技術(shù)進行完整性評價。應(yīng)該加強對直接評價技術(shù)的研究，適當引進直接評價技術(shù)，對不適合內(nèi)檢測評價的管道進行完整性評價，提高完整性管理技術(shù)水平。

2）制定并監(jiān)督實施強制性的完整性評價計劃。在國內(nèi)缺乏強制性法律的情況下，各大石油公司應(yīng)該制定包括直接評價和內(nèi)檢測等評價方法在內(nèi)的完整性評價計劃，提出強制性要求，使管道完整性管理從試點逐步納入規(guī)范化管理的軌道。

3）加強行業(yè)數(shù)據(jù)庫建設(shè)。注重整個管道行業(yè)的管道失效等數(shù)據(jù)收集和分析，為完整性管理提供參考；在開展內(nèi)檢測實踐的基礎(chǔ)上、加強對內(nèi)檢測數(shù)據(jù)和結(jié)果的對比研究，提高對內(nèi)檢測技術(shù)的認識。

4）加大對完整性管理技術(shù)的研究力度。密切跟蹤國外最新技術(shù)發(fā)展狀態(tài)，有計劃地開展直接評價技術(shù)和內(nèi)檢測技術(shù)的研究，加大研究投入，培育具有自主知識產(chǎn)權(quán)的評價技術(shù)。

1-2 十一五期間中國鋼管市場有哪些需求？

答：十五期間中國鋼管市場消費結(jié)構(gòu)的變化，反映了十一五期間中國鋼管發(fā)展的經(jīng)濟背景，分析了中國鋼管市場主要用戶的要求，從宏觀層面對鋼管和鋼材市場的動態(tài)比例關(guān)系進行了評估，對十一五期間中國鋼管市場需求驚醒了預(yù)測。

（1）十五期間中國鋼管頁的發(fā)展情況

十五期間，中國鋼管產(chǎn)量由 1153.10×10⁴t/a 上升到 2614.11×10⁴t/a，五年間上升 1461.10×10⁴t/a，年均增加 292.2×10⁴t/a。由于產(chǎn)能不斷增加，從十五初期的生產(chǎn)能力不足，已轉(zhuǎn)為生產(chǎn)能力過剩。中國鋼管十五時期的產(chǎn)量和構(gòu)成比例見表 1-2。

由表 1-2 可知，五年來，鋼管產(chǎn)量和表觀消費量平均以 22.46% 和 19.77% 的幅度高速增長。2003 年以后，鋼管自給率逐漸呈供大于求的局面，即自給率大于百分之百進口管。中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會指出：管材在鋼材表觀消費總量中的比例，2000 年為 6.61%，2005 年為 6.42%，變化不大。其中，無縫鋼管由 2000 年的凈出口 3×10⁴t，轉(zhuǎn)為 2005 年凈出口 71.4×10⁴t；焊接鋼管由 2000 年的凈出口 3×10⁴t，轉(zhuǎn)為 2005 年凈出口 124.5×10⁴t。管材在國內(nèi)市場的國產(chǎn)化率已達 95.5%。

十五期間中國鋼管業(yè)的發(fā)展情況表明，中國鋼管業(yè)已進入供大于求的新階段。這給十一五期間中國鋼管業(yè)的發(fā)展以新的啟示。

（2）十一五期間鋼管市場需求分析和評估

1）十一五期間中國鋼管業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟背景：處于中國工業(yè)化由中期階段向后期階段的過渡時期，是中國鋼管業(yè)發(fā)展的拐點。這意味著鋼管產(chǎn)量和消費量由高速增長，過渡到持續(xù)、快速增長，鋼管業(yè)發(fā)展的增速放慢。當我國工業(yè)化基本實現(xiàn)時，鋼管產(chǎn)量和消費產(chǎn)量將到達歷史峰值。這個時期，中國經(jīng)濟仍然只要是靠投資和外貿(mào)拉動，由粗放型增長方式向集約型增長方式過渡。十一五期間中國鋼管業(yè)就處在這樣兩個過渡時期的發(fā)展階段。

十一五期間規(guī)劃經(jīng)濟發(fā)展的態(tài)勢是又好又快，其著力點是創(chuàng)新、節(jié)能和環(huán)保。至于 GDP 增長率，十一五前兩年（2006 年和 2007年）預(yù)計分別是 10.7% 和 8%。平均為 9% 左右。預(yù)計后三年可能是 7.5%~8%。十一五期間 GDP 增長率平均約為 8%。中國鋼鐵協(xié)會預(yù)測 2010 年我國粗鋼消費達到 4.9×10⁸t，鋼材消費達到 4.7×10⁸t。這個預(yù)測是在總結(jié)十五期間預(yù)測的經(jīng)驗教訓(xùn)基礎(chǔ)上得出的。

2）十一五期間鋼管市場的需求評價：十一五期間，中國能源需求強勁是中國鋼管行業(yè)發(fā)展的直接動力。預(yù)測 2010 年將消費（25~33）×10⁸t 標煤，十一五期間能源建設(shè)將投資 3.5 萬億元。到 2020 年，我國能源工業(yè)累計投資將達到 10 萬億元，從 2005 年起，每年投資 7000 多億元。其中 2020 年煤炭生產(chǎn)能力將達到 28×10⁸t，年均投資 700 億元；2010年石油產(chǎn)量將達到 1.8×10⁸t，年均投資 500 億元；2010 年天然氣產(chǎn)量達到 1100×10⁸m³，年均投資 300 億元；2010 年電力裝機，包括火電、水電、喝點、天然氣發(fā)電、風電等新能源發(fā)電達到 7×10⁸Kw，年均投資 5000 多億元。

①煤炭用鋼管。煤炭用鋼管的數(shù)量比較大，用途也比較廣。按鋼管占 20% 來估計，支護用鋼管 2006~2010 年共用 990×10⁴t；礦用帶式輸送機拖輥等設(shè)備和排水、通風用鋼管 130×10⁴t。由此可見，煤炭用鋼管共計約 1120×10⁴t。

②石油天然氣鋼管。石油天然氣用鋼管的主題市場是中石油、中石化和中海油三家石油巨頭，其用途主要是油井管、油氣長輸管線鋼管。

2006~2010 年共計需油井管 1800×10⁴t。石油行業(yè)十一五期間油井管和管線鋼管用量之和約 3800×10⁴t。

③化工用鋼管。十一五期間無縫鋼管、焊管等共計 900×10⁴t。

④電力用鋼管，包括火電用鋼管（蒸汽管、高壓給水管等）、核電用管（傳熱管）、水電用鋼管（焊接鋼管、壓力管）、風電用鋼管（焊管）、電網(wǎng)用鋼管（輸電塔一般用角鋼改為用焊管）。以上電力用鋼管 2006~2010 年總計需求量 575×10⁴t。

⑤鋼結(jié)構(gòu)用鋼管。鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展同城市化有密切的關(guān)系。華東、中南仍是我國鋼結(jié)構(gòu)消費的主要區(qū)域，西北、西南地區(qū)的消費比重呈增長勢頭。十一五期間，中國城鎮(zhèn)化率將由 2005 年的 43%，上升到 2010 年的 47%，農(nóng)村人口轉(zhuǎn)移到城鎮(zhèn)約 8545×10⁴ 人，年需建筑用鋼約 2655×10⁴t。其中，東南部 844×10⁴t，中部 1046×10⁴t，西部 765×10⁴t。五年共需建筑用鋼材約 1.3275×10⁸t。

國內(nèi)一般以上的鋼材用于建筑行業(yè)，推算出 2006~2010 年，鋼結(jié)構(gòu)用鋼管需要 600~700×10⁴t。

⑥房地產(chǎn)用鋼管。房地產(chǎn)用鋼管包括三個方面：一是鋼結(jié)構(gòu)，見⑤中分析；二是城市地下給排水、熱力、通風管道；三是住宅用來水鍍鋅鋼管。十一五期間城市地下水及熱力管網(wǎng)，年需鋼管平均約為 50×10⁴t；地面房屋用鍍鋅鋼管平均約需 800×10⁴t；十一五期間房地產(chǎn)用鋼管量約 4250×10⁴t。

⑦汽車工業(yè)用鋼管。2005 年我國汽車產(chǎn)量為 500×10⁴ 輛，2006 年達到 650×10⁴ 輛，2007 年可達 850×10⁴ 輛，2010 年將超過 900×10⁴ 輛。關(guān)于汽車用剛量的評估，按 2005 年汽車用鋼管 24×10⁴t（其中無縫管 16.91×10⁴t，焊管 7.09×10⁴t）來推算，十一五期間汽車用鋼管量約 160×10⁴t。

⑧造船工業(yè)用鋼管。目前世界造船市場處于發(fā)展的高峰期。在世界海運貿(mào)易增長的推動下，尤其是在中國，石油、礦石進口持續(xù)快速增長和集裝箱貨運增速上升的推動下，2005 年我國制船行業(yè)產(chǎn)量突破 1222×10⁴t 載重噸，同比增長 41.86%,占世界產(chǎn)量的 18.2%，2006 年造船產(chǎn)量為 1500×10⁴t 載重噸，用鋼材 600×10⁴t，其中管材占 7%，約為 42×10⁴t。2006~2010 年我國造船達到每年平均 830×10⁴t 載重噸，總計為 4152×10⁴t 載重噸。按 2006 年船用鋼管量為基數(shù)，推算十一五期間我國造船工業(yè)用鋼管量為 250×10⁴t。

⑨集裝箱行業(yè)用鋼管。我國集裝箱行業(yè)在產(chǎn)銷上已連續(xù) 14 年居世界第 1 位，生產(chǎn)集裝箱所用鋼材為耐候鋼，主要有熱軋薄板（1.6~6.0mm）、型鋼和焊管。預(yù)計 十一五期間集裝箱需求焊管將達 105×10⁴t。

⑩機械工業(yè)用鋼管。中國機械工業(yè)有龐大的內(nèi)需支持，同時其有明顯的國際比較優(yōu)勢，是今后國際重點振興的產(chǎn)業(yè)。到 2010 年將投資 3555 億元，占國民經(jīng)濟總投資的 4%，增長速度為 47%，產(chǎn)銷總體呈平穩(wěn)發(fā)展趨勢。

機械工業(yè)的機床工業(yè)，歐、亞、美三足鼎立，歐洲勢強，德、日、美爭雄。機械工業(yè)發(fā)展如何，標志著一個國家技術(shù)水平的高低。

機械工業(yè)鋼材用量的主要行業(yè)有：重型礦山機械、工程機械、通用機械、農(nóng)業(yè)機械、石油及化工機械。此外，還有零部件制造業(yè)，增速為 20%；制冷及空調(diào)機械制造業(yè)，增速為 15%~20%；環(huán)保機械制造業(yè)增速為 17%；文化辦公機械制造業(yè)增速為 15%；食品及包裝機械制造業(yè)增速為 10%~15%；液壓、氣動、密封件制造業(yè)增速為 10%~15%；印刷機械制造業(yè)增速為 10%；軸承制造業(yè)增速為 8%~10%；內(nèi)燃機制造業(yè)增速為 5%~8%；工程機械制造業(yè)增速為 5%。

據(jù)不完全統(tǒng)計，機械行業(yè) 2004 年消耗鋼材 4500×10⁴t，2005 年消耗鋼材 5200×10⁴t。2006 年機械工業(yè)產(chǎn)銷同比增長 15%，由此，預(yù)測十一五期間機械工業(yè)用鋼量為 2200×10⁴t 左右。

機械制造業(yè)用管以大中直徑、中厚壁碳結(jié)鋼和低合金鋼管、無縫鋼管為主。用無縫鋼管代替實心段坯制造缸、筒、軸、輥、滾筒、軸承、管模等中空體和結(jié)構(gòu)體，可節(jié)約鋼材 20%~30%。又如壓力容器、高壓氣瓶年需無縫鋼管約 10×10⁴t。機械用管中，大中直徑無縫鋼管約占 30%。近幾年，年消耗無縫鋼管（150~160）×10⁴t，約占無縫鋼管消費的 15%。美國的機械結(jié)構(gòu)管消費比例，1997 年為 29.4%，2002 年保持在 24%。隨著我國機械裝備業(yè)的發(fā)展，我國鋼管用于機械結(jié)構(gòu)管的比例還會增加，將達到 20% 左右。

⑪輕工業(yè)用鋼管。輕工業(yè)是我國凈出口量較大的行業(yè)，2005 年出口順差為 1400~1500 億元，增長幅度較大。由于國際競爭激烈，需要鋼材品種升級換代。

輕工業(yè)用鋼管涉及自行車、影劇院、體育場館、會議廳設(shè)備（座椅等）、健身器材、家電、家具、醫(yī)療機械、小五金、旅游用品等。2005 年自行車用鋼材 185×10⁴t，其中焊管約 110×10⁴t，由此，預(yù)測十一五期間輕工業(yè)用鋼管約 880×10⁴t。

⑫鐵路（車輛）用鋼管。十一五期間將加大綜合交通運輸體系投資力度投資總額 65219 億元增長 18.6%。盡管如此，與國際交通運輸發(fā)達國家相比，仍由較大差距。從路網(wǎng)密度來看，美國每萬平方千米國土面積就有鐵路 200km，印度有 211km。我國 2005 年年底全國鐵路總營業(yè)里程為 7.5×10⁴km，每萬平方千米地面積鐵路僅為 78.11km。

十一五期間國家將繼續(xù)加大鐵路網(wǎng)建設(shè)，將重新線 1.7×10⁴km，相當于八五、九五和十五總和的 1.3 倍。鐵路車輛由于主要干線提速，需要新購機車 7300 臺，到 2010 年需新購貨車 22×10⁴ 輛，新購客車 2.6×10⁴ 輛。因此，未來幾年的鐵路車輛用鋼市場潛力巨大。

火車車廂用鋼管主要包括三個方面：一是車廂鋼結(jié)構(gòu)件，例如用方矩形鋼管制作箱梁；二是配管；三是為了提速、減重和安全，用鍛軋的空心軸代替實心軸。目前年需低和金鋼車軸（15~20）×10⁴t。

綜上所述，十一五期間鐵路（車輛）用鋼管約 200×10⁴t。

⑬港口建設(shè)用鋼管。我國鋼鐵工業(yè)正在向沿海地區(qū)發(fā)展，如鞍鋼、首鋼、唐鋼在沿海地區(qū)建設(shè)鋼鐵鋼鐵大廠，配套的港口建設(shè)正在發(fā)展之中。港口建設(shè)和跨海大橋都需要大量打樁用鋼管。例如，杭州灣跨海大橋用的打樁規(guī)格為 ø1016mm×16mm，管長 72m，鋼管用量很客觀。螺旋焊管用于樁管較合適，一部分直縫埋弧焊管也可用于樁管。同時，鐵路建設(shè)中橋梁也很多，以京滬高速鐵路為例，就有 11 座特大橋需要大量打樁用管。預(yù)計十一五期間港頭、碼頭、橋梁需要用作樁管的鋼管月 250×10⁴t。

十一五期間我國鋼管出口量預(yù)計約 3000×10⁴t。

1-3 俄羅斯 ø1420mm 直縫焊管生產(chǎn)線如何？

答：俄羅斯聯(lián)合鋼鐵股份有限公司韋克松鋼鐵廠建成的 ø1420mm 直縫埋弧焊管生產(chǎn)線，主要設(shè)備有德國 SMS MEER 公司提供，采用 JCO 成形工藝，可生產(chǎn)單焊縫和雙焊縫鋼管。由銑邊機、預(yù)彎機、步進成型機、預(yù)焊機、水壓試驗機、無損檢測等設(shè)備組成。生產(chǎn)的 ø1420mm 焊管力學(xué)性能檢測試驗表明，完全滿足油氣輸送管線要求。

ø1420mm 焊管生產(chǎn)線大口徑焊管的生產(chǎn)能力為 40×10⁴t/a，其主要生產(chǎn)設(shè)備如下：

1）銑邊機。為后續(xù)焊接保證最精確的板邊幾何參數(shù)。

2）預(yù)彎機。彎力 24MN，可同時從全長鋼板兩側(cè)逐段彎曲板邊。

3）步進成型機（JCO）。彎力 65MN，可同時在管坯全廠范圍內(nèi)的多個彎曲點上，將各坯段預(yù)彎向管坯中央，最終形成斷面。

4）預(yù)焊機。在正式焊接前進行保護氣體定位焊接。

5）自動焊機。采用埋弧多弧焊接工藝焊接工藝（3~5個電弧），進行內(nèi)外焊縫的自動焊接。液壓擴徑機（擴徑頭擴張力為 21GN），可在全管長范圍內(nèi)逐漸進行鋼管擴徑、定徑，保證鋼管的幾何尺寸精度并消除內(nèi)應(yīng)力。

6）水壓試驗機。最大試驗壓力為 55MPa。

7）無損檢測設(shè)備。用于焊縫和罐體自動超聲波檢測、手動超聲波檢測、X 射線檢測、磁粉檢測等。

2005 年 4 月，韋克松鋼鐵廠第四鋼管廠這套新生產(chǎn)線投產(chǎn)。再制造大口徑厚壁管時，采用了謝維爾（北方鋼公司）、Dillinger（德國）、Posco（韓國）等公司生產(chǎn)的寬厚熱軋板，并與這些公司簽訂了長期供貨合同。ø1420mm 鋼管的力學(xué)性能見表 1-4.測試鋼管的壁厚為 18.7mm 和 15.7mm，其熱軋板分別有俄羅斯謝維爾公司和德國 Dillinger 鋼廠供貨。

2006 年 4~5 月，俄羅斯天然氣科學(xué)技術(shù)研究院，對該廠 1420 機組生產(chǎn)的 X70 級管線鋼管 ø1420mm×26.7mm 和 K60 級 ø1020mm×17mm 單焊縫鋼管分別進行了試驗。

試驗中，在鋼管試樣表面制造了人工缺陷，然后在液壓試驗機上按要求進行試驗，并對鋼管的韌性進行了評價。

試驗結(jié)果表明，所生產(chǎn)的鋼管可用于施工溫度 -60℃，運行溫度 -20℃，工作壓力為 9.8MPa 的油氣輸送管道的敷設(shè)和大修。這一結(jié)論已得到全俄天然氣科學(xué)技術(shù)研究院和全俄鋼鐵科學(xué)技術(shù)研究院的正式認可。此外，天然氣工業(yè)公司驗收委員會在 2005 年 7 月 14 日 1 號會議記錄中，也對該廠 ø1420mm×26.7mm 鋼管的優(yōu)良性能給予了肯定。

現(xiàn)已制定出天然氣工業(yè)及石油輸送管道用“大口徑直縫焊管生產(chǎn)技術(shù)條件”。韋克松鋼鐵廠已開始對石油天然氣公司供應(yīng)這種鋼管，并對試驗設(shè)備進行了更新，以便對鋼級 K70(X70)，壁厚 50mm 的大口徑直縫焊管的力學(xué)性能進行可靠的檢驗。新添的檢驗設(shè)備由 Zwick 公司提供，包括拉伸試驗機、落錘撕裂試驗機和沖擊試驗機。

除了 ø1420mm 大口徑直縫焊管上產(chǎn)線外，韋克松鋼廠還建立了鋼管外防腐生產(chǎn)線，內(nèi)防腐生產(chǎn)線于 2006 年 10月 投產(chǎn)。這兩條鋼管內(nèi)、外防腐生產(chǎn)線的設(shè)備均由荷蘭 Bauhuis 公司提供。

聯(lián)合鋼鐵公司韋克松鋼鐵廠，是第一個批量生產(chǎn)出 ø1420mm 大口徑直縫焊管的俄羅斯制管企業(yè)。俄羅斯巴頓焊接研究所，礦山技術(shù)監(jiān)督局、重型機械廠、烏克蘭國立黑色冶金設(shè)計院等單位的專家和一些外國專家，參與了 ø1420mm 大口徑單直縫焊管的工藝設(shè)計、設(shè)備開發(fā)及投產(chǎn)調(diào)試。

目前該廠發(fā)展趨勢良好，經(jīng)營狀況穩(wěn)定，投資重點向著提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量方面發(fā)展。這些將使人們堅信，韋克松鋼鐵廠在互利合作的基礎(chǔ)上，能夠為石油天然氣行業(yè)提供大量優(yōu)質(zhì)的管線鋼管，并已準備參與“俄北—歐洲天然氣管道”和“東西伯利亞—太平洋天然氣管道”的建設(shè)。

1-4 閥門用金屬波紋管的選型與應(yīng)用如何？

答：介紹金屬波紋管在截止閥、閘閥、調(diào)節(jié)閥、安全閥和球閥等閥門中的應(yīng)用、設(shè)計和選型。對閥門用金屬波紋管在使用中出現(xiàn)的出現(xiàn)的問題給出了解決辦法。

（1）概念：隨著世界范圍內(nèi)環(huán)保意識的增強，人們對閥門的密封要求越來越高，特別是該裝置以及石油和化工等特殊場合，要求閥門必須實現(xiàn)“零泄漏”。因此，蘇聯(lián)、德國、美國和日本等國家率先將金屬波紋管應(yīng)用于閥門領(lǐng)域，使波紋管閥門作為一個新產(chǎn)品首先在航空、航天、艦船和核工業(yè)等軍工領(lǐng)域得到應(yīng)用，并迅速在石油和化工等行業(yè)得以推廣。

金屬波紋管的作用主要是實現(xiàn)測量、連接、轉(zhuǎn)換、補償、隔離、密封和減震等功能。在波紋管截止閥和閘閥中的作用只要是隔離、密封和補償功能，在自力式調(diào)節(jié)閥中，還與彈簧配套起到輸出力和開區(qū)關(guān)閉閥門的作用。

用于波紋管閥門的金屬筆文官只要有液壓成形和焊接成形兩種，是根據(jù)實際使用的閥門閥體高度、位移量、耐壓能力以及剛度要求綜合考慮選擇何種形式的金屬波紋。金屬波紋管的材料主要是奧氏體不銹鋼以及高溫合金鋼等，材料的選擇主要是根據(jù)閥門實際使用介質(zhì)腐蝕性和使用溫度決定的。

由于近年來國內(nèi)閥門行業(yè)發(fā)展非常迅速，如何在波紋管閥門設(shè)計時選擇合適的金屬波紋管成為行業(yè)上迫切需要解決的問題。

（2）術(shù)語：在對金屬波紋管設(shè)計選型時，首先要明確金屬波紋管的行業(yè)術(shù)語。

1）波紋管：一種彈性、薄壁、有多個橫向波紋的管殼零件。

2）波紋管組件：由兩個或兩個以上零件組成，其中之一是波紋管，波紋管是一個或多個串聯(lián)，其他是法蘭等配件。

3）壁厚：成形波紋管的原始金屬管的管壁厚度，對多層波紋管則是各層壁厚的總和。

4）形程：已原始長度為基點，波紋管壓縮位移與拉伸位移之和。

5）扭曲：長波紋管進行軸向壓縮時產(chǎn)生的柱失穩(wěn)。

6）公稱壓力：與波紋管機械強度有關(guān)的設(shè)計給定壓力。

7）公稱載荷：正常工作條件下允許的最大載荷或滿量程值。通常是預(yù)期設(shè)計值。超載載荷一般限定在額定載荷的 125%~150%。

8）額定位移：額定載荷下引起的位移，是正常使用條件下允許產(chǎn)生的工作位移。

9）波紋管剛度：使波紋管產(chǎn)生單位位移所需要的力，設(shè)計計算得出的剛度稱為公稱剛度或額定剛度。一般情況，公稱剛度不直接受用實際值，而是產(chǎn)品原型經(jīng)過測試后的修正值。

10)一次循環(huán)：波紋管隨閥桿從全開到全閉再到全開的運動過程。

11）循環(huán)壽命：波紋管在規(guī)定壓力、溫度和軸向行程下往復(fù)運動而不破換的最大循環(huán)次數(shù)。相同產(chǎn)品的壽命與波紋管工作狀態(tài)、循環(huán)次數(shù)、頻率、壓力和溫度等有關(guān)。

12）有效面積：彈性元件在單位壓力作用下，位移為零時轉(zhuǎn)換的集中力的大小。但有效面積隨壓力增加而變化，因此具有不恒定性，在力平衡式儀表中，要配對篩選，做到有效面積盡量一致。

（3）結(jié)構(gòu)

1）U 形波紋管：常用 U 形波紋管結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示。波紋管端部接口形式如圖 1-2 所示。接口表示方法為外配合用 W（圖 1-1a 中的 d₁ 尺寸）、沿波切邊用 Q_D（圖 1-1a 中 D₂ 尺寸）、內(nèi)配合用 N（圖 1-1b 中 D₁ 尺寸）。推薦采用圖 1-2a、b、c 端部接口形式。

圖 1-1 常用波紋管結(jié)構(gòu)要素

圖 1-2 波紋管端部接口形式

2）波紋管組件典型結(jié)構(gòu)：保溫管組件典型結(jié)構(gòu)如圖 1-3 所示。

圖 1-3 波紋管組件典型結(jié)構(gòu)

（4）選型

1）波紋管閥門典型結(jié)構(gòu)：應(yīng)用波紋管組件是為閥桿和閥體工藝流體之間提供一個可軸向變形的金屬隔套，形成動密封，以消除閥桿處的泄漏。裝有波紋管組件的閥門典型結(jié)構(gòu)如圖 1-4 所示。

圖 1-4 裝有波紋管組件的閥門典型閥桿密封結(jié)構(gòu)

選型要求：①根據(jù)閥桿的直徑選擇波紋管內(nèi)徑，波紋管的內(nèi)徑應(yīng)大于閥桿直徑 1.5mm。波紋管的外徑根據(jù)波紋管內(nèi)徑來選擇。外徑和內(nèi)徑通過外徑與內(nèi)徑的比值相聯(lián)系，一般情況下，外徑與內(nèi)徑的比值為 1.3~1.5。②波紋管的壁厚、層數(shù)、波紋數(shù)及長度等應(yīng)能滿足波紋管的耐壓、行程、循環(huán)壽命等要求。一般情況下，壓力越大，波紋管的壁厚越厚，為了增大位移或者降低波紋管剛度，提高壽命，可以采用降低單層壁厚、增加波紋管層數(shù)的辦法實現(xiàn)。③應(yīng)設(shè)計導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，以防止波紋管的扭曲。同時還應(yīng)避免波紋管與閥桿或閥體之間的局部接觸，以防止磨損和過早失效。應(yīng)設(shè)計防扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，防止波紋管扭轉(zhuǎn)變形。④設(shè)計閥門時，應(yīng)限制波紋管壓縮和拉伸的行程，以防止波紋管承受超出循環(huán)壽命試驗限定的壓縮位移和拉伸位移。一般情況下，波紋管的行程不應(yīng)超過自由長度的 25%，否則會影響波紋管的循環(huán)壽命。特別是高溫高壓環(huán)境下的波紋管閥門。⑤波紋管采用與閥門相同的壓力和溫度等級。波紋管應(yīng)能承受主體閥門 38℃ 條件下 1.5 倍的公稱壓力的壓力試驗。進行壓力試驗時，焊縫不能開裂、泄漏，波紋管不應(yīng)發(fā)生扭曲。⑥波紋管組件材料應(yīng)在允許的使用溫度范圍內(nèi)選擇，同時波紋管用材料具有良好的成形性能、焊接性能與介質(zhì)的相容性。

3）閥門用波紋管選型標記：按照波紋管應(yīng)用閥門公稱尺寸不同分類，根據(jù) GB/T 1047-2005 中的公稱尺寸系列規(guī)定，波紋管應(yīng)用閥門的工程尺寸可分為：15mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm、65mm、80mm、100mm、125mm、150mm、200mm、250mm 等。

圖 1-5 波紋管標識

（5）閥門用波紋管的檢驗：閥門用金屬波紋管的檢驗項目主要有表面質(zhì)量、幾何尺寸、密封性、壓力機循環(huán)壽命等。

1）表面質(zhì)量：在標準照明條件下，目測觀察波紋管表面及外形、其質(zhì)量應(yīng)滿足 JB/T 6169-2006 的規(guī)定。

2）幾何尺寸：用分度值為 0.02mm 的卡尺或其精確度相當?shù)钠渌�量具和儀器，檢驗波紋管的幾何尺寸和公差應(yīng)符合圖樣要求。圖樣未要求的公差應(yīng)符合表 1-5 的要求。

3）密封性檢驗：由承制方組焊的波紋管組件應(yīng)進行密封性檢驗，檢驗可用氣泡檢漏法。波紋管及其組件內(nèi)沖入 0.6MPa 的壓縮空氣或其他無腐蝕性非可燃潔凈的氣體，保壓 3min，在水槽中檢查不應(yīng)有泄漏現(xiàn)象。也可根據(jù)用戶要求用氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏，不應(yīng)呈現(xiàn)可探測出的滲漏。

4）壓力試驗：壓力試驗可在專用設(shè)備或閥門上進行。實驗用水的氯離子含量不超過 25×10^-7。按 JB/T 9092-1999 的規(guī)定，波紋管組件在室溫或 38℃ 條件下，以 1.5 倍公稱壓力進行水壓試驗。

每個波紋管組件應(yīng)固定在某一長度，此長度為常規(guī)閥門殼體試驗時閥門開啟位置的長度。在實驗過程中應(yīng)防止波紋管拉伸和壓縮。壓力施加應(yīng)與波紋管工作時受壓方式一致。進行壓力試驗時，焊縫不能開裂或泄露，波紋管不應(yīng)發(fā)生扭曲。

5）循環(huán)壽命試驗：可在專用設(shè)備或閥門上進行試驗，當主題閥門需要時，應(yīng)按照相關(guān)標準進行高溫循環(huán)壽命試驗。

循環(huán)的頻率應(yīng)考慮不正常的快速循環(huán)可能產(chǎn)生的過熱。循環(huán)頻率不應(yīng)超過每秒一次。

循環(huán)試驗應(yīng)在室溫或 38℃ 時的公稱壓力下進行。加壓方式同壓力試驗一樣。

每個波紋管組件咋循環(huán)試驗之后應(yīng)進行密封性試驗，不應(yīng)呈現(xiàn)可探測的滲漏。

除合同另有規(guī)定，波紋管的循環(huán)壽命應(yīng)符合表 1-6 的規(guī)定。

6）出廠檢驗：出廠檢驗的項目和順序按表 1-7 規(guī)定執(zhí)行。出廠檢驗中有不合格項的波紋管，為不合格品。

注：● 為必檢項目；— 為不檢項目。

（6）結(jié)語：閥門是金屬波紋管是波紋管閥門的核心器件，波紋管的設(shè)計及選用，關(guān)系到閥門使用安全，特別是波紋管閥門的應(yīng)用領(lǐng)域都是重點工業(yè)領(lǐng)域和軍工領(lǐng)域，在新產(chǎn)品試制是應(yīng)進行型式試驗，在選用時應(yīng)適用于閥門使用系統(tǒng)的空況條件及金屬波紋管的結(jié)構(gòu)特性。

1-5 API 標準安全閥的開發(fā)與應(yīng)用如何？

答：介紹 API （American Petroleum Institute 美國石油學(xué)會）標準安全閥的規(guī)范和特點，論述了在開發(fā)該產(chǎn)品中所進行的性能試驗和流場仿真方面的研究工作。提出了推廣應(yīng)用的建議。

1）概念：我國的安全閥基本上是按照機械行業(yè)標準進行設(shè)計制造。20 世紀 70 年代以后，隨著我國改革開放和國名經(jīng)濟迅速發(fā)展，從國外引進了大量石油、化工、能源、冶金和紡織等裝置及設(shè)備，同時隨機進口了大量國外安全閥。這些安全閥大部分是按照 API 標準設(shè)計、制造、試驗和驗收。由于 API 標準安全閥與 JB 安全閥相比，具有顯著的特點和先進性，因而近幾年來，一些企業(yè)要求，安裝在易燃、易爆、有害或有毒介質(zhì)的設(shè)備及管道上的安全閥，宜選用 API 標準安全閥。為了適應(yīng)各類裝置對安全閥的需求，對 API 標準安全閥進行了探討和研究。

（2）特性

1）相關(guān)標準：與 API 標準安全閥相關(guān)的常用標準和規(guī)范如下。

API RP 520 煉油廠泄壓裝置的定徑、選擇和安裝

第Ⅰ部分 定徑和選擇

第Ⅱ部分 安裝

API Std526 鋼制法蘭泄壓閥

API Std527 泄壓閥閥座的密封性

API RP 576 泄壓裝置的檢查

ASME 鍋爐與壓力容器規(guī)范第 Ⅷ 卷

第一冊 壓力容器泄壓裝置

ASME PTC25 泄壓裝置—性能試驗規(guī)范

2）名詞術(shù)語：API 標準的某些名詞術(shù)語與我國國內(nèi)習慣用語不一致，故予以說明。

①泄壓裝置（Pressure Velief Device）。泄壓裝置是防止工藝系統(tǒng)或承壓容器由于事故或不正常工況期間流體壓力升高而超過預(yù)定壓力值。常有的有彈簧直接載荷式泄壓閥、先導(dǎo)式泄壓閥和爆破片等。

②泄壓閥（Pressure Relief Valve）。泄壓閥是一種泄壓裝置，在系統(tǒng)超壓時閥門開啟，而當系統(tǒng)壓力恢復(fù)到正常后閥門關(guān)閉，從而防止介質(zhì)繼續(xù)外流。常見有的安全閥、泄放閥、先導(dǎo)式泄壓閥等。

③安全閥（Safety Valve）。安全閥是一種由入口靜壓力驅(qū)動，并以快速開啟或突跳動作為特征的泄壓閥。其應(yīng)用與可壓縮流體。

④泄放閥（Relief Valve）。泄放閥是一種由入口靜壓力驅(qū)動的泄壓閥，其開啟通常與超過壓力的壓力升高成比例。其應(yīng)用于不可壓縮流體。

⑤安全泄放閥（Safety Relief Valve）。安全泄壓閥是一種依應(yīng)用情況而作為安全閥或泄放閥的泄壓閥。

3）基本要求：

①安全閥的流道面積（代號）、進出口通徑、壓力級（磅級）、基本材料、壓力-溫度范圍和進出口安裝尺寸按 API Std 526 規(guī)定。

②安全閥的整定壓力（Pa）允許偏差與整定壓力有關(guān)。當 Pa≤0.5MPa 時，允許偏差為 ±0.015MPa。當 Pa＞0.5時，允許偏差為 ±3%Pa。

③安全閥的設(shè)計和制造按 ASME《鍋爐與壓力容器規(guī)范》第 Ⅷ 卷規(guī)定。其基本條件包括機械動作，材料選擇、制造及裝配的檢查制造廠及裝配廠的產(chǎn)品試驗、設(shè)計、焊接及其他等七個方面。

如對閥瓣、閥座、彈簧、導(dǎo)套、提升裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇要求，對制造廠及裝配廠的制造、實驗設(shè)備和質(zhì)量控制程序的要求，如受壓件的強度和氣密試驗要求、對實驗裝置、容器和試驗方法的要求等。

④標以 ASME《鍋爐與壓力容器規(guī)范》第 Ⅷ 卷標志的泄壓閥的排量驗證試驗應(yīng)在不超過開啟壓力的 10% 或 0.02MPa 壓力下進行。

4）標準比較：JB、GB 和 API 標準安全閥的比較見表 1-8。

5）條款特點：

①規(guī)則。API 標準對安全閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計、排量計算、規(guī)格、壓力級、材料、制造、試驗、運輸、安裝、使用、檢查及維修，均有完整和全面的基本要求。

API RP 520、576 介紹了各種類型安全閥的機構(gòu)及其特點。

API RP 520 第Ⅰ部分列出各種流體介質(zhì)（氣體、水蒸氣、液體及兩相流）排量下所需流道面積的計算方法，并給出相關(guān)修正系數(shù)。

API Std 526 規(guī)定了 14 種流道直徑（喉徑）再不用溫度和壓力下的各種規(guī)格、壓力級及基本材料要求，并規(guī)定必須執(zhí)行 AMSE 規(guī)范的相應(yīng)制造和試驗要求。

API Std 527 規(guī)定了泄壓閥的密封性試驗方法和要求。

API RP 520 第Ⅱ部分列出有關(guān)安裝發(fā)面的一些要求。

API RP 576 列出泄壓裝置的檢查和維修要求。

ASME PTC 25 為泄壓裝置的試驗裝置、試驗方法和實驗報告提供了標準。

②規(guī)格和品種。API 標準安全閥規(guī)格和品種較多。

彈簧載荷式安全閥的公稱尺寸為 1~8in.（25~200mm），有 14 種（D~T）流道直徑（d₀=9.5~146mm），21 種規(guī)格，6 種壓力級（150~2500lb），-268~260℃ 的溫度范圍。

API 標準范圍閥規(guī)格、品種多，便于選擇合理規(guī)格的安全閥。

③溫度—壓力級。API 標準安全閥根據(jù)所需排量計算確定留到面積后，按照該流道面積表中的溫度范圍和允許的最高整定壓力，確定適合的壓力等級。

④材料。閥瓣、閥座及導(dǎo)向零件應(yīng)是耐蝕材料制成，應(yīng)能滿足溫度和使用條件。依照使用的溫度，選用適合的閥體、閥蓋及彈簧材料。閥體和閥蓋的材料可以不同，但必須滿足最低的壓力—溫度要求，標準中規(guī)定了閥體、閥蓋和彈簧材料的最低等級牌號。

⑤制造廠和實驗裝置要求。制造廠的工藝裝備、試驗裝備以及質(zhì)量控制程序能夠保證所生產(chǎn)安全法的性能一致性。安全閥性能試驗裝置和容器應(yīng)有足夠尺寸和容量。

⑥運輸和安裝。安全閥運輸中應(yīng)有保護堵蓋（塞）。安全閥人口管道的壓力損失 Δp≤3%p_a。

（3）研制

由于按照 API 標準生產(chǎn)安全閥與按照 JB 生產(chǎn)安全閥存在差異，因而產(chǎn)品制造過程中常出現(xiàn)許多問題。如結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，材料選用不當，整定壓力過高或?qū)嶋H排放量不滿足要求等。

為了完整全面的了解、熟悉和掌握 API 標準（AMSE 規(guī)范）相關(guān)內(nèi)容和要求，有必要對 API 標準安全閥進行深入研究，以顯示其特點和先進性。對 API 標準安全閥主要研究包括試驗研究和建模研究。

1）性能試驗研究：

①試驗裝置。為了進行安全閥的性能及排量試驗研究，按照 ASME PTC 25《泄壓裝置—性能試驗規(guī)范》的要求建設(shè)了安全閥全性能試驗裝置。改試驗裝置主要由大量空氣壓縮機、儲氣罐、流量調(diào)節(jié)閥、控制閥、試驗容器及工位、流量計、壓力傳感器、溫度傳感器、位移傳感器、計算機數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)等組成。

試驗裝置共設(shè)三個試驗工位。最大試驗閥通徑 8in.（200mm），最高試驗壓力 23MPa，最高試驗流量 100t/h（空氣）。試驗工位的試驗容器的容積分別為 4.5m³、1.5m³、0.014m³。

為了更好地比較試驗裝置能力對安全閥性能的影響，隨后又建造了容積為 0.5m³的試驗裝置。典型安全閥的試驗結(jié)果曲線如圖 1-6~1-8。

圖 1-6 入口壓力與開啟高度曲線

圖 1-7 開啟高度與流量曲線

圖 1-8 安全閥發(fā)證顫振時的開啟高度曲線

②性能及排量試驗。安全閥的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計對其性能及排量有重量影響。API Std 526 標準規(guī)定了安全閥的凈出口及流道尺寸，其出口面積與流道面積的比例為 64.26~3.02，與 JB 規(guī)定的 4.13~3.06 相比范圍及比例均較大，特別對于通徑較小者有顯著差別，進行了性能和排量試驗。大量試驗表明：a.試驗裝置性能對安全閥的性能有重要影響。通過對五種規(guī)格（II/2h4、2J3、3K4、3L4、4M6）的安全閥在不同試驗裝置上對比試驗結(jié)構(gòu)可以得出，試驗裝置的容量對安全閥整定壓力和啟跳壓力基本無影響。只有試驗裝置容量足夠大時，才能判定安全閥的回座壓力及機械特性是否符合要求。b.與 API Std 526 標準安全閥相比，出口面積較小的 JB 安全閥其排量系數(shù)較小。在試驗裝置上對 API 和 JB 兩種標準的安全閥進行了排量試驗。試驗表明，JB 安全閥的出口面積較小者，影響到其排量系數(shù)減小。一般 JB 安全閥的排量系數(shù)為 0.8~0.9。而按 API 標準的安全閥其排量系數(shù)可達 0.98。

③ 背壓試驗。安全閥的出口背壓時其性能有較大影響。較高的被壓會影響到安全閥的動作性能及其排量。安全閥背壓試驗系統(tǒng)如圖 1-9 所示。

圖 1-9 安全閥背壓試驗系統(tǒng)

背壓通過背壓發(fā)生器產(chǎn)生，調(diào)節(jié)背壓主要是通過改變背壓器中背壓調(diào)節(jié)器孔板尺寸來調(diào)節(jié)發(fā)生閥出口排放背壓。通過背壓試驗，得出兩點經(jīng)驗：a.排放背壓存在臨界值，超過允許值后，會導(dǎo)致安全閥機械性能遭到破壞，引起安全閥顫振等現(xiàn)象，排放過程不穩(wěn)定。b.安全閥開啟高度隨排放背壓的升高而減少，排放背壓的存在，引起開啟高度的降低，導(dǎo)致安全閥的實際排量降低。

2）流場仿真：雖然借助于先進的性能試驗裝置，在安全閥動作特性和排量等方面上獲得了許多成果，然而試驗研究卻存在著投入大、周期長、方法有局限的問題。所以將計算流體力學(xué)（CFD）應(yīng)用到安全閥的基礎(chǔ)理論研究中。利用計算流體力學(xué)軟件，建立了一些安全閥內(nèi)部流場的三維模型。經(jīng)過試驗驗證，這些模型具有足夠的精度和可靠性，完全可以用于工程研究，其中兩個算例所得到的排量數(shù)值與試驗數(shù)據(jù)的對比見表 1-9。

通過對安全閥內(nèi)部流場研究，對安全閥的內(nèi)部流動有了全新的認識。在安全閥整個流道中，發(fā)作的喉部是最小的幾何流通截面。所以在安全閥的工程計算和設(shè)計過程中，這個流道面積就被假設(shè)為整個流道中的實際最小氣動流通面積，如果該流場處于臨界或超臨界流動狀態(tài)，則在閥座喉部處達到音速。

以往通過試驗方法，已經(jīng)證實這個假設(shè)存在問題，安全閥的臨界界面不在閥座喉部，而是在其下游。但是究竟是什么樣的流場形態(tài)，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的機理是什么，這些試驗很難解答的問題若通過流場仿真就可以很容易地解答。

圖 1-10 為某規(guī)格安全閥內(nèi)部流場中音速和超音速區(qū)域的馬赫數(shù)等值線圖。從圖中可以看出，介質(zhì)在閥座喉部的流動是亞聲速的，實際的氣動臨界截面位于閥座與閥瓣之間形成的圓柱側(cè)面上。

圖 1-10 安全閥內(nèi)部流場中的馬赫數(shù)等值線圖

（4）結(jié)語

由于 API 標準安全閥與 JB 安全法相比，具有顯著的特點和先進性。因而近年來，API 標準安全閥在我國得到越來越廣泛的應(yīng)用。從目前現(xiàn)狀分析，提出幾點建議：

1）安全法制造廠、檢驗單位以及使用部門需全面、完整地了解、熟悉和掌握 API 標準（ASME 規(guī)范）相關(guān)內(nèi)容和要求。

2）設(shè)計單位與制造廠商嚴格遵循 API 標準（ASME 規(guī)范）要求進行安全法的設(shè)計選型、選材和制造。

3）各制造廠對生產(chǎn)的 API 標準安全閥應(yīng)開展充分的性能研究工作，以顯示 API 標準安全閥的特點。各制造廠應(yīng)通過具有資質(zhì)的檢測部門確定安全閥的排量系數(shù)以供用戶選型時使用。

4）目前國內(nèi)安全閥制造廠的生產(chǎn)手段和試驗條件較國外廠家有較大差距，特別在實驗條件方面。因而，建議安全法制造廠和檢驗單位應(yīng)創(chuàng)造條件滿足安全閥性能試驗的要求。例如，關(guān)于實驗裝置和容器應(yīng)有足夠尺寸和容量。這涉及回座壓力的準確性以及力學(xué)性能的判斷。

5）安全閥使用單位應(yīng)向供貨單位（制造廠）提出安全閥的明確訂貨要求，并在收貨時索要相關(guān)文件（例如合格證、質(zhì)量證明書、試驗報告等）以及進行必要項目的驗收。

第 2 章 工業(yè)管道及閥門維修、安裝必備的基礎(chǔ)知識

2-1 管道有哪些分類方法？管道有什么用途？

答：管道分類方法通常按介質(zhì)的壓力、溫度、性質(zhì)分類，也可按管道材質(zhì)、溫度和壓力分類，以及材質(zhì)情況等分類方法。

這里管道按其材質(zhì)可分為鋼管、有色金屬管、鑄鐵管、非金屬管四種。他們的主要用途例舉如下：

（1）鋼管

1）一般無縫鋼管、用于制作流體介質(zhì)管道或制作結(jié)構(gòu)管件等。標準為 GB/T 8163—1999《輸送流體用無縫鋼管》。常用規(guī)格：結(jié)構(gòu)用無縫鋼管外徑 5~200，壁厚 0.25~14mm，見表 2-1；輸送流體用無縫鋼管外徑 32~630mm。壁厚 2.5~75mm，見表 2-2。

常用無縫鋼管規(guī)格尺寸及單位長度理論質(zhì)量（kg/m）見表 2-3。

注：1.本表乃參考 GB/T 8163—1999。

2.壁厚 ≤1mm，鋼管長 1.5—7mm；壁厚 ＞1mm，鋼管長 1.5~9mm。

注:鋼管長為 3~12.5m。

注：壁厚中括號內(nèi)的數(shù)據(jù)是選用。

2）化肥用高壓無縫鋼管：主要用于輸送介質(zhì)為合成按氨料氣（氫與氮）及氨、甲醇、尿素等；壓力為 22MPa、32MPa，溫度為 -40~400℃ 的化工原料介質(zhì)的管理，標準為 GB6479—2000《高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管》。

3）石油裂化用無縫鋼管：主要用于石油精煉廠的爐管、熱交換器及其管道，標準為 GB9948—2006《石油裂化用無縫鋼管》。

4）不銹耐酸無縫鋼管：主要用于化工、石油、機械用管道，尤其適用于輸送強腐蝕性介質(zhì)、體溫或高溫介質(zhì)、標準為 GB/T 14976-2002《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》。

無縫鋼管也可分為一般無縫鋼管與專業(yè)無縫鋼管兩種，見表 2-4。

5）焊接鋼管：主要用于公稱壓力 ≤1.6MPa 的官道上，因其管壁縱向有一條焊縫，故稱之為焊接鋼管。它可分為低壓流體輸送用焊接鋼管（GB/T 3091—2008，見表 2-5）和螺旋縫焊接鋼管、鋼板卷制直縫焊接鋼管。螺旋縫焊接鋼管適用于水、污水、空氣、采暖蒸汽等常溫低壓流體的輸送，螺旋縫埋弧焊鋼管的常用規(guī)格（SY/T 5037-2000）見表 2-6。

注：外徑中括號內(nèi)的數(shù)據(jù)是選用。

焊接鋼管用于石油和天然氣長距離輸送管道較多。我國出口的鋼管中焊接鋼管比無縫鋼管多，近年來，美國進口焊接鋼管 1/3 是中國產(chǎn)品。

（2）有色金屬管

1）銅及銅合金管：管道工程用銅管管材有純銅管（工業(yè)純銅）、黃銅管（銅鋅合金與特殊黃銅）和青銅管（鋁青銅和錫青銅等）。按制造方法，銅管又可分為拉制管、軋制管和擠制管等，一般中、低壓管道采用拉制管。純銅管和黃銅管大多用于制造換熱設(shè)備、制冷系統(tǒng)、化工管路、以及儀表的測壓管線或傳送液體的管線上。

純銅管適用于工作壓力在 4MPa 一下、溫度為 -196~250℃ 的管路、黃銅管適用于工作壓力在 22MPa 以下、溫度為 -158~120℃ 的管路。在制冷系統(tǒng)中，銅管適用于工作壓力低于 2MPa、溫度為 -20~150℃，輸送制冷劑與潤滑油的管路上，近年來已用在室內(nèi)燃氣管路及高級賓館的冷熱水系統(tǒng)上。

2）鋁及鋁合金管：鋁及鋁合金管只要用于輸送脂肪酸、硫化氫、二氧化碳和硝酸、醋酸等管道。它一般采用拉制和擠壓等方法生產(chǎn)；其有質(zhì)量輕、不銹蝕等特點，但其機械強度較差，不能承受較高壓力。

3）鈦管：鈦管常用于其他管材無法勝任的工藝部位，其主要特點是質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、耐低溫，適用溫度范圍為 -140~250℃，當溫度高于 250℃ 時，其力學(xué)性能下降。

（3）鑄鐵管

1）高硅鑄鐵管:高硅管道是由含碳量在 0.5%~1.2%（質(zhì)量分數(shù)，下同），含硅量在 10%~17% 的鐵硅合金組成，具有很高的耐腐蝕性能。常用的高硅鑄鐵含硅量為 14.5%，隨著硅含量的增加，耐腐蝕性能增大，但脆性也變大。一般使用壓力為 0.25MPa 以下。

2）普通鑄鐵管：普通承插鑄鐵管用于給排水管道，按壓力不同分為低壓管（＜0.45MPa）、中壓管（0.45~0.75MPa）和高壓管（0.75~1.0MPa），將管與法蘭鑄成一體的普通法蘭鑄鐵管拆卸方便，應(yīng)用較廣泛。

（4）非金屬管

1）耐酸酚醛塑料管：耐酸酚醛塑料管具有良好的耐腐蝕性能，能抗大部分酸性、有機溶劑等腐蝕，但不耐堿性及強氧化性的酸腐蝕。由于其沖擊韌性差，較脆，故不宜在有機械振動、溫度變化大的情況下使用，一般用于溫度為 -30~130℃、壓力 ＜0.6MPa 的工況。

2）硬聚氯乙烯管：硬聚氯乙烯管對不同濃度的大部分酸堿鹽類的溶液有較好的耐腐蝕性，但在 50%以上的硝酸及發(fā)煙硫酸中則不穩(wěn)定。其傳熱系數(shù)低、塑性好，不過其強度差，且只有在 60℃ 以下時才能保持適當強度，用于壓力 ＜0.6MPa 的工況。

3）石墨管：石墨管具有良好的耐腐蝕性，且熱脹系數(shù)小，不污染介質(zhì)，但其較脆，強度低，適用于溫度 ＜150℃、壓力 ＜0.3MPa 的工況。

4）耐酸陶瓷管：耐酸陶瓷管具有良好的耐腐蝕性、不滲透性。但它耐溫度驟變性差、強度差、強度低、不宜用于劇毒或易燃易爆介質(zhì)，一般用于溫度 ＜120℃、壓力為常壓的工況。

5）玻璃管：玻璃管對除氫氟酸外的酸類、稀堿及有機溶劑等具有良好的耐蝕性，但其抗拉強度低、常用于溫度 ＜120℃、壓力 ＜2.0MPa 的工況。

6）混凝土管：混凝土管分為預(yù)應(yīng)力和自應(yīng)力鋼筋混凝土管兩種。管口連接采用承插接口，用圓形截面的橡膠圈密封，適用于長距離輸送低壓水、氣等，一般用于壓力 ＜1.0MPa 的工況。

一般無縫鋼管由 10、20、Q295、Q345 牌號的鋼制造。按制造方法分為熱軋無縫鋼管和冷拔（軋）無縫管，熱軋鋼管的長度為 3000~12000mm。冷拔鋼管的長度為 3000~10500mm。輸送流體用無縫鋼管，常用規(guī)格見表 2-3。

2-2 管道管理的技術(shù)要求有哪些？

答：管道管理的技術(shù)要求是：

（1）建立管道的技術(shù)檔案與臺賬。管道檔案應(yīng)包括圖樣、安裝驗收技術(shù)資料、維修記錄、運行時間統(tǒng)計表等。

（2）建立管道管理的規(guī)章制度。對壓力管道、使用單位應(yīng)根據(jù)壓力管道技術(shù)標準、法規(guī)建立安全管理制度、操作者安全被訓(xùn)制度、工藝生產(chǎn)造作制度、檢驗維護制度、事故管理制度及報廢更新制度等。

對于從事壓力管道、管件的設(shè)計、制造、安裝、維修、全面檢驗的單位，均須獲得有關(guān)部門頒發(fā)的許可證，方可從事相應(yīng)的工作。

（3）生產(chǎn)管理。操作者應(yīng)對使用的管道進行巡回檢查。內(nèi)容包括：管道的零部件是否完整齊全；儀表、計量器具、信號聯(lián)鎖、各種安全裝置、自動調(diào)節(jié)裝置是否靈敏可靠；管道是否有泄漏、超溫、超壓、過冷、異常震動現(xiàn)象；管道支架是否牢固；各種螺栓是否緊固；防腐防凍設(shè)施是否完整有效；閥門操作機構(gòu)的潤滑和防護是否符合要求等。

（4）維修管理。管道的維修管理應(yīng)按 GB 50235—1997《工業(yè)金屬管道工程施工及驗收規(guī)范》的規(guī)定進行管理與驗收。

2-3 管道工程常用文字符號有哪些？

答：管道工程常用文字符號見表 2-7。

2-4 管道代號有哪些？

答：管道代號見表 2-8。

2-5 管道的公稱直徑是什么？

答：管道工程中，管子種類繁多，管子的大小通常用管外徑 D 和管內(nèi)徑 d 表示，量度使用過程中，由于用途不一，需要多種直徑相應(yīng)的管路附件（包括管件、閥門、法蘭等），這樣，管材和附件的直徑尺寸就相當多，就給制造、設(shè)計和施工造成了不便，為了能批量生產(chǎn)、降低成本、提高效益，使管子和管理附件具有通用性和互換性，必須對管子和管理附件實行標準化，而公稱直徑又是管道工程標準化重要內(nèi)容。所謂公稱直徑就是各種管道元件的通用口徑，又稱公稱通徑、公稱口徑、公稱尺寸（現(xiàn)在國際上普遍使用公稱尺寸這一稱謂），用符號 DN 表示，DN 是用于管道系統(tǒng)元件的字母和數(shù)字組合的尺寸標識。它由字母 DN 和后跟無因次的整數(shù)數(shù)字組成。現(xiàn)行管道元件的公稱直徑按 GB/T 1047-2005 之規(guī)定，見表 2-9。

2-6 管道的公稱壓力、試驗壓力、工作壓力是什么？

答：公稱壓力、試驗壓力、工作壓力是：

（1）公稱壓力：制品在基準溫度下的耐壓強度稱為公稱壓力，用符號 PN 表示，PN 是與管道系統(tǒng)元件的力學(xué)性能和尺寸特性相關(guān)、用于參考的字母和數(shù)字組合的標識。它由字母 PN 和后跟無因次的數(shù)字組成。入公稱壓力為 1.0MPa，記為 PN10。由于制品的材料不同，其基準溫度也不同，鑄鐵和銅的基準溫度為 120℃，鋼的基準溫度為 200℃，合金鋼的基準溫度為 250℃。塑料制品的基準溫度為 20℃，制品在基準溫度下的耐壓強度接近常溫時的耐壓強度，故公稱壓力也接近常溫下材料的耐壓強度。管道的公稱壓力見表 2-10。

注：必要時允許選用其他的 PN 值。

（2）工作壓力：管子和管路附近在正常運行條件下所承受的壓力用符號 p 表 示，這個運行條件必須是指某一操作溫度，因而說明某制品的壓力工作應(yīng)注明其工作溫度，通常是在 p 的下角附加數(shù)字，該數(shù)字是最高工作溫度除 10 所得的正式整數(shù)值，如介質(zhì)的最高強度為 300℃，工作壓力為 10MPa，則記為 p₃₀10MPa。

（3）試驗壓力：管道與管路附件在出廠前，必須進行壓力試驗，檢查其強度和密封性，對制品進行強度試驗的壓力稱為強度試驗壓力，用符號 p_s 表示，如試驗壓力為 4MPa，記為 p_s4MPa。從安全角度考慮，試驗壓力必須大于公稱壓力。

制品的公稱壓力按照他的定義是指基準溫度下的耐壓強度，但在很多情況下，制品并非在基準溫度下工作，隨著溫度的變化，制品的耐壓強度也跟著發(fā)生變化，所以隸屬于某一公稱壓力的制品，究竟能承受多大的工作壓力，要由介質(zhì)的工作溫度決定，因此就需要知道制品在不同的工作溫度下公稱壓力和工作壓力的關(guān)系。為此，必須通過強度計算找出制品的耐壓強度與溫度之間的變化規(guī)律。在工程實踐中，通常是按照制品的最高耐溫界限，把工作溫度分為若干等級，并計算每個溫度等級下制品的允許的工作壓力。例如：用優(yōu)質(zhì)碳素鋼制造的制品，工作溫度分為 11 個等級，在每一個工作溫度等級下，列出在該溫度等級下的工作壓力，見表 2-11。

其他材料的制品，同樣可以分成不同的溫度等級并計算出在每一個工作溫度下所承受的最大工作壓力。這樣我們可以制定出各種制品的公稱壓力、工作溫度和最大工作壓力的換算關(guān)系。編織成便于應(yīng)用的表格，以便按照制品的公稱壓力和介質(zhì)的工作溫度來確定所允許承受的最大工作壓力，或者按照介質(zhì)的工作壓力來選擇管材和管路附件。表 2-12、表 2-13、表 2-14分別列出了碳鋼及合金鋼制件、鑄鐵制件、銅制件的公稱壓力、工作壓力、工作溫度和最大工作壓力的關(guān)系。這些表稱為制件的溫壓表。在選擇管材、管路附件是經(jīng)常用到。