周志武

摘要：本文就實(shí)際項(xiàng)目闡述了如何提高管網(wǎng)質(zhì)量技術(shù)控制，并進(jìn)行理論的核算分析和關(guān)鍵質(zhì)量點(diǎn)控制措施，確保壓管從原材的驗(yàn)收、破壞機(jī)理的分析、焊接工藝控制、采用新技術(shù)檢測等分析與探討，重點(diǎn)闡述紅外成像技術(shù)的推廣應(yīng)用，瞻望了新型檢測技術(shù)未來的研究發(fā)展方向。

Abstract： This paper expounds how to improve the quality and technical control of pipeline network on the basis of actual projects， and carries out theoretical accounting analysis. The key quality point control measures to ensure that the pressure pipe are analyzed and discussed from the aspects of raw material acceptance， failure mechanism analysis， welding process control， and new technology detection， with emphasis on the popularization and application of infrared imaging technology. It looks forward to the future research and development direction of the new detection technology.

關(guān)鍵詞：動力系統(tǒng)；質(zhì)量通??；壁厚強(qiáng)度；內(nèi)部應(yīng)力；質(zhì)量控制；檢測措施；紅外熱成像技術(shù)；應(yīng)用分析

Key words： power system；mass defects；wall thickness strength；internal stress；quality control；testing measures；infrared thermal imaging technology；application analysis

中圖分類號：U175；TB492 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0110-04

1 緒論

1.1 研究目的和意義

本文針對汽車工業(yè)廠房的動力系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究論述，首先論述了項(xiàng)目的特點(diǎn)和核心組成部分：廠區(qū)給排水系統(tǒng)（包括污水、消防外網(wǎng)、自來水、中水、生產(chǎn)生活給水等）、動力系統(tǒng)（包括天然氣、熱水、壓縮空氣）、暖通系統(tǒng)（包括冷凍水、冷卻水）、管道支架系統(tǒng)。

如何利用先進(jìn)的焊接和檢測技術(shù)保質(zhì)保量的完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)，首先進(jìn)行了分析：①材料的理論復(fù)核計(jì)算，管道的壁厚強(qiáng)度、運(yùn)行過程內(nèi)部應(yīng)力分析。②焊接全流程的質(zhì)量控制。③壓力管道的檢測措施比較和國內(nèi)新舊檢測措施的對比。④確定采用新型檢測技術(shù)：紅外線成像技術(shù)的應(yīng)用。

研究的意義：①在項(xiàng)目的實(shí)施過程中，把握關(guān)鍵核心的技術(shù)領(lǐng)域、全面分析和探討專業(yè)的理論知識和采取相應(yīng)的合理措施。②推廣應(yīng)用、以點(diǎn)帶面、從一個項(xiàng)目上要全面熟識相關(guān)領(lǐng)域的工程項(xiàng)目控制難點(diǎn)和重點(diǎn)。③高科技、高技術(shù)、跨行業(yè)的先進(jìn)設(shè)備，技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

1.2 本文的研究思路和主要研究的內(nèi)容

本文研究思路和主要研究的內(nèi)容是引用工業(yè)廠房動力系統(tǒng)項(xiàng)目，闡述了影響管網(wǎng)質(zhì)量、安全技術(shù)的諸方面因素，并進(jìn)行理論的計(jì)算分析和項(xiàng)目實(shí)施質(zhì)量控制的一系列措施，確保壓力管道安裝，從原材的驗(yàn)收、破壞機(jī)理的分析、焊接工藝控制、采用新工藝進(jìn)行檢測等多方面分析與探討，重點(diǎn)研究紅外成像技術(shù)其在壓力管道檢測中的應(yīng)用，分析總結(jié)了各類新型檢測技術(shù)在及未來的發(fā)展和推廣的必要性。

2 工業(yè)廠房壓力管道的種類和成因

2.1 項(xiàng)目概述

神龍汽車廠區(qū)外網(wǎng)工程位于四川省成都市龍泉驛區(qū)，該項(xiàng)目總承包范圍主要包括廠區(qū)給排水系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)、管道支架系統(tǒng)共四大主系統(tǒng)。

2.2 廠區(qū)管網(wǎng)種類和技術(shù)要求

2.2.1 廠區(qū)給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能參數(shù)（表1）

2.2.2 廠區(qū)公用動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)（表2）

3 壓力管道引起質(zhì)量通病理論計(jì)算分析

3.1 壓力直管道的壁厚強(qiáng)度核算

在管道安裝之前，針對設(shè)計(jì)文件標(biāo)定的管道強(qiáng)度進(jìn)行檢算，原因是國內(nèi)管道標(biāo)準(zhǔn)很多，管壁厚度設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)取值不一致，避免實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算過于保守。采用標(biāo)準(zhǔn)常用的環(huán)向應(yīng)力計(jì)算法進(jìn)行檢算，標(biāo)準(zhǔn)（環(huán)向應(yīng)力+軸向應(yīng)力）=當(dāng)量應(yīng)力<管道最低屈服強(qiáng)度，確定管道壁厚要依據(jù)選取規(guī)范的管道標(biāo)準(zhǔn)壁厚進(jìn)行園整，最終確定壁厚設(shè)計(jì)是否符合規(guī)范要求。

3.1.1 計(jì)算依據(jù)

國內(nèi)管道壁厚計(jì)算的相關(guān)規(guī)范：GB50316—2008工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范；GB20801—2006—壓力管道規(guī)范；《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50316-2000。

3.1.2 壓力直管的厚度核算標(biāo)準(zhǔn)

3.1.3 壓力直管計(jì)算程序

3.1.3.1 計(jì)算步驟

根據(jù)《鋼制壓力容器》GB150—1998中3.7規(guī)定，當(dāng)鋼管采用100%無損檢測時，Ej=1.00；根據(jù)《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50316-2000中表1-2規(guī)定，奧氏體鋼溫度小于或等于482攝氏度時，Y取0.4。

3.1.3.2 計(jì)算理論結(jié)果

根據(jù)3.1.3.1計(jì)算，確認(rèn)直管從總管至減壓撬設(shè)計(jì)壁厚為3.4162mm，系統(tǒng)選用DN100以上的管道，符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。本管網(wǎng)各個系統(tǒng)外徑和壁厚滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

3.1.4 斜接彎管的耐壓強(qiáng)度核算

由一條焊縫方向改變的角度α大于3°的管段構(gòu)成的斜接彎管的強(qiáng)度計(jì)算，當(dāng)斜接彎管角度α≤3°時，可免做強(qiáng)度計(jì)算。多接縫斜接彎管的最大許用內(nèi)壓力Pm應(yīng)取下式計(jì)算的較小值。

現(xiàn)場焊接彎管角度大于3°，考慮現(xiàn)場斜接彎管焊接難度過大，全部交給廠家進(jìn)行加工為成品斜接彎管，現(xiàn)場按照直管進(jìn)行校核檢算。

3.2 管道在運(yùn)行過程中應(yīng)力分析

管道應(yīng)力分析的必要性、安全穩(wěn)定性主要從兩方面綜合考慮：一是管道材質(zhì)的穩(wěn)定性、二是管道運(yùn)行過程中受到的外力荷載和管道自身發(fā)生熱膨脹等內(nèi)力的作用，使管道內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力的困擾，造成穩(wěn)定性失穩(wěn)或者管道結(jié)構(gòu)的破壞，發(fā)生質(zhì)量、安全事故。

3.2.1 管道應(yīng)力分析的考慮因素

3.2.1.1 管道靜力因素分析

①管道自身的安全、按照設(shè)計(jì)要求、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行安裝。②計(jì)算管道對支架和土建結(jié)構(gòu)物的作用力，保證下部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。③管道位移、考慮管道自身變形產(chǎn)生的位移造成結(jié)構(gòu)脫落或碰撞，并為應(yīng)力計(jì)算提供依據(jù)。

3.2.1.2 管道動力因素分析

①考慮管道由于外力的作用，產(chǎn)生振動發(fā)生的結(jié)構(gòu)破壞。②運(yùn)行設(shè)備的固有頻率和振型分析，防治管道系統(tǒng)發(fā)生機(jī)械破壞。③生產(chǎn)、生活給排水和壓縮機(jī)與往復(fù)泵管道的固有頻率和振型分析，防治管道因?yàn)檎駝影l(fā)生疲勞破壞。④壓力管道由于內(nèi)部氣體壓力脈動的聲學(xué)分析，計(jì)算管道內(nèi)氣體的固有頻率和壓力脈動，防止氣柱共振和壓力脈動過大，造成管道的頻繁振動。

3.2.2 壓力管道的應(yīng)力分析與分類及校核準(zhǔn)則

壓力管道的主要考慮整個管道系統(tǒng)的應(yīng)力和柔性兩方面，要綜合考慮管系的復(fù)雜程度，丟棄管道局部的幾何特性，將復(fù)雜的計(jì)算過程簡潔化，便于理論分析工作的完成。

3.2.2.1 壓力管道的應(yīng)力分類

壓力管道設(shè)計(jì)按照ASMEB31系列規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，管網(wǎng)的應(yīng)力檢算的標(biāo)準(zhǔn)按照ASMEB31.3工藝管道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核，綜合考慮管道應(yīng)力，不在按照工業(yè)管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的概念進(jìn)行詳細(xì)的區(qū)分，主要原因是整個管道設(shè)計(jì)采用的薄壁設(shè)計(jì)（3.1.3已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的檢算分析）排除詳細(xì)的局部應(yīng)力分析兩方面的原因。

3.2.2.2 管道應(yīng)力分析中的薄壁假設(shè)

依據(jù)計(jì)算結(jié)論K=D0/Di=1.2為分界（D0/Di=管道外徑/內(nèi)徑），計(jì)算結(jié)果為K≤1.2為薄壁結(jié)構(gòu)，對于薄壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

①壁厚設(shè)計(jì)較薄，認(rèn)為應(yīng)力沿壁厚均勻分布。

②可以認(rèn)為徑向應(yīng)力δr與環(huán)向應(yīng)力δθ和軸向應(yīng)力δz相比較很小，近似認(rèn)為δr=0。

3.2.3 管道在運(yùn)行過程中內(nèi)部應(yīng)力檢算校核

由于壓力、外力和設(shè)備的持續(xù)加載造成管道產(chǎn)生縱向應(yīng)力之和為SL，依據(jù)ASMEB31.3的二次應(yīng)力校核準(zhǔn)則，持續(xù)加載造成管道的熱膨脹、冷縮以及端點(diǎn)位移等因素使管道位移應(yīng)力范圍SE不得超出許用值SA，即SE≤SA。

Sc=冷態(tài)許用應(yīng)力、f=許用應(yīng)力范圍減少系數(shù)。Sh=評用應(yīng)力、查詢材料力學(xué)表。

二次應(yīng)力范圍SE依據(jù)最大剪應(yīng)力理論的當(dāng)量應(yīng)力計(jì)算所得：

Sb=管道合成彎矩引起的應(yīng)力、St=管道扭矩引起的應(yīng)力。

4 壓力管道的質(zhì)量控制措施

4.1 管材的檢驗(yàn)

管道主要組成由管材、管件與閥門組成，對于進(jìn)場的材料全部進(jìn)行驗(yàn)收和抽檢，符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求的材料投入使用。針對特殊構(gòu)件閥門等要進(jìn)行密封性能檢驗(yàn)和調(diào)試檢查，確保質(zhì)量。

4.2 加工和焊接、安裝過程的質(zhì)量控制

按JGJ81-2002《鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》的要求對焊工和焊接程序進(jìn)行認(rèn)證，被認(rèn)證的設(shè)備型號和焊縫都應(yīng)與施工過程中的相同。

4.2.1 焊接工作人員要求

參與本工程的所有焊工（含定位焊工）必須經(jīng)過培訓(xùn)取得上崗證書，并在其允許范圍內(nèi)工作。焊工在焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格遵守工藝操作規(guī)程，并對其焊接的產(chǎn)品質(zhì)量負(fù)責(zé)。

4.2.2 操作注意事項(xiàng)

焊接前首先經(jīng)過工藝評定，根據(jù)焊接工藝評定編制焊接工藝。注意事項(xiàng)如下：①焊接前檢查焊接設(shè)備，焊縫清除干凈，露出金屬光澤。②檢查焊縫坡口形式及幾何尺寸是否符合設(shè)計(jì)要求，調(diào)整好焊接參數(shù)。③采用的焊接方法：手工電弧焊、埋弧自動焊、CO2氣體保護(hù)焊、電渣焊。④焊接后焊縫清理干凈，滿足焊接要求。主要外觀質(zhì)量檢查、對接焊縫余高小于3mm、焊件過渡平和，熔透深度滿足規(guī)范。

4.3 壓力管道檢測措施分析

常規(guī)檢測方法：外觀檢測、壓力檢測、焊縫無損檢測。

新型無損檢測技術(shù)：超聲導(dǎo)波技術(shù)、聲發(fā)射、磁記憶檢測、紅外熱成像檢測、光纖傳感檢測。

壓力管道檢測技術(shù)的應(yīng)用比較見表3、表4。

5 壓力管道選用紅外熱成像檢測技術(shù)的應(yīng)用分析

綜合比較各類檢測技術(shù)后，考慮現(xiàn)場的基本條件和操作環(huán)境的可實(shí)施性，專家組評定采用紅外熱成像檢測技術(shù)，主要考慮方面：操作簡便、成像檢測精度高、實(shí)用環(huán)境范圍廣、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確。

5.1 紅外熱成像技術(shù)原理分析

在熱力學(xué)理論體系下，溫度在絕對零度以上的物體， 其內(nèi)部分子在運(yùn)動的過程中，都會產(chǎn)生熱輻射的情況，發(fā)出紅外線?；谖矬w的這一特殊性，檢測技術(shù)人員借助探測裝置對紅外線進(jìn)行捕捉，捕捉到的紅外線信號快速轉(zhuǎn)化為電信號，實(shí)現(xiàn)對物體的勘測?？睖y結(jié)果直觀性地展現(xiàn)在顯示器上，根據(jù)檢測人員獲取熱圖像以及溫度值，進(jìn)行檢測結(jié)果分析。

5.2 紅外熱成像檢測流程

在檢測過程中，使用HY-2001G 、Ti20等型號紅外熱成像儀器作為檢測設(shè)備，檢測過程必須以管道泵為壓力源，形成一個完整的壓力管道系統(tǒng)，使用各個系統(tǒng)中的介質(zhì)熱水作為檢測物質(zhì)，將整個溫度保持在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，使用紅外熱成像技術(shù)對整個區(qū)域進(jìn)行檢測。

①圖像的聚焦：瞄準(zhǔn)測設(shè)部位，正確聚焦，確保紅外能量導(dǎo)向探測器的像元上，轉(zhuǎn)動調(diào)焦輪使Imager聚焦，顯示屏上熱圖像變得最清晰。②圖像的捕捉：確保Imager開啟狀態(tài)，捕捉到最清晰圖像后，保持熱像儀與被測設(shè)備水平一致，扣動扳機(jī)，捕捉圖像。顯示屏出現(xiàn)Imager captured確認(rèn)信息。③檢查圖像按F1（store）鍵保存圖像。扣動一次扳機(jī)繼續(xù)測設(shè)。④數(shù)據(jù)分析：測設(shè)完畢后使用PC與熱成像儀進(jìn)行連接，使用INSIDE IR與Ti20配套的圖像分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

5.3 紅外熱成像檢測數(shù)據(jù)分析、缺陷處理

①使用軟件進(jìn)行圖像分析（圖2-圖5）。

壓力管道在焊接、加工環(huán)節(jié)，出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致整個壓力管道出現(xiàn)隔熱性缺陷。

②檢測缺陷處理：壓力管道檢測后出現(xiàn)區(qū)域性缺陷，安排施工人員進(jìn)行返工處理、編制返修工藝審批后，針對缺陷焊縫返修，重新進(jìn)行檢測，合格為止。

5.4 檢測結(jié)果的分析

①紅外熱成像檢測是高溫壓力管道焊接和內(nèi)部缺陷檢驗(yàn)的可靠方法，檢測出的最小缺陷尺寸遠(yuǎn)小于管道允許缺陷的尺寸，滿足設(shè)計(jì)、規(guī)范要求。②材料導(dǎo)熱率是影響檢測靈敏度的關(guān)鍵因素，導(dǎo)熱率越低，檢測靈敏度越高，缺陷顯現(xiàn)時間越長。③缺陷的幾何尺寸是影響紅外熱成像檢測靈敏度的關(guān)鍵因素，缺陷面積越大，可檢出的壁厚減薄量的靈敏度越高；面積越小，靈敏度越低。④材料的厚度也是影響靈敏度的關(guān)鍵因素，材料越厚，缺陷檢測靈敏度越低，但缺陷的可觀測時間越長。⑤溫度激勵方式是影響檢測靈敏度的關(guān)鍵因素，內(nèi)部加熱法的缺陷檢測靈敏度高于外部冷卻法，制冷氣體冷卻的靈敏度高于冰冷卻的靈敏度。

5.5 紅外熱成象檢測的優(yōu)點(diǎn)

①紅外熱成像技術(shù)探測距離較遠(yuǎn)，適用于大面積的遙感測量，并且白晝、黑夜的變化并不會對紅外線成像技術(shù)檢測結(jié)果帶來影響，高檢測精度，使得紅外熱成像技術(shù)的分辨率可以保持在0.02℃的范圍，為故障檢測以及維修工作的開展提供了必要的數(shù)據(jù)支持。②測溫范圍廣，溫度在 -50～2000℃的范圍內(nèi)，紅外熱成像技術(shù)都可以正常工作，對動態(tài)目標(biāo)以及靜態(tài)目標(biāo)都有較好的檢測能力。③是一種直觀地顯示材料、結(jié)構(gòu)物完整連續(xù)性及其結(jié)合上存在不連續(xù)缺陷的檢測技術(shù)。④是非接觸的無損檢測技術(shù)，即連續(xù)對被測物作上下、左右非接觸的連續(xù)掃描，顯示靈敏度高、精度高，能區(qū)分0.1度的溫差。⑤檢測結(jié)果極可靠，能快速和預(yù)知性發(fā)現(xiàn)問題。

6 結(jié)術(shù)語

隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的高速發(fā)展，我國汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)步入了一個嶄新的領(lǐng)域，適應(yīng)時代、緊跟發(fā)展的步伐、應(yīng)用先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備、施工工藝將是不可避免的趨勢，讓我們引領(lǐng)行業(yè)的發(fā)展，時刻捕捉科技的閃光點(diǎn)，服務(wù)于項(xiàng)目的實(shí)施、推進(jìn)。

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