油 气 储 运 2008年・50・
经验交流
长输管道的试压
孟祥启3 彭顺斌
(中国石油塔里木油田公司)
孟祥启 彭顺斌:长输管道的试压,油气储运,2008,27(9)50～54。
摘 要 长输管道试压是管道施工中的一道重要工序,是对管材和焊接质量的综合检验。从
管段划分、试压介质的选择、试验压力的确定等方面对试压工作进行了论述,施工实例和试压理念,旨在推动实现试压工作的专业化,。 主题词 长输管道 试压 试压介质 ,需要更加安全和有效的施工
工艺。在长输管道工程中,试压是其中的一个重要工序,是对管道施工质量、材料性能、管道整体性的一次综合检验。目前国际上普遍使用压力2容积曲线法进行水压试验,将水压试验的压力提高至管材最小屈服强度值的1.0～1.1倍,而国内还未应用此方法,不少新建管道仍用空气做管道的强度试压介质,落后当代水压试验技术40年〔1〕。结合现有的国家规范和近几年国内外的施工情况,从管段划分、试压介质选择、试验压力三个方面进行综述。理规定》企业标准,在阀门启用的理念探究和标准制定等方面,先行了一步。
2007年年底,中石化川气东输项目正在筹划采
随着我国油气工业的迅速发展,长输管道工程
也随之增加。到2005年,我国已经先后建成了西气东输、陕京二线、忠武线等长输管道,积累了大量的施工经验和技术数据。目前,连接新疆和广州的西气东输二期工程正处在规划设计阶段“;川气东送”工程已经获得国务院正式核准,管道干线预计全长1702km,最大输气量将超过150×108m3/a。建设司派工程师对68个进口球阀进行了驻厂监造,取得了很好效果,获得了业主的认可。这是国内聘请阀门启用工程师执行驻厂监造为数不多的一次。
北京华油天然气有限公司派出23名技术人员学习阀门启用相关技术,其中12人获得聘书。2005年该公司与JHU公司联合创办了阀门维护工程师中国培训中心(ValveProChina)。
2006年底,中国石油管道公司派7名工程师赴加拿大南阿尔伯达技术学院(SAIT)阀门维护专业
用阀门启用。
综上所述,可以得出以下结论。
(1)阀门启用的本质是技术集成,属于一种创新技术,能有效改善油气管道工程的阀门技术状况,降低管道投产、运行的风险,提升管道运行品质,丰富管道完整性管理内容。
(2)以阀门启用理念为核心,加强阀门专业人才培养,不断完善相应标准,积极实践并贯穿管道工程建设全过程,这将对我国管道工程建设起到积极的作用。
(收稿日期:2007210222)
工程师培训中心(ValvePro),接受以阀门启用为核心的阀门维护专业培训。在涩宁兰增压工程中,湖东压气站实施了阀门启用,取得了明显效果。为解决管道工程的阀门技术管理“短板”问题,经过一年多的调研、对标、研究分析,中国石油管道公司制定了以阀门启用为核心的《油气管道工程通用阀门管
编辑:李在蓉
3841000,新疆库尔勒塔里木油田西气东输气田建设项目经理部;电话:[1**********]。
二、管段划分
在对管道进行试压前,首先必须确定试压管道的长度及起止点,即管段划分。管段划分是一项非常重要的工作,直接决定了清管、试压的工作量。管段划分时,为使划分更为直观,考虑更为全面,应依据设计说明书提供的中线测量成果表,画出整个段落的纵断面简图,依据规范和现场实际情况进行。
1、 管段划分的规范要求
Q/SYXQ1—2003西气东输管道工程线路工
国外在进行管段划分时比较灵活。参考规范要
求,结合具体情况,可以适当延长或缩短试压管段长度。苏丹输油管道〔7〕起自南部黑哥林格油区首站,经过奥贝伊德、喀土穆,穿越尼罗河、阿特巴拉河,翻越红海山区,终止于苏丹港末站。管道全长为1504km,管径为711.2mm,材质为API5LX60,钢管的
壁厚为10.72mm和16.36mm,设计压力分别为9.722MPa和14.844MPa。按照常规的试压分段方法,1504km的管道就需要分八十多段,这对于部分地区严重缺水、环境条件恶劣的苏丹而言施工难度很大。通过查阅国外的有关标准和规范,将试压管段最长延长至60km,3。,,。,多次升压、降压,不,也对管道造成了损伤〔8〕。
根据水源分布情况和管道的高差,缩短试压分段长度(根据不同管径,一般在3～5km),可以实现机组间距离紧密、滚动作业,形成测量、布管、组焊、检测、防腐、下沟、试压同时连续作业的施工布局方式,真正实现机械化一条龙流水作业,保证试压与组焊作业基本同步,大大缩短施工工期〔9〕。这种缩短试压分段长度方式的缺点是,在管道中留有较多死口,只能通过各种检测手段来保证质量。
试压时管段划分直接决定了试压的工程量,多试压一段,就必然多一个整体的试压程序,因此在进行管段划分时,应综合考虑国内外的规范和施工实例,结合管道沿线的自然环境和施工工期,准确计算各点的压力值,灵活确定试压管段的起止点。
程施工和验收规范〔2〕要求,水压试验管段不宜超过35km,SY0401—98气压试验管段不宜超过15km。输油输气管道线路施工及验收规范〔3〕也有相同的规定。另外,,,过30m,水压力,,其值不得大于管材最低屈服强度的0.9倍。Q/SYXQ1—2003西气东输管道工程线路工程施工和验收规范要求,低点试压时所承受的环向应力不能超过管材最低屈服强度的0.95倍,相对宽松一些。另外,GB50251—2003输气管道工程设计规范〔4〕要求,输气站和穿越大中型河流、铁路、二级以上公路、高速公路的管段应单独进行试压。在目前的施工中,穿越水压试验一般在地面上进行〔5〕,穿越段试压合格后,再与其它管段连头,参加管段试压。
2、 管段划分的施工实例
按照规范要求,管段划分一般取站场、阀室的出入口为起止点,结合管道的长度和高差,确定具体的位置。目前,国内长输管道试压和管段划分拘泥于规范,例如,涩宁兰输气管道采用X70管材,规格为
三、试压介质的选择
常用的试压介质是洁净水和空气,也可以是天
然气或惰性气体(氩气、氮气等),根据实际情况需要,防冻液也可用作试压介质。早期管道试压,特别是输气管道,一般使用空气作为试压介质。20世纪70年代以前,以空气作为试压介质,发生了几次重大事故。1964年,我国在建设威成输气管道时,使用空气试压,雷碑坳跨越工程在试压时整体炸飞。国外在20世纪50～70年代间,也频频发生了多起空气试压撕裂管道的恶性事故。在加拿大,一次撕裂长度达到4.18km。1960年在美国新墨西哥州,
撕裂达到12.18km〔10〕,是空气试压撕裂最长的一
次。70年代以后,水作为试压介质得到广泛应用。随着水试验的科学研究和现场施工经验的积累,目前各国对试压介质都已经有了明确的规定。
1、 规范要求
GB50251—2003输气管道工程设计规范〔4〕对
理论计算值低于管材韧性试验值的2/3。理论上证明,采用设计压力的1.25倍进行气试压,即使存在微小裂缝缺陷,裂缝也不会继续扩张,并且韧性试验值数据为-20℃下的夏比冲击功,而气压试验是在管道埋地后进行的,管道的环境温度应大于0℃,因此,试压条件下的管道夏比冲击功会更高一些,得出用空气作试压介质是安全的结论。在选用空气作试压介质进行试压前,除满足规范要求外,还应对管材的止裂韧性进行理论计算和韧性试压,以保证空气试压的安全性。
3、 施工实例
输气管道试压介质的规定是,位于一、二级地区的管段可以采用气体或水作试验介质;位于三、四级地区的管段及输气站内的工艺管道应采用水作为试验介
σ质;在三级地区试压时最大环向应力小于50%s,四
σ级地区试压时最大环向应力小于40%s,且最大操作压力不超过现场最大试验压力的80%;如果所试
验的是新管子,并且焊缝系数为1.0时,三、四级地区的管段及输气站内的工艺管段可采用空气试压。在SY0401—98范和GB50251—的规定中,。叶学礼教授在GB输气管道工程设计规范关于试压的若干规定中,对国外五部标准就试压介质的选择进行了比较,结果表明,在正常情况下,三、四级地区的管段及输气站内的工艺管道试验介质应采用水,若用空气试压,则必须有条件限制以确保安全〔11〕。综合国内外管道工程设计和施工规范,长输管道试压介质应首选水,当水作试压介质条件不具备,并且空气试压能满足管道环向应力及焊接要求时,才允许空气作试压介质。
2、 空气试压及止裂韧性在水资源匮乏、高差大、气温低的地区,如果以水作为试压介质在使用上有局限性,可以用空气代替。使用空气试压时,如果管道有微小缺陷可能发生泄漏或破裂,这是允许的。但如果造成长距离的爆破或撕裂,就属于事故。当管道自身的承压应力值大于管道的空气内压应力时,在某些缺陷部位会发生起裂,但不会发生长距离的爆破和撕裂。理论上,管道的夏比试样冲击韧性值应大于止裂所需的夏比试样冲击韧性值。因此,以气体作为试压介质,在编制试压方案和组织试压前,应该对管体止裂韧性进行计算,以防止发生管道爆破或撕裂事故。文献[12]以西气东输管道为例,详细说明了管道的止裂韧性的计算过程,是计算止裂韧性较好的例子。该文献采用三种止裂韧性公式对空气试压时管道的止裂韧性进行了计算,并与管材的韧性试验值比较,
〔3〕
4目前,,空气和水作为试,虽然需。
西气东输管道除很短的一段可以采用空气作试压介质外,大部分管段仍采用水作试压介质。该工程第2～6标段全长959.67km,自库尔勒到桥湾,所经区域多为戈壁、荒漠、沙丘、丘陵和山地,其中约700km为无人无路区,最大高差超过1km,管道附
近只有孔雀渠一处水源。但管道施工方仍克服困难,坚持用水作为试压介质进行试压〔13〕。
在国外,为了消除管道的残余应力,提高长输管道的安全运行系数,也坚持以水来试压。比较典型的是阿拉斯加原油管道的水压试验,在北极圈内外1280km,极端寒冷的气候条件下,线路工程连翻
三座大山,全线均采用加热的温水进行试压〔14〕。
对于试压介质的选择,应结合规范和实际工程情况,以水作为首选的试压介质。只有当条件不允许时,并在计算止裂韧性值后,在保障安全的前提下才能使用空气进行试压。管道试压介质的确定与管道设计压力、管径、用管强度、管材的韧性及焊接质量有关,同时与管道沿线地形条件、供水条件、施工单位的试压设备配置有关,更重要的是试压介质的选择影响试验压力的确定,从而影响到管道以后的运行安全性。
四、试验压力和稳压时间
管道施工中,一般将试压分为强度试验和严密性试验两个阶段。强度试验主要测试暴露管材的缺陷和消除钢管的残余应力;严密性试验主要是检验
第27卷第9期 孟祥启等:长输管道的试压・53・
管道是否有漏点。适当的稳压时间对充分暴露管材的缺陷和保证管道的安全运行十分重要。
1、 规范要求
的压力值达到足够高,才能比较充分的暴露管道缺陷。只有在试压时将这些缺陷暴露出来,才能保证管道运行的安全性。表2是三组管道在不同应力水平下排除缺陷的统计表[15]。
表2 不同试压应力水平可以排除缺陷的程度试压应力占最小屈服强度
%
80.0～90.0>90.1～100.0>100.1110.011.国内外的施工规范对强度试验和严密性试验的试验压力和稳压时间都有明确规定。Q/SYXQ1—2003西气东输管道线路工程施工及验收规范
表1 水压试验压力值、稳压时间及允许压降值地区等级一类二类三类四类
压力值(MPa)强度试验
1.1倍设计压力1.25倍设计压力1.4倍设计压力1.4倍设计压力
〔2〕
对
水试验压力和气试验压力进行了规定(见表1)。
排除缺陷占总缺陷数
%Ⅰ组
18.116.518.40
Ⅱ组
9.55.447.336.91.4
Ⅲ组
8.310.425.037.518.7
稳压时间(h)强度
试验
4444
严密性试验设计压力设计压力设计压力设计压力
严密性试验
24242424
,当试压的应力小于80%时,排除缺陷占总缺陷数的20%以下,因此,大部分的缺陷不能被发现。目前国内许多工程施工时,强度试压都是选择规范要求的最低压力作为试验压力。表3是输气管道的强度设计系数和强度试验压力与管材最小屈服强度的关系。
表3 强度的设计系数和试验压力与管材的最小屈服强度地区等级一类二类三类四类
强度
设计系数
0.720.600.500.40
注 ,不超过0.1 ,其试验压力应依据设计规定。设计若无规定,则对一、二类地区分别采用设计压力的1.1倍、1.25倍作强度试验压力;对三、四类地区未提及;其中,严密性试验、稳压时间及合格标准类同水压试验。SY0401—98输油输气管道线路施工及验收规范〔3〕和GB50251—2003输气管道工程设计规范〔4〕对试验压力规定与Q/SYXQ1—2003)西气东输管道线路工程施工及验收规范〔2〕基本相同,只是前者要求四类地区强度试验压力为设计压力的1.5倍。ASMEB31.8的第841.322条、ISO13623的第6.7.3条和CSA—Z662的第8.2.1.1条等一般规定,最低强度试验压力在最大操
强度试验压力与设计压力的比值
1.101.251.401.50
强度试验压力占屈服强度
%
79.275.070.060.0
作压力的1.1～1.5倍之间〔11〕。
从以上国内外的规范中可以看出,强度试验压力通常不低于设计压力或最大操作压力的1～1.5倍,严密性试验压力通常为设计压力或最大操作压力的1.1倍。对于最高试验压力,是否采用水作为试压介质,没有明确规定;采用气体作为试压介质,出于安全考虑,部分规范规定环向应力不得高于管材屈服强度的0.9倍。强度试压的稳压时间不宜太长,在上述规范中,最短的稳压时间为1h,最长的为4h;严密性试验的稳压时间最短为4h,最长为24h。
2、 试压压力与暴露缺陷的关系
分析表2和表3的数据可知,按照GB50251—2003输气管道工程设计规范〔4〕给出的设计系数和
试验压力,管材的缺陷暴露率低于20%。若要排除更多的潜在缺陷,就必须提高强度试验压力。当强度试验压力提高到管材屈服强度的100.0%～110.0%之间时,缺陷的暴露率可以大大提高。
3、 施工实例
目前,世界范围内都倾向于采用较高的试验压力。强度试验压力大致有四种〔8〕取值方式,即试验
压力(产生的环向应力)为90%的材料规定的最低σ屈服强度(s);试验压力(产生的环向应力)为100%
的最低屈服强度(σs);用压力2容积图来控制试验压力,当压力2容积线呈现非线形时,即停止试压;取试
强度试验的压力是试压的关键,只有强度试验
验压力(产生的环向应力)为110%的最低屈服强度
(σ苏丹输油管道的强度试验压力(产生的环向s)。
〔7〕
应力)采用管材最低屈服强度(σ。加拿s)的90%大的联盟输气管道,试压强度为管材最低屈服强度的105%〔10〕。西气东输管道的施工要求属于较高的,在试压施工中,强度试验压力在一类、二类、三类、四类地区分别取设计压力的1.1、1.25、1.4、1.4倍〔16〕,严密性试验压力取设计压力。参考表3的计算结果可知,西气东输管道强度试压的压力(产生的环向应力)小于管材最低屈服强度(σs)的80%。
目前,国外试压已经普遍将强度试验压力(产生的环向应力)提高至管材屈服强度的95%以上,以求更好的消除管道的残留应力,并且国外应用压力2容积曲线法,将管道的潜在缺陷暴露率提高至80%以上。与此相比,做法。80%,虽然缺陷暴露率低,保证了管道的安全运行。但缺点是浪费管材,成本提高。采用这种方法的另外一个原因,是国内无缝钢管的生产技术水平与国外还有一定的差距,鉴于对制管厂试压设备能力的考虑,一般在管材订货中要求出厂时的强度试验压力不超过管材屈服强度的95%(含国内外管材订货,国内外制管标准中该值也是通用的)〔16〕。由于国内管材生产水平的限制,我国的试压规范也要求试压强度不超过管材屈服强度的95%,与国外在试压强度上产生了差距。
的管道缺陷暴露率,试压介质首选水。选用气体作为试压介质前,要详细核定是否符合规范要求,必须准确计算管材的止裂韧性,确定气体试压的安全性和有效性后才能采用。提高对订货管材的出厂压力试验标准,应采用先进的压力2容积曲线法进行试压。严格执行试压方案,从长远运行的角度出发,切实保障管道的运行安全。
参 考 文 献
1, 梁翕章:浅谈输气管道试压问题(续前),天然气与石油,2003。2, Q/SYXQ1—2003西气东输管道工程线路工程施工和验收规
范,(北京),2003。
3, SY0401—98,中华人民共
()。
,,中华人民共和国国
。
,:长输管道穿越段管道试压的探讨,油气田地面工程,
2005,24(7)。
6, 王宜建 王平:涩宁兰输气管道清管试压技术,油气储运,
2002,21(7)。
7, 李 军:苏丹输油管道的通球、测径和试压,油气储运,2001,
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8, 王增立:国内外油气管道试压方法的评述,天然气与石油,
1998,16(4)。
9, 刘锡恒:浅谈长距离输送管道的通球试压,油气田地面工程,
2003,22(9)。
10, 梁翕章:浅谈输气管道试压问题(待续),天然气与石油,2003,
21(3)。
11, 叶学礼:GB50251—2003输气管道工程设计规范关于试压的
若干规定,天然气与石油,2006,24(2)。
12, 王贵涛 高发连:西气东输管道空气试压方法的可行性分析,
油气储运,2003,22(11)。
五、结 论
长输管道的试压是一个系统工程,也是一门专业技术。除了要遵循相应的规范,更重要的是要结
合管道的地形条件、供水条件、施工单位的试压设备配置,考虑管道设计压力、长度、管材的管径制订试压方案,确定管段划分、试压介质和试验压力。试压管段的划分要结合规范要求,详细计算低标高点管道的环向应力,通过优化上水或进气的位置,合理缩短试压段长度,减少工作量。为了提高管道试压时
13, 李 林 林金河:西气东输长距离大落差管道水压试验,石油
工程建设,2005,31(1)。
14, 梁翕章:浅谈输气管道试压问题(续完),天然气与石油,2004,
22(1)。
15, 钱成文 张延萍:输气管道的气压试验技术,油气储运,2003,
22(2)。
16, 李献军:西气东输管道试压与干燥施工技术,石油工程建设,
2004,30(1)。
(收稿日期:2007206218)
编辑:杜 娟
感谢广大读者对本刊的关心和支持,祝大家天天快乐诸事如意!
作 者 介 绍
潘家华 见本刊2008年第2期作者介绍。
邢志祥 教授,1967年生,2004年博士毕业于南京工业大学安全技术与工程专业,现在江苏工业学院从事石
油化工安全技术、消防与应急管理技术研究工作。
赵忠刚 工程师,1978年生,2006年硕士毕业于西南石油大学油气储运专业,现在中国石油天然气管道科学
研究院从事管道安全和风险评价技术研究工作。
宫 敬 见本刊2008年第4期作者介绍。
高山卜 1986年生,现为重庆科技大学石油工程学院油气储运专业本科生。
阳小平 工程师,1977年生,2003年硕士毕业于中国石油大学(北京),现在北京华油天
邹华生 教授,1957年生,2001,谢 成 ,现在中国石化销售公司华南分公司调
。
祁 欣 教授,1952年生,1999年博士毕业于哈尔滨工程大学固体力学专业,现在北京化工大学从事教学与
科研工作。
吕宏庆 副教授,1972年生,2000年博士毕业于中国人民解放军后勤工程学院油气储运工程专业,现在中国
人民解放军后勤工程学院军事供油工程系从事教学与科研工作。
关中原 高级工程师,1971年生,1997年硕士毕业于西安石油学院油气田开发工程专业,现在中国石油管
道公司研究中心防腐技术研究所从事油气管道腐蚀控制研究工作,西南石油大学应用化学系在读博士生。
杨厚源 工程师,1960年生,2007年硕士毕业于南京行政学院社会学专业,现任中石化储运公司南京输油
处副处长。
薛锁成 助理工程师,1976年生,2006年毕业于哈尔滨理工大学电气工程及自动化专业,现在神华准格尔能
源有限责任公司大准铁路公司从事工作。
张立忠 高级工程师,1968年生,1992年毕业于中国石油大学(华东)焊接工艺与设备专业,现在中国石油管
道公司管道技术服务中心阀门设备科从事设备管理工作。
孟祥启 1980年生,2006年硕士毕业于天津大学化工学院应用化学专业,现在中国石油塔里木油田公司从
事油气储运地面工程建设工作。
缪 娟 1972年生,1994年毕业于抚顺石油学院油气储运专业,现为辽宁石油化工大学油气储运专业在读
硕士。
张维智 工程师,1974年生,1997年毕业中国石油大学(北京)油气储运专业,现在中国石油天然气股份有限
公司勘探与生产分公司从事油田地面工程建设工作。