李馬鎖 柴清潔 王志會(huì)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院;2.博萊思(北京)管道技術(shù)有限公司)

長(zhǎng)距離礦漿管道輸送由于其安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，已越來(lái)越多地被國(guó)內(nèi)外礦山開發(fā)項(xiàng)目所采用，逐步取代了汽車和火車運(yùn)輸原礦和精礦的方式［1］。管道試壓是驗(yàn)證新建管道整體強(qiáng)度和完整性的可靠方法，由于礦漿管道輸送介質(zhì)一般具有高磨蝕性，管道設(shè)計(jì)要考慮較大的壁厚裕量，所以，新建管道投產(chǎn)前必須經(jīng)過(guò)試壓。現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)礦漿管道的試驗(yàn)要求都是基于管道的設(shè)計(jì)壓力，對(duì)考慮腐蝕和磨蝕而增加的壁厚的試驗(yàn)沒(méi)有明確的要求。因此，在考慮壁厚裕量的基礎(chǔ)上，基于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，對(duì)礦漿管道的試壓壓力及試壓分段進(jìn)行研究，確定其分段原則及試驗(yàn)壓力計(jì)算方法，對(duì)礦漿管道的壓力試驗(yàn)提供借鑒。

1 管道壓力試驗(yàn)的目的及分類

管道試壓的目的是驗(yàn)證管道整體強(qiáng)度，檢驗(yàn)其是否可承受日后管道的運(yùn)行壓力，為日后提高管道壓力、增加管道輸送能力提供有力的試驗(yàn)依據(jù)。管道試壓過(guò)程能暴露和消除管道中的缺陷，以保證管道的運(yùn)行安全。

按照試壓介質(zhì)的不同，管道壓力試驗(yàn)可分為水壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力越高，暴露出的管道缺陷就越多，管體內(nèi)留存的缺陷也就越小。用水進(jìn)行管道分段強(qiáng)度試壓，當(dāng)管道存在缺陷而在試壓中出現(xiàn)泄漏或破裂時(shí)，水具有不可壓縮的特性，且其在管道內(nèi)的減壓速度大于管道的開裂延伸速度，故管道能迅速止裂，不會(huì)造成管道的大面積破裂和嚴(yán)重的次生災(zāi)害，所以水是國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)輸管道試壓的首選介質(zhì)［2］。

2 長(zhǎng)輸?shù)V漿管道試壓

雖然礦漿管道試壓壓力有專門的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在工程實(shí)踐中，管道壁厚是在考慮內(nèi)壓的基礎(chǔ)上，考慮壽命期內(nèi)管道的腐蝕及磨蝕裕量后確定的。但新建管道試壓時(shí)，管道尚未發(fā)生腐蝕(或磨蝕)，而且由于礦漿管道的腐蝕及磨蝕裕量在管道壁厚中占比很大，因此僅僅按照標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)壓力進(jìn)行試壓，對(duì)管道缺陷的檢測(cè)及管道承壓能力檢測(cè)效果會(huì)大打折扣。

2.1 礦漿管道設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定

目前，國(guó)內(nèi)尚未有正式通用的礦漿管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際上通用的礦漿管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為ASME B31.4，標(biāo)準(zhǔn)中基于管內(nèi)壓力的壁厚計(jì)算公式為［3］:

式中，A為壁厚裕量，因螺紋、溝槽、腐蝕、磨蝕或作為保護(hù)性措施增加的壁厚，mm;t為基于管道設(shè)計(jì)內(nèi)壓力的計(jì)算壁厚，mm;tn為管道公稱壁厚，mm;Pi為管道上任意一點(diǎn)處的設(shè)計(jì)內(nèi)壓力及該點(diǎn)處最大穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力，同時(shí)不低于該點(diǎn)處的靜態(tài)壓力，MPa;D為管道外徑，mm;S為管材許用應(yīng)力，MPa;E為焊接系數(shù);F為基于公稱管壁厚的設(shè)計(jì)系數(shù);Sy為管材最低屈服強(qiáng)度，MPa。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，試壓分2種情況:

(1)管壁環(huán)向應(yīng)力小于或等于20%管材最低屈服強(qiáng)度，則需進(jìn)行不低于1 h的嚴(yán)密性試驗(yàn)。當(dāng)采用水作為試壓介質(zhì)時(shí)，試驗(yàn)壓力不得低于沿線各點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)壓力的1.25倍;若試壓介質(zhì)為氣體時(shí)，則試驗(yàn)壓力為0.7 MPa或使管壁產(chǎn)生25%最低屈服強(qiáng)度的環(huán)向應(yīng)力的管道內(nèi)壓二者中的較小值。

(2)管壁環(huán)向應(yīng)力大于20%管材最低屈服強(qiáng)度，則需進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力不得低于沿線各點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)壓力的1.25倍，保壓時(shí)間不得低于4 h。當(dāng)以公稱壁厚計(jì)算時(shí)，如果試驗(yàn)時(shí)管壁產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力大于90%的管道最低屈服強(qiáng)度，則應(yīng)采取措施，防止管道試壓時(shí)發(fā)生較大變形。根據(jù)礦漿管道用鋼管規(guī)范API 5L對(duì)于單根鋼管水壓試驗(yàn)的規(guī)定，最大試驗(yàn)壓力也要求其引起的管壁環(huán)向應(yīng)力不大于90%的管道最低屈服強(qiáng)度［4］，故一般水壓試驗(yàn)時(shí)管道環(huán)向應(yīng)力不得大于90%最低屈服強(qiáng)度。強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，所有試驗(yàn)對(duì)象都能夠目視檢查，確認(rèn)是否有泄漏，4 h后試壓結(jié)束。如試驗(yàn)對(duì)象不具備目視檢查條件，則需繼續(xù)進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力不得低于各點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)壓力的1.1倍，保壓時(shí)間不得低于4 h。

2.2 礦漿管道試驗(yàn)壓力計(jì)算

根據(jù)ASME B31.4的要求，管線上任意一點(diǎn)處試驗(yàn)壓力計(jì)算如下。

(1)管壁環(huán)向應(yīng)力。在運(yùn)行過(guò)程中不大于20%管材最低屈服強(qiáng)度的情況下，采用水試壓，則

式中，Ptest為壓力試驗(yàn)壓力，MPa。

采用氣體試壓，則

(2)在運(yùn)行過(guò)程中，管壁環(huán)向應(yīng)力大于20%管材最低屈服強(qiáng)度的情況下，需依次進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)和嚴(yán)密性試驗(yàn)。

強(qiáng)度試驗(yàn)壓力:

嚴(yán)密性試驗(yàn)壓力:

式中，Pi最大穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力為靜態(tài)壓力、克服磨阻所需壓力及背壓之和。

2.3 管壁腐蝕及磨蝕裕量對(duì)試驗(yàn)壓力的影響

考慮腐蝕及磨蝕，礦漿管道壁厚設(shè)計(jì)時(shí)的處理方式:鋼管內(nèi)襯采用抗腐蝕磨蝕材料，鋼管壁厚的計(jì)算由設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力決定;直接增加鋼管壁厚。第一種方式對(duì)試驗(yàn)壓力的計(jì)算沒(méi)有影響，第二種方式增加了腐蝕或磨蝕裕量的管道，應(yīng)相應(yīng)地提高試驗(yàn)壓力，使得試驗(yàn)時(shí)管壁內(nèi)的環(huán)向應(yīng)力不低于設(shè)計(jì)壽命末期管壁在1.25或1.1倍內(nèi)壓力作用下所承受的環(huán)向應(yīng)力［5］。

綜合考慮腐蝕或磨蝕裕量，礦漿管道的試驗(yàn)壓力應(yīng)為:

(1)在運(yùn)行過(guò)程中，管壁環(huán)向應(yīng)力不大于20%管材最低屈服強(qiáng)度的情況下，采用水試壓，則

采用氣體試壓，試驗(yàn)壓力與式(5)相同。

(2)在運(yùn)行過(guò)程中，管壁環(huán)向應(yīng)力大于20%管材最低屈服強(qiáng)度的情況下，需依次進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)和嚴(yán)密性試驗(yàn)。

強(qiáng)度試驗(yàn)壓力:

嚴(yán)密性試驗(yàn)壓力:

2.4 試壓段的劃分

礦漿管道試壓段劃分主要考慮以下幾方面的因素:①大型河流、鐵路、公路等穿跨越段管道需分段單獨(dú)試壓;②水壓試驗(yàn)時(shí)，管段的最高點(diǎn)必須滿足該段管道要求的最低試驗(yàn)壓力，最低點(diǎn)不能超過(guò)管道管材屈服強(qiáng)度的0.90倍;③試壓斷點(diǎn)應(yīng)選在設(shè)備易進(jìn)出場(chǎng)及取排水便利地點(diǎn)，且末端不得設(shè)置在人口稠密區(qū)。

3 計(jì)算實(shí)例

某礦漿管道長(zhǎng)135 km，外徑610 mm，管材為API 5L X60，HFW焊管。輸送介質(zhì)為紅土礦漿，密度1.14 t/m3。管道地形縱斷面、設(shè)計(jì)水力坡度曲線及不同壁厚的分布見圖1。根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，該管線在運(yùn)行過(guò)程中，其管壁環(huán)向應(yīng)力大于20%管材最低屈服強(qiáng)度，因此根據(jù)式(10)計(jì)算全線最低試驗(yàn)壓力包絡(luò)曲線和最高試驗(yàn)壓力包絡(luò)曲線(見圖1)。從圖1中可以明顯得出，僅從壓力角度考慮，全線須分兩段試壓，每段強(qiáng)度試驗(yàn)壓力如圖1中標(biāo)示。管道實(shí)際施工過(guò)程中，綜合考慮取排水點(diǎn)的位置，又將圖1中的第二試壓段細(xì)分為3段進(jìn)行試壓。每段的試驗(yàn)壓力根據(jù)測(cè)量點(diǎn)處標(biāo)高進(jìn)行換算。嚴(yán)密性試驗(yàn)壓力為強(qiáng)度試驗(yàn)壓力的0.88倍。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)輸?shù)V漿管道的設(shè)計(jì)規(guī)范中只列出了管道試驗(yàn)壓力跟管道設(shè)計(jì)內(nèi)壓力的關(guān)系，對(duì)因考慮礦漿的腐蝕及磨蝕而增加的壁厚沒(méi)有做出明確的說(shuō)明。為完成管道壓力試驗(yàn)，結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范，推導(dǎo)出考慮腐蝕及磨蝕壁厚裕量的試驗(yàn)壓力計(jì)算公式。采用該公式計(jì)算出的壓力進(jìn)行試壓能更充分地檢驗(yàn)新建管道，以暴露出管材焊縫等缺陷，有效確保管道壽命周期內(nèi)的使用安全。

圖1 某紅土礦礦漿管道試壓

［1］ 吳湘福.礦漿管道輸送技術(shù)的發(fā)展與展望［J］.金屬礦山，2000(6):1-7.

［2］ Ramesh Singh.Pipeline Integrity Handbook:Risk Management and Evaluation［R］.Waltham，USA:Gulf Professional Publishing，2014.

［3］ ASME.B31.4-2012 Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurries:ASME Code for Pressure Piping，B31［S］.Englewood，Chicago，USA:IHS Pressroom，2012.

［4］ API.Spec 5L 45th Edition Specification for Line Pipe ［S］.Washington.DC，USA:API Publishing Services，2012.

［5］ 朱祖愚.腐蝕裕量對(duì)試驗(yàn)壓力的影響［J］.石油化工設(shè)備，1986，15(12):51.