上海天然氣管網(wǎng)有限公司 金東琦

上海市天然氣主干管網(wǎng)工程經(jīng)過十余年的建設(shè)，截至2016年12月，主干管網(wǎng)系統(tǒng)已投運天然氣主干管道約670 km，各類型天然氣場站近百座，場站的設(shè)計壓力從6.3 MPa到1.6 MPa。在場站建設(shè)過程中強度試驗是工程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，是對工程施工質(zhì)量、材料性能、設(shè)備驗證和工藝系統(tǒng)整體質(zhì)量的綜合檢驗，其目的是驗證工藝系統(tǒng)整體強度，暴露和消除安裝、管材及設(shè)備中殘存的缺陷，保證場站運行安全。

由于國家、地方及行業(yè)規(guī)范編制時間不同，應用的范圍不同造成各規(guī)范對天然氣場站強度試驗的規(guī)定不一致，現(xiàn)對上海市天然氣主干管網(wǎng)工程場站采用氣體強度試驗的可能做如下討論。

1 規(guī)范對天然氣場站壓力試驗的規(guī)定

1.1 城鎮(zhèn)燃氣行業(yè)對天然氣場站壓力試驗的規(guī)定

城鎮(zhèn)燃氣行業(yè)對天然氣場站壓力試驗的規(guī)定主要依據(jù)《城鎮(zhèn)燃氣輸配工程施工及驗收規(guī)范》(CJJ 33—2005)中的規(guī)定，鋼管的強度試驗：當管道設(shè)計壓力p>0.8 MPa，試驗介質(zhì)為清潔水，試驗壓力為設(shè)計壓力的1.5倍；管道設(shè)計壓力p≤0.8 MPa時，試驗介質(zhì)為壓縮空氣，試驗壓力為設(shè)計壓的1.5倍且不小于0.4 MPa。嚴密性試驗介質(zhì)宜采用空氣，試驗壓力為設(shè)計壓力。

1.2 壓力管道行業(yè)對天然氣場站壓力試驗的規(guī)定

《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》(GB 50235—2010)和《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程-工業(yè)管道》(TSG D0001—2009)規(guī)定：壓力試驗應以液體為試驗介質(zhì)；當管道的設(shè)計壓力小于或等于0.6 MPa時，也可采用氣體為試驗介質(zhì)，但應采取有效的安全措施。承受內(nèi)壓的埋地鋼管道液壓試驗的試驗壓力應為設(shè)計壓力的1.5倍，且不得低于0.4 MPa。氣壓試驗時，承受內(nèi)壓鋼管的試驗壓力應為設(shè)計壓力的1.15倍。當管道的設(shè)計壓力大于0.6 MPa時，必須有設(shè)計文件規(guī)定或經(jīng)建設(shè)單位同意，方可用氣體進行壓力試驗。輸送可燃流體的管道必須進行泄漏性試驗。泄漏性試驗應在壓力試驗合格后進行，試驗介質(zhì)宜采用空氣。泄漏性試驗壓力應為設(shè)計壓力。

1.3 長輸管道行業(yè)對天然氣場站壓力試驗的規(guī)定

《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50251—2015)中規(guī)定，輸氣場站和閥室的強度試驗應采用水做介質(zhì)，當具備若干條件時位于三、四級地區(qū)的輸氣站內(nèi)的工藝管道可采用空氣試壓，試驗壓力為設(shè)計壓力的1.5倍。嚴密性試驗的介質(zhì)采用空氣或其他不易燃和無毒的氣體。嚴密性試驗壓力應為設(shè)計壓力。

《石油天然氣站內(nèi)工藝管道工程施工規(guī)范》(GB 50540—2009)中規(guī)定，輸氣場站強度試驗采用水做介質(zhì)，試驗壓力為1.5倍設(shè)計壓力。輸氣場站強度試驗采用空氣做介質(zhì)，試驗壓力為1.15倍設(shè)計壓力。嚴密性試驗的介質(zhì)采用空氣或其他不易燃和無毒的氣體。嚴密性試驗壓力應為設(shè)計壓力。

1.4 上海市地方規(guī)范的規(guī)定

《城鎮(zhèn)高壓、超高壓天然氣管道技術(shù)規(guī)程》(DGJ 08—02—2003)規(guī)定輕度試壓用水做介質(zhì)，試驗壓力為1.5倍設(shè)計壓力，泄漏性(嚴密性)試驗由設(shè)計確定。本規(guī)范對場站壓力試驗未專門規(guī)定?！冻擎?zhèn)天然氣站內(nèi)工程施工質(zhì)量驗收標準》(DG/TJ08—2103—2012)中僅規(guī)定站內(nèi)管道系統(tǒng)安裝完成并經(jīng)無損檢驗、沖洗或吹掃合格后應進行強度試驗和嚴密性試驗,試驗壓力、試驗時間、試驗介質(zhì)與試驗結(jié)果應符合設(shè)計文件規(guī)定。

2 上海市天然氣主干管網(wǎng)場站氣體強度試驗分析

2.1 場站強度試驗介質(zhì)的選擇

場站強度試壓介質(zhì)分為氣體和液體兩種。采用液體進行管道強度試壓，當管道存在缺陷而在試壓中出現(xiàn)泄漏或破裂時，由于液體具有不可壓縮的特性，管道內(nèi)試壓介質(zhì)的減壓速度大于管道的開裂擴展速度，因此管道能夠迅速止裂。而采用氣體進行強度試壓，壓縮氣體達到給定壓力需要做的功遠遠大于液體。當管道出現(xiàn)泄漏或破裂時，由于管道內(nèi)介質(zhì)的減壓速度小于管道的開裂擴展速度，在管道止裂韌性不能滿足止裂要求時，會造成管道的大段破裂和嚴重的次生災害?；谝陨系姆治鲈谏虾Ｊ刑烊粴庵鞲晒芫W(wǎng)工程場站在建設(shè)初期場站壓力試驗也是選擇潔凈水作為強度試驗的介質(zhì)，但在工程實踐中水壓壓力試驗的問題也逐漸暴露出來：

(1)水壓壓力試驗中由于水的表面張力遠大于氣體表面張力。對于試壓時已經(jīng)干燥的輸氣系統(tǒng)，以水作為介質(zhì)進行嚴密性試驗檢漏的靈敏性遠不如采用氣體，有數(shù)據(jù)顯示：氣壓試驗至少比相同壓力下的水壓試驗靈敏 60倍。采用氣體作為嚴密性試驗介質(zhì)時，氣體可以從水不能通過的微隙中滲漏，而輸氣管道在運行時不允許輕微滲漏，但氣壓試驗的靈敏性是建立在管道干燥的基礎(chǔ)上，若管道系統(tǒng)未完全干燥，則殘留水會充滿微隙使氣體嚴密性試驗的靈敏性無從發(fā)揮。

(2)高壓輸氣場站選址一般位于城郊偏遠位置，水壓試驗的水源不易獲得，另外隨著環(huán)保意識的加強，施工階段站內(nèi)排水系統(tǒng)尚未完成，水壓試驗試壓完畢后的污水排放也較為困難，稍有不慎容易引起場站周圍居民的反感。

(3)實際工程建設(shè)中先用水進行場站管道強度試壓，再用空氣做嚴密性試壓，強度試驗后必須先進行完全干燥，介質(zhì)置換造成試壓工序復雜化，水壓試驗后若干燥不徹底，還會造成輕微泄漏缺陷不易發(fā)現(xiàn)。若采用氣體強度試驗，可以與氣體嚴密性試驗一并實施簡化壓力試驗的工序。

氣體強度試驗的危險性主要是長距離管段氣壓試驗時一旦出現(xiàn)泄漏或破裂時管道止裂韌性不能滿足止裂要求時，會造成管道的大段破裂和嚴重的次生災害，故站外輸氣管線由于距離較長應首選液體作為壓力試驗的介質(zhì)。而站內(nèi)管段一般較短且管徑較小，氣壓壓力試驗出現(xiàn)泄漏或破裂時處于相對可控狀態(tài)，故上海市天然氣主干管網(wǎng)工程場站在建設(shè)過程中也開始摸索場站氣壓強度試驗的可能性。

2.2 場站氣體強度試驗可行性分析

上海市天然氣主干管網(wǎng)屬于省市(直轄市)級天然氣輸氣管網(wǎng)，并且城鎮(zhèn)燃氣行業(yè)規(guī)范最高設(shè)計壓力為4.0 MPa，而上海市天然氣主干管網(wǎng)主干管的設(shè)計壓力為6.0 MPa，所以上海市天然氣主干管網(wǎng)按照規(guī)范分類應按長輸管線規(guī)范或地方專項規(guī)范管理，管網(wǎng)場站的設(shè)計和施工應遵循和參考長輸管線行業(yè)及壓力管道行業(yè)規(guī)范。

在長輸管道行業(yè)國家規(guī)范 GB 50251—2015、GB 50540—2009及壓力管道行業(yè)規(guī)范GB 50235—2010及TSG D0001—2009中均未禁止場站內(nèi)管道系統(tǒng)采用氣體壓力試驗，僅對氣體壓力試驗的條件作出了限制，尤其是國家標準《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50251—2015)中明確三、四級地區(qū)輸氣場站可以采用氣體壓力試驗但必須同時滿足表1所列三個條件：

表1 三四級地區(qū)輸氣場站工藝管道空氣試壓條件

以下通過氣體壓力試驗必須滿足的三個條件逐一分析上海市天然氣主干管網(wǎng)場站氣壓試驗的可行性：

2.2.1 現(xiàn)場最大試驗壓力產(chǎn)生的環(huán)向應力條件

根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50251—2015)附錄中關(guān)于管道環(huán)向應力計算公式：

式中：σh——內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應力，MPa；

σn——管子公稱壁厚，mm；

p——管道壓力(最大試驗壓力)，MPa；

d——管道內(nèi)徑，mm。

對上海市天然氣主干管網(wǎng)設(shè)計壓力為6.3 MPa的場站中常用管道規(guī)格進行計算(現(xiàn)場最大試驗壓力按設(shè)計壓力1.15倍計算)，計算結(jié)果詳見表2：

表2 常用管道規(guī)格試壓時環(huán)向應力計算

由上表的計算可以看出，設(shè)計壓力6.3 MPa場站內(nèi)常用管道規(guī)格在最大試驗壓力時產(chǎn)生的環(huán)向應力均小于管道管材最小屈服強度的 40%，DN100～600的管道壓力試驗時處于較低環(huán)向應力水平。究其原因，上海市天然氣主干管網(wǎng)場站建設(shè)以來一直遵循本質(zhì)安全的設(shè)計理念，不管場站現(xiàn)狀所處地區(qū)的等級，均按規(guī)范要求的最高安全系數(shù)(即設(shè)計系數(shù)按0.3選取)計算壁厚，管道壁厚余量充足管道應力水平較低。

站內(nèi)DN800管道壁厚由于需與站外DN800主干管輸氣管道保持一致，管道應力水平稍高，但仍然小于50%的管道最小屈服強度，可滿足三級地區(qū)氣壓強度試驗的要求，對處于遠期可能發(fā)展為四級地區(qū)的場站，當站內(nèi)有 DN800管道時可適當增加管道壁厚采用氣壓強度試驗或采用水壓強度試驗。

上海市天然氣主干管網(wǎng)其他設(shè)計壓力的場站遵循的是同一設(shè)計理念，按最高安全系數(shù)計算站內(nèi)工藝管道壁厚，故試壓時環(huán)向應力水平與設(shè)計壓力6.3 MPa場站一致，均基本滿足四級地區(qū)氣壓試驗要求的管道環(huán)向應力要求。

2.2.2 最大操作壓力條件

根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50251—2015)術(shù)語解釋，場站最大操作壓力為在正常操作條件下，管線系統(tǒng)中的最大實際操作壓力。按照上海市天然氣主干管網(wǎng)場站的運行規(guī)范不同設(shè)計壓力的場站最大操作壓力詳見表3：

表3 上海市天然氣主干管網(wǎng)場站最大操作壓力

由上表的數(shù)據(jù)可以看出按照上海市天然氣主干管網(wǎng)場站現(xiàn)行的運行規(guī)范，不同設(shè)計壓力的場站最大操作壓力均不超過80%最大試驗壓力，滿足規(guī)范要求的氣壓試驗條件。

2.2.3 工藝管道質(zhì)量條件

上海市天然氣主干管網(wǎng)場站中工藝管道使用的均為新采購的合格鋼管，DN100～300管道采用無縫鋼管，制管標準為《高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管》(GB 6479—2013)，DN400～800鋼管采用螺旋縫埋弧焊鋼管或直縫埋弧焊鋼管，制管標準為《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》(GB/T 9711—2017)，PSL2類，以上鋼管的焊縫系數(shù)均為1.0。所以上海市天然氣主干管網(wǎng)場站中工藝管道滿足規(guī)范要求的氣壓試驗條件。

2.3 場站氣體強度試驗時的安全措施

為保證氣體強度試壓的安全進行，國內(nèi)規(guī)范對氣體強度試壓的進程做了詳細的規(guī)定，另外國外相關(guān)標準規(guī)定了試驗完成后的降壓程序，具有借鑒意義。例如《石油天然氣站內(nèi)工藝管道工程施工規(guī)范》(GB 50540—2009)規(guī)定以空氣為介質(zhì)進行強度試驗時，升壓值依次為試驗壓力的10%、50%，若無泄漏，逐次增加10%的試驗壓力直至100%，間隔5 min，升壓速率應<0.1 MPa/min。英國標準BS PD 8010-1-2004《管道規(guī)范一第1部分：陸上鋼制管道》規(guī)定，試壓完成后，以0.1 MPa/min速率降至90%試驗壓力值，再以0.2 MPa/min速率繼續(xù)降壓。

國內(nèi)標準還規(guī)定了試驗過程中的安全措施，例如《天然氣管道運行規(guī)范》(SY/T 5922—2012)規(guī)定試壓期間管道系統(tǒng)一定距離內(nèi)設(shè)為隔離區(qū)，嚴禁煙火和靜電火花。

3 結(jié)語

針對上海市天然氣主干管網(wǎng)場站的壓力試驗，在執(zhí)行國家標準、行業(yè)標準時，必須認真考慮壓力試驗的安全性、試驗介質(zhì)的來源與排放、試驗介質(zhì)對燃氣輸配系統(tǒng)的影響以及燃氣輸配系統(tǒng)的運行特征等因素。從現(xiàn)行國家標準、地方、行業(yè)標準來看，由于編制年代不同，使用場所和使用條件不同，各規(guī)范的要求不統(tǒng)一，給使用者帶來了諸多疑惑。綜合各規(guī)范之間的共同點，從安全、操作和連續(xù)性等角度出發(fā)，提出上海市天然氣主干管網(wǎng)場站管道強度和嚴密性試驗的試驗介質(zhì)與壓力要求見表4。

場站采用氣體強度試驗前應按本文表1中所列條件逐一核對，必須同時滿足三個條件時方可編制氣體強度試驗實施方案，氣體強度試驗實施方案應對試驗進程尤其是升降壓速度和幅度進行詳細規(guī)定，并提出氣體強度過程中相應的安全措施。