上海煤氣第一管線工程有限公司 鄭達(dá)駿

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，上海對石油、天然氣等能源需求量也不斷增加，建設(shè)高壓長輸管道，形成覆蓋全市的天然氣供應(yīng)主干管網(wǎng)十分必要。高壓長輸管道具有壓力高、距離長、口徑大、敷設(shè)地形復(fù)雜等特點，為保證投運后天然氣管道及其附屬設(shè)備的安全運行，管道建設(shè)工程中的試壓是非常重要的關(guān)鍵工序。管道試壓包括強(qiáng)度試驗和嚴(yán)密性試驗，俗稱“二泵”。高壓長輸管道與中低壓管道試壓的試壓介質(zhì)和試壓設(shè)備有所不同，下文將結(jié)合上海天然氣主干管網(wǎng)二期LNG主干線2標(biāo)工程(設(shè)計壓力為6.0 MPa，設(shè)計總長度13.5 km，管徑為φ813)的施工實踐，對高壓長輸管道試壓技術(shù)進(jìn)行探討。

1 管道試壓的規(guī)范要求

管道試壓是在管道內(nèi)部施加一定的壓力，對管道進(jìn)行強(qiáng)度和嚴(yán)密性試驗，從而驗證管道焊縫和連接處的質(zhì)量狀況，排除管線內(nèi)的隱患和缺陷；同時施加的內(nèi)壓力對管道有一定的預(yù)拉伸作用，可以充分消除管道在焊接、下溝回填、連接頭等施工中產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，管道試壓是保障高壓長輸管道正式投產(chǎn)安全使用的重要手段之一。

1.1 試壓介質(zhì)

目前，中低壓管道普遍采用氣壓試壓，高壓管道則必須采取水壓試驗。因為氣體具有可壓縮性，氣壓試驗一旦發(fā)生破壞事故，不僅要釋放集聚的能量，而且會以最快的速度恢復(fù)在升壓過程中被壓縮的能量，壓縮空氣的急劇膨脹會產(chǎn)生爆炸一樣的沖擊力。而水通常被認(rèn)為是不可壓縮的，如果管道發(fā)生泄漏或破裂，水會泄漏出來時壓力迅速降低，對周邊人員環(huán)境的影響范圍和破壞力較小。所以，出于安全性方面的考慮，高壓管道必須選擇液體(水)作為試壓介質(zhì)。

1.2 試壓壓力

GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》中根據(jù)輸氣管道所處地區(qū)環(huán)境對燃?xì)夤艿赖脑囼炈畨哼M(jìn)行了劃分，其中：一、二類地區(qū)由于人煙稀少，試壓水源取用及排放困難，只能采用氣壓試驗的，出于安全方面的考慮，一般試壓壓力不得超過設(shè)計壓力的1.25倍；三、四類地區(qū)靠近經(jīng)濟(jì)環(huán)境較好、有條件取得試壓水源的城鎮(zhèn)地區(qū)應(yīng)采用水壓試驗的，水壓強(qiáng)度試驗壓力為設(shè)計壓力的1.5倍，嚴(yán)密性試驗壓力為設(shè)計壓力，如表1。

表1 輸氣管道水壓試驗壓力值、穩(wěn)壓時間及合格標(biāo)準(zhǔn)

LNG主干線2標(biāo)工程設(shè)計壓力為6.0 MPa，工程地處四類地區(qū)，根據(jù)以上分析項目水壓試驗的強(qiáng)度壓力值應(yīng)設(shè)定為設(shè)計壓力的1.5倍，即9.0 MPa；嚴(yán)密性試驗壓力設(shè)定為設(shè)計壓力，即 6.0MPa，上述壓力值均為表壓。

1.3 試壓段的劃分

CJJ 33—2005《城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉涔こ淌┕ぜ膀炇找?guī)范》規(guī)定：油氣管道分段水壓試驗的管段長度不宜超過35 km，試壓管段的高差不宜超過30 m；當(dāng)管段高差超過30 m 時，應(yīng)根據(jù)該段的縱斷面圖，計算管道低點的靜水壓力，核算管道低點試壓時所承受的環(huán)向應(yīng)力，其值一般不應(yīng)大于管材最低屈服強(qiáng)度的0.9倍。對特殊地段經(jīng)設(shè)計允許，其值最大不得大于0.95倍，試驗壓力值的測量應(yīng)以管道最高點測出的壓力值為準(zhǔn)，管道最低點的壓力值應(yīng)為試驗壓力與管道液位高差靜壓之和。

表2 管道試壓分段最大長度

本項目設(shè)計壓力為6.0 MPa，因此允許的最長試驗管段長度為 35 km，而項目管道整體長度為13.5 km，因此可以一次性進(jìn)行全線整體試壓。

1.5 試壓設(shè)備的選擇

與中低壓管道氣壓試驗使用空壓機(jī)設(shè)備不同，高壓管道水壓試驗需要使用的主要設(shè)備為壓力泵。針對長輸管道口徑大、跨度長、試壓段高差靜壓大等特點，為獲得最大的生產(chǎn)效率，首先在注水階段使用高揚程、大流量的多級離心泵，保證形成足夠的排壓以克服試壓段高差靜壓，從而取得規(guī)定的注水速率；在升壓階段特別是升至試驗壓力2/3后，多級離心泵的工作壓力不足以達(dá)到試驗壓力，這時需采用高壓泵進(jìn)行注壓，確保試驗壓力能夠達(dá)到規(guī)定的要求。

LNG主干線2標(biāo)工程總長度13.5 km，其中管線定向穿越有8處、頂管3處、河道截流圍堰12處；由于該項目沿線的障礙物和高程差等因素，在管線直埋段設(shè)置了較多的大角度彎頭，這些都會對管道試壓造成影響。為確保管道試壓順利進(jìn)行，施工中采用2臺流量20 m3/min、揚程30 m的多級離心泵并聯(lián)的方式進(jìn)行注水作業(yè)，在升壓階段使用1臺最高30 MPa的高壓泵進(jìn)行升壓。結(jié)果證明，該設(shè)備方案完全滿足試驗要求，達(dá)到了規(guī)定的試驗時間和試驗壓力。

2 管道試壓作業(yè)流程

2.1 試壓作業(yè)流程

整個作業(yè)流程如圖1。

管道試壓前應(yīng)首先檢查壓力泵、焊機(jī)等設(shè)備的生產(chǎn)合格證和年檢證明，并且對壓力表、溫度計等計量設(shè)備進(jìn)行檢定校驗，確定符合試驗要求驗收合格后開始安裝試驗設(shè)備，設(shè)備試運轉(zhuǎn)檢查無異常后開始管道內(nèi)注水作業(yè)，注水期間注意觀察排氣口的出水情況，將管道內(nèi)空氣排盡注滿水后按照升壓程序進(jìn)行升壓，過程中如有異常為確保安全必須泄壓處理，查明原因排除問題后，重新進(jìn)行加壓試驗，直至達(dá)到試驗合格標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 施工現(xiàn)場布置

施工進(jìn)水點的選擇需要離清潔水源較近，方便設(shè)備進(jìn)出場的地方。本項目沿線附近洪燈港內(nèi)河水經(jīng)專業(yè)部門檢測色度、渾濁度、pH值等指標(biāo)均符合試壓水質(zhì)要求，可以作為試壓用水。選好進(jìn)水點后開始布置施工現(xiàn)場，首先在試壓進(jìn)水處附近開挖一個長寬深為10 m×5 m×2 m的蓄水坑，并在坑內(nèi)敷設(shè)防水卷材，為防止土方坍塌在四周打設(shè) 30#鋼板樁進(jìn)行支撐。由于使用的介質(zhì)是河水，用抽水泵引入蓄水坑后，需在蓄水坑后再設(shè)置一個過濾設(shè)備，河水經(jīng)過濾后通過多級泵打壓注入管道內(nèi)，見圖2所示。

圖2 試壓設(shè)備現(xiàn)場安裝布置示意

2.3 試壓前準(zhǔn)備

2.3.1 封頭、短管焊接

充水試壓前應(yīng)將試壓工作管段兩端用無縫鋼制短管、高壓封頭焊接安裝到位。無縫鋼管、高壓封頭焊接后必須經(jīng)過100% X射線檢測和100%超聲波探傷，射線檢測合格評定標(biāo)準(zhǔn)為Ⅱ級片及以上，超聲探傷合格標(biāo)準(zhǔn)為Ⅰ級片。試壓設(shè)備與無縫鋼制短管之間的連接也需采用無縫鋼管，由于管道口徑較小，只能采取滲透著色探傷，但需達(dá)到一級片的合格標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 注水量與注水時間

在試壓管道注水前，應(yīng)先按公式計算理論注水量：

式中：V——理論注水量，m3；

R——試壓管道半徑，m；

L——試壓管道總長度，m。

經(jīng)計算，該段管道理論注水量為6 782.4 m3。按作業(yè)設(shè)備的注水速率80 m3/h可得出理論注水時間需要84.78 h。

在實際作業(yè)中，考慮到管道注水過程中會夾雜有空氣或管道存在泄漏點，在注水的開始階段需要緩慢進(jìn)行，同時排氣端要保持排氣閥始終處于開放狀態(tài)，因此，實際用時肯定大于84.78 h。本項目實際總注水用時為89.57 h，符合預(yù)期。

2.4 試壓作業(yè)要點

2.4.1 管道注滿水后，使用多級泵進(jìn)行升壓。此時應(yīng)注意分級緩慢升壓，升壓速度小于1 MPa/h。當(dāng)升壓至試驗壓力的1/3時，穩(wěn)壓15 min；升壓至試驗壓力2/3時，穩(wěn)壓15 min，進(jìn)行全面檢查無異常后再升壓。在此過程中如果發(fā)現(xiàn)多級泵打壓強(qiáng)度不夠，可同時采用高壓泵加壓。

2.4.2 壓力升至設(shè)計壓力的1.5倍時停泵，檢查試壓體。自壓力穩(wěn)定時起，穩(wěn)壓4 h，管道無泄漏、試驗壓力無降低，則強(qiáng)度試驗試壓合格。如不合格，應(yīng)立即找出原因，泄壓處理，然后重新試壓。

2.4.3 強(qiáng)度試驗合格后進(jìn)行嚴(yán)密性試驗。嚴(yán)密性試驗壓力為設(shè)計壓力，將管道泄壓至設(shè)計壓力，穩(wěn)壓24 h，其壓降不大于試驗壓力值的 1%，且不大于0.1 MPa，則嚴(yán)密性試驗試壓合格。

2.5 作業(yè)時安全措施

試壓時應(yīng)確保附近人員及構(gòu)筑物安全，盡量選在空曠地帶進(jìn)行。劃出安全警戒范圍，并用圍欄和警示帶進(jìn)行分隔，懸掛明顯警示標(biāo)識，24 h安排人員值守。試壓和清管期間，安排人員沿線路進(jìn)行巡視和檢查，如發(fā)現(xiàn)泄漏，需進(jìn)行泄壓，直至壓力為零時方可補(bǔ)漏，嚴(yán)禁帶壓補(bǔ)漏。試壓時，試壓設(shè)備、機(jī)具的擺放離試壓管線的距離不應(yīng)小于30 m，尤其正對封頭前方部位，工作人員應(yīng)避讓，更不應(yīng)有閑暇人員在附近逗留。管道試壓時嚴(yán)禁用硬性物品撞擊管道，不許移動試壓設(shè)備。

3 常見問題及處理方法

在長輸高壓管道試壓過程中時常會碰到試壓壓力始終上升不到規(guī)定值，在排除管線泄漏的情況下，最大可能是由于長輸管道高程差大，空氣易積留在試壓段高點位置，未及時排出管外。針對這種情況，可采取以下兩種處理辦法：

(1) 高點放空排氣法。在管道高位點設(shè)置排氣閥，注水排氣時排氣閥的溢水時間要足夠長，確保管道內(nèi)空氣全部排除完畢，然后關(guān)閉排氣閥。

(2) 隔離排氣法。注水前管道內(nèi)加入清管器，將水和空氣隔離開。注水時，利用水推動管內(nèi)空氣外移，并最終將管段內(nèi)空氣排出，如圖3。選擇的清管器尺寸必須與管道內(nèi)徑相匹配，且最好使用全新或無損壞磨損的清管器，確保在推進(jìn)過程中清管器與管壁的接觸面嚴(yán)實，防止管道內(nèi)注水一側(cè)夾雜入空氣。

圖3 隔離排氣法

除了管內(nèi)有空氣會導(dǎo)致打壓強(qiáng)度不夠外，泵的配置不合適也會造成打壓強(qiáng)度問題。目前比較常見的做法是：采用多臺離心泵串聯(lián)的方式將把水壓打到一定的壓力，再使用高壓泵增壓，這樣做既可以減少了注水升壓時間，又能夠達(dá)到滿足了壓力值，取得比較好的時間經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

城鎮(zhèn)天然氣高壓長輸管道試壓介質(zhì)應(yīng)該首選液體(水)，強(qiáng)度試驗壓力為設(shè)計壓力的 1.5倍，嚴(yán)密性試驗壓力為設(shè)計壓力。一次性整體試壓長度不得大于35 km。實際試壓時應(yīng)該嚴(yán)格按照試驗方案程序進(jìn)行，確保施工安全。

城市天然氣高壓長輸管道是城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的四梁八柱，構(gòu)建起了城市管網(wǎng)的基本框架。高壓管網(wǎng)萬一出現(xiàn)泄漏爆燃等質(zhì)量安全事故將對人民生命財產(chǎn)安全、社會生產(chǎn)經(jīng)營穩(wěn)定帶來巨大的損失和負(fù)面影響。必須高度重視高壓長輸管網(wǎng)的建設(shè)質(zhì)量，嚴(yán)格按照規(guī)范要求、方案流程進(jìn)行管道的強(qiáng)度和嚴(yán)密性試驗工作，確保管道的安全可靠性，從而為城市穩(wěn)定的能源供應(yīng)做出保障。