李俊

（重慶燃?xì)饧瘓F股份有限公司，重慶 400020）

0 引言

大落差山區(qū)油氣長輸管道存在較大起伏，這使得管道的試壓難度較高，氣壓試驗與水壓試驗的選擇近年來開始引起重視。為保證大落差山區(qū)油氣長輸管道試驗?zāi)軌虬踩?、順利完成，正是本文圍繞該課題開展具體研究的原因所在。

1 水壓和氣壓試驗優(yōu)劣分析

油氣管道試壓可選擇空氣或潔凈水作為介質(zhì)，惰性氣體、天然氣等也可以用于試壓，必要時還可以選擇防凍液。在油氣管道的早期試壓中，最常用的試壓介質(zhì)為空氣，但受到20 世紀(jì)70 年代前多次出現(xiàn)的油氣管道空氣試驗事故影響，近年來油氣管道試壓更多選擇水壓試驗方式，油氣管道氣壓試驗很容易引發(fā)爆炸、撕裂等事故，這是由于管道缺陷處會因氣壓試驗出現(xiàn)破裂或泄露，在管道開裂擴展速度大于氣體試壓介質(zhì)減壓速度的情況下，止裂要求可能無法由管道止裂韌性滿足，嚴(yán)重的次生災(zāi)害及大段管道破裂會因此出現(xiàn)，這使得油氣管道的氣壓試驗需要較為謹(jǐn)慎進(jìn)行。對于本文研究的大落差山區(qū)油氣長輸管道試壓來說，由于長期以來我國主要在中低壓輸氣管道開展氣壓試驗，大落差山區(qū)油氣長輸管道氣壓試驗的經(jīng)驗較為缺乏，具體在試壓工藝和設(shè)備、管材韌性分析、氣壓試驗規(guī)范方面存在一定不足，這種情況下油氣管道氣壓試驗本身具備的高效、環(huán)境保護(hù)、不受溫度和積極影響等等優(yōu)勢無法充分發(fā)揮，大落差山區(qū)油氣長輸管道試壓安全也可能受到威脅[1]。

對于具備不可壓縮性特點的水來說，相較于管道開裂擴展速度，作為試壓介質(zhì)的水減壓速度更大，因此油氣管道水壓試驗的安全性更高，不會引發(fā)嚴(yán)重次生災(zāi)害和大段破壞，這使得水壓試驗近年來在我國油氣管道試驗中大量應(yīng)用，屬于大落差山區(qū)油氣長輸管道試壓的主要方式。在水壓試驗過程中，需要準(zhǔn)確提高管道整體試壓強度，直至110%管道屈服強度，這種試驗?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)對油氣管道缺陷的充分暴露，管道運行壓力提升及安全運行可由此順利實現(xiàn)。結(jié)合現(xiàn)行《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50251—2015）可以了解到，一、二類地區(qū)可選擇水或氣體用于油氣管道試壓，三、四類地區(qū)油氣管道試壓介質(zhì)需要選擇水。如對新管道進(jìn)行試壓且存在1.0 的焊縫系數(shù)，三、四類地區(qū)可開展空氣試壓。結(jié)合相關(guān)理論研究和實踐探索可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)選擇水作為試驗介質(zhì)用于三、四類地區(qū)油氣管道試壓，如開展空氣試壓，則需要采用一定措施保證試驗安全。總的來說，油氣長輸管道在大落差山區(qū)中的試壓需要首先選擇水作為試壓介質(zhì)，如不具備使用水作為試壓介質(zhì)的條件，則需要在管道焊接和環(huán)向應(yīng)力滿足要求的前提下進(jìn)行空氣試壓，這說明水壓試驗更適合用于油氣長輸管道在大落差山區(qū)試驗，氣壓試驗僅為特殊條件下的備選方案[2]。

2 實例分析

2.1 工程概況

為提升研究的實踐價值，本文以西氣東輸某標(biāo)段為例，管道全長77.5km，線路存在較大起伏，最大存在621m 高差，沿線地區(qū)缺乏水資源。案例標(biāo)段采用X70材質(zhì)的管段，管段中一類地區(qū)的管道規(guī)格分為兩種，包括D1016×14.6mm、D1016×17.5mm，同時存在10MPa 的設(shè)計工作壓力。管段中二類地區(qū)的管道規(guī)格分為兩種，包括D1016×17.5mm、D1016×21.0mm。結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范，一類地區(qū)、二類地區(qū)需要按照1.1 倍、1.25 倍設(shè)計壓力作為最低試驗壓力，同時工程基于設(shè)計劃分地區(qū)等級開展試壓，同時充分考慮安全因素。結(jié)合國內(nèi)外優(yōu)秀經(jīng)驗，為降低現(xiàn)場施工難度，具體以滿足規(guī)范規(guī)定的最高點壓力作為試驗壓力，段落劃分總原則為不超過0.95倍鋼管最低屈服強度的低點管道環(huán)向應(yīng)力，因此需要基于式（1）計算管道允許的最大試驗壓力。

結(jié)合計算，可求得管道最高、最低試驗壓力，具體如表1 所示。

表1 管道試驗壓力

對于厚度為14.6mm 的鋼管，一類地區(qū)管道分段所允許最大高差為216m。厚度為21.0mm 鋼管，二類地區(qū)管道分段所允許最大高差為643m。厚度為17.5mm 的鋼管，一類地區(qū)、二類地區(qū)管道分段所允許最大高差分別為477m、327m。結(jié)合計算結(jié)果及施工場地和現(xiàn)場水源實際情況，案例工程的水壓試驗基于5 個段落開展，具體情況如表2 所示。

表2 試壓段落情況

2.2 上水方案編制

在大落差山區(qū)開展長輸管道水壓試驗時，缺乏管道沿途試壓水源的情況很容易出現(xiàn)，為保證試驗順利開展，管道一般需要從距離較遠(yuǎn)處連續(xù)上水，但在起伏頻繁、落差大的大落差山區(qū)管道特點影響下，較高的大排量高揚程注水泵功率和價格、山區(qū)相對欠缺的電力供應(yīng)均會影響水壓試驗順利開展，因此必須聚焦上水方案的科學(xué)編制。在案例管段，由于當(dāng)?shù)貒?yán)重缺水，試壓用水來源水庫與管道起點距離為5km，基于工程要求，案例標(biāo)段需要通過上一標(biāo)段進(jìn)行試壓用水的整體上水，因此可以視作管道起點處為水源，圖1 為案例標(biāo)段管道分布情況。

圖1 案例標(biāo)段管道分布情況

結(jié)合圖1 進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，如第二試壓段內(nèi)高點能夠由上水水頭順利翻越，水壓試驗過程中的上水工作即可順利完成，由此開展的上水方案編制需要結(jié)合現(xiàn)場用電可行性與上水設(shè)備費用。具體需要在表2中的編號1 試壓段起點進(jìn)行一級提水裝置設(shè)置，具體設(shè)置多級離心泵4 臺，流量、揚程分別為46m3/h、500m；編號2 試壓段起點進(jìn)行二級提水裝置設(shè)置，具體設(shè)置多級離心泵4 臺，流量、揚程分別為46m3/h、400m，地勢高差可由此克服，編號2、3、4、5 試壓段間通過連通管進(jìn)行直接連接，連續(xù)上水可由此實現(xiàn)。結(jié)合具體的水壓試驗可以確定，上述方案順利完成上水任務(wù)，在密閉連續(xù)上水下，缺水問題有效解決。

2.3 壓力試驗

完成上水后，考慮到環(huán)境溫度與注入水溫度間存在一定差值，為保證試壓高精度完成，需要等待一定時間作為穩(wěn)定期，最短為24h。在升、穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，需要實時監(jiān)控整個試壓系統(tǒng)，通過分析各種情況，保證處理及時性和針對性，具體監(jiān)控可圍繞以下幾方面進(jìn)行：

（1）數(shù)據(jù)采集。案例標(biāo)段水壓試驗采集數(shù)據(jù)過程使用的設(shè)備包括壓力圖表記錄儀、渦輪流量計、彈簧管型壓力表、壓力天平、溫度記錄儀，這類設(shè)備的科學(xué)應(yīng)用極為關(guān)鍵。

（2）“壓力－比體積”圖繪制。水壓試驗過程還需要做好對“壓力－比體積”圖的繪制，這一過程需聚焦注水量增加下壓力的變化情況，具體變化如式（2）所示。

ΔV=VΔP［（D/Et）（1-ω2）+1/K］。（2）

式（2）中的ΔV、ΔP、ω 分別為升壓過程中注入管道的水、壓力增加量、泊松系數(shù)，K、t、E、D、V 分別為水的彈性模量、管道壁厚、管材陽氏彈性系數(shù)、管道外徑、試壓系統(tǒng)容積?；谏鲜?，橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)分別為ΔV、ΔP，可得到注水升壓環(huán)節(jié)試壓管道系統(tǒng)的“壓力－比體積”圖，圖2 為編號5 試壓段“壓力－比體積”[3]。

圖2 西氣東輸編號5 試壓段“壓力－比體積”

（3）分析溫度。基于現(xiàn)行規(guī)范要求，在開展油氣管道強度實驗4h 后，嚴(yán)密性實驗需要按照24h 開展，具體以試壓允許的壓力降作為嚴(yán)密性和強度試驗標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。在嚴(yán)密性實驗過程中，需要保證存在不大于0.1MPa的壓降值，同時該值需要控制在1%試驗壓力內(nèi)?？紤]到埋地管道存在較小溫度變化，上述要求能夠較好滿足，但在穿越河流、公路時，長輸管道的單獨試壓極為關(guān)鍵，在大氣中暴露的管道存在較大溫度變化，管道泄漏與溫度變化引發(fā)的試壓壓力變化存在較高分辨難度，因此需要針對性分析壓力和溫度帶來的影響，具體分析基于式（3）進(jìn)行。

式中：ΔP——壓力變化；K——水的彈性模量；t——管道壁厚；E——管材陽氏彈性系數(shù)；D——管道外徑；x——鋼材線形熱膨脹系數(shù)；ω——泊松比。以案例管段的X70 管道為例，規(guī)格為D1016×17.5mm，在25℃的試壓溫度下降至22℃時，通過式（3）進(jìn)行計算可確定存在991.2kPa 的壓力下降，該值遠(yuǎn)超出規(guī)范要求。為保證水壓試驗順利開展，必須精確測量試壓介質(zhì)具體溫度，進(jìn)而對壓力變化原因開展深入研究。

2.4 泄壓排水

完成水壓試驗后，排水作業(yè)極為關(guān)鍵，這一環(huán)節(jié)需要設(shè)置壓風(fēng)機于排水口的另一端，以此推動排水球完成排水，這一過程需考慮起伏頻繁、落差較大山區(qū)特點，保證排水方案科學(xué)性與實用性，保證排水施工順利完成，具體泄壓排水要點為：①排水背壓控制。排水背壓需要在泄壓排水環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制，基于管段高點壓力，需保證背壓控制在0.3MPa 及以上，排水閥需要在排水時緩慢開關(guān)，避免管道因水擊破壞。②不得直接排水。在完成水壓試驗后，不得將低端閥門打開進(jìn)行直接排水，這是由于大落差山區(qū)管道無法自流排空水分，壓力下降至一定值的管道會導(dǎo)致排水口進(jìn)入大量空氣，氣穴會隨之形成，排水壓力會因壓力疊加顯著提升。③順序控制。具體的泄壓排水需要結(jié)合實際現(xiàn)場情況，首先選擇排水壓力低且高差小的段落，完成排水后不得排掉壓縮空氣，而是需要將其作為儲氣段，用于其他段排水的加壓，排水球運行速度提升、設(shè)備利用率提高可順利實現(xiàn)。如案例管段選擇編號3 試壓段首先排水，該段儲壓進(jìn)一步用于編號2 試壓段排水，之后依次開展編號1 試壓段、編號4 試壓段、編號5 壓段的排水，這一過程需同時關(guān)注排水緩沖設(shè)施的安裝，最大程度降低泄壓排水對周邊環(huán)境帶來的負(fù)面影響。

3 結(jié)語

綜上所述，水壓試驗更適合用于大落差山區(qū)油氣長輸管道試壓。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的上水方案編制、壓力試驗、泄壓排水等內(nèi)容，則提供了可行性較高的大落差山區(qū)油氣長輸管道水壓試驗路徑。為更好開展水壓試驗，安全管理工作的細(xì)致開展、相關(guān)人員的嚴(yán)格培訓(xùn)、新技術(shù)與設(shè)備的積極應(yīng)用同樣需要得到重視。