油氣管道彎管試壓技術(shù)方案研究

劉然，王長(zhǎng)江，張連宇

（中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊 065000）

鋼管試壓技術(shù)是一種管道在出廠前，應(yīng)業(yè)主要求試驗(yàn)鋼管的密封特性及耐壓性是否達(dá)到所要求級(jí)別的水壓試驗(yàn)技術(shù)［1－3］。每根鋼管應(yīng)進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中整個(gè)焊縫及管體無(wú)泄漏，試驗(yàn)后鋼管局部管壁無(wú)明顯的突起［4］。國(guó)內(nèi)外水壓加壓試驗(yàn)的鋼管按制造工藝可分為無(wú)縫鋼管、焊管；按用途分為套管、油管、管線管、機(jī)械管等［5－7］。

隨著我國(guó)油氣管道建設(shè)事業(yè)的突飛猛進(jìn)和長(zhǎng)輸油氣管線勘察、設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，管道建設(shè)速度逐年加快。但隨著長(zhǎng)輸油氣管網(wǎng)的不斷完善，管線設(shè)計(jì)難度也不斷加大。為滿足高效施工的技術(shù)要求及適應(yīng)復(fù)雜的地形地貌特點(diǎn)，彎管的應(yīng)用在管線設(shè)計(jì)中的地位越來(lái)越重要。因此，彎管的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及彎管質(zhì)量直接影響著管道施工建設(shè)。彎管在管道建設(shè)中應(yīng)用量的逐年增加，在一定程度上考驗(yàn)著彎管生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)能力。彎管試壓是彎管生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，亦是決定彎管生產(chǎn)能力的主要因素。在彎管出廠前，應(yīng)業(yè)主的要求需要對(duì)全部或部分的彎管進(jìn)行水壓試驗(yàn)，以保證彎管的質(zhì)量及強(qiáng)度。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有專(zhuān)用于彎管試壓的裝備。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有彎管試壓技術(shù)分為單根彎管試壓和多根彎管試壓。

1.1 單根彎管試壓

將待試壓的彎管兩端用盲板焊接封堵，一端的盲板上設(shè)有注液孔，另一端的盲板上設(shè)有排氣孔。彎管試壓時(shí)，由注液孔注入水或者乳化液，彎管內(nèi)的空氣從排氣孔排出。待彎管內(nèi)的空氣完全排出，使用增壓泵給彎管增壓，并保壓一定時(shí)間（時(shí)間根據(jù)彎管的管徑、壁厚決定），最后卸壓、空水。在彎管試壓結(jié)束后，對(duì)符合規(guī)定的彎管需進(jìn)行兩端盲板的切除。由于熱影響區(qū)鋼管的金相組織及力學(xué)性能改變，抗壓能力相對(duì)降低，在鋼管使用過(guò)程中易出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，所以切割過(guò)程中應(yīng)將焊接時(shí)的熱影響區(qū)一并切除。而后對(duì)彎管進(jìn)行重新坡口，以滿足出廠要求。整個(gè)試壓過(guò)程工序繁雜、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)工費(fèi)時(shí)、安全隱患大，嚴(yán)重影響了管廠的生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 多根彎管試壓

試壓前，先將多根彎管焊接起來(lái)，并在多根彎管連焊后的兩端焊接封堵盲板。一端盲板上開(kāi)有注水孔，另一端盲板上開(kāi)有排氣孔。其試壓過(guò)程與單根彎管試壓相同。在試壓結(jié)束后，需將兩端盲板及接頭焊縫切除，且接頭處的焊接熱影響區(qū)也需一并切除，而后再重新完成兩端坡口的加工。多根彎管同時(shí)試壓，生產(chǎn)效率似乎提高了很多，但試壓工序依然繁雜，并未給廠家?guī)?lái)應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)效益。

2 技術(shù)方案

B／T 9711.1—1997標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鋼管除進(jìn)行較高壓力的試驗(yàn)外，未列入鋼級(jí)、外徑和壁厚的鋼管最低試驗(yàn)壓力應(yīng)按下式計(jì)算［8－10］，即

式中：p為靜水壓試驗(yàn)壓力，MPa；t為鋼管壁厚，mm；D為鋼管外徑，mm；S為管線鋼的屈服強(qiáng)度，MPa。

2.1 彎管連管試壓技術(shù)

彎管連管試壓技術(shù)是將試壓的2根或多根彎管用可拆卸連接裝置連接起來(lái)，并在連接后的彎管組兩端分別用可拆卸連接裝置連上注水端封頭和排氣端封頭（或者直接將彎管與封頭焊接），如圖1所示。然后由注水口向彎管組內(nèi)注入水或其他可用于試壓的液體，管內(nèi)的空氣從排氣口排出，直至管內(nèi)注滿水。待一切準(zhǔn)備結(jié)束后，用壓力泵向彎管內(nèi)的液體加壓，待壓力達(dá)到試壓設(shè)定值后保壓一定時(shí)間，然后卸壓，彎管空水。打開(kāi)可拆卸連接裝置，取下彎管和封頭，試壓結(jié)束。

2.2 單根彎管試壓裝置

單根彎管試壓裝置由注水端試壓頭、夾持機(jī)構(gòu)、平衡機(jī)構(gòu)、排氣端試壓頭、弧形軌道、直線軌道等組成，如圖2所示。

圖1 彎管連管試壓示意

圖2 單根彎管試壓裝置

注水端試壓頭用于封堵彎管的一端，其上設(shè)有注水口及不同直徑的密封圈。注水口用于彎管試壓時(shí)向彎管內(nèi)注水；密封圈的材質(zhì)為橡膠，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)不同管徑彎管的管端密封。

夾持機(jī)構(gòu)為兩瓣式液壓開(kāi)合結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺栓及液壓缸與試壓平臺(tái)連接，如圖3所示?？捎糜趯?duì)試壓彎管進(jìn)行穩(wěn)固，確保彎管在試壓過(guò)程中不移動(dòng)。夾持機(jī)構(gòu)與彎管的接觸面為弧面，且其上設(shè)有彈性層，以實(shí)現(xiàn)與彎管表面的緊密貼合，同時(shí)保護(hù)試壓彎管外表面不受損壞。

圖3 夾持機(jī)構(gòu)

平衡機(jī)構(gòu)通過(guò)螺釘固定于工作平臺(tái)上（如圖4所示），用于消除試壓頭在試壓過(guò)程中作用于彎管上的力，保證彎管試壓過(guò)程中力的平衡及試壓的平穩(wěn)性。平衡機(jī)構(gòu)與彎管的接觸面為弧面，弧面上設(shè)有彈性層，以實(shí)現(xiàn)與彎管表面的緊密貼合及對(duì)作用力的緩沖，保護(hù)彎管不受損壞；平衡機(jī)構(gòu)上設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸，用于實(shí)現(xiàn)平衡機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)彎管的不同狀態(tài)，保證與彎管的最佳接觸。

圖4 平衡機(jī)構(gòu)

排氣端試壓頭用于封堵彎管的另一端，其上設(shè)有排氣口及不同直徑的密封圈。排氣口用于注水時(shí)彎管內(nèi)空氣的順利排出；密封圈的材質(zhì)為橡膠，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)不同管徑彎管的管端密封。

弧形軌道用于實(shí)現(xiàn)排氣端試壓頭的弧線移動(dòng)，以滿足不同角度彎管的試壓要求；其上刻有角度指示線，以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)排氣端試壓頭的移動(dòng)。直線軌道用于實(shí)現(xiàn)注水端試壓頭的水平移動(dòng)，以滿足不同角度、不同長(zhǎng)度彎管的試壓要求；其上刻有尺度線，以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)注水端試壓頭的水平位移。

2.3 雙根彎管試壓裝置

雙根彎管試壓裝置由注水端試壓頭、夾持機(jī)構(gòu)、平衡機(jī)構(gòu)、可拆卸連接裝置、排氣端試壓頭、直線軌道等組成，可實(shí)現(xiàn)2根彎管的同時(shí)試壓，如圖5所示。

圖5 雙根彎管試壓裝置

與單根彎管試壓裝置不同的是，雙根彎管試壓裝置上設(shè)有用于連接2根彎管的可拆卸連接裝置?？刹鹦哆B接裝置為兩瓣式開(kāi)合結(jié)構(gòu)，其內(nèi)鑲嵌密封圈，通過(guò)螺栓與試壓平臺(tái)相連，由液壓缸實(shí)現(xiàn)自由開(kāi)合，如圖6所示。當(dāng)其閉合時(shí)，其內(nèi)的密封圈可實(shí)現(xiàn)對(duì)2根彎管接口處的密封，有效防止管內(nèi)試壓水外溢。

2.4 多根彎管試壓系統(tǒng)

多根彎管試壓系統(tǒng)由注水端試壓頭、夾持機(jī)構(gòu)、平衡機(jī)構(gòu)、可拆卸連接裝置、排氣端試壓頭、橫向直線導(dǎo)軌、縱向直線導(dǎo)軌、弧形導(dǎo)軌等組成，可實(shí)現(xiàn)多根彎管的同時(shí)試壓，如圖7所示。

與單根、雙根彎管試壓裝置不同的是，多根彎管試壓系統(tǒng)上不僅設(shè)有前2種試壓裝置所需的基本構(gòu)件，而且設(shè)有由橫向直線導(dǎo)軌、縱向直線導(dǎo)軌、弧形導(dǎo)軌組成的綜合性導(dǎo)軌系統(tǒng)。該綜合性導(dǎo)軌系統(tǒng)以橫向直線導(dǎo)軌為基礎(chǔ)，縱向直線導(dǎo)軌和弧形導(dǎo)軌可在橫向直線導(dǎo)軌上滑動(dòng)、定位，用于實(shí)現(xiàn)多根彎管試壓時(shí)排氣端試壓頭的移動(dòng)與夾緊，以滿足不同角度的多根（奇數(shù)根或者偶數(shù)根）彎管試壓時(shí)彎管的對(duì)接、定位、夾緊，確保試壓過(guò)程平順。

圖6 可拆卸連接裝置

圖7 多根彎管試壓系統(tǒng)

2.5 技術(shù)方案對(duì)比分析

彎管連管試壓技術(shù)可在空間不受限制的情況下，進(jìn)行多根彎管的同時(shí)試壓，可拆卸連接裝置的應(yīng)用可使彎管試壓時(shí)裝卸方便，效率較高，但存在比較大的安全隱患。

單根彎管試壓裝置占地面積小，可快速完成單根彎管的試壓過(guò)程，相對(duì)于傳統(tǒng)試壓技術(shù)而言，試壓速度快，效率較高，安全性高。

雙根彎管試壓裝置可同時(shí)進(jìn)行2根彎管的試壓，且可拆卸連接裝置的應(yīng)用可使彎管裝卡便捷，且試壓速度快，效率高，安全性高。

多根彎管試壓系統(tǒng)相對(duì)于單根彎管試壓裝置、雙根彎管試壓裝置而言，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，尤其是導(dǎo)軌系統(tǒng)，且占地面積較大。但多根彎管試壓系統(tǒng)可同時(shí)進(jìn)行多根彎管的試壓，效率高。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合鋼管靜水壓力試驗(yàn)要求及彎管自身特點(diǎn)，本著提高彎管試壓效率、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約生產(chǎn)成本的原則，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和文獻(xiàn)資料分析，擬定幾種彎管試壓技術(shù)方案，并對(duì)比分析各自的優(yōu)劣勢(shì)，為彎管試壓技術(shù)的研究及試壓裝備的研制提供可參考性依據(jù)，為彎管試壓技術(shù)的發(fā)展提供方向。為滿足彎管試壓高效率的需求、有效降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、大幅提高生產(chǎn)效益，今后的彎管試壓技術(shù)及設(shè)備應(yīng)朝著機(jī)械化、專(zhuān)業(yè)化、智能化的方向發(fā)展。

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