西氣東輸三線0．8設(shè)計系數(shù)試驗段水壓試壓方法及其應(yīng)用

吳 宏 羅金恒 張對紅

1．中國石油管道建設(shè)項目經(jīng)理部 2．中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院

我國自1994年首次頒布實施GB 50251《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》以來，一直沿用了一級地區(qū)0．72，二級地區(qū)0．6，三級地區(qū)0．5，四級地區(qū)0．4的強度設(shè)計系數(shù)。然而，加拿大在20世紀(jì)70年代就管道設(shè)計規(guī)范中引入0．8設(shè)計系數(shù)，并在許多輸氣管道上采用。美國在上世紀(jì)50年代就開始在部分輸氣管道上采用0．72以上的設(shè)計系數(shù)，并研究提高設(shè)計系數(shù)對管道安全的影響，并于20世紀(jì)90年代把0．8設(shè)計系數(shù)納入輸氣管道設(shè)計規(guī)范 ASME B31．8［1］。目前，美國有上萬千米輸氣管道在0．72以上的設(shè)計系數(shù)下運行。另外，英國等一些國家也在部分輸氣管道采用0．72以上的設(shè)計系數(shù)。

相對0．72設(shè)計系數(shù)而言，采用0．8設(shè)計系數(shù)意味著在管道規(guī)格不變的情況下，可提升運行壓力，從而增大管道輸量；另一方面，如果保持管道的設(shè)計壓力不變，采用0．8設(shè)計系數(shù)可以在更大程度上利用管材本身的強度性能，從而降低對管道壁厚的要求，這將顯著降低管線管的生產(chǎn)成本。以西氣東輸二線為例，該輸氣管線在一級地區(qū)采用的設(shè)計系數(shù)為0．72，鋼管的規(guī)格為1 219mm×18．4mm，如果將設(shè)計系數(shù)提高至0．8，在設(shè)計壓力與輸送量不變的情況下，管道的壁厚可以降為16．6mm，鋼材的需求量將減少9．7%。西氣東輸二線一級地區(qū)使用的管材大約為195×104t，若設(shè)計系數(shù)由0．72提高到0．8，可以節(jié)約建設(shè)成本10億元左右。

基于此，在西氣東輸三線建設(shè)中，有300km試驗段采用了0．8設(shè)計系數(shù)。根據(jù)國外標(biāo)準(zhǔn)［1－2］，0．8設(shè)計系數(shù)管道應(yīng)采用高強度水壓試驗，但國內(nèi)管道試壓強度標(biāo)準(zhǔn)卻大大低于國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如對于一級地區(qū)X80輸氣管道，本文參考文獻(xiàn)［1］規(guī)定最低強度試壓系數(shù)為100%（0．8設(shè)計系數(shù)）和90%（0．72設(shè)計系數(shù)）；本文參考文獻(xiàn)［2］規(guī)定最小強度試壓系數(shù)為100%（0．8設(shè)計系數(shù)），最大為107%或壓力—容積曲線非線性偏轉(zhuǎn)0．2%；而我國 GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》［3］（現(xiàn)行）規(guī)定最低強度試壓系數(shù)僅為79%（0．72設(shè)計系數(shù)）。因此國內(nèi)0．8設(shè)計系數(shù)管道非常有必要進(jìn)行高強度試壓，以便有利于更高的缺陷檢出率和殘余應(yīng)變／應(yīng)力釋放程度。但由于國內(nèi)外冶金技術(shù)、制管工藝、管理方式和建設(shè)水平等存在差異，管線質(zhì)量不可避免地存在差異，故需要慎用國外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試壓壓力，以避免過度損傷管道。

0．8設(shè)計系數(shù)管道高強度試壓需要解決的兩個關(guān)鍵問題：①確定合理的試壓壓力，使得管道在可接受風(fēng)險范圍內(nèi)盡可能大地提升試壓壓力；②采取可靠的試壓監(jiān)測方法，使得試壓過程中一旦出現(xiàn)異常情況，可立即停止。

針對①的問題，本文參考文獻(xiàn)［4］從斷裂控制角度給出了試壓強度應(yīng)越高越好，但同時指出由于管材性能的分散性，試壓強度應(yīng)不超過100%SMYS。本文參考文獻(xiàn)［5］從兩家管廠X70屈服強度及多家管廠的實物爆破數(shù)據(jù)統(tǒng)計出發(fā)，認(rèn)為100%～110%SMYS強度試壓是安全的。但其統(tǒng)計數(shù)據(jù)時沒有考慮樣本分布的下限值及對應(yīng)概率。針對某條具體管線，鋼管屈服強度分散性取決于該管線的自身特性（如鋼級、生產(chǎn)廠家等），筆者認(rèn)為不能根據(jù)一般意義上的統(tǒng)計數(shù)據(jù)無區(qū)別地應(yīng)用到每條管線上。其他研究［6－7］中，均提到了高強度試壓及采用極限屈服強度試壓的優(yōu)點，卻沒有進(jìn)一步闡述如何根據(jù)國內(nèi)管道實際情況，確定試壓壓力。

針對②的問題，當(dāng)前國內(nèi)通過實時監(jiān)測壓力來控制試壓進(jìn)程。對于高強度試壓，相關(guān)本文參考文獻(xiàn)［6－10］包括ASME B31．8—2010附錄均推薦使用壓力—容積曲線控制試壓。壓力—容積曲線是指試壓時管道壓力與進(jìn)水量之間的關(guān)系曲線（以下簡稱p—V曲線）。p—V曲線控制試壓在理論上首先要解決該曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)，數(shù)學(xué)表達(dá)式的任務(wù)是提前預(yù)測管道壓力與進(jìn)水量的關(guān)系，為實際試壓進(jìn)程提供參考。本文參考文獻(xiàn)［11－12］曾對該表達(dá)式進(jìn)行了深入研究，并且以與本文參考文獻(xiàn)［10］數(shù)據(jù)對比的方式加以驗證。但由于試驗數(shù)據(jù)均為低壓數(shù)據(jù)，故該表達(dá)式是否在工程實際中適用高強度試壓，仍需要實踐驗證。p—V曲線控制試壓在技術(shù)上需要解決的問題是如何采集進(jìn)水量V信號，實驗室以水桶加液位計的模式并不適用于工程現(xiàn)場。ASME B 31．8—2010推薦了以打壓泵沖程數(shù)作為計量管道進(jìn)水量的一個手段，但國內(nèi)尚無先例。

針對上述問題以及相關(guān)研究的不足，筆者提出了根據(jù)鋼管屈服強度的實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)來確定試壓壓力的方法；對于p—V曲線理論表達(dá)式，提出了高壓下考慮水壓縮性的理論表達(dá)式，并根據(jù)ASME技術(shù)方案，以泵車軸轉(zhuǎn)數(shù)記錄體積信號。通過某0．8設(shè)計系數(shù)輸氣管道工程的具體實踐，驗證了試壓壓力的合理性、p—V曲線理論表達(dá)式的正確性和V信號采集的可行性。

1 0．8設(shè)計系數(shù)管道試壓壓力計算方法

1．1 基于管材屈服強度分布的試壓壓力

根據(jù)巴洛公式：

式中p為管道試壓壓力或運行壓力，MPa；D為管道外徑，m；t為管道壁厚，m；σ為內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力，應(yīng)不超過管道的屈服強度，MPa。

由此可知，試壓及運行時管道承壓能力主要由管徑、壁厚和屈服強度決定。現(xiàn)有制管水平對管徑和壁厚控制較好，但屈服強度的分散性仍較大，因此在管徑、壁厚認(rèn)為確定的情況下，某根鋼管能否承受某個壓力由其實際屈服強度決定。對于幾十千米的試壓段，每根管子的屈服強度均不相同，且管段存在高差，因此試壓（產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力接近管材最小要求屈服強度）可能會造成管道較大范圍的屈服損傷，如管材屈服強度均值較小，而標(biāo)準(zhǔn)差較大的情況。理論上，按標(biāo)準(zhǔn)要求，0．8設(shè)計系數(shù)鋼管在出廠前均經(jīng)過了100%SMYS的水壓試驗，鋼管不應(yīng)有強度問題，但由于工廠管理方式、鋼管運輸及安裝損傷，總有強度不合格的鋼管安裝在實際管線上。嚴(yán)格講，高強度試壓除了排除缺陷，還可以排除強度不合格的鋼管（假設(shè)試壓系數(shù)達(dá)到100%SMYS），但指望通過高強度試壓把所有強度不合格的鋼管排除，是沒有必要（實際運行壓力并不很大）也不切實際的，否則會增加大量的試壓成本和拖延管道竣工時間。

因此，為了避免大范圍損傷管道，筆者認(rèn)為可根據(jù)鋼管實際屈服強度樣本數(shù)據(jù)，在一個可接受的概率條件下，確定最高試壓壓力。管道的屈服強度樣本數(shù)據(jù)可從制管時的監(jiān)造資料中獲取。依據(jù)DNV OS F101，針對一級地區(qū)，管道臨時階段可接受的非人為破壞的目標(biāo)失效概率為10－2，認(rèn)為可接受的概率值為99%。

基于上述思路，管道的試壓壓力可由以下步驟確定：

設(shè)管道符合正態(tài)分布的某個屈服強度樣本為X屈，其均值為μ屈，標(biāo)準(zhǔn)方差為σ屈，即X屈—N（μ屈，σ屈）。則根據(jù)99%可靠度，需要求得樣本X屈中存在一個臨界值σlow（稱為屈服強度低值），使得99%的個體都大于σlow。由正態(tài)分布表可知，0．99概率對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量值為2．33，于是可確定σlow的計算公式為：

為保證試壓的允許破壞概率，試壓時需滿足

于是可知試壓時的允許最大壓力值p1為：

1．2 考慮埋地管道二向應(yīng)力狀態(tài)的試壓壓力

在式（4）計算試壓壓力時，沒有考慮管道實際屈服強度和管材小試樣屈服強度的區(qū)別，或者認(rèn)為鋼管屈服行為符合第三強度理論（Tresca）。實際管道試壓時處于二向應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)用第四強度理論（von Mises）可知鋼管的屈服條件為：

式中σh為試壓產(chǎn)生的管道環(huán)向應(yīng)力，σL為試壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，σs為管材屈服強度。

現(xiàn)場強度水壓試驗時，由于管道埋地管道受約束，有σL＝νσh。因為管材泊松比ν為0．3，故式（5）可化簡為：

從而有

同樣，根據(jù)99%的可靠度，當(dāng)試壓的等效應(yīng)力達(dá)到σlow時，實際鋼管可承受的環(huán)向應(yīng)力為1．125σlow，小數(shù)圓整后為1．1σlow，由此對應(yīng)的強度試壓壓力p2計算公式為：

由式（7）還可知，實際管道屈服時的環(huán)向應(yīng)力是管材小試樣屈服強度的1．125倍，故式（4）計算的允許試壓壓力仍偏保守。式（8）表明，只要管線試壓壓力不超過1．1p水壓，在管道符合第四強度理論的情況下，仍能保證試壓時實際鋼管產(chǎn)生屈服的概率不大于10－2。

1．3 實際試壓壓力確定

實際試壓時，需要確定管線高點和低點的試壓壓力極值。若以p2為高點試壓壓力，則低點不能滿足99%概率可靠度的要求。因此采取的方案為以p1為高點試壓壓力，根據(jù)試壓段高差計算低點壓力p低點，其計算公式為：

式中h為試壓段高差，m；ρ水為水的密度，kg／m3；g為重力加速度，取為10m／s2。

若p低點≤p2，則以高點試壓壓力達(dá)到p1組織試壓；否則，以低點試壓壓力達(dá)到p2組織試壓。試壓壓力確定流程圖如圖1所示。

2 試壓進(jìn)程控制措施

2．1 試壓監(jiān)測方法選擇

圖1 0．8設(shè)計系數(shù)管道試壓壓力確定流程圖

常規(guī)的環(huán)向應(yīng)力控制法可實時監(jiān)測壓力情況，可從壓降反映管道是否存在泄漏，然而無法監(jiān)測到管道發(fā)生屈服變形但未爆破泄漏的情況。0．8設(shè)計系數(shù)管道高強度試壓使得管道出現(xiàn)屈服的概率增大。因此必須監(jiān)測管道屈服情況，于是需同時監(jiān)測壓力和反映管道屈服變形的進(jìn)水容積。故而需要繪制壓力（p）—進(jìn)水量（V）曲線監(jiān)測試壓。根據(jù)加拿大標(biāo)準(zhǔn)［2］，當(dāng)管道非線性進(jìn)水量達(dá)到管容0．2%時，需要停止試壓，此時代表管道進(jìn)入大面積屈服。

2．2 p—V曲線彈性段理論表達(dá)式

2．2．1 不考慮水壓縮性表達(dá)式

不考慮水壓縮性時，試壓時管道的進(jìn)水量包含兩個部分：壓力增加導(dǎo)致的管道體積膨脹（彈性變形）以及壓縮管道未排凈的空氣所需的體積增量。參考本文參考文獻(xiàn)［8］，這兩部分體積增量表達(dá)式如下：

式中ΔV1為管道由于壓力上升導(dǎo)致的體積膨脹量，m3；ΔV2為管道內(nèi)未排凈空氣由于壓力上升導(dǎo)致的體積減小量（需要進(jìn)水補充），m3；L為試壓段長度，m；R為管道外半徑，m；ν為管材泊松比；E為管材彈性模量，MPa；t為管道壁厚，m；p為試壓達(dá)到的壓力，MPa；D為管道外直徑，m；n為試驗段注滿水后的空氣殘留比例，V0為試壓段的管道容積，m3；p0為試驗段的初始壓力，MPa，一般為一個大氣壓。

實踐中，對于式（10），由于徑向為管道壁厚方向，對于大口徑薄壁管，壁厚變化引起的管道體積變化較小，以規(guī)格為1 219×22mm規(guī)格的管道為例，經(jīng)測算，僅為ΔV1的5%，若考慮空氣、水的壓縮性，該比例還將大大降低。因此，本文將該壁厚變化引起的體積變化忽略，得到ΔV1表達(dá)式為：

該式的表達(dá)式更為簡潔，在不影響精度前提下，更適合工程應(yīng)用。

2．2．2 考慮水可壓縮性的表達(dá)式

水的不可壓縮性論斷是建立在壓縮掉的體積與原體積百分比為一個小量的基礎(chǔ)上，以及相對于氣體可壓縮程度而言的。若將水壓縮掉的體積與壓力導(dǎo)致的管道膨脹體積相比，則完全不是一個小量，從而不能忽略。因此，在試壓的壓力—容積圖曲線關(guān)系建立過程中，需要考慮水的壓縮性。

常溫下，水的體積彈性模量K為2．2×103MPa，根據(jù)體積彈性模量定義可知：

由此可知，在試壓過程中，由于壓力上升導(dǎo)致水壓縮產(chǎn)生的進(jìn)水量ΔV3計算公式如下：

于是，鋼管尚未達(dá)到屈服前，試壓時壓力與進(jìn)水量的關(guān)系式為：

2．3 管道進(jìn)水體積計量方案

ASME B31．8—2010推薦，采用計量打壓泵車的沖程數(shù)來計算管道的進(jìn)水量V。根據(jù)此推薦，本文采用計量泵電機的轉(zhuǎn)數(shù)來計算管道的進(jìn)水量。在正式試壓計量前，利用標(biāo)有刻度的水箱標(biāo)定電機每轉(zhuǎn)一圈代表的打壓泵出水量。轉(zhuǎn)數(shù)的計量原理與出租車?yán)锍逃嬃款愃疲河来朋w安裝在主軸或皮帶輪上，皮帶輪對應(yīng)的固定位置安裝霍爾元件。主軸每旋轉(zhuǎn)一周，霍爾元件可計量一個電磁脈沖，從而記錄轉(zhuǎn)數(shù)。

3 0．8設(shè)計系數(shù)管道試壓的工程實踐

某管道外徑為1 219mm，鋼級為X80，設(shè)計壓力12MPa。該管線中的1個試壓段（標(biāo)為S1）長度為32．7km；高程差為42．1m；壁厚為16．5mm，現(xiàn)需要對該試壓段進(jìn)行試壓。

圖2 試壓段鋼管屈服強度樣本數(shù)據(jù)圖

該試壓段屬于一級地區(qū)，其屈服強度的駐廠監(jiān)督數(shù)據(jù)分布如圖2所示，樣本均值μ屈為608MPa，標(biāo)準(zhǔn)方差σ屈為21．4MPa。在99%概率可靠度下，根據(jù)公式（4），可得p1為15．1MPa，相當(dāng)于100．5%SMYS；根據(jù)式（8），可得p2為16．6MPa；根據(jù)公式（9）可得，當(dāng)高點壓力達(dá)到p1后，試壓段低點壓力p低點為：15．5MPa，小于p2，于是試壓段根據(jù)試壓段高點達(dá)到15．1MPa進(jìn)行試壓。若根據(jù)GB 50251—2003，則高點試壓壓力只需達(dá)到13．2MPa，故筆者確定的試壓壓力與 GB 50251—2003相比，提高了14．4%。

現(xiàn)場試壓情況如圖3所示，試壓所得p—V曲線見圖4（圖中帶“▲”曲線）。由圖4可知，試壓段的p—V曲線均未出現(xiàn)向下偏轉(zhuǎn)，說明在15．1MPa的試壓強度下，該試壓段未發(fā)生大面積屈服鋼管并未出現(xiàn)大范圍屈服情況，說明本文提出的確定試壓壓力的方法具有合理性。

圖3 現(xiàn)場試壓照片

由圖4還可知，試壓段空氣殘余量較多，p—V曲線在初始階段升壓緩慢。為了驗證本文提出的理論p—V曲線［式（16）］，將式（16）計算所得曲線與現(xiàn)場實際曲線對比。在式（16）計算時，需要知道空氣殘余百分比n值。由于管道注水量無法準(zhǔn)確預(yù)知以及注水時空氣的混入，故而可根據(jù)實際p—V曲線設(shè)置一個合理的n值。若式（16）存在錯誤，則僅調(diào)整n值無法使得與實際p—V曲線一致，因此合理的n值下，若理論與實際相符，則說明式（16）準(zhǔn)確，若任何n值下，均無法使得理論與實際相符，則式（16）不準(zhǔn)確。

圖4 p—V曲線實測曲線和預(yù)測曲線對比圖

依據(jù)此驗證思路，將n值設(shè)為0．02（一般認(rèn)為，試壓時空氣含量在2%以內(nèi)可以接受），得到理論與p—V曲線圖（圖4中帶“■”曲線）。在達(dá)到試壓壓力15．1 MPa時，試壓預(yù)測與實測值的誤差為4．83%，說明理論預(yù)測曲線與實測曲線符合較好。

同時，分析預(yù)測曲線中V的組成，其中ΔV1、ΔV2、ΔV3各自所占的比例見表1，由水壓縮性計算而得的ΔV3，其值超過ΔV1，是試壓進(jìn)水量的一個重要因素，不可在計算中忽略。

表1 強度試壓結(jié)束時進(jìn)水總量中各分量所占比例表

4 結(jié)論

1）確定了0．8設(shè)計系數(shù)輸氣管道強度試壓壓力方法，以某管線為例，確定的試壓壓力為試壓段高點產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力不低于100．5%SMYS。

2）確定監(jiān)測壓力—進(jìn)水量曲線為0．8設(shè)計系數(shù)輸氣管道試壓監(jiān)控方法，并提出了考慮水壓縮性的p—V曲線的理論表達(dá)式。

3）在某管道工程實踐中，本方法確定的試壓壓力比GB 50251—2003提升了14．4%，利用本文方法采集所得壓力—容積圖曲線與本文提出的p—V曲線的理論表達(dá)式吻合良好，是國內(nèi)0．8設(shè)計系數(shù)輸氣管道高強度試壓的一次有益嘗試。

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