長輸管道在山區(qū)等復(fù)雜地形壓力試驗等應(yīng)用技術(shù)分析

唐云

摘要：長輸管道清管、試壓是管道建設(shè)中的一個關(guān)鍵工序，主要目的是排除管道的雜物，檢測管線的幾何形狀和管線缺陷，以便排除管線的隱患，保證管道的安全運行。本文主要就我公司在浙江山區(qū)天然氣管道安裝施工清管、試壓這方面技術(shù)應(yīng)用進行介紹、探討和經(jīng)驗總結(jié)。

關(guān)鍵詞：山區(qū) 管道 清管 試壓

1 工程概況

我公司在2004年12月到2006年2月承接的杭甬線輸氣管道線路工程北侖段和鄞州段，北侖段：北侖分輸閥室-石門水庫段線路施工，管線水平長度約10.4179公里：鄞州段：東環(huán)線-鄞州分輸閥室線路施工，管線水平長度3.320Km，設(shè)計管道直徑為813mm，設(shè)計壓力為6.3MPa，材質(zhì)為L450。

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本標段管道位于有靈峰山脈的山區(qū)，其山體均屬天臺山余脈，其中太白山主峰海拔653m米區(qū)域內(nèi)，我管線穿越的海拔高度為220m，高低落差為209m，總體上呈兩頭高中低的變化特征。給管線施工、運輸帶來相應(yīng)的難度，管道局專業(yè)試壓隊伍也知難而退。

2 整體試驗方案

2.1 試驗順序。清管掃線、測徑==>水壓試驗==>清管排水。

2.2 基于該段管道沿線水源及排水點的排布情況，擬將試驗段管道分為兩段，一段EG86～EC18+1，管長6.8Km，另一段EC18+1～EC47，管長6.9Km。

2.3 試壓長度的確定。根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范中有關(guān)試驗的條款規(guī)定，分段水壓的管道長度一般不超過53km，落差須控制在30m以內(nèi)，超出既定落差范圍的須根據(jù)本管段的縱截面求得管道低點的靜水壓力，核算管道低點試壓是所承受的環(huán)向應(yīng)力，壓力值不得超出管材最低屈服強度的0.9倍。

浙江山區(qū)試驗分段時須再考慮高程差對試驗壓力的影響、現(xiàn)有設(shè)備能力，以及借地成本、取水成本、設(shè)備進場轉(zhuǎn)場成本。

3 施工準備

按施工方案，進行臨時用地的借用，筑壩圍擋山中溪水，并取樣檢驗溪水成分；整平臨時通道和試壓場地，根據(jù)設(shè)計要求調(diào)配現(xiàn)場設(shè)備；參照設(shè)計圖紙開挖操作坑并放坡；合理規(guī)劃排水渠線路，確保排水通暢。

試壓設(shè)備檢查與校驗：參考設(shè)計要求檢驗試壓頭的質(zhì)量、性能和工作壓力。重復(fù)使用的試壓頭在投入使用前，先通過試驗檢驗其工作壓力，其工作壓力不得低于最大試驗壓力的1.5倍；編號管理所有試壓頭，并在每個試壓頭上明確標注水壓試驗日期、試驗壓力及工作壓力；水壓試驗開始前，參照設(shè)計要求認真檢驗試壓頭的安全性能和質(zhì)量，所有管件、閥門等元件完好無損；按要求焊接試壓頭和試壓管道后，對環(huán)形焊縫進行100%射線檢測。

4 清管掃線、測徑

管道、測徑試壓準備階段必做的一項工作是清管。清管時，借助壓縮空氣助推清管器來清理管道，測徑是對管道通過幾何特性及性能進行檢驗，繼而基于通過性能檢驗管道有無變形問題。

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4.1 清管器的選用。將電子跟蹤器裝配在清管、注水、排水所用的皮碗上。皮碗清管器的過盈量通常為5%（以后則參考現(xiàn)場情況，將山區(qū)段取上限值），適用于管線彎頭的曲率半徑。另外，清管器還須具備以下性能：①清管器——剛性軸，裝配8片雙向聚酯盤。②鋼絲刷清管器——裝配4片聚酯杯形皮碗及鋼絲盤刷。③注水清管器——剛性軸，裝配8片雙向聚酯盤，隔離球也一樣。④測徑清管器——基本類似于注水清管器的組成結(jié)構(gòu)，但須在第四與第五個聚酯盤中間配裝一厚8mm、直徑703mm（即為試壓段中最大壁厚鋼管或內(nèi)徑的90%）的鋁測徑板。測徑清管器前部盤的聚酯材料的硬度應(yīng)為中軟硬度。⑤排水清管器——與注水清管器類似。⑥吸水清管器——子彈頭型，未加外涂層，質(zhì)輕的開放孔聚氨脂泡沫材料，比重約16～20kg/m3，最小長度為直徑的1.5倍。

4.2 空壓機的選擇。為了確保清管器清管速度不低于2～5m/s，宜采用兩臺空壓機同時工作，但實際運行中為了節(jié)約運行成本，僅用一臺空壓機，其壓力只能達到0～2.2MPa，排氣量為23m3/min。

4.3 設(shè)備和儀器。①中揚程注水泵——多級泵，在2.5MPa揚程時泵的排量達到100m3/h。②水過濾器——當壓力為1.0Mpa 時，過濾能力可以達到0.35m3/s。1m2范圍內(nèi)包括40個過濾器網(wǎng)眼，對于附著物的清污能力良好。③壓力、溫度圖表記錄儀——量程20.0MPa，24 小時全天記錄。④壓力泵——撬裝，能夠?qū)艿兰訅褐脸鲎罡咴囼瀴毫?0MPa。另外，須將止回閥裝設(shè)在壓力泵出水管道上，并按要求安裝壓力表。⑤清管器收發(fā)筒——可用工程用管現(xiàn)場制作收發(fā)清管器常用收發(fā)筒，但其只能用于低壓空氣。將法蘭盲板焊接在試壓管端，以便裝入/取出清管器時能夠快速打開。

4.4 清管流程

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4.5 情況分析。由于管道維護工作做得比較到位，管內(nèi)雜物較少，清管工序開展的比較順利。清管時，清管器的過盈量與使用年限關(guān)系到一次清管的時間長短，通常情況下一次清管須3～5h完成。通過圖3和圖4可看出，受地形影響1#段一次清管曲線大幅波動。曲線上揚時管線處于上坡路段，曲線下滑時則管線處于下坡路段，但壓力數(shù)字值和高程值基本成比例。

5 輸氣管道試壓

管道試壓是綜合檢驗管材質(zhì)量、管道的整體性及施工質(zhì)量。它基本涵蓋了兩方面內(nèi)容：一是檢驗管道系統(tǒng)的強度是否達標，二是檢驗管道系統(tǒng)是否嚴密。

①合理選用試壓介質(zhì)。試壓介質(zhì)宜采用山區(qū)較潔凈的水。②科學設(shè)定試驗壓力。在國內(nèi)的輸氣管道工程中，通常參考管道介質(zhì)和地區(qū)類別將強度試驗壓力設(shè)定為設(shè)計壓力的1.1～1.5倍，但存在較大落差的地域（如山區(qū)）須兼顧高度的靜壓差，以確保管線頂部的試驗壓力同樣能滿足設(shè)計要求。本段管道試壓等級的設(shè)定除了考慮相關(guān)規(guī)范，還兼顧了業(yè)主要求，采用取用作設(shè)計試驗壓力的1.25倍加上該段的高度靜壓差且不大于強度試驗壓力為90%的材料最低屈服極限，經(jīng)計算，該段取值達到9.08MPa，完全能滿足上述要求；若計算后取值與設(shè)計要求存在一定差距，則須考慮再分段試壓，這一工作也是山區(qū)段總體分段試驗依據(jù)之一。

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③水壓試驗流程圖

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④分析（如圖6）

⑤注水程序

a在隔離球前注100方水，實際注水壓力小于0.1MPa。

b在隔離球和清管球之間注100方水，實際注水壓力小于0.1MP。

c從清管球后部注水。實際注水壓力會大幅波動較，但通常都小于19.6MP。

原方案中注水泵通過閥門與試壓頭相連，閥門的安裝位置需適合清管器的長度。先在第一個隔離球前面的管道內(nèi)注入300m或100m3的沖洗水，主要起潤滑和密封作用。注入隔離球的后面。隔離球?qū)⒈蛔⑷氲乃瞥霭l(fā)射筒。在隔離球的后面注入300m或100m3的沖洗水，并緊跟注水清管器注入試壓水，再按上述路徑發(fā)射第二個注水清管器，防止其形成氣穴。按照GB 50369-2006油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范中的相關(guān)要求，須將隔離球加入試壓充水中，以防管內(nèi)存留空氣，試壓后再從試壓水中取走隔離球，宜避免在管線高點開孔排氣。

管道試壓上水的水頭已裝配隔離球，可徹底清除管內(nèi)空氣。通常情況下，管線會頻繁出現(xiàn)大的起伏，若不裝配隔離球排氣，就會使空氣存留在管內(nèi)造成氣阻，最終導(dǎo)致管道系統(tǒng)不易升壓，把空氣占去的空間填滿水，另外因為大量空氣滯留在管線內(nèi)，一旦管道出現(xiàn)滲漏點，管道壓力會急劇下降（因空氣的壓縮性很大），造成試壓合格的假象。管內(nèi)存在少量空氣或處于真空狀態(tài)時會快速升壓，直至其達到試驗壓力（因水的壓縮量很?。?，如果管道出現(xiàn)微量滲漏，壓力降會顯示管道有漏點，提醒工作人員盡快找到漏點而進行清除修理。

如長輸管線出現(xiàn)大的起伏，在下坡管段須操控終端排氣閥對清管器（隔離球）前端施加一定壓力，以避免隔離球和水頭脫離（下坡管段因水重和球重而加快隔離球的前進速度，供水困難），通過清管器與接收頭之間的背壓可調(diào)控清管器的行走速度，最大速度為每小時3km。

由于當時山區(qū)施工采用發(fā)電機供電，在上水過程中發(fā)電機出現(xiàn)幾次故障，可能形成清管球在下坡過程中發(fā)生多次抽氣現(xiàn)象，和原管線窩存的氣體以及停電時進入管道的空氣，造成進入管道內(nèi)的氣體從低壓處被分離出來，并積聚在管道的高凸處，給后道掃水工序帶來更高的要求。

6 清管排水

清管排水主要方法和清管掃線、測徑大致一樣，區(qū)別在于第一次采用試驗的試壓頭后，再換用清管掃線的工裝：

6.1 在出發(fā)點接收第二個注水清管器后，借助空壓機助推第一個注水清管器回到出發(fā)點，待2個清管器回到首端后再將試壓頭拆掉，再將清管收發(fā)筒二次裝配在試壓段兩頭。增加皮碗清管器清管，直至清管器到達接收端時，清管器前沒有流水。排水時，對驅(qū)動排水清管器所需的空氣壓力作記錄，以便對高壓區(qū)和可能出現(xiàn)的殘留水進行區(qū)分。

6.2 排水后用泡沫清管器（至少5個）清管，放射頻次控制在1次/小時，直至泡沫清管器在接收時是干燥的。稱量發(fā)射前和接收后清管器的重量，通常情況下泡沫清管器增重不應(yīng)超出0.5kg。

6.3 實況分析：在第一次掃水出現(xiàn)意想不到的結(jié)果，在接空壓機的壓力端在氣體高達2MPa時（該臺空壓機的最高壓力），而出口閥門竟然不出水，清管球不運動！換空壓機，壓力達到2.6MPa開始另一端出細水，當壓力到2.8MPa時，水大量噴發(fā)后壓力迅速下降到0.6MPa，掃線得以繼續(xù)進行。

按空氣動力學原理，靜態(tài)空氣是不存在阻力的，所以，水力學對管道中靜態(tài)氣體所產(chǎn)生的阻力忽略不計，開始不得其解，查了相關(guān)資料后得知這是一種氣阻現(xiàn)象：在本段工況情況下，由于前面原因產(chǎn)生了原管線窩存的氣體以及管道停電時摻入的空氣，出現(xiàn)了空氣分子間的分子作用力及其相互作用，分子力的作用產(chǎn)生粘滯力，使空氣柱邊沿空氣層吸附在管壁上，產(chǎn)生粘滯力dτ，作用在空氣與管壁之間的接觸面，其方向與空氣運動趨勢方向相反，水流被氣體堵塞，形成所謂的氣堵，由此可見該段的氣阻達到了1MPa左右，（按PEmax=P■e■公式為0.1MPa到0.3MPa，Pa=管內(nèi)靜水壓力差（1.81 Mpa）+運行阻力（0.05MPa）=1.86；

σ=0.0006 參照《氣阻定律》；

D=0.813m，由于當時的山坡度數(shù)在22°左右，故假設(shè)平均直徑取0，406m；

Lcr=11756dm3/s=11.756m3/s=11.56/0.51917

=22.643m；

由于當時的山坡度數(shù)在22°，實際Lcr=22.643/tan22°=56.04m

S=管子面積=3.14*0.40652（半徑）2=0.51917

代入公式PEmax=P■e■得出Pmax=2.59MPa

與實際情況基本吻合。

可以推測《氣阻定律》文中的僅僅和氣體長度直徑和管壁粗糙度有關(guān)，還應(yīng)該輸送管線中的壓降和管子的長度、流體粘滯系數(shù)成正比，而和管子的內(nèi)徑成反比?？赡芘c彎頭的度數(shù)、數(shù)量以及高程差段（這里我在計算中在D，和 Lcr調(diào)整）數(shù)成正比。由于《氣阻定律》的試驗中沒有在高程差段中間設(shè)置壓力檢測裝置，略有遺憾。關(guān)于氣阻現(xiàn)象和原理，在本文中不贅述，以后會結(jié)合杭嘉線管線的施工總結(jié)進行詳細分析。

7 結(jié)束語

管道清管、試壓在我公司已經(jīng)成功運用多年，得到華東管道施工界的好評，截止目前，我公司已累計清管、試壓管道200余公里，同時積累了山區(qū)和平原的施工經(jīng)驗，豐富了我公司長輸管道的施工方法。

參考文獻：

[1]阮天恩，翁友彬.氣阻定律[Z].

[2]馬振杰.背壓技術(shù)在山區(qū)管道清管、測徑及試壓作業(yè)中的應(yīng)用[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2009（13）.

[3]劉欣，孟凡新，張彩芹，宋慶杰山.區(qū)管道試壓技術(shù)的選擇及新技術(shù)推廣應(yīng)用[J].科技資訊，2011（29）.

[4]江勇，張寶強，陳娟，張國權(quán).特殊地形地貌對管道施工的影響[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2011（03）.