大坡度段管道試壓后掃水爆管事故原因分析及預防措施

王魯君，安金平

1.中國石油天然氣管道局科技中心，河北廊坊065000

2.中國石油天然氣管道局第三工程分公司，河南中牟451450

大坡度段管道試壓后掃水爆管事故原因分析及預防措施

王魯君1，安金平2

1.中國石油天然氣管道局科技中心，河北廊坊065000

2.中國石油天然氣管道局第三工程分公司，河南中牟451450

某長輸管道山區(qū)段在試壓排水后用清管器掃除殘水的過程中，出現(xiàn)了大坡度段管道末端爆裂的事故。文章詳細分析了該段管道的存水情況，對清管器在大坡度段高速運動對末端管道產(chǎn)生的沖擊力進行了計算，結果表明清管器撞擊管底液柱時產(chǎn)生的瞬時局部壓力超過管道的抗拉強度，造成管道爆裂，并提出了解決方案。

大坡段管道；試壓；排水；爆管

1 事故簡述

2011年，某長輸管道在大坡度管段試壓排水后，掃水階段管道末端管體爆裂，按原試壓方案重新試壓、排水和掃水，仍然在末端發(fā)生爆管，管道現(xiàn)場爆裂情況如圖1所示。

2 原因分析

事故管段走向如圖2所示?，F(xiàn)場試壓結束后，首先在管道出口G點自然排水。4 h后，排水口無水排出，表明試壓管段中的水已經(jīng)基本排盡，管內(nèi)形成空腔。從圖2可以看出，管道高程從A點起至G點逐步降低，但存在兩處U型管段（BCD段和EFG段），因此兩處U型管段可能會有少量存水。

在A點啟動空氣壓縮機推動清管器掃水，當清管器到達D點后，在壓縮空氣驅(qū)動力和重力作用下沿管道內(nèi)壁高速滑下，由于排水引管直徑較小，清管器撞擊管底液柱時產(chǎn)生的瞬時局部壓力超過管道抗拉強度，造成管道爆裂。

圖1 管道爆裂現(xiàn)場

圖2 事故管段走向

3 液體壓力計算

3.1 管道排水情況

自然排水時管阻很小，考慮壓力能全部轉(zhuǎn)化為動能，初速度為0，因而水流量為：

式中Q——流量/（m3/h）；

R——排水管內(nèi)半徑/m；

g——重力加速度/（m/s2）；

H——管道兩端水頭差/m。

已知：排水管規(guī)格為D 159 mm×6 mm，管道兩端A、G水頭差H為160 m，由上式得：

Q=3 500（m3/h）

試壓管段實長約10 km，每千米容積1 130 m3，試壓期間充水量約為11 300 m3，按上述計算所得流量進行自然排水。由于F點是除G點外全程的最低點，4 h后，在水的重力作用下，整個管道除BCD段和F點附近低點段有一定量無法自然排放的存水外，整個管道基本排空，符合現(xiàn)場實際情況。

3.2 管道存水狀況及原因

自然排水后管道內(nèi)部存水情況如圖3所示，兩處存水的主要原因是DC段和EF段自身高差均超過了10 m，當DC與BC兩段的液柱高差超過10 m時，液柱對水產(chǎn)生的拉力超過了水的飽和蒸汽壓，D處的水開始汽化，液柱被分離成兩段。

圖3 自然排水后管道的內(nèi)部存水情況

利用清管器進行強制排水后，清管器在壓縮空氣的作用下向前運動，BCD段的水逐漸通過D點沿管道向E、F點流動，水不斷從G點排出。待清管器到達D點時，管道中只有由于FG段高差而導致的存水，如圖4所示。

圖4 清管器到達D點時管道的內(nèi)部狀況

清管器運動至E點后，由于坡度明顯增大，在壓縮空氣驅(qū)動力和自重的作用下，清管器加速沿管道向下滑行直到撞擊到管底液面。

3.3 清管器對管底液面產(chǎn)生的沖擊力

清管器在EF段自由下滑時，初速度為0，到達末端F點的速度為V，由能量守恒定理有：

式中M——清管器質(zhì)量；

V——清管器到達末端F點時的速度；

α——EF段與水平面夾角；

μ——摩擦系數(shù)。

L——EF段長度。

由于排水口的面積僅為清管器橫截面積的1/64，清管器撞擊管底液面后，液體基本沒有移動，運動速度幾乎為0。因此，清管器與管底液體的碰撞可視為非彈性碰撞，由動量定理有：

式中F——清管器產(chǎn)生的沖擊力；

t——碰撞時間。

將式（2）代入式（3）式可得：

3.4 沖擊力產(chǎn)生的液體壓力和管道的應力

沖擊力產(chǎn)生的液體壓力為P，則：

式中d——管道內(nèi)徑。

清管器撞擊管底水面時，這部分有水的管道相當于一個承壓的薄壁壓力容器，根據(jù)第三強度理論，管道應力為：

式中σ——管道應力；

D——管道外徑；

δ——管道壁厚。

3.5 事故實例計算

已知：鋼管規(guī)格為D 1 219 mm×18.4 mm，材質(zhì)X80，抗拉強度為750MPa，清管器質(zhì)量為450kg，管道內(nèi)壁摩擦系數(shù)μ=0.25。EF段與水平面的夾角為α=25.6°，管道EF段長度L=94 m。

通過計算可知，清管器滑落至管底液面時的速度為17.6 m/s，碰撞時間保守地取0.3 s，對末端管道管壁形成的應力為1 029 MPa，超過管道材料的抗拉強度（750 MPa），從而導致了管道的爆裂。由于末端沒有土壤覆蓋，承載能力最差，因此，管道在末端的裸露部分發(fā)生破壞。

以上計算未考慮空氣阻力和清管器推進空氣壓力的影響，假設兩者相互抵消，實際情況會更復雜一些，但就結果而言，上述計算已足以說明問題。

4 改進措施

（1）在自然排水結束后，在管端附近開面積不小于主管道截面積的排水口（見圖5），使得清管器高速沖擊管底液面時，壓力得以充分釋放。實踐證明此措施行之有效且簡明實用。

圖5 試壓管道末端排水口示意

（2）采用帶有超速制動裝置的清管器，保證其在進入下坡管段時，保持安全的速度。

（3）采用背壓控制清管器的速度。但此法的工效較低，過程也不易控制，只有制訂可靠的方案方可實施。

5 結束語

大坡度管道試壓排水時，必須采取有效措施防止清管器高速下滑產(chǎn)生的危害。在技術方案編制過程中，要通過準確的計算來量化地評估具體方案的安全性和有效性，要在實驗的基礎上通過嚴謹?shù)耐评碛嬎愕贸龇治鼋Y果，并依此提出相應措施。

[1]姚登樽，魏秦文，馮斌，等.高落差管道試壓排水安全施工技術研究[R].廊坊：中國石油管道局研究院，2013.

[2]劉春暉.山區(qū)段水壓試驗難點分析[J].石油工程建設，2012，38（3）：70-72.

[3]李林，林金河.西氣東輸長距離大落差管道水壓試驗[J].石油工程建設.2005，31（1）:49-50.

[4]王紅菊，錢成文，王玉梅，等.國內(nèi)外輸氣管道試壓技術現(xiàn)狀綜述[J].石油工程建設.2007，33（1）：8-10.

[5]趙傳海.長輸管道水壓試驗中幾個重要公式計算[J].油氣田地面工程，2007，33（3）：11-12.

Analyses and Precaution of Pipe Explosion Accident Happened in Steep Slope Pipeline Section during Water Discharging after Hydraulic Test

Wang Lujun1，An Jinping2
1.Science and Technology Center of China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang 065000，China
2.Third Construction Subcompany of China Petroleum Pipeline Bureau，Zhongmu 451450，China

An explosion happened at the end part of a steep slope section of a long-distance pipeline in mountain area during water discharging with a pig after hydraulic test.By analyzing the situation of residual water in the pipeline section and calculating the impact force on the steep pipeline end section produced by high speed pig moving，it is confirmed that the accident is resulted from the instantaneous high pressure produced by the pig impacting the water in the end part of the pipeline section and exceeding the tensile strength of the pipe.Some protective measures are recommended.

pipeline in steep slope section；pressure testing；water discharging；pipe explosion

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.022

王魯君（1963-），男，山東萊州人，教授級高工，1984年畢業(yè)于西安石油大學焊接專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事石油化工和長輸管道建設科技工作。

2014-05-24