壓力管道液壓試驗(yàn)取值探討

郝 偉 李玉國(guó) 東華工程科技股份有限公司 合肥 230024

壓力管道是指利用一定的壓力，輸送氣體或者液體的管狀設(shè)備，其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于0.1MPa (表壓)的氣體、液化氣體、蒸汽介質(zhì)或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體介質(zhì)，且公稱直徑大于25mm 的管道［1］。

管道壓力試驗(yàn)?zāi)軌驒z測(cè)管道系統(tǒng)的強(qiáng)度和嚴(yán)密性，可以降低或消除某些部位的峰值應(yīng)力，且短時(shí)超壓能鈍化裂紋，使其產(chǎn)生閉合效應(yīng)。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)觀察管道有無(wú)明顯變形或破裂，來(lái)驗(yàn)證其是否具有設(shè)計(jì)壓力下安全運(yùn)行所必需的承壓能力。同時(shí)，通過(guò)觀察焊縫、法蘭等連接處有無(wú)滲漏，來(lái)檢驗(yàn)管道系統(tǒng)的嚴(yán)密性。因此，管道安裝完畢、熱處理和無(wú)損檢測(cè)合格后，應(yīng)進(jìn)行壓力試驗(yàn)。壓力試驗(yàn)的方法及壓力試驗(yàn)值應(yīng)按照設(shè)計(jì)文件執(zhí)行。通常壓力試驗(yàn)應(yīng)以液體為試驗(yàn)介質(zhì)，當(dāng)管道的設(shè)計(jì)壓力小于或等于0.6MPa 時(shí)，也可采用氣體為試驗(yàn)介質(zhì)，但應(yīng)采取有效的安全措施［2］。本文僅針對(duì)液壓試驗(yàn)取值進(jìn)行探討。

1 液壓試驗(yàn)值的確定

在《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》、 《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》和《工業(yè)金屬管道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中均要求當(dāng)管道的設(shè)計(jì)溫度高于試驗(yàn)溫度時(shí)，液壓試驗(yàn)應(yīng)符合以下規(guī)定。

液壓試驗(yàn)計(jì)算公式:

由公式(2)可以獲得液壓試驗(yàn)下的直管名義厚度，即:

式中，PT為試驗(yàn)壓力，MPa;P 為設(shè)計(jì)壓力，MPa;［σ］T為試驗(yàn)溫度下管材的許用應(yīng)力，MPa; ［σ］t為設(shè)計(jì)溫度下管材的許用應(yīng)力，MPa;σT為試驗(yàn)條件下管材的圓周應(yīng)力，MPa;Do為管道外徑，mm;tsn為直管名義厚度，mm;C 為所有厚度附加量之和，mm;C1為厚度減薄附加量，包括加工、開(kāi)槽和螺紋深度及材料厚度負(fù)偏差，mm;C2為腐蝕或磨蝕附加量，mm;Ej為焊接接頭系數(shù);σs為材料標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服點(diǎn)，MPa。

當(dāng)試驗(yàn)溫度下管材的許用應(yīng)力與設(shè)計(jì)溫度下管材的許用應(yīng)力的比值［σ］T/ ［σ］t大于6.5 時(shí)，應(yīng)取6.5。

應(yīng)校核管道在試驗(yàn)壓力條件下的應(yīng)力，當(dāng)試驗(yàn)壓力在試驗(yàn)溫度下產(chǎn)生超過(guò)屈服強(qiáng)度的應(yīng)力時(shí)，應(yīng)將試驗(yàn)壓力降至不超過(guò)屈服強(qiáng)度時(shí)的最大壓力。

但是，在以上標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有對(duì)法蘭最大允許試驗(yàn)壓力有所限制。然而，國(guó)內(nèi)現(xiàn)行法蘭標(biāo)準(zhǔn)《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》與《石油化工鋼制管法蘭》中均要求管法蘭原則上不進(jìn)行單個(gè)法蘭的水壓試驗(yàn)。當(dāng)法蘭安裝到管道或設(shè)備上后，其水壓試驗(yàn)壓力應(yīng)不大于法蘭標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定的常溫最高允許工作壓力的1.5 倍。因此，建議在滿足以上要求的同時(shí)，考慮法蘭最大允許試驗(yàn)壓力，以滿足管道系統(tǒng)法蘭密封性能的要求。

2 液壓試驗(yàn)取值對(duì)裝置安全性及經(jīng)濟(jì)性的影響

2.1 現(xiàn)行設(shè)計(jì)模式下存在的問(wèn)題

在現(xiàn)行設(shè)計(jì)模式下，壓力試驗(yàn)值由管道布置專業(yè)在相應(yīng)成品文件中進(jìn)行說(shuō)明，而管道壁厚由管道機(jī)械專業(yè)進(jìn)行計(jì)算，但最終壁厚由管道材料專業(yè)確定。在此設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果管道材料專業(yè)不考慮壓力試驗(yàn)下的最小壁厚，同時(shí)在壓力試驗(yàn)取值時(shí)，管道布置專業(yè)也沒(méi)有校核內(nèi)壓圓周應(yīng)力，就可能出現(xiàn)試驗(yàn)壓力下管道材料超過(guò)屈服強(qiáng)度的情況，使管道產(chǎn)生塑性變形，為裝置運(yùn)行埋下安全隱患。反之，如果管道材料專業(yè)采用了壓力試驗(yàn)下的最小壁厚，雖能保證裝置的可靠運(yùn)行，卻使其成本大幅提高。

2.2 液壓試驗(yàn)所需壁厚與內(nèi)壓計(jì)算壁厚的比較

為便于和液壓試驗(yàn)所需壁厚進(jìn)行比較，將《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》內(nèi)壓壁厚計(jì)算公式摘錄如下:

式中，ts為直管最小計(jì)算壁厚，mm;Y 為溫度修正系數(shù);其他參數(shù)與前述相同。

下面以新疆某大型企業(yè)2000kt/a 煤制油項(xiàng)目?jī)艋b置為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

工藝氣管道規(guī)格DN900，設(shè)計(jì)溫度205℃，設(shè)計(jì)壓力4.50MPa，材質(zhì)06Cr19Ni10Ⅰ類，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壁厚計(jì)算參數(shù)

按照液壓試驗(yàn)下的直管名義厚度公式(4)校核，最小試驗(yàn)壁厚為17.39mm，考慮所有厚度附加量之和，經(jīng)圓整取值為22mm;按照內(nèi)壓壁厚計(jì)算公式(5)得最小計(jì)算壁厚為15.70mm，考慮所有厚度附加量之和，經(jīng)圓整取值為20mm。顯然，液壓試驗(yàn)下核算壁厚大于內(nèi)壓下計(jì)算壁厚。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該裝置此規(guī)格管道用量約為500m，按照壁厚差值2mm 核算，重量相差22t。若按市場(chǎng)價(jià)2.5 萬(wàn)元/t 計(jì)算，將多花費(fèi)55 萬(wàn)元，使裝置費(fèi)用大幅提高，不利于控制成本。另外，由于凈化裝置規(guī)模較大，所用不銹鋼管道普遍大于DN450，且DN450 以上時(shí)壁厚差值大多高于2mm，見(jiàn)表2?？紤]到其用量超過(guò)5000m，如果僅僅為了保證裝置的安全性，仍最終選擇液壓試驗(yàn)所需壁厚，裝置將會(huì)增加投資400 多萬(wàn)元，再加上管件等費(fèi)用，此數(shù)字將會(huì)更大。因而，為了節(jié)約投資，必須按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。

表2 各規(guī)格管道壁厚比較(mm)

2.3 對(duì)現(xiàn)行設(shè)計(jì)模式的建議

由以上論述可知，壓力管道液壓試驗(yàn)取值不僅決定裝置安全，還直接影響工程投資。鑒于現(xiàn)行設(shè)計(jì)模式中存在的問(wèn)題，結(jié)合《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》第11.5.3 規(guī)定“按照壓力試驗(yàn)下計(jì)算的內(nèi)壓圓周應(yīng)力超過(guò)許用值，可以降低試驗(yàn)壓力”，本文提出以下建議供化工設(shè)計(jì)領(lǐng)域的同行參考:

(1)管道機(jī)械專業(yè)根據(jù)設(shè)計(jì)壓力計(jì)算最小壁厚，結(jié)果提給管道材料專業(yè)。

(2)管道材料專業(yè)考慮各種工藝要求，將最小計(jì)算壁厚圓整后得到名義壁厚，其作為成品文件提給管道布置專業(yè)。

(3)管道布置專業(yè)計(jì)算壓力試驗(yàn)值，并根據(jù)名義壁厚校核管道的內(nèi)壓圓周應(yīng)力。如果超過(guò)相應(yīng)許用值，應(yīng)將試驗(yàn)壓力降至不超過(guò)屈服強(qiáng)度時(shí)的最大壓力。同時(shí)應(yīng)考慮法蘭最大允許試驗(yàn)壓力，以滿足法蘭密封性能的要求。

依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，基于上述建議，使各個(gè)專業(yè)分工明確，設(shè)計(jì)才能更加經(jīng)濟(jì)合理，進(jìn)而達(dá)到精細(xì)化設(shè)計(jì)的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著化工項(xiàng)目大型化的發(fā)展趨勢(shì)，所用管道規(guī)格越來(lái)越大，同時(shí)用量也越來(lái)越多，個(gè)別管道甚至超過(guò)了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)尺寸范圍，這就更加凸顯了精細(xì)化設(shè)計(jì)的重要性及必要性，即設(shè)計(jì)不但要保證裝置的安全可靠，同時(shí)也必須考慮項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。鑒于此，建議在壓力管道液壓試驗(yàn)取值時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，特別是對(duì)于不同屈服強(qiáng)度的材料，更應(yīng)該區(qū)別對(duì)待，從而保證裝置的經(jīng)濟(jì)可靠。

1 2003年國(guó)務(wù)院第373 號(hào)令《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》.

2 GB 50235 -2010，工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范［S］.

3 GB 50316 - 2000，工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范 (2008 版)［S］.

4 GB 50184 -2011，工業(yè)金屬管道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］.

5 HG/T 20592 ～20635 -2009，鋼制管法蘭、墊片、緊固件［S］.

6 SH/T 3406 -2013，石油化工鋼制管法蘭［S］.

7 GB/T 12771 -2008，流體輸送用不銹鋼焊接鋼管［S］.