管道氣壓試驗(yàn)安全技術(shù)與管理

張宏彬

[海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520]

管道氣壓試驗(yàn)安全技術(shù)與管理

張宏彬

[海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520]

部分壓力管道由于受工作介質(zhì)影響和建造階段條件限制，必須進(jìn)行氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)，管道氣壓試驗(yàn)費(fèi)用低、時(shí)間短，但風(fēng)險(xiǎn)高。為保證氣壓試驗(yàn)的順利進(jìn)行，需要從安全技術(shù)和安全管理兩個(gè)方面加強(qiáng)控制。在技術(shù)方面除了通用要求外，著重考慮安全閥設(shè)計(jì)，一般選用全啟式安全閥，壓力設(shè)定不高于管道試驗(yàn)壓力的1.1倍，保證在超壓時(shí)管道內(nèi)氣體能及時(shí)排放到安全區(qū)域；安全距離設(shè)計(jì)主要是通過(guò)計(jì)算管道內(nèi)氣體能量，再轉(zhuǎn)化成TNT當(dāng)量，按照相關(guān)規(guī)范中給出的空爆沖擊波公式計(jì)算，結(jié)合已有的爆炸對(duì)人體造成傷害的研究成果，得出一定壓力和容量下的管道氣壓試驗(yàn)安全距離。另外，從組織管理、應(yīng)急管理、法蘭管理、試壓過(guò)程控制等方面論述了管道氣壓試驗(yàn)的安全管理。

管道；氣壓試驗(yàn)；安全技術(shù)；安全管理；法蘭管理

0 引 言

在工業(yè)化程度日漸提高的今天，壓力管道作為輸送介質(zhì)的載體已遍布世界各地。從煉油化工廠裝置到長(zhǎng)輸管道，從工廠、油田到城鎮(zhèn)、居民小區(qū)無(wú)處不在。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)。由于壓力管道試驗(yàn)的危險(xiǎn)性，其安全狀況直接影響施工企業(yè)安全生產(chǎn)和職工安全。根據(jù)國(guó)家《壓力管道安裝安全質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》規(guī)定，新建、改建、擴(kuò)建的壓力管道，建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、安裝單位、監(jiān)理單位、檢測(cè)單位、防腐單位和其他相關(guān)單位必須接受并配合監(jiān)督檢驗(yàn)單位的監(jiān)督檢驗(yàn)工作，并承擔(dān)壓力管道安裝安全質(zhì)量責(zé)任。監(jiān)督檢驗(yàn)單位應(yīng)根據(jù)壓力管道的等級(jí)和技術(shù)要求等具體情況確定監(jiān)督檢驗(yàn)的方式。其中管道強(qiáng)度試驗(yàn)、嚴(yán)密性試驗(yàn)和管道安全保護(hù)措裝置及密封性能測(cè)試為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督檢驗(yàn)項(xiàng)目。壓力試驗(yàn)是破壞性試驗(yàn)，其試驗(yàn)本身就具有很大危險(xiǎn)性。對(duì)于新建壓力管道，一般氣體輸送管道和分支較多并且在水壓后很難干燥的管道采用氣壓試驗(yàn)。氣壓試驗(yàn)施工成本低，而且節(jié)省干燥時(shí)間，縮短管道施工周期，但風(fēng)險(xiǎn)高，所以加強(qiáng)管道氣壓試驗(yàn)安全管理，成為工作的重中之重。本文從安全技術(shù)和安全管理兩個(gè)方面開展研究，提出了安全釋放裝置設(shè)計(jì)原則，給出了安全距離的計(jì)算方法，并從組織管理、應(yīng)急管理、法蘭管理，試壓過(guò)程控制等方面論述了管道氣壓試驗(yàn)的安全管理，以保障氣壓試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

1 氣壓試驗(yàn)的安全技術(shù)

1.1 安全釋放裝置設(shè)計(jì)原則

工業(yè)金屬管道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范中規(guī)定，氣壓試驗(yàn)管道上必須安裝安全釋放裝置，防止管道超壓。一般采用全啟式安全閥，當(dāng)入口靜壓超過(guò)設(shè)定壓力時(shí)，閥瓣上升泄放管道的超壓，當(dāng)壓力降至回座壓力時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉安全閥。一般不使用爆破片，避免一旦管道超壓就把氣體全部快速排出而造成壓力降低過(guò)快，使管道急劇收縮，對(duì)焊縫位置造成應(yīng)力沖擊。

安全閥選用和安裝原則如下:

(1) 一般選用全啟式安全閥，壓力設(shè)定不高于管道試驗(yàn)壓力的1.1倍。

(2) 安全閥安裝前進(jìn)行標(biāo)定，如果試驗(yàn)過(guò)程中安全閥起跳，則泄放閥內(nèi)壓力重新標(biāo)定使用。

(3) 根據(jù)勞動(dòng)部頒布的《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，氣體或蒸汽在臨界條件下的最小泄放面積為

(1)

式中:a為最小泄放面積，mm2；W為質(zhì)量泄放流量，kg/h；C0為流量系數(shù)；X為氣體特性系數(shù)；p為泄放壓力，MPa；Z為氣體壓縮因子；T為泄放溫度，K；M為分子量。流量系數(shù)C0由制造廠家提供，若沒有制造廠的數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)于全啟式安全閥，C0=0.6～0.7；氣體特性系數(shù)X和氣體壓縮因子Z可查閱GB 50184—2011。

(4) 根據(jù)計(jì)算的最小泄放面積a，計(jì)算安全閥喉徑d1或閥座口D，對(duì)于全啟式安全閥，有

(2)

(5) 根據(jù)計(jì)算的最小泄放面積，按制造廠產(chǎn)品資料選擇安全閥。原則是所有安全閥的實(shí)際泄放面積不得小于最小泄放面積。

(6) 由(4)選擇的安全閥喉徑，反算安全閥的泄放量。根據(jù)反算的泄放量計(jì)算排放管中的壓力降，監(jiān)察安全閥的型式是否適當(dāng)。

(7) 安全閥入口連接關(guān)斷閥，出口延伸至安全區(qū)域。

(8) 安全閥安裝位置，最好選在壓力波動(dòng)小的被試壓主管道上，取原有的儀表接口或可利用的法蘭口。

1.2 安全距離計(jì)算

1.2.1爆炸能量計(jì)算

試壓管道內(nèi)的壓縮氣體在管道破裂時(shí)，不產(chǎn)生物態(tài)變形，而只是降壓膨脹，即為氣體由管道破裂前壓力降至大氣壓的簡(jiǎn)單膨脹過(guò)程，且發(fā)生全過(guò)程所需時(shí)間極短，因此無(wú)論管道內(nèi)的氣體與周圍大氣存在多大溫差，都可以認(rèn)為管道內(nèi)氣體與外界來(lái)不及進(jìn)行熱量交換，即氣體膨脹是在絕熱狀態(tài)下進(jìn)行。所以高壓氣體的爆炸能量也就是絕熱膨脹功[1]。

設(shè)氣體在破裂前狀態(tài)參數(shù)為(p0,V0)。p0為管道內(nèi)氣體的壓強(qiáng)(Pa)；V0為爆破時(shí)刻的管道容積；K為氣體的絕熱指數(shù):

(3)

式中:p1為塑性極限壓強(qiáng)；pa為大氣壓強(qiáng)。

在絕熱過(guò)程中達(dá)到狀態(tài)(pa,Va)，其中Va表示達(dá)到大氣壓強(qiáng)時(shí)的體積。由絕熱方程

(4)

得

(5)

所以，

(6)

又因?yàn)?/p>

(7)

所以

(8)

氣壓試驗(yàn)管道內(nèi)工作介質(zhì)若是空氣，則K=1.4，其爆炸能量為

(9)

設(shè)

(10)

有

AK=CKV0.

(11)

由上式可知，計(jì)算氣壓試驗(yàn)管道爆炸能量，主要是確定管道爆破時(shí)容積V0及破壞壓力p0，對(duì)于新建管道，發(fā)生爆炸原因主要是由于施工管理不到位，導(dǎo)致法蘭、閥門等緊固件裝配不合理，焊接缺陷；少部分情況是管道、管件等本身質(zhì)量不合格，而設(shè)計(jì)本身不合理的情況更少。所以在此不考慮試壓管道的塑性極限壓強(qiáng)，只考慮管道內(nèi)絕對(duì)壓力，即p0=pg+pa(pa為大氣壓，pg為表壓)。

1.2.2TNT當(dāng)量計(jì)算

AK=CKV0=3.91×14.13
=55.25×106J.

(12)

因?yàn)門NT爆炸所放出的爆破能量為4230～4836kJ/kg，qTNT一般取平均值4500kJ/kg，故有

Q=AK/qTNT=55.25×
106/(4.5×106)
=12.28，

(13)

所以換算成TNT當(dāng)量是12.28kg。

1.2.3沖擊波計(jì)算

我國(guó)國(guó)防工程設(shè)計(jì)規(guī)范(草案)中規(guī)定的空爆沖擊波超壓計(jì)算公式為[2]

(14)

當(dāng)W=12.8kg時(shí)，

(15)

當(dāng)R值在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，Δpf計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同距離處的空爆沖擊波超壓計(jì)算結(jié)果

沖擊波首先表現(xiàn)為對(duì)人耳的破壞，蘇聯(lián)采用的人耳膜破裂的超壓閾值與美國(guó)相同，并認(rèn)為耳膜受傷與頭部位置及空氣沖擊波陣面有關(guān)(人耳與入射沖擊波波陣面是垂直還是平行)，另外，蘇聯(lián)也強(qiáng)調(diào)動(dòng)壓對(duì)人的損傷作用[3]。分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]，并結(jié)合超壓對(duì)人體傷害規(guī)律及相關(guān)的殺傷標(biāo)準(zhǔn)，按照標(biāo)準(zhǔn)TNT爆炸壓力場(chǎng)的數(shù)據(jù)計(jì)算，將鼓膜損傷的閾值34kPa取為人體安全的沖擊波臨界值[5]，所以當(dāng)TNT當(dāng)量是12.28kg，H≥0.81m(試壓管線中心距地面高度)時(shí)，安全距離R為70m。

2 氣壓試驗(yàn)前組織管理

2.1 建立試壓現(xiàn)場(chǎng)組織網(wǎng)絡(luò)

管道試壓前應(yīng)成立試壓協(xié)調(diào)小組，協(xié)調(diào)小組組織施工單位、檢驗(yàn)單位、維護(hù)檢修單位、使用單位、產(chǎn)權(quán)單位等，聽取各方意見要求，討論壓力試驗(yàn)施工單位制訂的試壓方案，最終形成完整的切實(shí)可行的試壓方案，明確試壓過(guò)程各方職責(zé)和要求，并保證試壓過(guò)程按方案執(zhí)行，及時(shí)處理與試壓有關(guān)的問(wèn)題[6]。

2.2 建立應(yīng)急事件處理預(yù)案

單項(xiàng)試壓工作應(yīng)急預(yù)案應(yīng)與試壓?jiǎn)挝患绊?xiàng)目總體應(yīng)急預(yù)案銜接，并切實(shí)可行。應(yīng)急預(yù)案明確管道試壓應(yīng)急狀態(tài)下主要人員的職責(zé)和通信渠道，提出可能發(fā)生事故的應(yīng)急方案，使參與試壓的單位及相關(guān)方人員了解各自在應(yīng)急狀態(tài)下的責(zé)任，保障在應(yīng)急情況下高效、有序地開展應(yīng)急救援工作，將事故危害減少到最低程度。并且與當(dāng)?shù)蒯t(yī)療機(jī)構(gòu)保持緊密聯(lián)系，保證在第一時(shí)間處理緊急事件。

3 氣壓試驗(yàn)前現(xiàn)場(chǎng)管理

3.1 試壓前法蘭管理

對(duì)于新建管道，試壓過(guò)程中可能發(fā)生的事故，一般由于焊接缺陷，法蘭密封面破損，緊固件未緊固或緊固件螺紋破損，還有極少的設(shè)計(jì)原因等，其中法蘭及其緊固件的問(wèn)題導(dǎo)致的事故占主要方面。所以加強(qiáng)法蘭管理能夠有效降低新建管道試壓過(guò)程事故的發(fā)生概率。

3.1.1法蘭接口保護(hù)

法蘭密封面、待焊坡口、螺紋連接等在運(yùn)輸、存儲(chǔ)、組對(duì)、吊裝過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)。有配對(duì)法蘭的，應(yīng)采用配對(duì)法蘭中間夾以橡膠或塑料制蓋板封閉，蓋板的厚度不宜小于3mm。無(wú)配對(duì)法蘭的，應(yīng)采用與法蘭外徑相同且夠厚的金屬、塑料或木制盲板封閉，如金屬制盲板，盲板中間應(yīng)夾以橡膠或塑料制墊片，墊片厚度不宜小于3mm。配對(duì)法蘭或盲板用螺栓緊固在容器法蘭接口處，緊固螺栓不得少于4個(gè)且應(yīng)均勻分布。用金屬或塑料環(huán)形保護(hù)罩罩在法蘭接管端部。所有螺紋接口應(yīng)采用六角頭螺塞或螺帽堵上，外螺紋也可以采用塑料罩保護(hù)。

3.1.2法蘭裝配管理記錄

建立法蘭數(shù)據(jù)庫(kù)，所有法蘭都應(yīng)分配一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的號(hào)碼，法蘭節(jié)點(diǎn)信息記錄到電子表格中，包括但不限于: 裝配日期、連接形式、管徑和壓力、墊片和緊固件規(guī)格、緊固件裝配扭矩值、施工人員信息、采用的液壓工具信息、連接完工確認(rèn)信息等。對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)的法蘭進(jìn)行全程跟蹤記錄。

3.1.3工具和設(shè)備管理

施工單位需要提供符合要求的工具和設(shè)備，液壓扭矩工具需按要求在符合資質(zhì)的檢定機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定并有檢定合格證書。液壓扭矩設(shè)備和量具檢定周期最長(zhǎng)為1年，手動(dòng)扳手一般為1個(gè)月，液壓泵一般為3個(gè)月。

3.1.4操作人員培訓(xùn)

所有參與法蘭管理的人員都應(yīng)該得到培訓(xùn)，掌握法蘭保護(hù)、安裝拆卸程序，工具設(shè)備使用方法和安裝完成的檢驗(yàn)方法。所有人員必須培訓(xùn)合格才能上崗。

3.1.5法蘭連接管理

法蘭連接需按照以下規(guī)則進(jìn)行:

(1) 法蘭裝配前，保證法蘭面干凈整潔、完整。

(2) 確保法蘭和凸緣表面在無(wú)外力作用下軸向和徑向兩個(gè)方向匹配。如果需要外力作用，要在連接前由能勝任的管線力學(xué)工程師計(jì)算并在允許的情況下繼續(xù)連接。

(3) 墊片和緊固件符合設(shè)計(jì)文件要求，螺母在螺紋上能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿伸出螺母長(zhǎng)度為螺母厚度的1/3到2/3，并且不少于3條螺紋。

(4) 螺栓按設(shè)計(jì)文件要求涂抹潤(rùn)滑脂。

(5) 螺栓緊固的扭矩值符合設(shè)計(jì)文件要求。

(6) 螺栓緊固順序以順時(shí)針?lè)较驑?biāo)記，第一次給出螺栓最大力矩的30%，第二次給出60%，第三次給出100%力矩上緊。緊固過(guò)程應(yīng)監(jiān)測(cè)法蘭間隙，調(diào)整螺栓順序來(lái)保持間隙適當(dāng)?shù)钠叫小?/p>

(7) 螺栓緊固完成后，由專職檢驗(yàn)人員確認(rèn)簽字。

3.2 試壓區(qū)域安全防護(hù)

按照安全距離要求，對(duì)試壓區(qū)域隔離。清理或拆除影響管道壓力試驗(yàn)的部件或其他物體；為檢驗(yàn)而搭設(shè)的腳手架、輕便梯、監(jiān)控探頭等應(yīng)安全可靠；用盲板割斷無(wú)關(guān)系統(tǒng)(設(shè)備或管道)并設(shè)明顯標(biāo)志；試壓區(qū)域應(yīng)照明全部覆蓋，無(wú)暗區(qū)；防靜電接地電阻和法蘭的導(dǎo)線符合要求；壓力表、安全閥、緊急切斷裝置及其安全防護(hù)裝置安裝到位。

4 試壓過(guò)程要求和安全管理

4.1 試壓過(guò)程一般要求

試壓過(guò)程一般要求如下:

(1) 脆性材料管道組成件未經(jīng)液壓試驗(yàn)合格，不得參加管道系統(tǒng)氣體試驗(yàn)。

(2) 試驗(yàn)介質(zhì)應(yīng)采用干燥潔凈的空氣、氮?dú)饣蚱渌灰兹己蜔o(wú)毒的氣體。

(3) 氣體試驗(yàn)溫度嚴(yán)禁接近金屬材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

(4) 承受內(nèi)壓鋼管及有色金屬管的試驗(yàn)壓力應(yīng)為設(shè)計(jì)壓力的1.15倍。真空管道的試驗(yàn)壓力應(yīng)為0.2MPa。

(5) 氣壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)裝有壓力泄放裝置，其設(shè)定壓力不得高于試驗(yàn)壓力的1.1倍。

(6) 氣壓試驗(yàn)前，應(yīng)用空氣進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力宜為0.2MPa。

(7) 氣壓試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)逐步緩慢地增加壓力，當(dāng)壓力升至試驗(yàn)壓力的50%時(shí)，如未發(fā)現(xiàn)異狀或泄漏，應(yīng)繼續(xù)按試驗(yàn)壓力的10%逐級(jí)升壓，每級(jí)穩(wěn)壓3min，直至達(dá)到試驗(yàn)壓力。應(yīng)在試驗(yàn)壓力下保持10min，再將壓力降至設(shè)計(jì)壓力，應(yīng)以發(fā)泡劑檢測(cè)不到泄漏為合格。

4.2 試壓過(guò)程安全管理

試壓過(guò)程安全管理要求如下:

(1) 用于加注和排放試壓介質(zhì)的閥門，以及用于觀察試壓管線壓力的壓力表和記錄儀應(yīng)設(shè)置在安全區(qū)域，以便于試壓人員觀察壓力變化情況。

(2) 法蘭接口和焊道盡可能設(shè)置視頻監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控室設(shè)在安全區(qū)域，便于試壓人員觀察現(xiàn)場(chǎng)情況。

(3) 升壓過(guò)程差發(fā)現(xiàn)壓力表或試壓曲線異常，應(yīng)立即停止加壓，首先由能觀察到的視頻監(jiān)控中查找漏點(diǎn)，然后再泄壓排查。

(4) 降壓過(guò)程應(yīng)使壓力降至設(shè)計(jì)壓力，其間壓力表和記錄儀曲線應(yīng)為正常，并應(yīng)以發(fā)泡劑檢測(cè)不到泄漏為合格。

(5) 試驗(yàn)合格后按要求泄壓，并且把泄壓管出口延伸至安全區(qū)域。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，安裝試壓安全閥是防止超壓的有效措施，而且應(yīng)保證該安全閥在使用有效期內(nèi)。安全距離是防止人身傷害的根本措施，但安全距離經(jīng)常受限于試壓場(chǎng)地的操作空間，所以試壓場(chǎng)所盡量避開人員活動(dòng)的頻繁區(qū)域，但必須保證最小的安全距離。工業(yè)管道氣壓試驗(yàn)雖然危險(xiǎn)，只要我們提高危險(xiǎn)意識(shí)，并采取切實(shí)可行的措施，細(xì)化試壓方案，加強(qiáng)試壓過(guò)程安全管理，可以降低試壓風(fēng)險(xiǎn)，保證管道氣壓試驗(yàn)工作安全順利地進(jìn)行。

[1] 楊勇，姜振鋒，吳菲.高壓容器爆炸能量的計(jì)算[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2000，16(1): 81.

Yang Yong, Jiang Zhen-feng, Wu Fei. Calculation of high pressure container blast energy [J]. Journal of Soochow University (Natural Science Edition), 2000，16(1): 81.

[2] 李翼祺，馬素貞.爆炸力學(xué)[M].北京: 科學(xué)出版社，1992: 262-264.

Li Yi-qi, Ma Su-zhen. Mechanics of explosion [M]. Beijing: Science Press, 1992: 262-264.

[3] Browen I G. Estimate of man’s tolerance to the direct effects of air blast, DASA-2113 [R]. Washington DC, 1968.

[4] Neergaadd G, Bondorf J P, Mishustin I N. Thermodynamics of explosions [M]. Singapore: World Scientific, 2008.

[5] 孫艷馥，王欣.爆炸沖擊波對(duì)人體損傷與防護(hù)分析[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2008，31(4): 50.

Sun Yan-fu, Wang Xin. Analysis of human body injury due to blast wave and protection method [J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2008，31(4): 50.

[6] 胡明紅，陳義.工業(yè)管道壓力試驗(yàn)應(yīng)注意的安全問(wèn)題[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2007，33(5): 42.

Hu Ming-hong, Chen Yi. Safety problems noted in industrial pipeline pressure test [J]. Industry Safety and Environmental Protection, 2007,33(5): 42.

SafetyTechnologyandSafetyManagementforPipelinePneumaticTest

ZHANG Hong-bin

[OffshoreOilEngineering(Qingdao)Co.，Ltd.,Qingdao,Shandong266520，China]

Due to the special internal medium impact and construction phase condition, pneumatic pressure test must be carried out for pressure pipelines. Pipeline pneumatic pressure test has the advantages of low cost and short time consuming, but the risk is high. To ensure the smooth progress of the pneumatic test, we need to strengthen the control of safety technologies and safety management. For the safety technology aspect, in addition to the general requirements of the technical aspects, more attention should be paid to the safety valve design, so as to ensure the timely gas discharge in the overpressure case. Generally, fully open safety valves are used, with the pressure limit set to no higher than 1.1 times the test pressure of the pipeline. The gas energy in the tested pipeline is calculated and then converted into TNT equivalent. According to the air explosion shock wave equation given in related regulations, combined with the body injury research results, we can get the safe distance for a pipeline with certain pressure and capacity. For the safety management, organization management, emergency management, flange management, process control and other aspects of pipeline pneumatic test are discussed.

pipeline; pneumatic test; safety technology; safety management; flange management

2017-04-07

張宏彬(1980—),男，工程師，主要從事管道設(shè)計(jì)和建造工作。

TE973

A

2095-7297(2017)03-0173-05