對天然氣高壓長輸管道試壓技術的探討

上海煤氣第一管線工程有限公司 鄭達駿

隨著社會經濟的快速發(fā)展，上海對石油、天然氣等能源需求量也不斷增加，建設高壓長輸管道，形成覆蓋全市的天然氣供應主干管網十分必要。高壓長輸管道具有壓力高、距離長、口徑大、敷設地形復雜等特點，為保證投運后天然氣管道及其附屬設備的安全運行，管道建設工程中的試壓是非常重要的關鍵工序。管道試壓包括強度試驗和嚴密性試驗，俗稱“二泵”。高壓長輸管道與中低壓管道試壓的試壓介質和試壓設備有所不同，下文將結合上海天然氣主干管網二期LNG主干線2標工程(設計壓力為6.0 MPa，設計總長度13.5 km，管徑為φ813)的施工實踐，對高壓長輸管道試壓技術進行探討。

1 管道試壓的規(guī)范要求

管道試壓是在管道內部施加一定的壓力，對管道進行強度和嚴密性試驗，從而驗證管道焊縫和連接處的質量狀況，排除管線內的隱患和缺陷；同時施加的內壓力對管道有一定的預拉伸作用，可以充分消除管道在焊接、下溝回填、連接頭等施工中產生的應力集中現象。因此，管道試壓是保障高壓長輸管道正式投產安全使用的重要手段之一。

1.1 試壓介質

目前，中低壓管道普遍采用氣壓試壓，高壓管道則必須采取水壓試驗。因為氣體具有可壓縮性，氣壓試驗一旦發(fā)生破壞事故，不僅要釋放集聚的能量，而且會以最快的速度恢復在升壓過程中被壓縮的能量，壓縮空氣的急劇膨脹會產生爆炸一樣的沖擊力。而水通常被認為是不可壓縮的，如果管道發(fā)生泄漏或破裂，水會泄漏出來時壓力迅速降低，對周邊人員環(huán)境的影響范圍和破壞力較小。所以，出于安全性方面的考慮，高壓管道必須選擇液體(水)作為試壓介質。

1.2 試壓壓力

GB 50251—2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》中根據輸氣管道所處地區(qū)環(huán)境對燃氣管道的試驗水壓進行了劃分，其中：一、二類地區(qū)由于人煙稀少，試壓水源取用及排放困難，只能采用氣壓試驗的，出于安全方面的考慮，一般試壓壓力不得超過設計壓力的1.25倍；三、四類地區(qū)靠近經濟環(huán)境較好、有條件取得試壓水源的城鎮(zhèn)地區(qū)應采用水壓試驗的，水壓強度試驗壓力為設計壓力的1.5倍，嚴密性試驗壓力為設計壓力，如表1。

表1 輸氣管道水壓試驗壓力值、穩(wěn)壓時間及合格標準

LNG主干線2標工程設計壓力為6.0 MPa，工程地處四類地區(qū)，根據以上分析項目水壓試驗的強度壓力值應設定為設計壓力的1.5倍，即9.0 MPa；嚴密性試驗壓力設定為設計壓力，即 6.0MPa，上述壓力值均為表壓。

1.3 試壓段的劃分

CJJ 33—2005《城鎮(zhèn)燃氣輸配工程施工及驗收規(guī)范》規(guī)定：油氣管道分段水壓試驗的管段長度不宜超過35 km，試壓管段的高差不宜超過30 m；當管段高差超過30 m 時，應根據該段的縱斷面圖，計算管道低點的靜水壓力，核算管道低點試壓時所承受的環(huán)向應力，其值一般不應大于管材最低屈服強度的0.9倍。對特殊地段經設計允許，其值最大不得大于0.95倍，試驗壓力值的測量應以管道最高點測出的壓力值為準，管道最低點的壓力值應為試驗壓力與管道液位高差靜壓之和。

表2 管道試壓分段最大長度

本項目設計壓力為6.0 MPa，因此允許的最長試驗管段長度為 35 km，而項目管道整體長度為13.5 km，因此可以一次性進行全線整體試壓。

1.5 試壓設備的選擇

與中低壓管道氣壓試驗使用空壓機設備不同，高壓管道水壓試驗需要使用的主要設備為壓力泵。針對長輸管道口徑大、跨度長、試壓段高差靜壓大等特點，為獲得最大的生產效率，首先在注水階段使用高揚程、大流量的多級離心泵，保證形成足夠的排壓以克服試壓段高差靜壓，從而取得規(guī)定的注水速率；在升壓階段特別是升至試驗壓力2/3后，多級離心泵的工作壓力不足以達到試驗壓力，這時需采用高壓泵進行注壓，確保試驗壓力能夠達到規(guī)定的要求。

LNG主干線2標工程總長度13.5 km，其中管線定向穿越有8處、頂管3處、河道截流圍堰12處；由于該項目沿線的障礙物和高程差等因素，在管線直埋段設置了較多的大角度彎頭，這些都會對管道試壓造成影響。為確保管道試壓順利進行，施工中采用2臺流量20 m3/min、揚程30 m的多級離心泵并聯(lián)的方式進行注水作業(yè)，在升壓階段使用1臺最高30 MPa的高壓泵進行升壓。結果證明，該設備方案完全滿足試驗要求，達到了規(guī)定的試驗時間和試驗壓力。

2 管道試壓作業(yè)流程

2.1 試壓作業(yè)流程

整個作業(yè)流程如圖1。

管道試壓前應首先檢查壓力泵、焊機等設備的生產合格證和年檢證明，并且對壓力表、溫度計等計量設備進行檢定校驗，確定符合試驗要求驗收合格后開始安裝試驗設備，設備試運轉檢查無異常后開始管道內注水作業(yè)，注水期間注意觀察排氣口的出水情況，將管道內空氣排盡注滿水后按照升壓程序進行升壓，過程中如有異常為確保安全必須泄壓處理，查明原因排除問題后，重新進行加壓試驗，直至達到試驗合格標準。

2.2 施工現場布置

施工進水點的選擇需要離清潔水源較近，方便設備進出場的地方。本項目沿線附近洪燈港內河水經專業(yè)部門檢測色度、渾濁度、pH值等指標均符合試壓水質要求，可以作為試壓用水。選好進水點后開始布置施工現場，首先在試壓進水處附近開挖一個長寬深為10 m×5 m×2 m的蓄水坑，并在坑內敷設防水卷材，為防止土方坍塌在四周打設 30#鋼板樁進行支撐。由于使用的介質是河水，用抽水泵引入蓄水坑后，需在蓄水坑后再設置一個過濾設備，河水經過濾后通過多級泵打壓注入管道內，見圖2所示。

圖2 試壓設備現場安裝布置示意

2.3 試壓前準備

2.3.1 封頭、短管焊接

充水試壓前應將試壓工作管段兩端用無縫鋼制短管、高壓封頭焊接安裝到位。無縫鋼管、高壓封頭焊接后必須經過100% X射線檢測和100%超聲波探傷，射線檢測合格評定標準為Ⅱ級片及以上，超聲探傷合格標準為Ⅰ級片。試壓設備與無縫鋼制短管之間的連接也需采用無縫鋼管，由于管道口徑較小，只能采取滲透著色探傷，但需達到一級片的合格標準。

2.3.2 注水量與注水時間

在試壓管道注水前，應先按公式計算理論注水量：

式中：V——理論注水量，m3；

R——試壓管道半徑，m；

L——試壓管道總長度，m。

經計算，該段管道理論注水量為6 782.4 m3。按作業(yè)設備的注水速率80 m3/h可得出理論注水時間需要84.78 h。

在實際作業(yè)中，考慮到管道注水過程中會夾雜有空氣或管道存在泄漏點，在注水的開始階段需要緩慢進行，同時排氣端要保持排氣閥始終處于開放狀態(tài)，因此，實際用時肯定大于84.78 h。本項目實際總注水用時為89.57 h，符合預期。

2.4 試壓作業(yè)要點

2.4.1 管道注滿水后，使用多級泵進行升壓。此時應注意分級緩慢升壓，升壓速度小于1 MPa/h。當升壓至試驗壓力的1/3時，穩(wěn)壓15 min；升壓至試驗壓力2/3時，穩(wěn)壓15 min，進行全面檢查無異常后再升壓。在此過程中如果發(fā)現多級泵打壓強度不夠，可同時采用高壓泵加壓。

2.4.2 壓力升至設計壓力的1.5倍時停泵，檢查試壓體。自壓力穩(wěn)定時起，穩(wěn)壓4 h，管道無泄漏、試驗壓力無降低，則強度試驗試壓合格。如不合格，應立即找出原因，泄壓處理，然后重新試壓。

2.4.3 強度試驗合格后進行嚴密性試驗。嚴密性試驗壓力為設計壓力，將管道泄壓至設計壓力，穩(wěn)壓24 h，其壓降不大于試驗壓力值的 1%，且不大于0.1 MPa，則嚴密性試驗試壓合格。

2.5 作業(yè)時安全措施

試壓時應確保附近人員及構筑物安全，盡量選在空曠地帶進行。劃出安全警戒范圍，并用圍欄和警示帶進行分隔，懸掛明顯警示標識，24 h安排人員值守。試壓和清管期間，安排人員沿線路進行巡視和檢查，如發(fā)現泄漏，需進行泄壓，直至壓力為零時方可補漏，嚴禁帶壓補漏。試壓時，試壓設備、機具的擺放離試壓管線的距離不應小于30 m，尤其正對封頭前方部位，工作人員應避讓，更不應有閑暇人員在附近逗留。管道試壓時嚴禁用硬性物品撞擊管道，不許移動試壓設備。

3 常見問題及處理方法

在長輸高壓管道試壓過程中時常會碰到試壓壓力始終上升不到規(guī)定值，在排除管線泄漏的情況下，最大可能是由于長輸管道高程差大，空氣易積留在試壓段高點位置，未及時排出管外。針對這種情況，可采取以下兩種處理辦法：

(1) 高點放空排氣法。在管道高位點設置排氣閥，注水排氣時排氣閥的溢水時間要足夠長，確保管道內空氣全部排除完畢，然后關閉排氣閥。

(2) 隔離排氣法。注水前管道內加入清管器，將水和空氣隔離開。注水時，利用水推動管內空氣外移，并最終將管段內空氣排出，如圖3。選擇的清管器尺寸必須與管道內徑相匹配，且最好使用全新或無損壞磨損的清管器，確保在推進過程中清管器與管壁的接觸面嚴實，防止管道內注水一側夾雜入空氣。

圖3 隔離排氣法

除了管內有空氣會導致打壓強度不夠外，泵的配置不合適也會造成打壓強度問題。目前比較常見的做法是：采用多臺離心泵串聯(lián)的方式將把水壓打到一定的壓力，再使用高壓泵增壓，這樣做既可以減少了注水升壓時間，又能夠達到滿足了壓力值，取得比較好的時間經濟效益。

4 結語

城鎮(zhèn)天然氣高壓長輸管道試壓介質應該首選液體(水)，強度試驗壓力為設計壓力的 1.5倍，嚴密性試驗壓力為設計壓力。一次性整體試壓長度不得大于35 km。實際試壓時應該嚴格按照試驗方案程序進行，確保施工安全。

城市天然氣高壓長輸管道是城市燃氣管網的四梁八柱，構建起了城市管網的基本框架。高壓管網萬一出現泄漏爆燃等質量安全事故將對人民生命財產安全、社會生產經營穩(wěn)定帶來巨大的損失和負面影響。必須高度重視高壓長輸管網的建設質量，嚴格按照規(guī)范要求、方案流程進行管道的強度和嚴密性試驗工作，確保管道的安全可靠性，從而為城市穩(wěn)定的能源供應做出保障。