西氣東輸三線0.8設計系數試驗段水壓試驗測試

孫巧飛，姚登樽，范玉然，張希悉

（中國石油天然氣管道科學研究院，河北 廊坊065000）

西氣東輸三線0.8設計系數試驗段水壓試驗測試

孫巧飛，姚登樽，范玉然，張希悉

（中國石油天然氣管道科學研究院，河北 廊坊065000）

為了保證0.8設計系數油氣長輸管道的安全運行，對0.8設計系數試驗段管道進行了高強度水壓試驗。結合埋地管道的應力狀態(tài)，通過理論分析確定了管道試壓強度為105%SMYS，在試驗過程中利用壓力－容積曲線監(jiān)測試壓過程中整個試驗段管道變形情況，并利用應變電測法測得管道典型位置的應力應變情況。結果表明，0.8設計系數水壓試驗壓力在（100%～105%）SMYS時，水壓試驗中管道未發(fā)生塑性變形，管道的等效應力均低于規(guī)定的最小屈服強度，且未泄漏，表明該水壓試驗壓力分段合理，可以用于0.8設計系數管道的設計試壓分段和管道現(xiàn)場水壓施工。

焊管；油氣管道；0.8設計系數；水壓試驗；應變電測法；壓力-容積曲線

隨著國民經濟的不斷發(fā)展，國內天然氣的需求量日益增加。在保證安全可靠的前提下，國際上提高管道輸送效率、降低成本的方式主要有兩種，一種是采用高鋼級大直徑鋼管，另一種是提高管道的設計系數。目前我國一級地區(qū)采用的強度系數為0.72，而國外早在20世紀90年代已將0.8設計系數納入規(guī)范[1-3]，并且在加拿大—美國Alliance管道、RockiesExpres管道、Alaska NG pipeline等管道的設計中采用了這一系數[4]。隨著我國管線鋼生產水平以及管道建設、管理水平的不斷提高，我國已經具備開發(fā)高強度油氣長輸管道的能力，因而有必要通過理論和試驗研究，進行我國高設計系數油氣長輸管道建設方面的攻關。

提高管道設計系數，在管道建設施工方面面臨的主要難點是管道的水壓試驗。水壓試驗是管道投產運行前的關鍵步驟，能夠有效排除強度不合格的鋼管，并可以發(fā)現(xiàn)部分缺陷[5]。然而，我國現(xiàn)有標準中沒有對0.8設計系數管道試壓的相關規(guī)定，國際標準也存在差異。現(xiàn)有標準中ASME B31.8規(guī)定，0.8設計系數的現(xiàn)場水壓試驗強度試驗壓力為100%SMYS；而CSA Z662規(guī)定，X80鋼管用水試壓的最大強度試驗壓力不能超過110%SMYS；國內標準是針對0.72設計系數，采用1.25倍設計壓力，未對0.8設計系數作出相關規(guī)定[6-7]。因而，0.8設計系數的現(xiàn)場水壓試驗，試壓壓力必然高于100%SMYS。

高的管道試壓壓力給管道現(xiàn)場施工帶來了極大的困難，如何安全合理的確定現(xiàn)場管道的水壓試驗壓力范圍，在確保管道試壓安全的前提下，盡可能的提高試壓分段高程，降低試壓成本，成為亟待解決的問題[8]。

本研究針對0.8設計系數進行了高強度水壓試驗，在水壓試驗過程中通過應力-應變以及P－V曲線測試對管道變形情況進行實時監(jiān)測，確認管道是否發(fā)生明顯變形，為0.8設計系數管線的設計試壓分段和管道現(xiàn)場水壓施工提供數據支持。

1 水壓試驗理論分析

1.1 試壓壓力確定

對于管道，通常采用Von.mises屈服準則進行校核，當點應力狀態(tài)的等效應力達到某一與應力狀態(tài)無關的定值時，材料就會發(fā)生屈服。其計算公式為

式中：σs—管材規(guī)定的最小屈服強度（SMYS）；

σh—內壓產生的環(huán)向應力，MPa；

σL—內壓產生的軸向應力，MPa。

在內壓作用下，對于薄壁鋼管，其徑向應力很小，一般都忽略不計，可認為管道處于平面應力狀態(tài)。對于埋地直管段，由內壓產生的環(huán)向應力為

式中：p—內壓，MPa；

D—管道外徑，mm；

t—管道壁厚，mm。

軸向應力為泊松應力、溫度應力及施工應力之和，計算公式為

式中：σb—施工應力；

υ—泊松比，取0.3；

α—熱膨脹系數， 取 11.7×10－6/℃；

Ε—彈性模量；

ΔΤ—水壓試驗與施工條件下二者之間的溫度差。

在不考慮溫度應力和施工應力的情況下，式（1）可簡化為

從上述理論分析可知，在不考慮溫度應力和施工應力的情況下，當環(huán)向應力達到112.5%SMYS時，管道才會發(fā)生永久變形。但在實際情況下，受溫度和施工的影響，環(huán)向應力應小于112.5%SMYS。對于X80管道，當σh=105%SMYS，σb=0時，若產生變形，須ΔΤ=50℃；當σh=105%SMYS，ΔΤ=0℃時，若產生變形，須σb=－117 MPa。但實際情況下，溫差變化及施工應力均較小，從安全角度考慮，可以選取σh=105%SMYS。

1.2 壓力－容積曲線

為全面反映水壓試驗過程中整個管道的變形情況，需要實時監(jiān)測記錄壓力－容積曲線。開始注水時，壓力與管道容積呈線性關系，繼續(xù)增加注水量到一定值時，壓力－容積曲線會發(fā)生偏轉，當管道非線性注水量達到管道容積的0.2%時，代表管道進入大面積屈服，應嚴格控制該過程的發(fā)生[9]。在管道升壓過程中，可以通過公式（5）計算出單位試驗壓力增加的理論注水量[10]。

式中：Vp—試壓管段壓力升高Δp所需要注入水的量，m3；

Vt—試壓段管道容積，m3；

Δp—壓力升高值， ×10-1MPa；

D—管道直徑，mm；

t—管道壁厚，mm；

υ—泊松比，取0.3；

A—水在本試驗的壓力和溫度范圍內的平均絕熱壓縮系數，取4.4×108MPa-1；

K—無量綱系數，取1。

公式（5）考慮了水的壓縮性，但是沒有考慮管道中的含氣量。當壓力增加時氣體體積的壓縮量（即由于氣體體積壓縮產生的注水量）可由公式（6）計算[11]，

式中：Vg—試壓管段壓力由p0升至p時由于氣體壓縮所需要的注水量，m3；

n—氣體含量占試壓段管道容積的比例。

1.3 應力應變測試

采用三向（0°， 45°和 90°）應變花進行應變測試。在彈性變形范圍內，通過應變測試得到的三向應變以及材料的本構關系，可計算管道軸向和環(huán)向的應力-應變狀態(tài)，應變計算公式為[12]

當材料處于彈性變形范圍內時，應力計算公式為[11]

式中：εh—環(huán)向應變；

εL—軸向應變；

ε0， ε45， ε90—依次為 0°，45°，90°方向的應變。

2 水壓試驗方法

水壓試驗按以下程序進行。先升至30%強度試驗壓力，穩(wěn)壓30 min；隨后升至60%強度試驗壓力，穩(wěn)壓30 min。穩(wěn)壓期間對管道進行檢查，若無異常現(xiàn)象，以均勻速率加壓升至強度試驗壓力。達到強度試驗壓力后，穩(wěn)壓4h；若無異常，將壓力緩慢降至嚴密性試驗壓力，穩(wěn)壓24h。

在試驗過程中，通過壓力－容積曲線以及管道外壁應變片變化情況對壓力進行控制。若壓力－容積曲線非線性注水量偏離0.2%或應變片測得的環(huán)向應變達到1%時，應停止升壓。試驗中采用計量打壓泵車的沖程數來計算管道的注水量，由此記錄壓力-容積曲線，并利用無線靜態(tài)應變儀測試系統(tǒng)對試壓過程中管道的變形情況進行測試。

3 水壓試驗測試結果

該試壓管段長3.9 km，直徑為1 219 mm，鋼級為X80，設計壓力為12 MPa，高程差為5 m。由于試壓管段高程差較小，靜水壓力為0.05 MPa，對應力影響較小，在下文分析中可忽略不計。強度試驗的試驗壓力為15.78 MPa，穩(wěn)壓4 h，在升壓至30%和60%時分別穩(wěn)壓30 min；嚴密性試驗的試驗壓力為12 MPa，穩(wěn)壓24 h。管道實際升壓曲線如圖1所示。

圖1 管道實際升壓曲線

3.1 壓力－容積曲線

實際監(jiān)測及理論壓力－容積（P－V）曲線對比如圖2所示。由圖2可以看出，升壓前的初始壓力為1.587 MPa，升壓過程中注水量隨水壓壓力增加呈線性增加，說明試壓過程中未發(fā)生大范圍屈服。由于無法準確預知管道注水時空氣的含量，圖2中理論計算的P－V曲線未考慮管道內含氣量的影響，使得實測與理論P－V曲線有差異，即實際P－V曲線斜率小于理論P－V曲線。當考慮管道內含氣量的影響時，理論注水量為公式（5）與公式（6）之和， 這就使得理論 P－V曲線的斜率減小，說明兩者較為吻合。

圖2 實際監(jiān)測及理論的壓力-容積曲線對比

3.2 應力－應變測試

采用無線靜態(tài)應變測試系統(tǒng)對水壓試驗過程中試壓段管道的應力－應變行為進行監(jiān)控，根據分析選取典型管段進行測試。選取測試點位置分別為進水口、出水口以及最高點及最低點處，共4個測點，測試點位置如圖3所示。

圖3 測試點位置

強度試驗過程中所有測試點的環(huán)向應變和軸向應變如圖4所示。由圖4可以看出，環(huán)向應變隨水壓線性增加，在最大壓力時，測試點的最大環(huán)向應變?yōu)?.26%；進水口和出水口的軸向應變隨水壓線性增加，最大軸向應變?yōu)?.04%，而最高點和最低點的軸向應變約為0，表明管道兩端與埋地段的土壤束縛情況不同；測試點的環(huán)向應變和軸向應變均遠遠小于達到屈服強度時的總應變0.5%。由此可以說明，整個強度試驗中，所有測試點均未發(fā)生屈服。圖4（c）中殘余應變的橫坐標測試點依次對應進水口、最高點、最低點及出水口。水壓試驗結束將壓力卸載至0時，各測試點的殘余應變接近0（見圖4（c）），進一步說明水壓試驗中各測試點未發(fā)生塑性變形。

圖4 強度試驗過程中所有測試點的環(huán)向應變和軸向應變

根據彈性范圍內應力－應變關系計算各測試點的應力，結果如圖5所示。由圖5可以看出，管道環(huán)向應力計算值與理論值吻合很好，當管內水壓升壓至15.78 MPa，管道Von.mises等效應力均低于規(guī)定的最低屈服強度555 MPa，說明測試點處材料未發(fā)生明顯塑性變形。而且軸向應力與環(huán)向應力存在一定關系σL=xσh，對于進水口、最高點、最低點及出水口x分別為0.44，0.41，0.32和0.30。最高點、最低點基本符合埋地管線軸向應力和環(huán)向應力的關系；但進水口和出水口偏大，考慮是測點位置靠近試壓段封頭，封頭對鋼管產生二次應力所致，當管體一端加盲板時在靠近自由端的截面上的軸向應力為σL=0.5σh。

圖5 根據彈性范圍內應力應變關系計算的各測點應力

嚴密性測試壓力12MPa，穩(wěn)壓24h（見圖1），整個檢測過程中壓力平穩(wěn)，基本無波動。強度試驗和嚴密性試驗中設計壓力下測試點的應力測試結果見表1。由表1可以看出，嚴密性測試中各測試點等效應力基本保持不變，這進一步說明了強度試驗中管道未發(fā)生塑性變形，且無泄漏。

表1 強度試驗和嚴密性試驗中設計壓力12 MPa下各檢測點的應力測試結果

4 結語

油氣長輸管道設計系數由現(xiàn)行的0.72提升至0.8，一方面可有效提高管道輸送效率，另一方面可降低管道建設成本。為保證管道的安全運行，進行高強度水壓試驗是0.8設計系數試驗段建設必須進行的安全工序。針對0.8設計系數進行了高強度水壓試驗，結合埋地管道的應力狀態(tài)，通過理論分析確定了管道試壓強度為105%SMYS，在試驗過程中利用壓力－容積曲線監(jiān)測試壓過程中整個試驗段管道變形情況，并利用應變電測法測得管道典型位置的應力－應變情況。研究結果表明，0.8設計系數水壓試驗壓力在（100%～105%）SMYS時，水壓試驗中管道未發(fā)生塑性變形，管道的等效應力均低于規(guī)定的最小屈服強度，且未泄漏，表明該水壓試驗壓力分段合理，可以用于0.8設計系數管道的設計試壓分段和管道現(xiàn)場水壓施工。

［1］ASME B31.8—2010， Gas Transmission and Distribution Piping Systems[S].

［2］CSA Z662—2007， Oil and Gas Pipeline Systems[S].

［3］ISO13623—2008， Petroleum and Natural Gas Industries-pipeline Transportation Systems[S].

［4］向波，諶貴宇，向熠星，等.西三線一級地區(qū)設計系數的選擇[J].天然氣與石油，2011，29（5）：1-5.

［5］梁翕章.淺談輸氣管道試壓問題(續(xù)前)[J].天然氣與石油， 2003， 21（4）： 1-6.

［6］GB 50251—2003，輸氣管道工程設計規(guī)范[S].

［7］GB 50369—2006，油氣長輸管道施工及驗收規(guī)范[S].

［8］俞樂群.關于輸油管道靜水壓試驗的強度試驗壓力問題[J].油氣儲運， 1991， 10（6）： 25-28.

［9］梁靜華，梁翕章，程學蘭.提高我國輸氣管道工程設計和試壓標準[J].油氣儲運，2009，28（2）：1-4.

［10］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， 26（3）：11-12.

［11］姚登樽，王瑋，范玉然，等.溫度對0.8設計系數下油氣管道強度試壓過程的影響[J].油氣儲運，2013，32（9）： 990-992.

［12］蔡懷崇，閔行.材料力學[M].西安：西安交通大學出版社，2004.

Hydrostatic Test of the Test Pipe Section with a 0.8 Design Factor in the Third West-to-East Gas Pipeline Project

SUN Qiaofei,YAO Dengzun,FAN Yuran,ZHANG Xixi
（China Petroleum Natural Gas Pipeline Scientific Research Academy,Langfang 065000,Hebei,China）

In order to guarantee safe operation of long-distance oil and gas pipeline with 0.8 design factor,the hydrostatic test was carried out on the pipe section with a design factor of 0.8,and the hoop stress was 105%SMYS by theoretical analysis combined with the state of buried pipeline.In the test,the pressure-volume curve was used to monitor the deformation of the whole pipeline section,and the electromotive strain method was used to determine the stress state of the typical location.The results showed that no plastic deformation and no leakage are found during the test when the test pressure is in the range of（100%～105%）SMYS,the equivalent stress of pipeline are lower than the specified minimum yield strength,which shows that the hydrostatic test pressure section is reasonable,it can be used for the design test section and hydraulic construction at the scene of pipeline with 0.8 design factor.

welded pipe;oil and gas pipeline;0.8 design factor;hydrostatic test;electromotive strain method;pressure-volume curve

TE973

B

1001－3938（2015）09-0051-05

孫巧飛（1987—），女，助理工程師，碩士，2012年畢業(yè)于西安交通大學，主要從事油氣管道材料及施工技術研究。

2014-11-11

羅 剛