石油化工管道系統(tǒng)試驗的設計

董振杰(中國石油工程建設有限公司，北京 100120)

0 引言

在煉廠管道安裝完成后需要進行系統(tǒng)試驗，試驗分為壓力試驗和嚴密性試驗。

本文主要論述在國內外項目中各種常用的試驗方法及試壓包的編制。

1 壓力試驗

管道壓力試驗的目的是檢查管道系統(tǒng)的承壓能力，檢查焊接質量，同時檢驗管道系統(tǒng)的柔性。

1.1 液壓試驗

1.1.1 試驗壓力的規(guī)定

ASME B31.3—2018 《Process Piping》[1]中規(guī)定了試驗壓力最小值的計算方法，如式(1)所示：

式中：PT為最小試驗壓力；P為設計壓力；ST為試驗溫度下的許用應力；S為設計溫度下的許用應力。

由于在高溫條件下管道材料的力學性能會下降，因此當管道系統(tǒng)的設計溫度高于試驗溫度時，管道系統(tǒng)的試驗壓力應按比例提高，修正系數(shù)為ST/S。

GB/T 20801—2020[2]關于試驗壓力的描述與ASME B31.3相同，均是通過式(1)計算，而且計算值均為最小值。

SH 3501—2011[3]關于試驗壓力的描述與ASME B31.3不同，雖然均是通過式(1)計算，但是SH 3501規(guī)定計算值就是試驗值，而未說明是最小值。

GB 50517—2010[4]關于試驗壓力的描述與ASME B31.3也不同，雖然均是通過式(1)計算，但是GB 50517規(guī)定計算值就是試驗值，而未說明是最小值。

雖然SH 3501和GB 50517均未明確計算值就是試驗最小值，但是標準中同時也提到了最大不允許使試驗條件下產生的周向應力或軸向應力超過試驗溫度下材料屈服強度的90%，這時對應的試驗壓力為試驗壓力的最大值。

ASME B31.3和GB/T 20801規(guī)定試驗壓力最大值為導致產生屈服強度時對應的壓力。為了保險起見，將導致產生90%屈服強度的應力(等于1.33倍許用應力)代入ASME B31.3和GB/T 20801的直管壁厚計算公式，即可反算出已知管道的最大承受壓力，此為最大試驗壓力。

對于夾套管，內管試壓壓力應按內部或外部設計壓力中的較大值確定。

管道壓力試驗的目的是檢查管道系統(tǒng)的承壓能力。由于管道材料在高溫條件下力學性能下降，當管道系統(tǒng)的設計溫度高于試驗溫度時，管道系統(tǒng)的液壓試驗壓力應按比例提高。但提高后的試驗壓力不應導致管道材料損壞。

管道的液壓試驗壓力經(jīng)換算后數(shù)值可能提高，使其在試驗條件下產生的周向應力或軸向應力超過了材料屈服強度或管道組成件的額定壓力(管道組成件標準規(guī)定的壓力值)的1.5倍，使試驗過程增加了不安全因素，所以必須將試驗壓力降低，以滿足液體壓力試驗時管道組成件應力值在安全范圍內的要求。

在試驗壓力下管道組成件的內壓圓周應力可按相關設計規(guī)范進行計算。計算得到的實際圓周應力不得超過材料屈服強度的90%。否則應降低試驗壓力直至材料屈服強度的90%。

管道系統(tǒng)的設計壓力與處于同一系統(tǒng)的設備設計壓力可能不同，且設計壓力相同的管道與設備，其試驗壓力也可能不同，當管道與設備作為一個系統(tǒng)進行試驗時，應對試驗壓力進行調整，以保證設備安全。

在確保安全的條件下，液壓試驗可用氣壓試驗替代。同時，GB/T 20801規(guī)定對于GC3級管道，可采用初始運行試驗代替液壓試驗。ASME B31.3中規(guī)定對于D類流體工況，可采用初始運行試驗代替液壓試驗。

對于液壓試驗的免除，按照GB/T 20801的要求只有滿足以下條件時才可以免除液壓試驗：“液壓試驗會損壞襯里或內部隔熱層，或會污染生產過程(該過程會由于濕氣而變?yōu)槲ｋU的、腐蝕的或無法工作)，或在試驗中由于低溫而出現(xiàn)脆性斷裂的危險”。

GB/T 20801規(guī)定，對于液壓試驗免除的條件為：當液壓和氣壓試驗都不切實際時，可采用9.1.7中的方法。這里要強調的是壓力試驗免除后并不只是進行100%無損檢測就滿足設計要求。此外，還必須進行(1)管道系統(tǒng)柔性分析；(2)進行敏感性泄漏試驗。

ASME B31.3對于壓力試驗免除的條件及免除后的要求與GB/T 20801基本相同。不同點是ASME B31.3中規(guī)定了，由于液壓試驗介質產生的較大載荷而導致管道支撐需要大的改變時，可以免除液壓試驗。

1.2 氣壓試驗

1.2.1 試驗壓力的規(guī)定

ASME B31.3規(guī)定，氣壓試驗最小值為1.1倍的設計壓力。GB/T 20801規(guī)定試驗壓力應為1.15倍的設計壓力，并未說明此為最小值。

ASME B31.3規(guī)定，氣壓試驗最大值為1.33倍的設計壓力和導致90%屈服強度壓力中的較小者。GB/T 20801中并未明確規(guī)定試驗壓力的最大值，但是9.1.1.2條中規(guī)定：“如果試驗壓力會產生管道周向應力或軸向應力超過試驗溫度下的屈服強度時，試驗壓力可減至在該溫度下不會超過屈服強度的最大壓力”。

訪談者：當前高校存在一種“重科研，輕教學”的現(xiàn)象，導致許多教師不愿編寫教材，認為這不是一種科學研究。您如何看待這一現(xiàn)象？

1.2.2 氣壓試驗的替代和免除

GB/T 20801規(guī)定，氣壓試驗免除的條件為：氣壓試驗具有危險性，或正試驗中由于低溫而出現(xiàn)脆性斷裂的危險，可采用9.1.7中的方法。

ASME B31.3對于氣壓試驗免除的條件及免除后的要求與GB/T 20801相同。

1.3 試驗盲板的設計

盲板是完成壓力試驗的一個非常重要的元件，盲板的厚度和安裝方式對于壓力試驗的安全性有著非常重要的作用。圖1為國外某項目水壓試驗現(xiàn)場，出現(xiàn)了盲板變形、焊縫開裂、管道彎曲、管托脫落。事故發(fā)生后分析原因，主要是由于盲板厚度不夠且與管道的連接強度也不高，因此高壓下引起變形，焊縫撕裂，導致盲板脫落，從而造成高壓水噴出，形成的反作用力將管線移位。

圖1 水壓試驗過程中焊接盲板脫落

壓力試驗用封頭盲板的最小厚度應按式(2)計算：

式中：t為盲板厚度；d為管道內徑；C取0.33；P為設計壓力(0.1 MPa)；S取1 379(碳鋼)，1 150(300系列不銹鋼)；E取1。

壓力試驗用插板的最小厚度應按式(3)計算：

式中：T為盲板厚度；d為突面或平面法蘭的墊片內徑，或環(huán)連接面墊片的平均直徑；P為設計壓力(0.1 MPa)；S取1 379(碳鋼)，1 150(300系列不銹鋼)；E取1；C取0。

2 嚴密性試驗(泄漏試驗)

泄漏試驗重點檢查部位是法蘭、閥門填料、螺紋接頭等位置的泄漏。

GB/T 20801中規(guī)定，對于輸送極度和高度危險流體以及可燃流體的管道，應進行泄漏試驗，試驗壓力為設計壓力。

ASME B31.3中沒有與之對應的泄漏試驗，但是在執(zhí)行海外項目時也需要進行系統(tǒng)泄漏試驗。國際工程公司常用的泄漏試驗試驗壓力規(guī)定如下。

(1)當操作壓力≤0.25 MPag時，試驗壓力為設計壓力和安全閥設定壓力減0.1 MPag中的較小者。

(2)當0.25 MPag＜操作壓力≤0.7 MPag時，試驗壓力為操作壓力。

(3)當操作壓力＞0.7 MPag時，試驗壓力等于0.7 MPag。

3 試壓包

由于一套煉油裝置一般包含數(shù)百條管線，除去大多數(shù)公用工程管線試驗壓力相同外，工藝管線、污油污水、放空氣、加藥等管線一般有著不同的試驗壓力，如果完全按照管道表進行試壓，則需要編制太多的試壓包，現(xiàn)場試壓工作量巨大。因此，為了減少試壓工作量，將連在一起且試壓壓力接近的管線可一起打壓，統(tǒng)一的試驗壓力應滿足每條管線最大值和最小值的要求。通常，不同管線劃在一個試壓包時，需要滿足以下條件：

(1)一般是相同的管道等級下合并，因為不同的管道等級所包含的閥門和法蘭的承壓能力相差很大，因此合并的可能性較??；

(2)閥門和法蘭按照相關標準的規(guī)定，最大允許值按1.5倍的38 ℃下的許用應力確定；

(3)管子、管件按試驗壓力應滿足本文對壓力試驗章節(jié)對試驗壓力的要求；

(4)同時，還應考慮特殊件、儀表件等對管線試驗壓力的限制；

(5)考慮到氣壓試驗的危險性，不建議對氣壓試驗管道進行合并，除非有完全相同的試驗壓力。