LNG項(xiàng)目管線氣壓試驗(yàn)安全距離估算與選取

張維 楊繼成 王爽 黃盛海 董佳鑫

摘 ? ?要：在LNG模塊化建造項(xiàng)目的管線工程中，管線試壓是其關(guān)鍵工作過(guò)程，特別是管線氣壓試驗(yàn)危險(xiǎn)性高，綜合性強(qiáng)，安全要求嚴(yán)格。本文以加拿大LNG項(xiàng)目管線氣壓試驗(yàn)為依托，重點(diǎn)探討如何估算LNG項(xiàng)目管線氣壓試驗(yàn)儲(chǔ)能與安全距離，分析不同試驗(yàn)壓力、試壓體積對(duì)安全距離的影響，為L(zhǎng)NG項(xiàng)目的管線試壓提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：管線氣壓試驗(yàn)；安全距離；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U674.13?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Calculation and Application of Safety Distance of Piping Pneumatic Pressure Test in LNG Project

Zhang Wei， ?Yang Jicheng， ?Wang Shuang， ?Huang Shenghai， ?Dong Jiaxin

（ COOEC-Fluor Heavy Industries Co.， Ltd.， Zhuhai， 591000 ）

Abstract： Piping pneumatic pressure test is a work item with high risk， strong comprehensiveness and strict safety requirements in LNG project. Based on the LNG project， this article focuses on the calculation of energy storage and safety distance of piping pneumatic pressure test of LNG project and analyzes the influence of different pressure and different test volume on safety distance， providing theoretical basis and experience for piping pneumatic pressure test of LNG project.

Key words： Piping pneumatic pressure test; Safety distance; Risk analysis

1 ? ? 前言

自60年代以來(lái)，模塊化技術(shù)在海洋工程行業(yè)發(fā)達(dá)的美國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)得到了迅速發(fā)展，已成為現(xiàn)代船舶與海洋工程中的重要技術(shù)之一。模塊化技術(shù)的不斷發(fā)展，引發(fā)了設(shè)計(jì)思想、建造工藝及項(xiàng)目管理上的重大變革。

模塊化設(shè)計(jì)、建造技術(shù)的思路，是把整個(gè)LNG站場(chǎng)設(shè)計(jì)成不同的區(qū)域模塊，這些模塊在不同的地點(diǎn)并行建造，建造完成后通過(guò)大型船舶運(yùn)輸?shù)秸緢?chǎng)所在地進(jìn)行總裝和調(diào)試，進(jìn)而完成整個(gè)LNG站場(chǎng)的建造。由于 LNG 站場(chǎng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及許多個(gè)子流程、子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)、子流程是由眾多的管線系統(tǒng)連接起來(lái)的，LNG 站場(chǎng)的尺寸要遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的海洋工程結(jié)構(gòu)物。

本文所引用的項(xiàng)目為加拿大LNG項(xiàng)目，是由荷蘭皇家殼牌公司、馬來(lái)西亞國(guó)家石油公司、中國(guó)石油天然氣股份有限公司、日本三菱公司、韓國(guó)天然氣公司合資，計(jì)劃建造一座有4條生產(chǎn)線、年產(chǎn)2 800萬(wàn)t的大型LNG廠，連接不列顛哥倫比亞省北部蒙特尼盆地產(chǎn)區(qū)至基提馬特670 km的沿海天然氣管道及配套天然氣液化設(shè)施、海運(yùn)碼頭等。該項(xiàng)目是加拿大歷史上LNG行業(yè)投資金額最大的項(xiàng)目，也是近年來(lái)全球金額最大的LNG行業(yè)投資項(xiàng)目。

眾所周知，在如此多模塊同時(shí)建造的大型LNG項(xiàng)目中，施工安全是重中之重。管線的氣壓試驗(yàn)在模塊建造過(guò)程中，一直被認(rèn)為是一種風(fēng)險(xiǎn)程度極高的試驗(yàn)方式，試驗(yàn)一旦發(fā)生爆炸，往往會(huì)造成較多人員傷亡和巨額財(cái)產(chǎn)損失，形成重大事故或特別重大事故。但不可否認(rèn)的是，氣壓試驗(yàn)雖然存在極大的風(fēng)險(xiǎn)，但在一定限制條件下卻不失為一種經(jīng)濟(jì)有效的檢驗(yàn)手段，關(guān)鍵是要采取切實(shí)有效的安全措施，尤其是對(duì)氣壓安全距離的準(zhǔn)確計(jì)算。

LNG模塊項(xiàng)目中管線的氣壓試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地有一些硬性要求：在安全距離范圍內(nèi)非試壓工作人員不得入內(nèi)，除試壓工作外不能同時(shí)進(jìn)行其它工作等。因此，準(zhǔn)確計(jì)算氣壓試驗(yàn)安全距離，再結(jié)合建造場(chǎng)地模塊布置，合理劃分氣壓包，確定和有效控制試驗(yàn)場(chǎng)地區(qū)域范圍，可以有效的提高生產(chǎn)效率，減少安全風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省試壓耗材，節(jié)約人力資源等。

2 ? ?壓力試驗(yàn)簡(jiǎn)介

2.1 ?壓力試驗(yàn)和密封試驗(yàn)

壓力試驗(yàn)是確定壓力管線系統(tǒng)內(nèi)所有部件的完整性，檢驗(yàn)承受工作壓力的能力和可靠性，通常被認(rèn)為是強(qiáng)度試驗(yàn)。

密封性試驗(yàn)是確定管線系統(tǒng)的密封性。密封性試驗(yàn)可以被認(rèn)為是壓力試驗(yàn)后，在投產(chǎn)前對(duì)管線系統(tǒng)密封性的驗(yàn)證。密封試驗(yàn)分為低壓泄露試驗(yàn)和操作壓力泄露試驗(yàn)，兩種試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力不同、目的不同，不可相互替代。

2.2 ? 壓力試驗(yàn)的目的

（1）檢查法蘭連接口和焊縫是否泄露；

（2）避免運(yùn)行中的故障和相關(guān)的安全問(wèn)題；

（3）篩選總體設(shè)計(jì)、材料、制造的缺陷；

（4）減少管線的機(jī)械應(yīng)力。

2.3 ? 管線壓力試驗(yàn)的類(lèi)型

壓力試驗(yàn)根據(jù)介質(zhì)不同可以分為：水壓試驗(yàn)；氣壓試驗(yàn)；水-氣混合試驗(yàn)。采用壓力試驗(yàn)有困難時(shí)，在滿(mǎn)足一定條件下亦可用100%無(wú)損檢測(cè)來(lái)替代壓力試驗(yàn)。

管線水壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力一般為1.5倍設(shè)計(jì)壓力，氣壓試驗(yàn)壓力一般為1.1倍設(shè)計(jì)壓力。由于壓縮氣體儲(chǔ)存能量，氣壓試驗(yàn)有潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此壓力試驗(yàn)應(yīng)平衡氣壓試驗(yàn)與水壓試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)和益處，以確定選用哪一種試驗(yàn)方式。通常壓力試驗(yàn)是以水壓試驗(yàn)為主，但在以下情況需考慮使用氣壓試驗(yàn)：

（1）直徑大、低壓的氣體管道。此類(lèi)管道一般距離比較長(zhǎng)，在正常生產(chǎn)時(shí)管道中的液體較少，若采用水壓試驗(yàn)，沿線管道荷載要按水壓試驗(yàn)荷載考慮，或者需要設(shè)置大量臨時(shí)支架；打壓時(shí)要消耗大量的水，多臺(tái)壓力泵同時(shí)打壓數(shù)天才能完成壓力試驗(yàn)，經(jīng)濟(jì)性較差；這類(lèi)管道壓力較低，采用氣壓試驗(yàn)即使出現(xiàn)管道爆裂，其后果不會(huì)特別嚴(yán)重；

（2）不允許存在少量水的工藝管道。這些管道主要包括：工藝介質(zhì)會(huì)與水發(fā)生反應(yīng)；氣固管線中存在水時(shí)，細(xì)小的固體顆粒會(huì)粘在一起堵塞管道，如干粉煤管線、飛灰管線等；氫氣管道極易泄漏且最小引燃電流小，如果管道內(nèi)存在鐵銹等雜質(zhì)容易產(chǎn)生靜電，一旦發(fā)生泄漏且存在靜電集聚時(shí)很容易引發(fā)火災(zāi)事故；當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)不具備足夠熱空氣或熱氮?dú)鈺r(shí)，氫氣管道或含氫管道有時(shí)候采用氣壓試驗(yàn)；

（3）試壓液體會(huì)損壞管線內(nèi)襯材料等情況，考慮使用氣壓試驗(yàn)；

（4）環(huán)境溫度不允許采用水壓試驗(yàn)，尤其在北方冬季氣溫較低，采用水壓試驗(yàn)存在結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)；如果加入抗凍劑，試壓廢水需要處理后才能排放，但施工期間水處理設(shè)施通常沒(méi)投入使用，不具備廢水存儲(chǔ)和處理的能力。因此北方項(xiàng)目遇到冬季試壓時(shí)，通常不做水壓試驗(yàn)，若進(jìn)度允許通常到天氣回暖后進(jìn)行壓力試驗(yàn)，若進(jìn)度不允許通常部分采用氣壓試驗(yàn)、部分采用無(wú)損檢測(cè)替代壓力試驗(yàn)。

在加拿大LNG項(xiàng)目中，因規(guī)定在PAU工藝模塊中管線操作溫度不超過(guò)0 ℃，或者設(shè)計(jì)溫度低于-50 ℃時(shí)管線需要保持一個(gè)干燥無(wú)水的狀態(tài)，若是使用水壓試驗(yàn)，管線內(nèi)可能會(huì)殘留液體，因此為了確保建造場(chǎng)地管線試壓后保持干燥，管線壓力試驗(yàn)采用氣壓試驗(yàn)。

3 ? ?氣壓試驗(yàn)安全距離估算與選取

3.1 ? 氣壓儲(chǔ)能計(jì)算

ASME PCC-2-2015， 給出氣壓試驗(yàn)儲(chǔ)能計(jì)算的公式如下：

（1）

式中：E—儲(chǔ)能，J；

k—試驗(yàn)介質(zhì)的比熱比；

Pa—絕對(duì)大氣壓，取值1.01×105 Pa；

Pat—絕對(duì)試驗(yàn)壓力，其值為表壓Pg與絕壓Pa之和，Pa；

V —壓力試驗(yàn)的管線總體積，m3 。

當(dāng)用空氣或者氮?dú)庾鲈噳航橘|(zhì)時(shí)，k =1.4，等式（1）變成：

（2）

在Excel中設(shè)置公式（2），得：

E=2.5*（Pg+101 300）*V*（1-（101 300/（Pg+101300））^0.286）

儲(chǔ)能換算成TNT當(dāng)量：

（3）

由上述公式（1）（2）（3）可知：

（1） 在已知試驗(yàn)壓力和管線體積的前提下，可計(jì)算出在試驗(yàn)壓力下的儲(chǔ)能與TNT當(dāng)量；

（2）在試驗(yàn)壓力一定的情況下，試壓體積與儲(chǔ)能成正比。

3.2 ? 氣壓試驗(yàn)安全距離估算與選取

3.2.1 安全距離估算

安全距離的取值，為上述（1）（2）（3）公式中R的最大值：

（1）當(dāng)E ≤ 1.355×108 J，R=30 m；

（2）當(dāng)1.355×108 J < E ≤ 2.71×108 J，R=60 m；

（3）R=Rscaled（2TNT） 1/3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：R為氣壓試驗(yàn)受沖擊波影響下，人員與試壓管線的最小安全距離，m；

Rscaled 為不同影響因素的安全距離系數(shù)，最小取20 m/kg1/3。

當(dāng)儲(chǔ)能E大于2.71×108 J時(shí)，如果最小安全距離不能滿(mǎn)足計(jì)算值，可替代的Rscaled值參考表 1。

根據(jù)上述規(guī)則，可以在Excel中設(shè)置一個(gè)計(jì)算最小安全距離的公式（Rscaled=20 m/kg1/3）：

R=MAX（IF（E<135 500 000，30， IF（E<271000000，60，60）），20*（E*2/4 266 920）^0.333 3）

3.2.2氣壓試驗(yàn)安全距離選取實(shí)例

（1）實(shí)例一：某氣壓包試驗(yàn)壓力為8800 kpa，當(dāng)氣壓包內(nèi)管線體積為80 m3時(shí)，通過(guò)公式（2）計(jì)算出儲(chǔ)能為1.2 853×109 J；帶入Excel設(shè)置的安全距離公式，向上取整得出安全距離為169 m；當(dāng)氣壓包內(nèi)管線體積為40 m3時(shí)，儲(chǔ)能為6.4 266×108 J，計(jì)算安全距離R為134 m。由此看出，當(dāng)試壓體積減少一半時(shí)，安全距離只減少了1/5，因此對(duì)于安全距離較大的氣壓試驗(yàn)，想通過(guò)把氣壓包拆散減少試壓體積從而減少試壓安全距離的方法不夠理想，且拆分氣壓包時(shí)會(huì)增加人力、場(chǎng)地工裝、試壓墊片等成本；對(duì)于試驗(yàn)壓力高、試壓管線體積大的氣壓試驗(yàn)，建議在夜間模塊附近沒(méi)有交叉作業(yè)且保證安全距離的條件下進(jìn)行。

（2）實(shí)例二：某氣壓包A，試驗(yàn)壓力為4400 kpa，氣壓包內(nèi)管線體積為10 m3，計(jì)算得出安全距離為65 m；某氣壓包B，試驗(yàn)壓力為4 400 kpa，氣壓包內(nèi)管線體積為15 m3，計(jì)算安全距離為75 m；如果將兩個(gè)氣壓包使用高壓軟管連接到同一個(gè)試壓管匯進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為4 400 kpa，聯(lián)合氣壓包內(nèi)管線體積為兩氣壓包體積之和25 m3，計(jì)算安全距離R為89 m。據(jù)此看出，如果此模塊在氣壓試驗(yàn)工作區(qū)的最大安全距離能達(dá)到或超過(guò)89 m，則可以考慮將兩個(gè)氣壓包聯(lián)合試壓，如果試壓區(qū)域不能滿(mǎn)足這一條件要求，則不能將A、B兩個(gè)氣壓包聯(lián)合進(jìn)行試壓。

3.3 ? 氣壓包分包原則

（1）同一氣壓包內(nèi)管線的壓力磅級(jí)要一致；

（2）同一氣壓包內(nèi)管線的試驗(yàn)壓力要一致；

（3）同一氣壓包內(nèi)管線試壓介質(zhì)要一致；

（4）同一氣壓包內(nèi)管線材質(zhì)要一致。

加拿大LNG項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)提供的Linelist中，有對(duì)應(yīng)管線材質(zhì)、壓力磅級(jí)、試驗(yàn)壓力、試壓介質(zhì)等信息，根據(jù)Linelist中試壓相關(guān)信息在P&ID用紅線標(biāo)出氣壓包范圍。

當(dāng)有相連管線（特別是焊接連接的管線）試驗(yàn)壓力不一樣的情況時(shí)，首先要確認(rèn)其壓力磅級(jí)，如果壓力磅級(jí)一樣，可在詳細(xì)設(shè)計(jì)方允許的情況下，采用較大的試驗(yàn)壓力聯(lián)合試壓。

3.4 ? 氣壓試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)分析

氣壓試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)分析主要考慮兩個(gè)因素：一個(gè)是可能性；另一個(gè)是結(jié)果。即

試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn) = 可能性 × 結(jié)果

LNG模塊項(xiàng)目經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這種情況：同一根管線在不同模塊中有做水壓試驗(yàn)，也有做氣壓試驗(yàn)。加拿大LNG項(xiàng)目中，工藝模塊要求做氣壓試驗(yàn)的管線連接到PAR管廊模塊中需做水壓試驗(yàn)，這是考慮到管廊模塊管線相對(duì)容易進(jìn)行清潔干燥，且距離容器設(shè)備較遠(yuǎn)，水壓試驗(yàn)后進(jìn)行清潔干燥也可以滿(mǎn)足項(xiàng)目要求；在設(shè)計(jì)壓力一樣的情況下，由于水壓的試驗(yàn)壓力比氣壓的試驗(yàn)壓力高，如果管廊部位水壓試驗(yàn)優(yōu)先完成，可以排除該種管線因設(shè)計(jì)壓力錯(cuò)誤導(dǎo)致試壓時(shí)管線破裂等危險(xiǎn)情況的發(fā)生；而在工藝模塊做氣壓試驗(yàn)時(shí)，由于此壓力試驗(yàn)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的可能性相對(duì)較低，試驗(yàn)存在的風(fēng)險(xiǎn)是可接受的。氣壓試驗(yàn)過(guò)程要嚴(yán)格按照工作安全分析表中的要求進(jìn)行，避免可能發(fā)生的危險(xiǎn)情況。長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)也有助于我們降低危險(xiǎn)發(fā)生的可能性，減少傷害發(fā)生，從而有效控制風(fēng)險(xiǎn)。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

管線的氣壓試驗(yàn)安全距離是氣壓試驗(yàn)中的重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)，本文重點(diǎn)解讀了ASME-PCC-2 Article 5.1中的氣壓試驗(yàn)安全距離計(jì)算公式，并轉(zhuǎn)化為Excel公式。對(duì)試驗(yàn)壓力、試壓體積對(duì)安全距離的影響進(jìn)行對(duì)比分析，并舉例說(shuō)明選取方法，為后續(xù)針對(duì)氣壓試驗(yàn)的安全距離問(wèn)題提供依據(jù)和借鑒。

參考文獻(xiàn)

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