長輸管道嚴(yán)密性試壓穩(wěn)壓時(shí)間研究

閆 鋒，閆紅霞，谷英翠，王立國，黃少華

（1.中國石油管道科技研究中心，河北廊坊 065000；2.河北保定太行集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北保定 071000；3.中石油江蘇液化天然氣有限公司，江蘇如東 226400）

長輸管道嚴(yán)密性試壓穩(wěn)壓時(shí)間研究

閆 鋒1，閆紅霞2，谷英翠1，王立國3，黃少華3

（1.中國石油管道科技研究中心，河北廊坊 065000；2.河北保定太行集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北保定 071000；3.中石油江蘇液化天然氣有限公司，江蘇如東 226400）

建立了考慮管道內(nèi)壓、溫度、管容、試壓介質(zhì)的特性以及管道彈性變形等因素對長輸管道嚴(yán)密性試壓穩(wěn)壓時(shí)間影響的數(shù)學(xué)模型。利用該模型對某管道進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：相同壓降時(shí)，管容越大所需穩(wěn)壓時(shí)間越長；同一管容，管道內(nèi)壓越高，所需穩(wěn)壓時(shí)間越長?；诒灸Ｐ涂蔀殚L輸管道嚴(yán)密性試壓確定合理穩(wěn)壓時(shí)間。

長輸管道；嚴(yán)密性；試壓；穩(wěn)壓時(shí)間；數(shù)學(xué)模型

0 引言

長輸管道嚴(yán)密性試壓的目的是檢驗(yàn)管道的整體嚴(yán)密狀況，對管道投產(chǎn)后能否安全運(yùn)行起重要作用 。 所 以 GB 50251-2003、BS EN1594-2000、CSA-Z662-2007、ISO 13623-2000等多部規(guī)范都在管道試壓程序中規(guī)定必須進(jìn)行管道嚴(yán)密性試壓。但由于對管道嚴(yán)密性試壓的認(rèn)識(shí)不同，各國規(guī)范對于嚴(yán)密性試壓的穩(wěn)壓時(shí)間規(guī)定有較大差距[1-5]（見表1），最長達(dá)24 h，最短的沒有規(guī)定。穩(wěn)壓時(shí)間長，則能充分檢測管道的嚴(yán)密狀況以保證管道的安全運(yùn)行，但必然會(huì)大量增加工程費(fèi)用、延長工期，在時(shí)間、人力、物力上造成不必要的浪費(fèi)；穩(wěn)壓時(shí)間短，則不能充分檢驗(yàn)管道的嚴(yán)密狀況，給管道的安全運(yùn)行留下隱患。文獻(xiàn) [6-8]都提出了制訂合理穩(wěn)壓時(shí)間的必要性，并定性地提出管容及壓力對穩(wěn)壓時(shí)間有較大影響。因此，建立符合工程實(shí)際的計(jì)算長輸管道嚴(yán)密性試壓穩(wěn)壓時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，綜合分析各種因素對穩(wěn)壓時(shí)間的影響，定量確定管道的合理穩(wěn)壓時(shí)間，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 氣試壓穩(wěn)壓時(shí)間

1.1.1 管道容積變化量

嚴(yán)密性試壓過程中，管道容積的變化量主要受管道內(nèi)壓及試壓介質(zhì)溫度的影響，即：

表1 國內(nèi)外關(guān)于穩(wěn)壓時(shí)間的對比[1-5]

1.1.1.1 壓力對管道容積的影響

根據(jù)管道受力狀態(tài)，內(nèi)壓對管道容積的變化量可表達(dá)為[9]：

式中L——管道長度/m；

D——管道外直徑/m；

δ——管道壁厚/m；

ν——管材泊松比；

E——管材彈性模量/Pa。

1.1.1.2 溫度對管道容積的影響

在管道嚴(yán)密性試壓過程中，當(dāng)介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)，管道的截面積與長度都將發(fā)生變化，并影響管道的容積。根據(jù)埋地管道受力狀態(tài)，溫度變化對管道容積的變化量可表達(dá)為[10]：

1.1.2 氣體體積變化量

當(dāng)管道存在一定的泄漏時(shí)，管道內(nèi)氣體的體積與泄漏時(shí)間t有關(guān)。同時(shí)，管道內(nèi)壓的變化及試壓介質(zhì)溫度的變化也將引起氣體體積的變化，綜合考慮主要因素對管道內(nèi)氣體體積的影響，可表達(dá)為：

1.1.2.1 泄漏對管道內(nèi)氣體體積的影響

由于實(shí)際管壁泄漏孔形狀復(fù)雜，為處理問題方便，將其等價(jià)為當(dāng)量孔徑為d的薄壁圓孔。根據(jù)伯努利方程可得單位時(shí)間內(nèi)泄漏到大氣中氣體的體積：

式中V′——試壓介質(zhì)泄漏到大氣中的泄漏率（以體積減少為負(fù)） /（m3/s）；

ρ——試壓介質(zhì)密度/（kg/m3）；

μ——薄壁圓孔的流量系數(shù)，通常取μ＝0.62[11]。

不考慮與外界能量交換，假設(shè)氣體泄漏為絕熱膨脹，則由理想氣體狀態(tài)方程可得：

式中V——管道內(nèi)壓下試壓介質(zhì)的體積泄漏率/（m3/s）；

P′——大氣壓/Pa；

k——?dú)怏w絕熱指數(shù)。

SY/T 5922-2003《天然氣管道運(yùn)行規(guī)范》中規(guī)定允許壓降不超過1%[12]，即壓降變化很小，則單位時(shí)間內(nèi)由于泄漏引起試壓介質(zhì)體積的變化量可近似為：

式中P0——嚴(yán)密性試壓初始壓力/Pa。

1.1.2.2 壓力及溫度變化對氣體體積的影響

1.1.3 氣試壓穩(wěn)壓時(shí)間數(shù)學(xué)模型

根據(jù)連續(xù)性方程，管道體積的變化量等于管道內(nèi)氣體的體積變化量之和，即可表達(dá)為：

1.2 水試壓穩(wěn)壓時(shí)間

1.2.1 管道容積變化量

由式 （5）可知，由壓力和溫度引起管道容積的變化量為：

1.2.2 水體積的變化量

管道內(nèi)水體積的變化量主要受泄漏時(shí)間、管道內(nèi)壓及試壓介質(zhì)溫度的影響，可表達(dá)為：

1.2.2.1 泄漏對水體積的影響

根據(jù)伯努利方程，單位時(shí)間內(nèi)由于泄漏引起試壓介質(zhì)水體積的減少量可近似表達(dá)為：

1.2.2.2 壓力變化對水體積的影響

水在壓強(qiáng)作用下有體積縮小的性質(zhì)，可表達(dá)為：

式中 βP——壓縮系數(shù)/（MPa）-1，結(jié)合管道實(shí)際情況可以參考水在20℃、10 MPa時(shí)的壓縮系數(shù) βP=4.608 3 × 10-4。

1.2.2.3 溫度變化對水體積的影響

溫度變化對水體積的影響可表達(dá)為：

1.2.3 殘留管內(nèi)氣體體積的變化量

考慮到在進(jìn)行嚴(yán)密性水試壓時(shí)，完全排盡空氣是不可能的，因此需要考慮管段中殘存少量空氣的影響。設(shè)管道內(nèi)殘余空氣在嚴(yán)密性試壓壓力P0下的體積為V′=f·V0，f為氣體體積與管容的百分比。由于氣體體積受溫度和管道內(nèi)壓的影響，因此可表達(dá)為：

1.2.3.1 管道內(nèi)壓對氣體體積的影響

由于進(jìn)行嚴(yán)密性試壓時(shí)壓力變化較小，由氣體狀態(tài)方程，可以得到在一定溫度下壓力變化引起的氣體體積變化量：

1.2.3.2 溫度變化對氣體體積的影響

由于管道內(nèi)含氣量很少，設(shè)小孔泄漏的全部為水。根據(jù)連續(xù)性方程，則管道體積的變化量之和等于管道內(nèi)水及殘留氣體的體積變化量之和。

方程 （29）就是計(jì)算長輸管道嚴(yán)密性試壓穩(wěn)壓時(shí)間的數(shù)學(xué)模型。Z（t）為當(dāng)量孔徑為d的薄壁圓孔在時(shí)間t內(nèi)的泄漏量，X（T）為溫度變化dT時(shí)試壓介質(zhì)相對于管道的體積增量，Y（P）為壓力變化dP時(shí)試壓介質(zhì)相對于管道的體積增量。方程 （29）反映了管道嚴(yán)密性試壓穩(wěn)壓時(shí)間t與管道試壓壓力P0、管徑D、管容V0、泄漏孔當(dāng)量孔徑d及溫度變化dT的關(guān)系。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

加拿大的NOVA研究技術(shù)中心的K.K.Botros和J.Geerligs，為了檢測管壁上不同尺寸小孔在空氣試壓時(shí)的泄漏能力，曾做過管壁小孔泄漏試驗(yàn)[14]。試驗(yàn)管道參數(shù)見表2，當(dāng)量孔徑取0.166 8、0.178 8、0.304 1、0.705 6、1.691 1mm五種尺寸，并測出了相應(yīng)的壓力和溫度隨時(shí)間變化的曲線。根據(jù)試驗(yàn)中當(dāng)量孔徑尺寸及相應(yīng)溫度變化和泄漏時(shí)間，代入本文中數(shù)學(xué)模型公式得到壓力隨時(shí)間變化曲線，其與試驗(yàn)曲線對比見圖1。每個(gè)當(dāng)量孔徑小孔泄漏時(shí)的壓力值與計(jì)算值平均誤差見表3，總的平均誤差僅為6.45%，表明本文建立的模型與實(shí)際情況基本吻合。

表2 試驗(yàn)管道參數(shù)

表3 壓力計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差

3 穩(wěn)壓時(shí)間影響因素分析

按西氣東輸某一段管道參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，設(shè)管徑D=101 6 mm，管壁厚度δ＝14.6 mm，管材彈性模量E=210 GPa，泊松比ν＝0.3，水密度ρ水＝1 000 kg/m3，管道內(nèi)壓P0=10 MPa，管長為工程中常用的閥間距L=32 km。按照SY/T5922-2003《天然氣管道運(yùn)行規(guī)范》中規(guī)定取允許壓降dP/P0不超過1%。水試壓時(shí)管道中含氣量一般不大于管容的0.2%[15]。下面算例分析，除非特指，采用壓降1%，水試壓時(shí)含氣量為管容的0.2%。

3.1 泄漏當(dāng)量孔徑的選取

管道嚴(yán)密性試壓的穩(wěn)壓時(shí)間越長，能檢測出管壁上小孔的當(dāng)量孔徑就越小，管道運(yùn)行就越安全，但工程費(fèi)用就越高，工期也就越長。為此，選取合理的管壁泄漏當(dāng)量孔徑是首要問題。圖2給出了管道嚴(yán)密性試壓時(shí)產(chǎn)生不同壓降所需穩(wěn)壓時(shí)間與管壁上薄壁圓孔當(dāng)量孔徑變化的關(guān)系。

從圖2可以看出，嚴(yán)密性水試壓時(shí)，在穩(wěn)壓時(shí)間24 h內(nèi)產(chǎn)生壓降為1% （0.1MPa）時(shí)，可檢測到管壁最大當(dāng)量孔徑尺寸為0.6 mm，氣試壓時(shí)相應(yīng)值為5 mm。也就是說，同一當(dāng)量孔徑薄壁圓孔泄漏產(chǎn)生相同壓降時(shí)，氣試壓比水試壓需要的穩(wěn)壓時(shí)間長得多。所以在規(guī)范BS EN1594-2000、CSAZ662-2007、ISO 13623-2000中都規(guī)定盡量采用水試壓，在特殊情況下進(jìn)行氣試壓時(shí)穩(wěn)壓時(shí)間要適當(dāng)延長。綜合考慮圖2所示曲線和工程要求，在進(jìn)行嚴(yán)密性水試壓時(shí)，除非特指以下計(jì)算均取當(dāng)量孔徑為0.6mm，在進(jìn)行嚴(yán)密性氣試壓時(shí)，取當(dāng)量孔徑為5mm。

3.2 水試壓時(shí)管內(nèi)含氣量的影響

管道進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，原則上要求必須排凈管道內(nèi)空氣，但從技術(shù)上講完全排除空氣是很困難的，管內(nèi)一般會(huì)殘留少量空氣。圖3給出了溫差為零時(shí)，不同含氣量時(shí)壓降與穩(wěn)壓時(shí)間的關(guān)系。從圖3可以看出，相同壓降時(shí)管內(nèi)含氣量越多，需要穩(wěn)壓時(shí)間越長。目前各國規(guī)范對管道嚴(yán)密性液體試壓的管內(nèi)含氣量都沒有明確規(guī)定，但如圖3所示，含氣量對穩(wěn)壓時(shí)間影響較大。當(dāng)欲檢測管道管壁最小泄漏當(dāng)量孔徑達(dá)0.6 mm、壓降1%時(shí)，管道內(nèi)含氣量為0.2%所需要的穩(wěn)壓時(shí)間比含氣量0%時(shí)所需穩(wěn)壓時(shí)間多了近6 h。因此，在技術(shù)條件允許的情況下，有必要對此進(jìn)行規(guī)定，使其達(dá)到最小。

3.3 管道內(nèi)壓、管容的影響

當(dāng)管道試壓長度或管徑不同時(shí)，其管容不同。圖4給出了西氣東輸管段進(jìn)行水試壓和氣試壓時(shí)，溫差為零、管容V為1.0萬～3.0萬m3，產(chǎn)生壓降為1%所需的穩(wěn)壓時(shí)間與管內(nèi)壓力變化的關(guān)系。由圖4可以看出，同一試壓壓力時(shí)，管容越大所需穩(wěn)壓時(shí)間越長；同一管容時(shí)，壓力越大所需穩(wěn)壓時(shí)間越長。即對于大口徑、高壓力管道，嚴(yán)密性試壓所需穩(wěn)壓時(shí)間較長；小口徑、低壓力管道，所需穩(wěn)壓時(shí)間應(yīng)適當(dāng)減少?；诒疚乃Ｐ?，根據(jù)管道基本尺寸、壓力等級及期望檢測的管壁最小當(dāng)量孔徑，可以幫助施工者確定合理穩(wěn)壓時(shí)間。

3.4 溫度對水壓試驗(yàn)的影響

在冬季進(jìn)行水試壓時(shí)，如果環(huán)境溫度低于0℃，通常采用熱水試壓，溫度下降較大，引起管道壓降也較大，此時(shí)必須計(jì)算溫度變化對水壓試驗(yàn)的影響，判斷管道壓降是否為管道泄漏引起。圖5給出了采用不同溫度的熱水進(jìn)行管道試壓且管道無泄漏時(shí)，溫度下降引起管道的壓降情況。可以看出，采用熱水試壓，溫度下降較大時(shí)產(chǎn)生的壓降遠(yuǎn)大于1%，并且溫度下降相同時(shí)，試壓水溫越高，壓降越明顯。對于不同類型的管道可按照本文所建模型來判斷壓降是否屬于管道泄漏問題。

4 結(jié)論

（1）同一當(dāng)量孔徑小孔，產(chǎn)生相同壓降時(shí)，氣試壓比水試壓所需的穩(wěn)壓時(shí)間長得多。因此，管道嚴(yán)密性試壓應(yīng)盡量采用水試壓，在特殊情況下不得不采用氣試壓時(shí)，應(yīng)延長穩(wěn)壓時(shí)間，并且最好加入方便檢測的物質(zhì) （如嗅味劑、示蹤劑等）。

（2）水試壓時(shí)，管內(nèi)含氣量與穩(wěn)壓時(shí)間關(guān)系密切，相同壓降時(shí)管內(nèi)含氣量越多穩(wěn)壓時(shí)間越長。因此，在技術(shù)條件允許的情況下，應(yīng)盡可能地減少水試壓時(shí)管道內(nèi)的空氣含量。

（3）相同壓降時(shí)，管容越大所需穩(wěn)壓時(shí)間越長。同一管容，管道內(nèi)壓越高，所需穩(wěn)壓時(shí)間越長。

（4）溫度變化對水壓試驗(yàn)結(jié)果有很大影響，利用本模型可以科學(xué)判斷管道壓降是否屬于管道泄漏問題，為冬季熱水試壓試驗(yàn)結(jié)果的判定提供了參考。

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Study on Duration of Tightness Test for Long-distance Pipeline

YAN Feng（PetroChina Pipeline R&D Center,Langfang 065000,China）,YAN Hong-xia,GU Ying-cui,et al.

The mathematical model for determining the tightness test duration of long-distance pipeline is developed,which has considered the influence of following aspects:the pipeline pressure,the temperature,the pipeline volume,the characteristics of the test medium,the pipeline elastic deformation and other factors.According to the mathematical model,calculation for a pipeline is carried out.The results show that for the same pressure dropping,the larger the pipeline volume is,the longer the tightness test duration will need;for the same pipeline volume,the higher the pipeline pressure is,the longer the tightness test duration will need.For particular pipelines,the reasonable tightness test duration can be determined based on the mathematical model built in this paper,which can provide some references for engineering practice.

long-distance pipeline;tightness;pressure test;duration of stable pressure;mathematical model

TE973.6

A

1001－2206（2011）06－0001－06

閆 鋒 （1976-），男，河北定州人，工程師，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué) （北京），博士研究生。從事油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的研究工作。

2011-02-21