油氣長(zhǎng)輸管道在大落差山區(qū)中水壓和氣壓試驗(yàn)的優(yōu)劣分析

李俊

（重慶燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司，重慶 400020）

0 引言

大落差山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道存在較大起伏，這使得管道的試壓難度較高，氣壓試驗(yàn)與水壓試驗(yàn)的選擇近年來(lái)開始引起重視。為保證大落差山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道試驗(yàn)?zāi)軌虬踩?、順利完成，正是本文圍繞該課題開展具體研究的原因所在。

1 水壓和氣壓試驗(yàn)優(yōu)劣分析

油氣管道試壓可選擇空氣或潔凈水作為介質(zhì)，惰性氣體、天然氣等也可以用于試壓，必要時(shí)還可以選擇防凍液。在油氣管道的早期試壓中，最常用的試壓介質(zhì)為空氣，但受到20 世紀(jì)70 年代前多次出現(xiàn)的油氣管道空氣試驗(yàn)事故影響，近年來(lái)油氣管道試壓更多選擇水壓試驗(yàn)方式，油氣管道氣壓試驗(yàn)很容易引發(fā)爆炸、撕裂等事故，這是由于管道缺陷處會(huì)因氣壓試驗(yàn)出現(xiàn)破裂或泄露，在管道開裂擴(kuò)展速度大于氣體試壓介質(zhì)減壓速度的情況下，止裂要求可能無(wú)法由管道止裂韌性滿足，嚴(yán)重的次生災(zāi)害及大段管道破裂會(huì)因此出現(xiàn)，這使得油氣管道的氣壓試驗(yàn)需要較為謹(jǐn)慎進(jìn)行。對(duì)于本文研究的大落差山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道試壓來(lái)說(shuō)，由于長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)主要在中低壓輸氣管道開展氣壓試驗(yàn)，大落差山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道氣壓試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)較為缺乏，具體在試壓工藝和設(shè)備、管材韌性分析、氣壓試驗(yàn)規(guī)范方面存在一定不足，這種情況下油氣管道氣壓試驗(yàn)本身具備的高效、環(huán)境保護(hù)、不受溫度和積極影響等等優(yōu)勢(shì)無(wú)法充分發(fā)揮，大落差山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道試壓安全也可能受到威脅[1]。

對(duì)于具備不可壓縮性特點(diǎn)的水來(lái)說(shuō)，相較于管道開裂擴(kuò)展速度，作為試壓介質(zhì)的水減壓速度更大，因此油氣管道水壓試驗(yàn)的安全性更高，不會(huì)引發(fā)嚴(yán)重次生災(zāi)害和大段破壞，這使得水壓試驗(yàn)近年來(lái)在我國(guó)油氣管道試驗(yàn)中大量應(yīng)用，屬于大落差山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道試壓的主要方式。在水壓試驗(yàn)過(guò)程中，需要準(zhǔn)確提高管道整體試壓強(qiáng)度，直至110%管道屈服強(qiáng)度，這種試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)對(duì)油氣管道缺陷的充分暴露，管道運(yùn)行壓力提升及安全運(yùn)行可由此順利實(shí)現(xiàn)。結(jié)合現(xiàn)行《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50251—2015）可以了解到，一、二類地區(qū)可選擇水或氣體用于油氣管道試壓，三、四類地區(qū)油氣管道試壓介質(zhì)需要選擇水。如對(duì)新管道進(jìn)行試壓且存在1.0 的焊縫系數(shù)，三、四類地區(qū)可開展空氣試壓。結(jié)合相關(guān)理論研究和實(shí)踐探索可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)選擇水作為試驗(yàn)介質(zhì)用于三、四類地區(qū)油氣管道試壓，如開展空氣試壓，則需要采用一定措施保證試驗(yàn)安全?？偟膩?lái)說(shuō)，油氣長(zhǎng)輸管道在大落差山區(qū)中的試壓需要首先選擇水作為試壓介質(zhì)，如不具備使用水作為試壓介質(zhì)的條件，則需要在管道焊接和環(huán)向應(yīng)力滿足要求的前提下進(jìn)行空氣試壓，這說(shuō)明水壓試驗(yàn)更適合用于油氣長(zhǎng)輸管道在大落差山區(qū)試驗(yàn)，氣壓試驗(yàn)僅為特殊條件下的備選方案[2]。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

為提升研究的實(shí)踐價(jià)值，本文以西氣東輸某標(biāo)段為例，管道全長(zhǎng)77.5km，線路存在較大起伏，最大存在621m 高差，沿線地區(qū)缺乏水資源。案例標(biāo)段采用X70材質(zhì)的管段，管段中一類地區(qū)的管道規(guī)格分為兩種，包括D1016×14.6mm、D1016×17.5mm，同時(shí)存在10MPa 的設(shè)計(jì)工作壓力。管段中二類地區(qū)的管道規(guī)格分為兩種，包括D1016×17.5mm、D1016×21.0mm。結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范，一類地區(qū)、二類地區(qū)需要按照1.1 倍、1.25 倍設(shè)計(jì)壓力作為最低試驗(yàn)壓力，同時(shí)工程基于設(shè)計(jì)劃分地區(qū)等級(jí)開展試壓，同時(shí)充分考慮安全因素。結(jié)合國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，為降低現(xiàn)場(chǎng)施工難度，具體以滿足規(guī)范規(guī)定的最高點(diǎn)壓力作為試驗(yàn)壓力，段落劃分總原則為不超過(guò)0.95倍鋼管最低屈服強(qiáng)度的低點(diǎn)管道環(huán)向應(yīng)力，因此需要基于式（1）計(jì)算管道允許的最大試驗(yàn)壓力。

結(jié)合計(jì)算，可求得管道最高、最低試驗(yàn)壓力，具體如表1 所示。

表1 管道試驗(yàn)壓力

對(duì)于厚度為14.6mm 的鋼管，一類地區(qū)管道分段所允許最大高差為216m。厚度為21.0mm 鋼管，二類地區(qū)管道分段所允許最大高差為643m。厚度為17.5mm 的鋼管，一類地區(qū)、二類地區(qū)管道分段所允許最大高差分別為477m、327m。結(jié)合計(jì)算結(jié)果及施工場(chǎng)地和現(xiàn)場(chǎng)水源實(shí)際情況，案例工程的水壓試驗(yàn)基于5 個(gè)段落開展，具體情況如表2 所示。

表2 試壓段落情況

2.2 上水方案編制

在大落差山區(qū)開展長(zhǎng)輸管道水壓試驗(yàn)時(shí)，缺乏管道沿途試壓水源的情況很容易出現(xiàn)，為保證試驗(yàn)順利開展，管道一般需要從距離較遠(yuǎn)處連續(xù)上水，但在起伏頻繁、落差大的大落差山區(qū)管道特點(diǎn)影響下，較高的大排量高揚(yáng)程注水泵功率和價(jià)格、山區(qū)相對(duì)欠缺的電力供應(yīng)均會(huì)影響水壓試驗(yàn)順利開展，因此必須聚焦上水方案的科學(xué)編制。在案例管段，由于當(dāng)?shù)貒?yán)重缺水，試壓用水來(lái)源水庫(kù)與管道起點(diǎn)距離為5km，基于工程要求，案例標(biāo)段需要通過(guò)上一標(biāo)段進(jìn)行試壓用水的整體上水，因此可以視作管道起點(diǎn)處為水源，圖1 為案例標(biāo)段管道分布情況。

圖1 案例標(biāo)段管道分布情況

結(jié)合圖1 進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，如第二試壓段內(nèi)高點(diǎn)能夠由上水水頭順利翻越，水壓試驗(yàn)過(guò)程中的上水工作即可順利完成，由此開展的上水方案編制需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)用電可行性與上水設(shè)備費(fèi)用。具體需要在表2中的編號(hào)1 試壓段起點(diǎn)進(jìn)行一級(jí)提水裝置設(shè)置，具體設(shè)置多級(jí)離心泵4 臺(tái)，流量、揚(yáng)程分別為46m3/h、500m；編號(hào)2 試壓段起點(diǎn)進(jìn)行二級(jí)提水裝置設(shè)置，具體設(shè)置多級(jí)離心泵4 臺(tái)，流量、揚(yáng)程分別為46m3/h、400m，地勢(shì)高差可由此克服，編號(hào)2、3、4、5 試壓段間通過(guò)連通管進(jìn)行直接連接，連續(xù)上水可由此實(shí)現(xiàn)。結(jié)合具體的水壓試驗(yàn)可以確定，上述方案順利完成上水任務(wù)，在密閉連續(xù)上水下，缺水問(wèn)題有效解決。

2.3 壓力試驗(yàn)

完成上水后，考慮到環(huán)境溫度與注入水溫度間存在一定差值，為保證試壓高精度完成，需要等待一定時(shí)間作為穩(wěn)定期，最短為24h。在升、穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)試壓系統(tǒng)，通過(guò)分析各種情況，保證處理及時(shí)性和針對(duì)性，具體監(jiān)控可圍繞以下幾方面進(jìn)行：

（1）數(shù)據(jù)采集。案例標(biāo)段水壓試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)過(guò)程使用的設(shè)備包括壓力圖表記錄儀、渦輪流量計(jì)、彈簧管型壓力表、壓力天平、溫度記錄儀，這類設(shè)備的科學(xué)應(yīng)用極為關(guān)鍵。

（2）“壓力－比體積”圖繪制。水壓試驗(yàn)過(guò)程還需要做好對(duì)“壓力－比體積”圖的繪制，這一過(guò)程需聚焦注水量增加下壓力的變化情況，具體變化如式（2）所示。

ΔV=VΔP［（D/Et）（1-ω2）+1/K］。（2）

式（2）中的ΔV、ΔP、ω 分別為升壓過(guò)程中注入管道的水、壓力增加量、泊松系數(shù)，K、t、E、D、V 分別為水的彈性模量、管道壁厚、管材陽(yáng)氏彈性系數(shù)、管道外徑、試壓系統(tǒng)容積?；谏鲜剑瑱M坐標(biāo)、縱坐標(biāo)分別為ΔV、ΔP，可得到注水升壓環(huán)節(jié)試壓管道系統(tǒng)的“壓力－比體積”圖，圖2 為編號(hào)5 試壓段“壓力－比體積”[3]。

圖2 西氣東輸編號(hào)5 試壓段“壓力－比體積”

（3）分析溫度?；诂F(xiàn)行規(guī)范要求，在開展油氣管道強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)4h 后，嚴(yán)密性實(shí)驗(yàn)需要按照24h 開展，具體以試壓允許的壓力降作為嚴(yán)密性和強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。在嚴(yán)密性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要保證存在不大于0.1MPa的壓降值，同時(shí)該值需要控制在1%試驗(yàn)壓力內(nèi)?？紤]到埋地管道存在較小溫度變化，上述要求能夠較好滿足，但在穿越河流、公路時(shí)，長(zhǎng)輸管道的單獨(dú)試壓極為關(guān)鍵，在大氣中暴露的管道存在較大溫度變化，管道泄漏與溫度變化引發(fā)的試壓壓力變化存在較高分辨難度，因此需要針對(duì)性分析壓力和溫度帶來(lái)的影響，具體分析基于式（3）進(jìn)行。

式中：ΔP——壓力變化；K——水的彈性模量；t——管道壁厚；E——管材陽(yáng)氏彈性系數(shù)；D——管道外徑；x——鋼材線形熱膨脹系數(shù)；ω——泊松比。以案例管段的X70 管道為例，規(guī)格為D1016×17.5mm，在25℃的試壓溫度下降至22℃時(shí)，通過(guò)式（3）進(jìn)行計(jì)算可確定存在991.2kPa 的壓力下降，該值遠(yuǎn)超出規(guī)范要求。為保證水壓試驗(yàn)順利開展，必須精確測(cè)量試壓介質(zhì)具體溫度，進(jìn)而對(duì)壓力變化原因開展深入研究。

2.4 泄壓排水

完成水壓試驗(yàn)后，排水作業(yè)極為關(guān)鍵，這一環(huán)節(jié)需要設(shè)置壓風(fēng)機(jī)于排水口的另一端，以此推動(dòng)排水球完成排水，這一過(guò)程需考慮起伏頻繁、落差較大山區(qū)特點(diǎn)，保證排水方案科學(xué)性與實(shí)用性，保證排水施工順利完成，具體泄壓排水要點(diǎn)為：①排水背壓控制。排水背壓需要在泄壓排水環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制，基于管段高點(diǎn)壓力，需保證背壓控制在0.3MPa 及以上，排水閥需要在排水時(shí)緩慢開關(guān)，避免管道因水擊破壞。②不得直接排水。在完成水壓試驗(yàn)后，不得將低端閥門打開進(jìn)行直接排水，這是由于大落差山區(qū)管道無(wú)法自流排空水分，壓力下降至一定值的管道會(huì)導(dǎo)致排水口進(jìn)入大量空氣，氣穴會(huì)隨之形成，排水壓力會(huì)因壓力疊加顯著提升。③順序控制。具體的泄壓排水需要結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況，首先選擇排水壓力低且高差小的段落，完成排水后不得排掉壓縮空氣，而是需要將其作為儲(chǔ)氣段，用于其他段排水的加壓，排水球運(yùn)行速度提升、設(shè)備利用率提高可順利實(shí)現(xiàn)。如案例管段選擇編號(hào)3 試壓段首先排水，該段儲(chǔ)壓進(jìn)一步用于編號(hào)2 試壓段排水，之后依次開展編號(hào)1 試壓段、編號(hào)4 試壓段、編號(hào)5 壓段的排水，這一過(guò)程需同時(shí)關(guān)注排水緩沖設(shè)施的安裝，最大程度降低泄壓排水對(duì)周邊環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面影響。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水壓試驗(yàn)更適合用于大落差山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道試壓。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的上水方案編制、壓力試驗(yàn)、泄壓排水等內(nèi)容，則提供了可行性較高的大落差山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道水壓試驗(yàn)路徑。為更好開展水壓試驗(yàn)，安全管理工作的細(xì)致開展、相關(guān)人員的嚴(yán)格培訓(xùn)、新技術(shù)與設(shè)備的積極應(yīng)用同樣需要得到重視。