國(guó)外油氣站場(chǎng)管道試壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)剖析

蔡 亮

中國(guó)航油集團(tuán)津京管道運(yùn)輸有限責(zé)任公司，天津 300300

0 前言

試壓是管道工程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)管道施工質(zhì)量、材料性能和管道整體質(zhì)量的綜合檢驗(yàn)，可以暴露和消除缺陷，保證管道運(yùn)行安全。長(zhǎng)輸管道試壓技術(shù)已較完善，高強(qiáng)度水壓試驗(yàn)做法已經(jīng)在國(guó)際上獲得認(rèn)可［1-2］。但輸油、輸氣站場(chǎng)管道試壓標(biāo)準(zhǔn)還需改進(jìn)，例如工藝管道高低壓區(qū)域劃分、嚴(yán)密性試壓持續(xù)時(shí)間等。

輸油、輸氣站場(chǎng)管道試壓的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)包括：美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.8-2007 《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》，ASME B31.4-2006《液態(tài)烴和其他液體管道輸送系統(tǒng)》，加拿大標(biāo)準(zhǔn)CSA-Z662-2007《石油和天然氣管道系統(tǒng)》，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BSPD 8010-1-2004《管道規(guī)范-第1部分：陸上鋼制管道》，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД153-39.4 p-118-2002《現(xiàn)役干線石油管道線路試驗(yàn)規(guī)則》、РД-16.01-74.20.00-КТН-058-1-2005《東西伯利亞-太平洋干線輸油管道設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)》、РД153-39ТН-008-1996《石油輸送站設(shè)備和設(shè)施的組織使用、技術(shù)維護(hù)和修理工藝手冊(cè)》、ОР07.00-45.21.30-КТН-004-2-2000《管道的技術(shù)維護(hù)和修理規(guī)程》等。借鑒國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)理念，對(duì)提高我國(guó)輸油、輸氣站設(shè)計(jì)和運(yùn)行水平具有重要意義。

1 試壓順序

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定先進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，再進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)管道操作壓力等級(jí)進(jìn)行不同類型的壓力試驗(yàn)，操作壓力較高，管道應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，嚴(yán)密性試驗(yàn)非強(qiáng)制性要求，或者二者合并進(jìn)行；操作壓力較低，允許只進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中試壓方式更為合理，例如：

a）ASMEB31.8-2007《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》規(guī)定輸氣站工藝管道操作壓力≥30%SMYS僅進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)；操作壓力＜30%SMYS且超過(guò)0.7MPa，一級(jí)地區(qū)僅進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)，在二、三、四級(jí)地區(qū)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)；操作壓力＜0.7MPa，僅進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)。

b）ASMEB31.4-2006《液態(tài)烴和其他液體管道輸送系統(tǒng)》規(guī)定輸油站工藝管道操作壓力＞20%SMYS應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，經(jīng)檢查確認(rèn)無(wú)泄漏，無(wú)需進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)；操作壓力≤20%SMYS應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)，代替強(qiáng)度試驗(yàn)。

c）CSA-Z662-2007《石油和天然氣管道系統(tǒng)》規(guī)定輸油氣站工藝管道操作壓力＞0.7MPa應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，隨后進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)，在1.1倍工作壓力下完成強(qiáng)度試驗(yàn)后立即進(jìn)行外觀泄漏檢測(cè)，可不進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)；以氣體作為試驗(yàn)介質(zhì)，強(qiáng)度試驗(yàn)和嚴(yán)密性試驗(yàn)允許合并進(jìn)行，但應(yīng)采用適合的方法檢測(cè)泄漏。操作壓力不高于0.7 MPa，僅進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)。

2 高低壓管道劃分原則

輸油、輸氣站場(chǎng)管道涉及多管徑、多異型管件，操作壓力等級(jí)多，管道類型多，應(yīng)采用分段試壓法，但國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)高低壓管道劃分原則較簡(jiǎn)略，不利于高壓管道驗(yàn)證承壓能力，而低壓管道存在高低壓串氣導(dǎo)致超壓隱患。例如GB 50540《石油天然氣站內(nèi)工藝管道工程施工規(guī)范》規(guī)定試壓前應(yīng)將壓力等級(jí)不同的管道和不宜與管道一起試壓的系統(tǒng)、設(shè)備、管件、閥門(mén)及儀器等隔離，分別進(jìn)行試壓。

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД153-39.4 p-118-2002 《現(xiàn)役干線石油管道線路試驗(yàn)規(guī)則》規(guī)定輸油站工藝管道按照工作壓力劃分為高壓管道和低壓管道，高壓管道指連接壓力調(diào)節(jié)裝置(輸油泵)和輸油站連接進(jìn)出站的管道，低壓管道指油庫(kù)區(qū)管道和給油泵匯管。РД-16.01-74.20.00-КТН-058-1-2005《東西伯利亞-太平洋干線輸油管道設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定站場(chǎng)進(jìn)站管道至過(guò)濾器，以及過(guò)濾器至輸油泵進(jìn)口壓力匯管屬于中壓管道，泵出口匯管至站場(chǎng)出站管道屬于高壓管道，過(guò)濾器污油管線、輸油泵房放空管線屬于低壓管道，具有借鑒意義。

3 嚴(yán)密性試驗(yàn)

研究表明，在強(qiáng)度試壓階段穩(wěn)壓足夠時(shí)間內(nèi)，未暴露缺陷的管道在低于試驗(yàn)壓力運(yùn)行時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)破裂事故，在嚴(yán)密性試驗(yàn)階段，主要是檢查管道有無(wú)泄漏點(diǎn)，應(yīng)保證必要的嚴(yán)密性持續(xù)時(shí)間。國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于嚴(yán)密性試驗(yàn)壓力和持續(xù)時(shí)間的規(guī)定見(jiàn)表1，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)壓力的規(guī)定基本一致，在1.0～1.1倍設(shè)計(jì)壓力之間。對(duì)持續(xù)時(shí)間差別較大，小于30min，甚至可不做嚴(yán)密性試驗(yàn)，或者與強(qiáng)度試驗(yàn)合并進(jìn)行，大于4～24 h，則需要進(jìn)一步研究確定。

文獻(xiàn)［3］建立了氣體試壓時(shí)嚴(yán)密性試壓穩(wěn)壓時(shí)間計(jì)算數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)式（1），研究了西氣東輸管道干線氣試壓穩(wěn)壓時(shí)間與管容、管徑和內(nèi)壓力等影響因素的關(guān)系，即管容越大、同一管容管徑越大、壓力越高的管道，需要的穩(wěn)壓時(shí)間越長(zhǎng)。以慶鐵三線某輸油站為例，管材選用X 65，［σs］=450MPa，嚴(yán)密性試驗(yàn)壓力為 7.0MPa，站內(nèi)管道系統(tǒng)容量約為1000m3，穩(wěn)壓時(shí)間與孔隙直徑的關(guān)系見(jiàn)圖1。

式中：μ為薄壁圓孔流量系數(shù)；d為泄漏孔隙簡(jiǎn)化為薄壁圓孔直徑，mm；p為試驗(yàn)壓力，MPa；ρ為水密度，kg/m3；t為穩(wěn)壓時(shí)間，h；V0為工藝管道系統(tǒng)容積，m3；Δp為試壓過(guò)程允許壓降率；v為鋼管泊松比；E為管材彈性模量，MPa；D為管外徑，mm；δ為管壁厚，mm；f為管道空氣含量。

表1 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于嚴(yán)密性試驗(yàn)的規(guī)定

圖1 慶鐵三線某輸油站泄漏孔徑直徑與穩(wěn)壓時(shí)間的關(guān)系

根據(jù)圖1，針對(duì)給定的輸油站，嚴(yán)密性試驗(yàn)所需穩(wěn)壓時(shí)間與檢測(cè)泄漏點(diǎn)直徑成反比關(guān)系，但進(jìn)一步延長(zhǎng)穩(wěn)壓時(shí)間對(duì)于檢測(cè)更小孔隙泄漏的效果有限，存在臨界穩(wěn)壓時(shí)間，圖1給出的臨界穩(wěn)壓時(shí)間約為7 h。建議國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)暫不修改嚴(yán)密性試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，對(duì)特定輸油、輸氣站場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況，按式（1）計(jì)算確定合理的嚴(yán)密性試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。

4 低溫條件下管道試壓技術(shù)

針對(duì)0℃以下管道試壓，國(guó)內(nèi)僅在長(zhǎng)度＜500m的油田集輸管道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［4］，試壓安全性、防止水凍結(jié)措施、注水設(shè)備性能等問(wèn)題還需改進(jìn)完善，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)僅為原則性規(guī)定，缺乏具體技術(shù)要求，例如GB 50251《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定試壓宜在環(huán)境溫度5℃以上進(jìn)行，否則應(yīng)采取防凍措施，或者使用含有結(jié)冰抑制劑的水。

國(guó)外高寒地區(qū)管道水試壓采用外電伴熱帶技術(shù)已有成功應(yīng)用先例，文獻(xiàn)［5］介紹了俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)BCH 011-1988《干線管道和工藝管道的建設(shè)》0℃以下管道試壓技術(shù)要求，包括季節(jié)性水源獲取、管道保溫防凍措施、試壓熱力參數(shù)計(jì)算和低溫冷凍液添加劑等。文獻(xiàn)［6］介紹了阿拉斯加高寒凍土區(qū)管道水壓試驗(yàn)技術(shù)，包括試壓前管道缺陷修復(fù)、試壓水加熱過(guò)濾重復(fù)利用、試壓過(guò)程進(jìn)水口熱力分析和溫度控制、排水口熱力沖蝕等，具有借鑒意義。

5 強(qiáng)度試驗(yàn)升壓程序

5.1 以水為介質(zhì)的強(qiáng)度試驗(yàn)

以水為介質(zhì)的強(qiáng)度試驗(yàn)升壓過(guò)程，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)基本一致，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)試驗(yàn)壓力等級(jí)，規(guī)定了升壓次數(shù)和階躍值，見(jiàn)表2。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了升壓過(guò)程壓力控制速率，還規(guī)定了升壓過(guò)程中空氣含量檢測(cè)方法，嚴(yán)格限定空氣含量以保證試壓強(qiáng)度的準(zhǔn)確性。例如GB 50540《石油天然氣站內(nèi)工藝管道工程施工規(guī)范》規(guī)定以水為介質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，升壓次數(shù)應(yīng)符合表2規(guī)定，升至各個(gè)階段壓力應(yīng)穩(wěn)壓30min，升壓速率不大于0.1MPa/min，經(jīng)檢查無(wú)泄漏可繼續(xù)升壓。

表2 強(qiáng)度試驗(yàn)升壓程序

英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BSPD 8010-1-2004《管道規(guī)范-第1部分：陸上鋼制管道》規(guī)定充壓過(guò)程應(yīng)以控制速率進(jìn)行，升壓速率可以0.1MPa/min速率增壓至95%試驗(yàn)壓力或者以0.05MPa/min速率升壓至試驗(yàn)壓力。記錄繪制沖水體積、壓力升高值和時(shí)間的曲線，按照?qǐng)D2方法計(jì)算空氣含量。檢測(cè)空氣含量和在60%、90%試驗(yàn)壓力時(shí)，試驗(yàn)壓力保持時(shí)間30min。

管道中空氣含量可能影響水壓試驗(yàn)精度，空氣含量不應(yīng)超過(guò)試驗(yàn)管道容量的0.2%。在升壓初始階段的壓力-體積曲線外延與體積軸相交，可估算空氣體積，并與理論壓力-體積曲線斜率進(jìn)行對(duì)比，理論斜率計(jì)算見(jiàn)式（2），如斜率偏差超過(guò)10%，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)段重新充壓。

圖2 升壓過(guò)程空氣含量檢測(cè)方法

5.2 以空氣為介質(zhì)的強(qiáng)度試驗(yàn)

以空氣為介質(zhì)的強(qiáng)度試驗(yàn)程序，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)基本一致，另外國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了試驗(yàn)完成后的降壓程序，具有借鑒意義。例如GB 50540《石油天然氣站內(nèi)工藝管道工程施工規(guī)范》規(guī)定以空氣為介質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，升壓值依次為試驗(yàn)壓力的10%、50%，若無(wú)泄漏，逐次增加10%的試驗(yàn)壓力直至100%，間隔5min，升壓速率應(yīng)＜0.1 MPa/min。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BSPD 8010-1-2004《管道規(guī)范-第1部分：陸上鋼制管道》規(guī)定氣體全試壓過(guò)程（強(qiáng)度試驗(yàn)和嚴(yán)密性實(shí)驗(yàn)合并完成），以0.7MPa/min速率升壓至1.25倍最大允許運(yùn)行壓力，保持45min，再以0.7MPa/min速率降至1.1倍最大允許運(yùn)行壓力，保持24 h，試壓完成后，以0.1MPa/min速率降至90%試驗(yàn)壓力值，再以0.2MPa/min速率繼續(xù)降壓。

6 工藝管道試壓周期

對(duì)輸油、輸氣站工藝管道試壓周期，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)規(guī)定。事實(shí)上，我國(guó)很多輸油、輸氣站場(chǎng)面臨服役時(shí)間長(zhǎng)、輸量低、腐蝕嚴(yán)重、未進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)等問(wèn)題，有必要進(jìn)行重新試壓和周期性試壓以驗(yàn)證其可靠性和剩余壽命［7］。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД153-39ТН-008-1996《石油輸送站設(shè)備和設(shè)施的組織使用、技術(shù)維護(hù)和修理工藝手冊(cè)》規(guī)定工藝管道試驗(yàn)每 8 a不少于1次；РД153-39.4 p-118-2002《現(xiàn)役干線石油管道線路試驗(yàn)規(guī)則》規(guī)定輸油站強(qiáng)度試驗(yàn)和嚴(yán)密性試驗(yàn)周期應(yīng)計(jì)入管道檢查時(shí)間，輸油站試驗(yàn)周期應(yīng)等于檢查周期的2倍，至少每8 a進(jìn)行1次；俄羅斯標(biāo)準(zhǔn) ОР07.00-45.21.30-КТН-004-2-2000《管道的技術(shù)維護(hù)和修理規(guī)程》規(guī)定工藝管道水壓試驗(yàn)每8 a至少進(jìn)行1次，或者根據(jù)管道設(shè)計(jì)參數(shù)和使用期限，確定水壓試驗(yàn)壓力，并給出是否實(shí)施維修作業(yè)的結(jié)論。

7 安全措施

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了試壓過(guò)程中的安全措施，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了試壓安全距離，更具有針對(duì)性。例如SY/T 5922-2012《天然氣管道運(yùn)行規(guī)范》規(guī)定試壓期間管道兩側(cè)各100m設(shè)為隔離區(qū)，嚴(yán)禁煙火和靜電火花；氣體試壓過(guò)程中，試驗(yàn)壓力從50%SMYS升至最大試驗(yàn)壓力，期間不允許人工巡線等。

英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BSPD 8010-1-2004《管道規(guī)范-第1部分：陸上鋼制管道》規(guī)定輸油氣站水壓試驗(yàn)安全距離為15m，氣壓試驗(yàn)開(kāi)始前，應(yīng)以0.15MPa壓力進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，檢查管道是否存在泄漏跡象，氣壓試驗(yàn)安全距離應(yīng)確定泄漏影響區(qū)域和爆炸半徑。文獻(xiàn)［8］運(yùn)用高壓氣體爆炸能量計(jì)算方法，計(jì)算了氣試壓時(shí)管道爆炸的損傷半徑，為制定氣試壓的現(xiàn)場(chǎng)安全措施提供了參考依據(jù)。

8 結(jié)論

a）建議對(duì)運(yùn)行壓力較低的管道，強(qiáng)度試驗(yàn)和嚴(yán)密性試驗(yàn)合并進(jìn)行，操作壓力低于0.7MPa的工藝管道僅進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)。

b）借鑒俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輸油、輸氣站場(chǎng)管道劃分為高壓、中壓和低壓管道；規(guī)定輸油、輸氣站工藝管道試壓周期。

c）建議針對(duì)特定輸油、輸氣站場(chǎng)的實(shí)際情況，根據(jù)嚴(yán)密性試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型確定合理的臨界穩(wěn)壓時(shí)間，可以適當(dāng)延長(zhǎng)穩(wěn)壓時(shí)間以便檢測(cè)更細(xì)微的泄漏點(diǎn)。

d）借鑒俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)和阿拉斯加管道關(guān)于0℃以下管道試壓的技術(shù)要求。

e）建議以水為介質(zhì)的強(qiáng)度試驗(yàn)程序，借鑒英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的空氣含量檢測(cè)方法；以空氣為介質(zhì)的強(qiáng)度試驗(yàn)程序，借鑒英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中試壓完成后的降壓程序。

f）借鑒英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和高壓氣體爆炸能量計(jì)算方法，確定氣體試驗(yàn)的泄漏影響區(qū)域和爆炸損傷半徑。

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