山區(qū)大落差段管道水壓試驗經(jīng)驗談

李子傲，李世龍

1快軌建設管理有限公司，北京

2中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

1.引言

管道試壓是長輸管道建設過程中的重要工序之一，是對管道承壓能力、環(huán)焊縫質(zhì)量的綜合檢驗[1][2][3]，包括強度試驗和嚴密性試驗。山區(qū)段由于落差大、熱煨彎管和冷彎管多、彈性鋪設頻繁、連頭口集中等特點，是長輸管道試壓的關鍵區(qū)段和難點區(qū)段[4]。中亞天然氣管道C 線工程經(jīng)過哈薩克斯坦共和國(以下簡稱“哈國”)江布爾州的金德克塔斯山，山區(qū)段長度為49.7 km，試壓高程差達到421.8 m；土質(zhì)為礫石層和礫石沉積層，覆蓋砂土、礫土、基巖；山區(qū)段內(nèi)無試壓水源，如采用水壓試壓需要分段推水試壓。根據(jù)哈國建筑、城市建筑和建設工程領域國家建設標準和規(guī)范СНиП РК 3.05-01-2010《干線管道》[5]的規(guī)定，結(jié)合國內(nèi)GB 50369-2014《油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范》[6]要求和國內(nèi)大落差管道水壓試驗的經(jīng)驗，成功完成了中亞天然氣管道C 線工程山區(qū)大落差段管道水壓試驗，保障了管道的順利投產(chǎn)和安全運行。

2.項目概述

中亞天然氣管道C 線工程哈國段起點位于烏茲別克斯坦與哈國邊界，終點位于哈國與中國霍爾果斯邊界。哈國境內(nèi)管道全長1305 km，管徑1219 mm，鋼材等級X80，壁厚為17.5 mm 和20.6 mm，管道設計壓力為9.81 MPa。管道在哈國江布爾州內(nèi)的高程差達到586.4 m，其中KP742～KP792 為49.7 km 的大落差山區(qū)段。

3.試壓方案

3.1.關鍵環(huán)節(jié)分析

山區(qū)大落差段管道試壓的首要關鍵環(huán)節(jié)是試壓介質(zhì)選取，試壓介質(zhì)決定了試壓區(qū)段劃分要求和是否需要分段推水試壓。根據(jù)管道輸送介質(zhì)類別、地段特性、試壓水源情況等確定試壓介質(zhì)；不同的試壓介質(zhì)決定了試壓區(qū)段的劃分和試壓數(shù)值，水壓試驗需要綜合考慮試壓水源、試壓段長度和高程差等因素，氣壓試驗則對試壓段長度沒有具體要求；在大落差區(qū)段推水時，需要將試壓水充滿管道，避免存在殘留空氣。

3.2.試壓介質(zhì)選取

長輸管道試壓介質(zhì)主要采用空氣或水[7]。國內(nèi)規(guī)范規(guī)定：輸油管道試壓介質(zhì)應采用水，在高寒、陡坡等特殊地段，經(jīng)設計校核可采用空氣作為試壓介質(zhì)，但管材必須滿足止裂要求，試壓時必須采取防爆安全措施；輸氣管道按沿線居民戶數(shù)和(或)建筑物的密集程度劃分為四個地區(qū)等級；輸氣管道位于一、二級地區(qū)的管段宜用水作試壓介質(zhì)，在高寒、陡坡等特殊地段可采用空氣作試壓介質(zhì)；輸氣管道位于三、四級地區(qū)的管段應采用水作試壓介質(zhì)。哈國規(guī)范要求，對于輸氣管道可以采用氣壓或水壓的方式進行管道試壓，對于原油管道和成品油管道只能采用水壓方式；山區(qū)和崎嶇不平地區(qū)的輸氣管道的試壓允許采用空氣和水的混合方式。該管道設計壓力高、山區(qū)段落差大，氣壓及混合方式試壓危險性較大，而且管道沿線區(qū)域存在試壓水資源，因此采用潔凈水作為試壓介質(zhì)。

3.3.水壓試驗要求

哈國規(guī)范規(guī)定的長輸天然氣管道等級分類和中國規(guī)范存在差異，相應的水壓試驗壓力值、穩(wěn)壓時間及合格標準也都不同。國內(nèi)規(guī)范將長輸天然氣分為4 級地區(qū)，強度試驗壓力從設計壓力的1.1 倍至1.5 倍不等，穩(wěn)壓時間都為4 h，合格標準為無變形、無泄漏；嚴密性試驗壓力為管道設計壓力，穩(wěn)壓持續(xù)時間24 h，合格標準為壓降不大于1%試驗壓力值，且不大于0.1 MPa。根據(jù)哈國規(guī)范，管道依據(jù)途經(jīng)特殊地段類型、穿越障礙類別、場站設施等將管道劃分為Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級；對應不同管道等級，強度試驗的階段劃分、試驗壓力和持續(xù)時間均存在差異；水壓試驗和氣壓試驗的壓力和穩(wěn)壓持續(xù)時間也不同；長輸天然氣管道試壓對應Ⅱ級和Ⅲ級管道，水壓試驗壓力為1.25 倍和1.1 倍設計壓力，穩(wěn)壓持續(xù)時間都為24 h；管道低點的試驗壓力不能超過工廠設計的試驗壓力，合格標準為測試壓力無變化；嚴密性試驗必須在強度試驗之后進行，嚴密性水壓試驗壓力等于管道設計工作壓力，穩(wěn)壓持續(xù)時間不少于12 h，合格標準是未發(fā)現(xiàn)泄漏。如果兩種等級長輸管道混合進行試壓時，試驗壓力應為高等級管道要求的試驗壓力。長輸天然氣管道水壓試驗國內(nèi)規(guī)范和哈國規(guī)范的要求見表1 和表2。

Table 1.Domestic water pressure test requirement for long-distance transmission gas pipeline表1.國內(nèi)長輸天然氣管道水壓試驗要求

Table 2.Kazakhstan water pressure test requirement for long-distance transmission gas pipeline表2.哈國長輸天然氣管道水壓試驗要求

3.4.試壓區(qū)段劃分

試壓區(qū)段劃分是山區(qū)大落差段管道試壓的關鍵[8][9]。國內(nèi)規(guī)范要求：水壓試驗的管道分段長度不宜超過35 km，應根據(jù)該段的縱斷面圖，計算管道低點的靜水壓力，核算管道低點試壓時所承受的環(huán)向應力，其值不應大于管材最低屈服強度的0.9 倍，對特殊地段經(jīng)設計允許，其值最大不得大于0.95 倍。哈國規(guī)范要求：空氣試壓的管道長度不受限制，水壓試驗和混合試壓必須考慮管道高點和低點高程差形成的凈水壓力，管道低點的試驗壓力不能超過鋼管廠家保證的試驗壓力。鋼管出廠的試驗壓力為14.8 MPa，按照哈國規(guī)范計算得出水壓試驗最大的高程差為258 m。

山區(qū)段試壓需要考慮管道高點和低點間的凈水壓力以及管道沿線試壓水源的分布情況。鑒于該區(qū)段水源稀少，僅在KP709+971 和KP852+964 存在兩處可利用的試壓水源，所以KP709+971 和KP852+964作為試壓段的上水點和起始端。受上水點和高程差影響，無法按照閥室和場站間距進行試壓分段，區(qū)段劃分原則為綜合考慮高程差、地貌條件和上水點的位置，保證中間倒水點能夠安全順利進行推水，保證上一管段的試壓水量滿足下一試壓段用水量，試壓段長度應逐段遞減。因此，采取兩端向中間逐段推水的方法，共劃分5 個試壓段，試壓區(qū)段劃分見表3，試壓段高程示意圖見圖1。

Table 3.Division area in pressure test表3.試壓區(qū)段劃分表

4.管道試壓

4.1.試壓前準備

哈國法律法規(guī)健全且執(zhí)行嚴格，管道試壓涉及的政府機構(gòu)和職能部門較多，需要辦理各種許可?？紤]取水、排水對自然環(huán)境和生態(tài)的影響，提前進行水質(zhì)分析，辦理取水、排水許可。試壓前成立管道試壓委員會，在當?shù)卣毮懿块T辦理試壓許可，試壓前通知當?shù)鼐o急狀態(tài)委員會。提前預制水壓試驗收發(fā)裝置，試壓收發(fā)裝置與管道焊接并進行環(huán)焊縫質(zhì)量的射線檢測和超聲波檢測，收發(fā)裝置示意圖見圖2。調(diào)試好試壓設備和計量儀表，出具設備、儀表的合格證和校驗證書等；打印必要工序的完工報告、業(yè)主批準的程序文件、許可信函等供試壓委員會檢查；試壓沿線設置維搶修人員、設備等。

Figure 1.Elevation difference in pressure test area圖1.試壓段高程差示意圖

Figure 2.Transmitters and receivers in water pressure test圖2.水壓試驗收發(fā)裝置示意圖

4.2.大落差段分段推水

分段推水是山區(qū)大落差段管道水壓試驗的難點[9]，尤其是連續(xù)2 段或3 段的推水。采取先裝入清管器后注水的方法，以水推動清管器將整個管段注滿水，必要時設置高點放空。由于KP769+566 位于山區(qū)石方段，兩側(cè)為陡峭山坡，設備無法安全運送至中間倒水點，在此處向KP783+963 方向推水不易實現(xiàn)，因此KP769+566～KP783+963 的試壓水由KP852+964 上水，經(jīng)過KP852+964～KP783+963 兩個區(qū)段的試壓后，再推水至該區(qū)段。KP709+971～KP769+566 的兩個試壓段由 KP709+971 上水和推水。KP769+566～KP852+964 的3 個試壓段由KP852+964 上水和推水，其中后兩個區(qū)段涉及從高點至地點的推水，最高點KP797+723 至KP783+963 及KP783+963 至KP769+566 的高程差分別為106.7 m 和228.3 m。從高點向低點推水過程中，為避免出現(xiàn)水擊現(xiàn)象，根據(jù)實際情況可在低點端設置相應的背壓[9]。

4.3.升壓補水量計算

在管道升壓過程中，管道容積會變大，試壓水的體積會變小，需要對管道進行補水。管道試壓的理論補水量可以由下面的公式計算[10]。具體各試壓區(qū)段的最大補水量計算值見表4。

dv——增加的水量，m3

V——試壓管道的容積，m3

dp——增加的壓力，kPa

D——管道外徑，mm

E——陽式彈性系數(shù)，2 × 108

t——管道壁厚，mm

ω——泊松系數(shù)，0.3

k——水性模數(shù)，2,343,961，kPa

Table 4.Maximum water replenishment in pressure test area表4.試壓段最大補水量

4.4.升壓及試壓

在升壓過程中，理論上試驗壓力P 與補水量V 為線性關系，對比P-V 圖中實際和理論的線形走勢，可以判斷管道中是否有殘留空氣存在，并根據(jù)實際情況采取可行的保障措施[8][9][10]。升壓過程中當壓力達到P強度試驗的30%時和P強度試驗的60%時，各穩(wěn)壓0.5 h 檢查是否存在泄漏；到達P強度試驗開始進行強度水壓試驗，穩(wěn)壓24 h，壓力無變化認定為合格；壓力降至P嚴密性試驗進行嚴密性水壓試驗，穩(wěn)壓12 h，未發(fā)現(xiàn)泄漏試驗合格。具體升壓及試壓過程見圖3。

Figure 3.Diagram of pressure boosting and testing process圖3.升壓及試壓過程示意圖

4.5.降壓和排水

在監(jiān)理代表和業(yè)主代表接受水壓試驗結(jié)果后，應以一定速度緩慢降低壓力，避免降壓太快造成管道的顫動。降壓后必須立即將試壓水從管道中排出，根據(jù)地形主要從高點向低點排水。由于采取分段推水試壓，將前段試壓水經(jīng)過濾處理后供下段試壓繼續(xù)使用。在天然氣管道排水過程中，放入不少于兩個皮碗清管器，前面是推水功能的清管器，最后一個是檢查功能的清管器，在壓縮空氣推動下清管器的移動速度應在3～10 km/h。如果清管器在未損壞的情況下，檢查功能的清管器前端沒有水，則排水結(jié)果滿足要求。最后一段試壓完成后將試壓水清潔處理并排放至附近自然溝渠、溪流或河道；為避免水流沖擊破壞地表生態(tài)，在排水口需要安置鋼筋混凝土板或其他擋水板減緩水流沖擊；完成排水工作后，最后對排水區(qū)域進行地貌恢復。

5.結(jié)語

哈國江布爾州山區(qū)大落差段是中亞天然氣管道C 線工程的試壓難點，通過進行試壓關鍵環(huán)節(jié)分析，明確了合理選取試壓介質(zhì)、劃分試壓區(qū)段和制定推水方案是安全、按期完成試壓工作的關鍵。介紹了哈國和國內(nèi)規(guī)范對試壓介質(zhì)、試壓要求、區(qū)段劃分等規(guī)定，根據(jù)試壓水源分布和試壓安全性，采用潔凈水作為試壓介質(zhì)；結(jié)合國內(nèi)大落差段管道的試壓經(jīng)驗，制定了切實可行的水壓試驗區(qū)段劃分、推水和排水方案，計算了升壓過程的理論補水量，通過實際應用取得了良好的效果，為今后國內(nèi)和中亞地區(qū)長輸管道的大落差段管道試壓提供了借鑒和參考。