油气输送管道高落差地段的试压分析
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摘要：文章从试压介质的选取、试压管段的划分原则、介质及管段的数据分析、主要清管与试压设备的选择及要求、作业安全保障等方面进行了高差段管道工程的试压分析，以进一步探索油气管道的试压施工技术。
中图分类号：TE973 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）06-0153-02
油气管道在山区敷设时，由于起伏大、压力高、弯头弯管多、容积大等特点，因而如何选择试压介质、如何进行试压分段，如何保证安全施工一直是个难题。以下针对以往在高落差地段的试压施工，尤其是川气东送管道工程，进行了针对性的研究与分析。
一、试压介质的选取
试压介质一般采用空气或者洁净水。气压试验由于管道内试压气体储存着大量的能量，导致管道内的气体在管线破裂处急速膨胀，形成冲击波，气体急速逸出膨胀使破裂处温度下降，造成对钢材韧性的不利影响并使其破裂扩展，且管壁破裂时向两侧扩展的速度大于气体介质泄露降压传递速度，常常使管线的破损达到几公里或几十公里，严重的会造成重大安全事故。因而水压比气压安全性要高。
对于试压介质的选用原则是一、二级地区的输气管段可采用气体或水作试压介质，三、四级地区的输气管段采用水作试压介质。具体采用何种试压介质还应考虑现场实际情况。
二、试压管段的划分原则
试压管段划分是一项非常重要的工作，划分的合理性决定了清管、试压的工作量大小、工作进度和作业安全性系数的高低。如在一般情况下，不同地区等级的管道应按设计规定的试验压力分别进行强度及严密性试压，但对于山区地段管道壁厚变化频繁再考虑高差等问题，必将大大增加试压分段段数，延长试压时间，增加连头工作量，并加大了管材疲劳程度。
因而对于试验管段的划分，对于水压，试验的管段长度不超过35km，试压管段的高差不超过30m；当管段高差超过30m时，可计算管道低点的静水压力，核算管道低点试压时所承受的环向应力。对于气压，分段试压长度一般不超过18km。
管线分段试压后必须进行站间试压和整体试压，但如果管道反复承压，最后一次承压能力比前几次要低的多，导致管道承压力逆转现象，因而在山区大落差地段分段试压及分段间环焊缝检测后，一般不宜再进行站间和整体试压。
试压分段还应考虑地区差异、试压水源是否满足条件、施工车辆进出是否方便、试压后连头是否方便等，山区段高落差大口径管道施工更是如此。
三、介质及管段的数值分析
管道试压是通过验证管道系统的强度和检验管道系统的严密性，达到管道施工质量，管材性能、管道整体性的一次综合检验。因而在施工前应进行详细的计算，才能具体确定试压介质及试压管段的划分。我们以标段高差为570米的川气东送管道工程第八标段（设计强度压力为12.5MPa，严密性试验压力为11MPa）全部水压试验为例，分析其试压介质及试压管段划分。
依据GB50369-2006《油气长输管道工程施工及验收规范》中14.3.2条规定：当管段高差超过30m时，可根据该段的纵断面图，计算管道低点的静水压力，核算管道低点试压时所承受的环向应力，其值一般不应大于管材最低屈服强度的0.9倍，那么其管内许用最大静水压力（Pmax）计算过程为：
σh=Pmax×D/（2δ）≤0.90σS
式中：σh――管段钢管的环向应力（MPa）；
Pmax――管内许用最大静水压力（MPa）；
D――管内径（mm），壁厚17.5mm管内径D=Φ981mm；
δ――管壁厚（mm）δ=17.5mm、21mm、26.2mm；
σS――管材的最低屈服强度，X70管材的σS =485MPa
对于壁厚17.5mm的管道，Pmax ≤15.57MPa。根据设计要求取管道最高点强度试验压力值为设计压力的1.25倍，即12.5MPa，与管内静水压力差为3.07 MPa，折合成水柱高为313m。由此得出结论，当试压管段高差超过313m时，试压段最高点压力值需由下面公式反向推出：
Pmax=P（最高点试验压力）+P0（高差下的水压力）
当最高点压力为设计压力10MPa时，允许水柱高为568m，也就是说高差在568米以上压力试验就不能用水压，而只能用气压或是分段水压试验。因而对于高差大的管段，应通过高程图分析比选来确定试压介质，但一般可采用水压与气压混合配置或多段水压试验的方式进行压力试验。
对于川东送管道工程第八标段，通过高程变化示意图及以上计算分析，试压可分2段进行。第一段为BZXG12G桩至BZXG11，长度12.78km，地形较平坦，试压介质可采用洁净水。第二段自BZXG11至标段终点BZXG350桩，长度11.17km，该段低点与高点的高差570m，已超过水压试验的最大值680m，因而只能采用多段水压试验，以降低高差及压力，但又因该段附近无水源，且试压倒水及设备进场困难，最后综合考虑该段试压介质采用空气。
四、主要设备的合理选择及要求
在设计没有特别要求的情况下，大多采用压缩空气进行清管，对大口径管道使用的压风车排量的选用原则是既要保证清管器行走速度，也要考虑其经济性。根据实际清管经验，22km管线的清管时间应控制在5小时左右为宜，如果现有压风车的排量不能满足要求时，可采用两台或多台小排气量的压风车并联使用。一般来讲，清管器的皮碗只能运行一次，除非施工方可以证明皮碗在行走一次后依然处于完好状况。
根据试压段管径、高差及长度，合理选择水压试验的上水泵，对于川气东送第八标段这样的高落差地带，上水泵扬程甚少达到600m，并保证注水泵能形成足够的背压，以确保注水速率，克服试压段高差，防止压段内夹杂空气。水过滤器过滤能力在规定的压力下满足规定的流量，一般在1.0MPa条件下为350L/s，在需要时能清除淤泥，并配有量程为0～1.5MPa的压差表，测量通过滤网的压差。
试压封头应按照工程批准的焊接工艺规程焊接到管道上。封头及其它试压设施应经过预先试压，压力达到要求的最高试验压力的1.25倍，并稳压1小时，同时应确保其它配件达到安全使用条件。
五、作业安全保障措施
清管试压本身是一项安全风险很高的作业，尤其是地形起伏较大的管道工程更是如此。为了保障安全，首先必须编制专项方案，并进行详细的安全技术交底。实际工作中，应重点确保临时焊口的质量，确保各项材料、设备仪器符合安全要求。
另外，良好的现场组织及过程控制也是实现清管及试压安全的重要保证手段。如试压时要清理现场，划定作业区，特别是人口稠密区，交通要道应设明显标志，并组织专人警戒，非工作人员不得进入试压场区。保持各观察点之间的联系畅通。设置好高点放空、低点排放位置。试压时，盲板、封头50m半径范围内不准站人。发现泄漏时不准带压补焊或紧固螺栓。进行分段试压时，与受压段相连的管道必须断开，使用的封头、螺栓必须经验算具有足够的强度。试压时，若发生泄漏或爆管，应立即停止升压、切断相关阀门，经查找修补处理后方可重新试压。
六、结论
通过川气东送等工程的施工，尤其是川气东送管道工程山区试验段，结合现行施工标准规范，对管道工程的试压技术进行了初步的探讨，尤其是落差地段的试压介质及管段划分的选择及计算方法，希望对以后类似工程的施工有所借鉴和帮助。
参考文献
[1] 油气长输管道工程施工及验收规范（GB50369-2006）.
[2] 川气东送管道工程施工技术研讨会会议材料汇编.
[3] 孟令军，解新民．浅析长输管道清管、试压方案的优化
[J]．江汉石油学院学报，2008，（4）.
作者简介：吴勇，中原油田建设集团公司副经理，高级工程师。