摘 要

摘　要：強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)從0.72提高到0.8，一方面若保持壁厚不變，可提高管道運(yùn)行壓力，從而有效地增加管道輸量和輸送效率；另一方面如果保持管道設(shè)計(jì)壓力不變，可有效降低管道壁厚要求，這

摘　要：強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)從0.72提高到0.8，一方面若保持壁厚不變，可提高管道運(yùn)行壓力，從而有效地增加管道輸量和輸送效率；另一方面如果保持管道設(shè)計(jì)壓力不變，可有效降低管道壁厚要求，這將顯著節(jié)約管道建設(shè)成本。在工程應(yīng)用中，0.8設(shè)計(jì)系數(shù)管道需要進(jìn)行高強(qiáng)度水壓試驗(yàn)以驗(yàn)證管道的承壓能力和系統(tǒng)可靠性，而我國(guó)目前設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高強(qiáng)度水壓試驗(yàn)方法及控制措施還沒(méi)有明確規(guī)定。為此，根據(jù)管道屈服強(qiáng)度的樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用概率方法，結(jié)合管道埋地時(shí)的雙軸應(yīng)力狀態(tài)，并根據(jù)試壓段高差，確定管道可接受的最高強(qiáng)度試壓壓力。采用壓力一容積曲線實(shí)時(shí)監(jiān)控試壓進(jìn)程，保證試壓過(guò)程中壓力  容積曲線不出現(xiàn)超過(guò)0.2％管容的非線性進(jìn)水量，并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的壓力  進(jìn)水量曲線信號(hào)采集系統(tǒng)。在管道彈性變形的基礎(chǔ)上，提出了考慮空氣含量和水壓縮性的fli,力一容積曲線理論表達(dá)式。在西氣東輸三線試壓工程實(shí)踐中，根據(jù)上述方法確定的管道試壓強(qiáng)度為試壓段高點(diǎn)不低于100.5％SMYS，實(shí)際監(jiān)測(cè)所得的壓力  容積曲線與理論曲線吻合較好，管道未發(fā)生泄漏。該方法可作為國(guó)內(nèi)0.8設(shè)計(jì)系數(shù)管道試壓的參考方案。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)  0.8設(shè)計(jì)系數(shù)  輸氣管道  強(qiáng)度試壓  壓力～容積圖曲線  水壓縮性  西氣東輸三線  管道壁厚

Hydrostatic testing pressure determination of the test pipe section with a 0.8 design factor in the West-to-East China Gas Pipeline Ⅲ

Abstract：When the pipe design factor is improved from 0．72 t0 0．8，the pipeline throughput and transport efficiency will be highly increased，and the requirements for thc pipe wall thickness will be also compensated by the pipe material strength to the largest degree ii the pipe design pressure ls kept unchanged，which thereby helps reduce the cost of line pipes．In engineering application，hydrostatic testmg is used to determine and verify the integrity of pipelines with a 0．8 design factor．In view of this，according to the statistical data of the pipe’s yield strength，the acceptable hydrostatic testing pressure was determined using the probabillstic method conslderlng the elevation difference of the test segment and biaxial stress．Then，the pressure  water inflow volume(P-V)curve was used to monitor the testing process to avoid the occurrence of a nonlinear water inflow volume of≥O.2％ pipeline volume in the whole testing period.So the corresponding signal collection system was developed for the P-V curve,Finally，based upon the pipe elastic deiormation，a mathematical expression was proposed of the P-V curve which takes into account the effect of residual air content and the compressibility of water．In the actual hydrostatic testing of a tested pipe section with 0.8 design factor in the West-to-East China Pipeline Ⅲ，the above method was applied to determine that the hoop stress of the tested section at the highest point was ≥100．5％of the specified minimum yield strength(SMYS)．The monitored results agreed well with the p-V curve；and no leakage was found In the tested pip。section duoing the testing period．This method can be used as a reference for the hydrostatic testing of 0-8 design factor gas pipelines in the future．

Key words：strength design factor，O.8 design factor，gas pipeline，strength pressure testing(hydrostatic testing)，Pressure-Volume(P-V)plot，compressibility of water，West-to-East China Pipeline Ⅲ，pipe wall thickness

我國(guó)自1994年首次頒布實(shí)施GB 50251《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》以來(lái)，一直沿用了一級(jí)地區(qū)0.72，二級(jí)地區(qū)0.6，三級(jí)地區(qū)0.5，四級(jí)地區(qū)0.4的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)。然而，加拿大在20世紀(jì)70年代就管道設(shè)計(jì)規(guī)范中引入0.8設(shè)計(jì)系數(shù)，并在許多輸氣管道上采用。美國(guó)在上世紀(jì)50年代就開(kāi)始在部分輸氣管道上采用0.72以上的設(shè)計(jì)系數(shù)，并研究提高設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)管道安全的影響，并于20世紀(jì)90年代把0.8設(shè)計(jì)系數(shù)納入輸氣管道設(shè)計(jì)規(guī)范ASME B31.8川。目前，美國(guó)有上萬(wàn)千米輸氣管道在0.72以上的設(shè)計(jì)系數(shù)下運(yùn)行。另外，英國(guó)等一些國(guó)家也在部分輸氣管道采用0.72以上的設(shè)計(jì)系數(shù)。

相對(duì)0.72設(shè)計(jì)系數(shù)而言，采用0.8設(shè)計(jì)系數(shù)意味著在管道規(guī)格不變的情況下，可提升運(yùn)行壓力，從而增大管道輸量；另一方面，如果保持管道的設(shè)計(jì)壓力不變，采用0.8設(shè)計(jì)系數(shù)可以在更大程度上利用管材本身的強(qiáng)度性能，從而降低對(duì)管道壁厚的要求，這將顯著降低管線管的生產(chǎn)成本。以西氣東輸二線為例，該輸氣管線在一級(jí)地區(qū)采用的設(shè)計(jì)系數(shù)為0.72，鋼管的規(guī)格為Æl219mm×18.4mm，如果將設(shè)計(jì)系數(shù)提高至0.8，在設(shè)計(jì)壓力與輸送量不變的情況下，管道的壁厚可以降為l6.6mm，鋼材的需求量將減少9.7％。西氣東輸二線一級(jí)地區(qū)使用的管材大約為l95×10⁴t，若設(shè)計(jì)系數(shù)由0.72提高到0.8，可以節(jié)約建設(shè)成本10億元左右。

基于此，在西氣東輸三線建設(shè)中，有300km試驗(yàn)段采用了0.8設(shè)計(jì)系數(shù)。根據(jù)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)^[1-2]，0.8設(shè)計(jì)系數(shù)管道應(yīng)采用高強(qiáng)度水壓試驗(yàn)，但國(guó)內(nèi)管道試壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)卻大大低于國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如對(duì)于一級(jí)地區(qū)XS0輸氣管道，本文參考文獻(xiàn)[1]規(guī)定最低強(qiáng)度試壓系數(shù)為l00％(0.8設(shè)計(jì)系數(shù))和90％(0.72設(shè)計(jì)系數(shù))；本文參考文獻(xiàn)[2]規(guī)定最小強(qiáng)度試壓系數(shù)為100％(0.8設(shè)計(jì)系數(shù))，最大為l07％或壓力～容積曲線非線性偏轉(zhuǎn)0.2％；而我國(guó)GB 50251-2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》^[3](現(xiàn)行)規(guī)定最低強(qiáng)度試壓系數(shù)僅為79％(0.72設(shè)計(jì)系數(shù))。因此國(guó)內(nèi)0.8設(shè)計(jì)系數(shù)管道非常有必要進(jìn)行高強(qiáng)度試壓，以便有利于更高的缺陷檢出率和殘余應(yīng)變／應(yīng)力釋放程度。但由于國(guó)內(nèi)外冶金技術(shù)、制管工藝、管理方式和建設(shè)水平等存在差異，管線質(zhì)量不可避免地存在差異，故需要慎用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試壓壓力，以避免過(guò)度損傷管道。

0.8設(shè)計(jì)系數(shù)管道高強(qiáng)度試壓需要解決的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：①確定合理的試壓壓力，使得管道在可接受風(fēng)險(xiǎn)范圍內(nèi)盡可能大地提升試壓壓力；②采取可靠的試壓監(jiān)測(cè)方法，使得試壓過(guò)程中一旦出現(xiàn)異常情況，可立即停止。

針對(duì)①的問(wèn)題，本文參考文獻(xiàn)[4]從斷裂控制角度給出了試壓強(qiáng)度應(yīng)越高越好，但同時(shí)指出由于管材性能的分散性，試壓強(qiáng)度應(yīng)不超過(guò)l00％SMYS。本文參考文獻(xiàn)E5]從兩家管廠X70屈服強(qiáng)度及多家管廠的實(shí)物爆破數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出發(fā)，認(rèn)為l00％～ll0％SMYS強(qiáng)度試壓是安全的。但其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)沒(méi)有考慮樣本分布的下限值及對(duì)應(yīng)概率。針對(duì)某條具體管線，鋼管屈服強(qiáng)度分散性取決于該管線的自身特性(如鋼級(jí)、生產(chǎn)廠家等)，筆者認(rèn)為不能根據(jù)一般意義上的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)無(wú)區(qū)別地應(yīng)用到每條管線上。其他研究^[6-7]中，均提到了高強(qiáng)度試壓及采用極限屈服強(qiáng)度試壓的優(yōu)點(diǎn)，卻沒(méi)有進(jìn)一步闡述如何根據(jù)國(guó)內(nèi)管道實(shí)際情況，確定試壓壓力。

針對(duì)②的問(wèn)題，當(dāng)前國(guó)內(nèi)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力來(lái)控制試壓進(jìn)程。對(duì)于高強(qiáng)度試壓，相關(guān)本文參考文獻(xiàn)[6-10]包括ASME B31.8-2010附錄均推薦使用壓力—容積曲線控制試壓。壓力—容積曲線是指試壓時(shí)管道壓力與進(jìn)水量之間的關(guān)系曲線(以下簡(jiǎn)稱(chēng)P—V曲線)。P—V曲線控制試壓在理論上首先要解決該曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)，數(shù)學(xué)表達(dá)式的任務(wù)是提前預(yù)測(cè)管道壓力與進(jìn)水量的關(guān)系，為實(shí)際試壓進(jìn)程提供參考。本文參考文獻(xiàn)[11-12]曾對(duì)該表達(dá)式進(jìn)行了深入研究，并且以與本文參考文獻(xiàn)[10]數(shù)據(jù)對(duì)比的方式加以驗(yàn)證。但由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為低壓數(shù)據(jù)，故該表達(dá)式是否在工程實(shí)際中適用高強(qiáng)度試壓，仍需要實(shí)踐驗(yàn)證。P—V曲線控制試壓在技術(shù)上需要解決的問(wèn)題是如何采集進(jìn)水量V信號(hào)，實(shí)驗(yàn)室以水桶加液位計(jì)的模式并不適用于工程現(xiàn)場(chǎng)。ASME B 31.8-2010推薦了以打壓泵沖程數(shù)作為計(jì)量管道進(jìn)水量的一個(gè)手段，但國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例。

針對(duì)上述問(wèn)題以及相關(guān)研究的不足，筆者提出了根據(jù)鋼管屈服強(qiáng)度的實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)確定試壓壓力的方法；對(duì)于P—V曲線理論表達(dá)式，提出了高壓下考慮水壓縮性的理論表達(dá)式，并根據(jù)ASME技術(shù)方案，以泵車(chē)軸轉(zhuǎn)數(shù)記錄體積信號(hào)。通過(guò)某0.8設(shè)計(jì)系數(shù)輸氣管道工程的具體實(shí)踐，驗(yàn)證了試壓壓力的合理性、礦V曲線理論表達(dá)式的正確性和V信號(hào)采集的可行性。

1　0.8設(shè)計(jì)系數(shù)管道試壓壓力計(jì)算方法

1．1　基于管材屈服強(qiáng)度分布的試壓壓力

根據(jù)巴洛公式：

式中P為管道試壓壓力或運(yùn)行壓力，MPa；D為管道外徑，m；t為管道壁厚，m；s為內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力，應(yīng)不超過(guò)管道的屈服強(qiáng)度，MPa。

由此可知，試壓及運(yùn)行時(shí)管道承壓能力主要由管徑、壁厚和屈服強(qiáng)度決定?，F(xiàn)有制管水平對(duì)管徑和壁厚控制較好，但屈服強(qiáng)度的分散性仍較大，因此在管徑、壁厚認(rèn)為確定的情況下，某根鋼管能否承受某個(gè)壓力由其實(shí)際屈服強(qiáng)度決定。對(duì)于幾十千米的試壓段，每根管子的屈服強(qiáng)度均不相同，且管段存在高差，因此試壓(產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力接近管材最小要求屈服強(qiáng)度)可能會(huì)造成管道較大范圍的屈服損傷，如管材屈服強(qiáng)度均值較小，而標(biāo)準(zhǔn)差較大的情況。理論上，按標(biāo)準(zhǔn)要求，0.8設(shè)計(jì)系數(shù)鋼管在出廠前均經(jīng)過(guò)了l00％SMYS的水壓試驗(yàn)，鋼管不應(yīng)有強(qiáng)度問(wèn)題，但由于工廠管理方式、鋼管運(yùn)輸及安裝損傷，總有強(qiáng)度不合格的鋼管安裝在實(shí)際管線上。嚴(yán)格講，高強(qiáng)度試壓除了排除缺陷，還可以排除強(qiáng)度不合格的鋼管(假設(shè)試壓系數(shù)達(dá)到100％SMYS)，但指望通過(guò)高強(qiáng)度試壓把所有強(qiáng)度不合格的鋼管排除，是沒(méi)有必要(實(shí)際運(yùn)行壓力并不很大)也不切實(shí)際的，否則會(huì)增加大量的試壓成本和拖延管道竣工時(shí)間。

因此，為了避免大范圍損傷管道，筆者認(rèn)為可根據(jù)鋼管實(shí)際屈服強(qiáng)度樣本數(shù)據(jù)，在一個(gè)可接受的概率條件下，確定最高試壓壓力。管道的屈服強(qiáng)度樣本數(shù)據(jù)可從制管時(shí)的監(jiān)造資料中獲取。依據(jù)DNV OS Fl01，針對(duì)一級(jí)地區(qū)，管道臨時(shí)階段可接受的非人為破壞的目標(biāo)失效概率為l0^-2，認(rèn)為可接受的概率值為99％。

基于上述思路，管道的試壓壓力可由以下步驟確定：

設(shè)管道符合正態(tài)分布的某個(gè)屈服強(qiáng)度樣本為X屈，其均值為m屈，標(biāo)準(zhǔn)方差為s屈，即X屈-N(m屈，s屈)。則根據(jù)99％可靠度，需要求得樣本X屈中存在一個(gè)臨界值slow。(稱(chēng)為屈服強(qiáng)度低值)，使得99％的個(gè)體都大于slow。由正態(tài)分布表可知，0.99概率對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量值為2.33，于是可確定吼。的計(jì)算公式為：

slow＝m屈-2.33s屈　　　　　　　　　　　　　　(2)

為保證試壓的允許破壞概率，試壓時(shí)需滿(mǎn)足

 

于是可知試壓時(shí)的允許最大壓力值聲。為：

 

1．2　考慮埋地管道二向應(yīng)力狀態(tài)的試壓壓力

在式(4)計(jì)算試壓壓力時(shí)，沒(méi)有考慮管道實(shí)際屈服強(qiáng)度和管材小試樣屈服強(qiáng)度的區(qū)別，或者認(rèn)為鋼管屈服行為符合第三強(qiáng)度理論(Tresca)。實(shí)際管道試壓時(shí)處于二向應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)用第四強(qiáng)度理論(von Mises)可知鋼管的屈服條件為：

 

式中sh為試壓產(chǎn)生的管道環(huán)向應(yīng)力，sL為試壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，ss為管材屈服強(qiáng)度。

現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度水壓試驗(yàn)時(shí)，由于管道埋地管道受約束，有sL＝ush。因?yàn)楣懿牟此杀?/span>u為0.3，故式(5)可化簡(jiǎn)為：

0.889sh＝ss   　　　　　　　　　 (6)

從而有

sh＝1.125ss  　　　　　　　　　　 (7)

同樣，根據(jù)99％的可靠度，當(dāng)試壓的等效應(yīng)力達(dá)到slow時(shí)，實(shí)際鋼管可承受的環(huán)向應(yīng)力為1.125slow，小數(shù)圓整后為1.1slow，由此對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度試壓壓力P2計(jì)算公式為：

 

由式(7)還可知，實(shí)際管道屈服時(shí)的環(huán)向應(yīng)力是管材小試樣屈服強(qiáng)度的1.125倍，故式(4)計(jì)算的允許試壓壓力仍偏保守。式(8)表明，只要管線試壓壓力不超過(guò)1.1p水壓，在管道符合第四強(qiáng)度理論的情況下，仍能保證試壓時(shí)實(shí)際鋼管產(chǎn)生屈服的概率不大于10^-2。

1．3　實(shí)際試壓壓力確定

實(shí)際試壓時(shí)，需要確定管線高點(diǎn)和低點(diǎn)的試壓壓力極值。若以鄉(xiāng)：為高點(diǎn)試壓壓力，則低點(diǎn)不能滿(mǎn)足99％概率可靠度的要求。因此采取的方案為以聲。為高點(diǎn)試壓壓力，根據(jù)試壓段高差計(jì)算低點(diǎn)壓力p低點(diǎn)，其計(jì)算公式為：

 

式中h為試壓段高差，m；r水為水的密度，kg／m³；g為重力加速度，取為10m／s²。

若P低點(diǎn)≤P2，則以高點(diǎn)試壓壓力達(dá)到P2組織試壓；否則，以低點(diǎn)試壓壓力達(dá)到戶(hù)：組織試壓。試壓壓力確定流程圖如圖l所示。

 

2　試壓進(jìn)程控制措施

2．1　試壓監(jiān)測(cè)方法選擇

常規(guī)的環(huán)向應(yīng)力控制法可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力情況，可從壓降反映管道是否存在泄漏，然而無(wú)法監(jiān)測(cè)到管道發(fā)生屈服變形但未爆破泄漏的情況。0.8設(shè)計(jì)系數(shù)管道高強(qiáng)度試壓使得管道出現(xiàn)屈服的概率增大。因此必須監(jiān)測(cè)管道屈服情況，于是需同時(shí)監(jiān)測(cè)壓力和反映管道屈服變形的進(jìn)水容積。故而需要繪制壓力(P)一進(jìn)水量(V)曲線監(jiān)測(cè)試壓。根據(jù)加拿大標(biāo)準(zhǔn)^[2]，當(dāng)管道非線性進(jìn)水量達(dá)到管容0.2％時(shí)，需要停止試壓，此時(shí)代表管道進(jìn)入大面積屈服。

2．2　P—V曲線彈性段理論表達(dá)式

2．2．1不考慮水壓縮性表達(dá)式

不考慮水壓縮性時(shí)，試壓時(shí)管道的進(jìn)水量包含兩個(gè)部分：壓力增加導(dǎo)致的管道體積膨脹(彈性變形)以及壓縮管道未排凈的空氣所需的體積增量。參考本文參考文獻(xiàn)[8]，這兩部分體積增量表達(dá)式如下：

 

式中DVl為管道由于壓力上升導(dǎo)致的體積膨脹量，m。；DV2為管道內(nèi)未排凈空氣由于壓力上升導(dǎo)致的體2積減小量(需要進(jìn)水補(bǔ)充)，m³；L為試壓段長(zhǎng)度，m；R為管道外半徑，m；u為管材泊松比；E為管材彈性模量，MPa；t為管道壁厚，m；P為試壓達(dá)到的壓力，MPa；D為管道外直徑，m；n為試驗(yàn)段注滿(mǎn)水后的空氣殘留比例，V0為試壓段的管道容積，m³；P0為試驗(yàn)段的初始?jí)毫Γ?span lang="EN-US">MPa，一般為一個(gè)大氣壓。

實(shí)踐中，對(duì)于式(10)，由于徑向?yàn)楣艿辣诤穹较?，?duì)于大口徑薄壁管，擘厚變化引起的管道體積變化較小，以規(guī)格為l219×22mm規(guī)格的管道為例，經(jīng)測(cè)算，僅為DVl的5％，若考慮空氣、水的壓縮性，該比例還將大大降低。因此，本文將該壁厚變化引起的體積變化忽略，得到DVl表達(dá)式為：

 

該式的表達(dá)式更為簡(jiǎn)潔，在不影響精度前提下，更適合工程應(yīng)用。

2．2．2考慮水可壓縮性的表達(dá)式

水的不可壓縮性論斷是建立在壓縮掉的體積與原體積百分比為一個(gè)小量的基礎(chǔ)上，以及相對(duì)于氣體可壓縮程度而言的。若將水壓縮掉的體積與壓力導(dǎo)致的管道膨脹體積相比，則完全不是一個(gè)小量，從而不能忽略。因此，在試壓的壓力容積圖曲線關(guān)系建立過(guò)程中，需要考慮水的壓縮性。

常溫下，水的體積彈性模量K為2.2×10³MPa，根據(jù)體積彈性模量定義可知：

 

由此可知，在試壓過(guò)程中，由于壓力上升導(dǎo)致水壓縮產(chǎn)生的進(jìn)水量DV3計(jì)算公式如下：

 

于是，鋼管尚未達(dá)到屈服前，試壓時(shí)壓力與進(jìn)水量的關(guān)系式為：

 

2．3　管道進(jìn)水體積計(jì)量方案

ASME B31.8—2010推薦，采用計(jì)量打壓泵車(chē)的沖程數(shù)來(lái)計(jì)算管道的進(jìn)水量V。根據(jù)此推薦，本文采用計(jì)量泵電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)計(jì)算管道的進(jìn)水量。在正式試壓計(jì)量前，利用標(biāo)有刻度的水箱標(biāo)定電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈代表的打壓泵出水量。轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)量原理與出租車(chē)?yán)锍逃?jì)量類(lèi)似：永磁體安裝在主軸或皮帶輪上，皮帶輪對(duì)應(yīng)的固定位置安裝霍爾元件。主軸每旋轉(zhuǎn)一周，霍爾元件可計(jì)量一個(gè)電磁脈沖，從而記錄轉(zhuǎn)數(shù)。

3　0.8設(shè)計(jì)系數(shù)管道試壓的工程實(shí)踐

某管道外徑為l219mm，鋼級(jí)為X80，設(shè)計(jì)壓力12MPa。該管線中的l個(gè)試壓段(標(biāo)為Sl)長(zhǎng)度為32.7km；高程差為42.1m；壁厚為l6.5mm，現(xiàn)需要對(duì)該試壓段進(jìn)行試壓。

該試壓段屬于一級(jí)地區(qū)，其屈服強(qiáng)度的駐廠監(jiān)督數(shù)據(jù)分布如圖2所示，樣本均值m屈為608MPa，標(biāo)準(zhǔn)方差s屈為21.4MPa。在99％概率可靠度下，根據(jù)公式(4)，可得P1為l5.1MPa，相當(dāng)于l00.5％SMYS；根據(jù)式(8)，可得P2為l6.6MPa；根據(jù)公式(9)可得，當(dāng)高點(diǎn)壓力達(dá)到P1后，試壓段低點(diǎn)壓力P低點(diǎn)為：l5.5MPa，小于P2，于是試壓段根據(jù)試壓段高點(diǎn)達(dá)到l5.1MPa進(jìn)行試壓。若根據(jù)GB 50251—2003，則高點(diǎn)試壓壓力只需達(dá)到13.2MPa，故筆者確定的試壓壓力與GB 50251—2003相比，提高了l4.4％。

現(xiàn)場(chǎng)試壓情況如圖3所示，試壓所得P—V曲線見(jiàn)圖4(圖中帶“▲”曲線)。由圖4可知，試壓段的P—V曲線均未出現(xiàn)向下偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明在15.1MPa的試壓強(qiáng)度下，該試壓段未發(fā)生大面積屈服鋼管并未出現(xiàn)大范圍屈服情況，說(shuō)明本文提出的確定試壓壓力的方法具有合理性。

 

 

由圖4還可知，試壓段空氣殘余量較多，P—V曲線在初始階段升壓緩慢。為了驗(yàn)證本文提出的理論P—V曲線[式(16)]，將式(16)計(jì)算所得曲線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際曲線對(duì)比。在式(16)計(jì)算時(shí)，需要知道空氣殘余百分比n值。由于管道注水量無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)知以及注水時(shí)空氣的混入，故而可根據(jù)實(shí)際P—V曲線設(shè)置一個(gè)合理的”值。若式(16)存在錯(cuò)誤，則僅調(diào)整n值無(wú)法使得與實(shí)際P—V曲線一致，因此合理的n值下，若理論與實(shí)際相符，則說(shuō)明式(16)準(zhǔn)確，若任何n值下，均無(wú)法使得理論與實(shí)際相符，則式(16)不準(zhǔn)確。

依據(jù)此驗(yàn)證思路，將”值設(shè)為0.02(一般認(rèn)為，試壓時(shí)空氣含量在2％以?xún)?nèi)可以接受)，得到理論與聲V曲線圖(圖4中帶“■”曲線)。在達(dá)到試壓壓力l5.1MPa時(shí)，試壓預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)值的誤差為4.83％，說(shuō)明理論預(yù)測(cè)曲線與實(shí)測(cè)曲線符合較好。

同時(shí)，分析預(yù)測(cè)曲線中V的組成，其中DV1、DV2、DV3各自所占的比例見(jiàn)表l，由水壓縮性計(jì)算而得的DV3，其值超過(guò)DV1，是試壓進(jìn)水量的一個(gè)重要因素，不可在計(jì)算中忽略。

 

4　結(jié)論

1)確定了0.8設(shè)計(jì)系數(shù)輸氣管道強(qiáng)度試壓壓力方法，以某管線為例，確定的試壓壓力為試壓段高點(diǎn)產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力不低于l00.5％SMYS。

2)確定監(jiān)測(cè)壓力一進(jìn)水量曲線為0.8設(shè)計(jì)系數(shù)輸氣管道試壓監(jiān)控方法，并提出了考慮水壓縮性的P—V曲線的理論表達(dá)式。

3)在某管道工程實(shí)踐中，本方法確定的試壓壓力比GB 50251—2003提升了14.4％，利用本文方法采集所得壓力—容積圖曲線與本文提出的P—V曲線的理論表達(dá)式吻合良好，是國(guó)內(nèi)0.8設(shè)計(jì)系數(shù)輸氣管道高強(qiáng)度試壓的一次有益嘗試。

 

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本文作者：吳宏  羅金恒  張對(duì)紅

作者單位：中國(guó)石油管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部

  中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院