城鎮(zhèn)高壓燃氣管道強度試驗介質與壓力的探討

摘 要

摘要：對燃氣管道強度試驗的介質與壓力進行了多角度的分析和探討，提出了城鎮(zhèn)三、四級地區(qū)高壓燃氣管道強度試驗試驗介質與壓力的確定方法。關鍵詞：高壓燃氣管道；強度試驗；試驗介質
摘要：對燃氣管道強度試驗的介質與壓力進行了多角度的分析和探討，提出了城鎮(zhèn)三、四級地區(qū)高壓燃氣管道強度試驗試驗介質與壓力的確定方法。
關鍵詞：高壓燃氣管道；強度試驗；試驗介質；試驗壓力
Discussion on Media and Pressure for Strength Test of Municipal High-pressure Gas Pipeline
LI Yong-wei
Abstract：The media and pressure for strength test of gas pipeline are analyzed and discussed from different aspects. The determination methods of media and pressure for strength test of high-pressure gas pipeline in class 3 and class 4 locations of city are put forward.
Key words：high-pressure gas pipeline；strength test；test media；test pressure
   隨著陜氣進京一、二、三期工程以及西氣東輸一、二期工程的實施，各城市天然氣供應的規(guī)模不斷擴大，許多城市引入了4.0MPa及2.5MPa壓力級制的高壓天然氣管道。在高壓天然氣管道施工過程中，必然要通過壓力試驗為投產后管道的安全運行打下基礎。而高壓天然氣管道強度試驗時，是采用潔凈水還是采用壓縮空氣作為試驗介質以及采用壓縮空氣時試驗壓力如何確定，在長輸燃氣管道和市政燃氣管道領域一直是有爭議的問題[1～5]。
1 管道試壓的目的與規(guī)定
    管道試壓的目的是為了驗證已完成焊接的管道的強度，評判管道能否承受以后運行的壓力；嚴密性試驗，是驗證新建的管道是否有泄漏點[5、6]。管道經強度試壓后可以消除破裂等事故，但并不是不會出現(xiàn)泄漏，泄漏事故對生產影響較小，可以不停氣進行修復[3]。國內相關規(guī)范標準對于試壓的要求可追溯到《輸氣和配氣管線系統(tǒng)》ASME B31.8[1]。
   《工業(yè)金屬管道工程施工及驗收規(guī)范》GB 50235—97[7]規(guī)定，當現(xiàn)場條件不允許使用液體或氣體進行壓力試驗時，可采用下列方法代替：所有焊縫用液體滲透法或磁粉法進行檢驗，對接焊縫用100%射線照相進行檢驗。這種代替方法也是源自ASME B31的規(guī)定[7]。工業(yè)金屬管道包括地上和埋地管道。對于地上管道，如果所有的焊口都做了無損檢驗，并且質量達到了規(guī)范規(guī)定的要求，那么用無損檢驗代替管道的強度試驗是可以接受的。但對于埋地管道，在下溝回填的過程中，可能存在下管時的磕碰、回填的質量以及溫度的影響等因素，無損檢驗并不能保證接口焊縫以及管材本身焊縫沒有問題，所以各種埋地管道的壓力試驗在相應規(guī)范中均沒有明確說可以用其他方式代替。
    在國內外輸氣管道建設的歷程中，均發(fā)生過壓力試驗事故[3～5]。新建市政燃氣管道是否發(fā)生過壓力試驗事故無從查證，而新建燃氣管道壓力試驗時壓力升不上去的情況多有耳聞。管道之問的碰口未焊完即實施壓力試驗，或因非開挖穿越工程兩端回填土不密實，產生不均勻沉降造成燃氣管道環(huán)焊縫開裂的實例，都說明了新建燃氣管道進行壓力試驗的重要性。無論是輸氣管道，還是市政燃氣管道，在工程設計和施工驗收規(guī)范中，均規(guī)定了對強度試驗和嚴密性試驗的要求。
2 強度試驗與管道安全的關系
    梁翕章老先生就輸氣管道試壓問題在《天然氣與石油》雜志連續(xù)刊載了3期文章[3～5]，對輸氣管道試驗介質和試驗壓力值進行了深入的分析論述，闡述了水壓試壓與輸氣管道安全、可靠性的關系，對ASME B31.8輸氣和配氣管道系統(tǒng)的試壓進行了解讀。論文主要論述的是一、二級地區(qū)輸氣管道的試壓問題，但文中的內容、觀點和結論對市政燃氣管道試壓很有幫助。現(xiàn)將一些精華內容歸納羅列如下。
    ① 水壓試驗的壓力越高，暴露的缺陷越多，越能暴露出小尺寸缺陷；與之相反，試驗壓力處在低壓段時，暴露的缺陷少，容易暴露出大尺寸缺陷。
    ② 管道水壓試驗的破裂事故，多出現(xiàn)在試壓強度為90%最小屈服強度以前，在此強度以上遺留的只是小漏點；試壓強度達不到90%最小屈服強度，將存在很多潛在發(fā)生破裂因素。
   ③ 輸氣管道水壓試驗強度在100%～110%最小屈服強度范圍最為適宜。
    ④ 在高試驗強度未出現(xiàn)的潛在缺陷，在低的運行壓力下缺陷不會擴展暴露。
    ⑤ 試壓時穩(wěn)壓時間是必須的，有些缺陷暴露是需要時間的，約有15%的缺陷是在穩(wěn)壓時暴露的。
    ⑥ 水壓試驗成功的基礎在于能排除試壓段中的空氣，僅有百分之幾的殘留空氣，需增加極大的能量來壓縮，并將在事故時造成巨大的破壞。
    目前的通行做法：管道強度計算只是影響管道安全的主要因素之一；管道選材從技術方面不僅要考慮強度問題，還要考慮管道的徑向失穩(wěn)問題。對低壓力管道，可能很薄的壁厚就能滿足管道的強度要求，而考慮徑向失穩(wěn)因素可能會選擇比理論計算值大得多的壁厚。而管道行業(yè)的另一個通行法則就是，管道的強度試驗與設計壓力相關聯(lián)，不會因為管道有足夠的強度，就人為提高管道的強度試驗壓力；也不應該為了進行管道的強度試驗，對管道的強度設計提出過高的要求。根據(jù)美國天然氣協(xié)會(AGA)研究院管道研究組開展的水壓試驗證實，在高壓下未出現(xiàn)的潛在缺陷，在低的運行壓力下缺陷不會擴展暴露。因此在最高試驗壓力下，乘以安全系數(shù)，作為管道運行的最高操作壓力，對管道的安全是有根據(jù)的[3～5]。
3 強度試驗壓力與強度設計的關系
    管道的強度設計是在設計階段根據(jù)規(guī)范的規(guī)定進行的，強度設計只針對設計壓力，與強度試驗壓力無關。在工程實施過程中，有可能根據(jù)材料的變化修改設計。原則上，強度試驗只是在設計條件下去驗證材料和施工的質量，而不會由于強度試驗的問題再去修改設計成果。
    在進行管道強度試驗時，采用液體作為試驗介質，試驗壓力一般取設計壓力的1.5倍；而采用氣體作為試驗介質時，試驗壓力一般取設計壓力的1.15倍以下，并且對采用氣體進行壓力試驗規(guī)定了一系列嚴格的條件和要求[1]。一方面是為了同樣達到有效驗證管道整體強度的目的，另一方面也是考慮一旦管道發(fā)生破裂，必須盡量降低這種破裂對試驗人員及周圍環(huán)境所帶來的危害。采用空氣作為試驗介質時，一旦管道破裂，其彈性壓能釋放的后果要遠遠大于水泄壓帶來的后果。如果采用氣體作為試驗介質，試驗壓力取值又與液壓試驗壓力取值一致，在不改變管道強度設計的前提下，這種做法是不安全的，也是不科學的。但非要通過修改管道的強度設計，將氣壓試驗壓力提高到液壓試驗壓力值，將產生本末倒置的局面，變成不是用壓力試驗來驗證管道的強度，而是管道要有足夠的強度來保證壓力試驗的安全。這對管道工程建設來講是不合理、不可接受和不可承受的。
    對于燃氣工程，由于輸送介質易燃、易爆的特點，工程設計和建設的質量對安全運行的影響至關重要，相關的設計規(guī)范和施工驗收規(guī)范也有非常明確的規(guī)定。在保證設計質量、嚴格施工安裝要求的前提下，管道的強度試驗就成為驗證管道整體強度、確保管道長遠安全運行的關鍵環(huán)節(jié)。隨著材料科學和焊接技術的進步，也隨著燃氣行業(yè)管理水平和安全要求的提高，燃氣工程建設標準、技術要求、檢驗要求也越來越嚴，使得燃氣工程建設質量不斷提高。在這種前提下，三、四級地區(qū)燃氣管道的強度試驗介質也從只能用水擴展到水、氣均可，但用空氣進行管道強度試驗時為了保證試壓過程的安全，必須適當增加管道強度設計要求[1、6]。
4 強度試驗壓力與管道安全的關系
    新建管道的安全運行靠管道的安全設計和強度試驗來驗證和保證，而不是靠強度試驗壓力值的大小來保證和驗證。不同種類的管道，有不同的安全設計系數(shù)；同一種管道，在不同的設計和使用條件下，也有不同的安全設計要求。管道安全性是與經濟性緊密相關的，管道安全性要求不同，對管道的強度試驗要求也就不同，不能對安全性要求不同的管道提出同樣的強度試驗要求。舉例來講，對于設計壓力為10.0MPa、強度設計系數(shù)為0.72、試壓壓力不小于1.1倍設計壓力、試壓強度為90%最小屈服強度以上的一級地區(qū)的輸氣管道和設計壓力為4.0MPa、強度設計系數(shù)為0.3、試壓壓力為1.5倍設計壓力、試壓強度為不大于40%最小屈服強度的四級地區(qū)的市政燃氣管道來講，不能認為哪種管道更安全或不安全。為了位于四級地區(qū)的市政燃氣管道更安全，不可能、也不允許將該管道的試壓強度更改為90%最小屈服強度以上。
    對于燃氣管道設計來講，小的強度設計系數(shù)意味著高的安全性，而大的強度設計系數(shù)意味著低的運行安全性。強度設計系數(shù)又與試壓時環(huán)向應力大小緊密相關。一、二級地區(qū)輸氣管道采用小的設計安全系數(shù)是為了降低工程造價，卻帶來了高的運行風險，因而必須采用高試壓強度和安全的試壓方式。即便是高試驗壓力，和管道強度設計相比，也是低安全系數(shù)，只是依靠實驗結論，采用低于試驗壓力的壓力去運行，即能保證管道的運行安全。對于三、四級地區(qū)來講，采用比設計壓力高得多的壓力進行試驗，目的也是為了保證管道的安全。
5 市政燃氣管道水壓試驗的難點
    燃氣管道的水壓試驗對確保管道長期安全使用很重要。但就從管道強度試驗介質的選擇來講，管道試壓介質的確定與管道設計壓力、管徑、用管強度、管材的韌性及焊接質量有關，還與管道沿線地形條件、供水條件、施工單位的試壓設備配置有關，特別是試壓方式選擇對今后的管道運行可能造成的影響等因素也有關。因此，試壓介質的確定應該綜合分析管道的具體情況，從試壓安全保證、經濟性、可行性、對管道運行的影響等方面全面進行考慮。水壓試驗盡管有安全可靠等眾多好處，但是對不同工程建設的各種復雜內部、外部條件而言，必然存在其適用的條件和不足[8]。
    對于市政燃氣管道，如果采用水作為試驗介質進行管道的強度試驗，無疑從安全角度考慮是非常合理的，對于單項燃氣管道工程也應該是首選的試壓方式。但是，與輸氣管道長距離、等徑、無分支、建設周期相對較短的特點相比，市政燃氣管道建設有很多特點，穿跨越多，分支多，管徑變化多，高程變化多，周期長，這就為采用清管球方式的水壓試驗帶來
了重重障礙，即便是克服種種困難、高代價實施了水壓試驗，后續(xù)的排水工作也是一大難題。
    水壓試驗技術在我國輸氣管道上應用的歷史不長，但在國外輸氣管道上的應用卻已經幾十年了，并正在向深度發(fā)展。學習這門技術，跟上時代，并能掌握運用到我國輸氣管道建設上尚有大量的工作要做[5]。2.5MPa以上壓力級制的燃氣管道進入城鎮(zhèn)的時間并不長，能夠完成具有城鎮(zhèn)燃氣特點的水壓試驗隊伍也需要不斷涌現(xiàn)、壯大，試壓技術也需要不斷探索和提高。因此，目前只從試壓安全角度去選擇試驗介質，忽略強度試驗的技術性、可操作性和經濟性，是不可取的。
6 強度試驗介質與壓力的選擇
    對于三、四級地區(qū)燃氣管道強度試驗時，是采用潔凈水還是采用壓縮空氣作為試驗介質以及采用壓縮空氣時試驗壓力如何確定，近年來一直爭論不休。石油天然氣行業(yè)的石油科學與技術論壇上，各方技術人員對三、四級地區(qū)用壓縮空氣進行強度試驗時試驗壓力的取值各抒己見，實施中分別取1.1倍、1.15倍、1.25倍、1.5倍設計壓力的都有，最后也沒有爭論出一個大家公認的結果。在燃氣行業(yè)，這種爭論也是此起彼伏。近十幾年，北京市四級地區(qū)的高壓燃氣管道采用壓縮空氣進行強度試驗時，試驗壓力就分別采用過1.15倍、1.25倍、1.5倍的設計壓力。
    事實上，目前造成這種模糊局面的原因有3個。一是強度設計系數(shù)問題，二是城鎮(zhèn)燃氣的規(guī)范體系問題，三是《輸氣管道工程設計規(guī)范》GB 50251—2003[9]條文規(guī)定的問題。把這3個問題搞清楚了，三、四級地區(qū)燃氣管道強度試驗的問題也就清楚了。
6.1 強度設計系數(shù)
   《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》GB 50028—2006[10]和《輸氣管道工程設計規(guī)范》GB 50251—2003對三、四級地區(qū)高壓燃氣管道強度設計系數(shù)的規(guī)定見表1。
表1 強度設計系數(shù)規(guī)定
規(guī)范名稱
強度設計系數(shù)
三級地區(qū)
四級地區(qū)
《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》
0.4
0.3
《輸氣管道工程設計規(guī)范》
0.5
0.4
    從表1可以看出，對于同一工程設計，選擇不同的規(guī)范，管道的強度設計結果也不同。理論上講，《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》GB 50028—2006中對三、四級地區(qū)的管道的強度設計要求比《輸氣管道工程設計規(guī)范》GB 50251—2003中對三、四級地區(qū)的管道的強度設計要求高出25%以上。
6.2 城鎮(zhèn)燃氣規(guī)范體系
    燃氣管道壓力試驗的規(guī)范要求及規(guī)范對比已在文獻[1]中進行了詳細的介紹?！冻擎?zhèn)燃氣設計規(guī)范》GB 50028—2006雖然將市政燃氣管道設計壓力提高到了4.0MPa，并對城鎮(zhèn)高壓燃氣管道通過的地區(qū)進行分級，不同等級地區(qū)采用不同的強度設計系數(shù)進行管道設計。但是相應的施工驗收規(guī)范的要求并沒有同步跟進，造成在工程實施過程中，只能參照執(zhí)行輸氣管道工程的有關標準。
    根據(jù)城鎮(zhèn)燃氣的特點，城鎮(zhèn)高壓燃氣管道強度設計系數(shù)的取值與《輸氣管道工程設計規(guī)范》GB 50251—2003不同，2.5MPa以上壓力級制高壓燃氣管道的其他設計要求基本與《輸氣管道工程設計規(guī)范》GB 50251—2003一致。在參照執(zhí)行輸氣管道工程的施工驗收要求時，就產生了差異，造成按照《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》GB 50028—2006設計的燃氣管道可以在不改變管道強度設計的條件下即可滿足空壓試驗條件，而按照《輸氣管道工程設計規(guī)范》GB 50251—2003設計的燃氣管道如果不改變管道強度設計的條件，只能進行水壓壓力試驗，而若進行空壓壓力試驗，就必須降低管道的最大操作壓力，或者推翻管道的強度設計，重新選材。
6.3 相關規(guī)范條文
    文獻[1]對《輸氣管道工程設計規(guī)范》GB 50251—2003中關于管道的強度設計、強度試驗介質與壓力等內容已進行了充分討論，并強調指出其中三、四級地區(qū)管道試壓介質和壓力的規(guī)定存在漏洞，與管道的強度設計不是唯一對應關系。作為《輸氣管道工程設計規(guī)范》GB 50251—2003修改依據(jù)的《輸氣和配氣管線系統(tǒng)》ASME B31.8—1999[11]卻有嚴格的對應關系。對此，文獻[12]做了說明，主要是考慮三、四級地區(qū)的建筑物、人口稠密，一旦試壓中管道破裂，壓縮氣體的劇烈膨脹可能會造成居民生命和財產的巨大損失，所以嚴格限制采用氣體做強度試壓介質。只有當三、四級地區(qū)管道的壁厚選擇比設計規(guī)范的最低要求大得多、實際最大運行應力很低，即安全系數(shù)分別達到2.8和3.75以上，而且是沒有受到腐蝕或疲勞損害的新管道時，才能采用空氣進行強度試壓。
6.4 空氣試壓條件
三、四級地區(qū)燃氣管道的空氣試壓條件見表2。
表2 三、四級地區(qū)的管道空氣試壓條件
試壓時最大環(huán)向應力
操作壓力
管材
三級地區(qū)
四級地區(qū)
最大操作壓力不超過現(xiàn)場最大試驗壓力的80%
所試驗的是新管道，并且焊縫系數(shù)為1.0
＜50%鋼管的最小屈服強度
＜40%鋼管的最小屈服強度
6.5 小結
    從文獻[12]對《輸氣管道工程設計規(guī)范》GB 50251—2003條文所做的解釋可以看出，規(guī)范編制人員是認定了三、四級地區(qū)進行管道強度試驗時，不論采用什么試壓介質，試驗壓力必須為設計壓力的1.4倍和1.5倍。其結果就是采用空氣作為試壓介質時，人為將三、四級地區(qū)的強度設計系數(shù)由0.5和0.4更改為0.357和0.267，比《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》中規(guī)定的0.4和0.3還要低。延伸的結果就是大大提高了采用空氣進行強度試驗的經濟代價。
    結合以上的論述，綜合各種因素，在國內現(xiàn)有燃氣規(guī)范體系框架下，市政高壓燃氣管道還是應該首選水作為強度試驗介質。試驗壓力執(zhí)行《輸氣管道工程設計規(guī)范》GB 5025 1—2003的規(guī)定。如果必須采用壓縮空氣作為強度試驗介質，應參照《輸氣和配氣管線系統(tǒng)》ASME B31.8—1999的規(guī)定，依據(jù)空氣試壓條件計算空壓的試驗壓力。如果簡化計算，也可以采用1.25倍的設計壓力作為空氣試壓的試驗壓力。
7 結論與建議
7.1 結論
    ① 燃氣管道強度設計時，不但應考慮地區(qū)等級的不同，還應考慮強度試驗的要求。
    ② 進行燃氣管道強度試驗時，水壓試驗不是唯一的選擇，但應該是首選的試壓方式。
    ③ 三、四級地區(qū)燃氣管道選用壓縮空氣進行強度試驗，試驗壓力取設計壓力的1.4倍和1.5倍是不合理的。
    ④ 三、四級地區(qū)燃氣管道若選用壓縮空氣進行強度試驗，可以采用1.25倍的設計壓力作為空氣試壓的試驗壓力。
7.2 建議
    ① 對《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》GB 50028—2006和《城鎮(zhèn)燃氣輸配工程施工及驗收規(guī)范》CJJ 33—2005進行進一步研究，統(tǒng)一強度設計和強度試驗標準。
    ② 應進一步對三、四級地區(qū)燃氣管道的空壓強度試驗進行研究，盡快修改《輸氣管道工程設計規(guī)范》GB 50251—2003相關條文，以利更好地指導燃氣管道的設計和建設工作。
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(本文作者：李永威 北京市煤氣熱力工程設計院有限公司 北京 100032)