國外油氣站場管道試壓試驗標準剖析

蔡 亮

中國航油集團津京管道運輸有限責任公司，天津 300300

0 前言

試壓是管道工程建設的重要環節，是對管道施工質量、材料性能和管道整體質量的綜合檢驗，可以暴露和消除缺陷，保證管道運行安全。長輸管道試壓技術已較完善，高強度水壓試驗做法已經在國際上獲得認可［1-2］。但輸油、輸氣站場管道試壓標準還需改進，例如工藝管道高低壓區域劃分、嚴密性試壓持續時間等。

輸油、輸氣站場管道試壓的國外標準包括：美國標準ASME B31.8-2007 《輸氣和配氣管道系統》，ASME B31.4-2006《液態烴和其他液體管道輸送系統》，加拿大標準CSA-Z662-2007《石油和天然氣管道系統》，英國標準BSPD 8010-1-2004《管道規范-第1部分：陸上鋼制管道》，俄羅斯標準РД153-39.4 p-118-2002《現役干線石油管道線路試驗規則》、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計和施工標準》、РД153-39ТН-008-1996《石油輸送站設備和設施的組織使用、技術維護和修理工藝手冊》、ОР07.00-45.21.30-КТН-004-2-2000《管道的技術維護和修理規程》等。借鑒國外標準的先進理念，對提高我國輸油、輸氣站設計和運行水平具有重要意義。

1 試壓順序

國內標準規定先進行強度試驗，再進行嚴密性試驗。國外標準根據管道操作壓力等級進行不同類型的壓力試驗，操作壓力較高，管道應進行強度試驗，嚴密性試驗非強制性要求，或者二者合并進行；操作壓力較低，允許只進行嚴密性試驗。國外標準中試壓方式更為合理，例如：

a）ASMEB31.8-2007《輸氣和配氣管道系統》規定輸氣站工藝管道操作壓力≥30%SMYS僅進行強度試驗；操作壓力＜30%SMYS且超過0.7MPa，一級地區僅進行嚴密性試驗，在二、三、四級地區進行強度試驗；操作壓力＜0.7MPa，僅進行嚴密性試驗。

b）ASMEB31.4-2006《液態烴和其他液體管道輸送系統》規定輸油站工藝管道操作壓力＞20%SMYS應進行強度試驗，經檢查確認無泄漏，無需進行嚴密性試驗；操作壓力≤20%SMYS應進行嚴密性試驗，代替強度試驗。

c）CSA-Z662-2007《石油和天然氣管道系統》規定輸油氣站工藝管道操作壓力＞0.7MPa應進行強度試驗，隨后進行嚴密性試驗，在1.1倍工作壓力下完成強度試驗后立即進行外觀泄漏檢測，可不進行嚴密性試驗；以氣體作為試驗介質，強度試驗和嚴密性試驗允許合并進行，但應采用適合的方法檢測泄漏。操作壓力不高于0.7 MPa，僅進行嚴密性試驗。

2 高低壓管道劃分原則

輸油、輸氣站場管道涉及多管徑、多異型管件，操作壓力等級多，管道類型多，應采用分段試壓法，但國內標準針對高低壓管道劃分原則較簡略，不利于高壓管道驗證承壓能力，而低壓管道存在高低壓串氣導致超壓隱患。例如GB 50540《石油天然氣站內工藝管道工程施工規范》規定試壓前應將壓力等級不同的管道和不宜與管道一起試壓的系統、設備、管件、閥門及儀器等隔離，分別進行試壓。

俄羅斯標準РД153-39.4 p-118-2002 《現役干線石油管道線路試驗規則》規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節裝置(輸油泵)和輸油站連接進出站的管道，低壓管道指油庫區管道和給油泵匯管。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計和施工標準》規定站場進站管道至過濾器，以及過濾器至輸油泵進口壓力匯管屬于中壓管道，泵出口匯管至站場出站管道屬于高壓管道，過濾器污油管線、輸油泵房放空管線屬于低壓管道，具有借鑒意義。

3 嚴密性試驗

研究表明，在強度試壓階段穩壓足夠時間內，未暴露缺陷的管道在低于試驗壓力運行時，不會出現破裂事故，在嚴密性試驗階段，主要是檢查管道有無泄漏點，應保證必要的嚴密性持續時間。國內外標準關于嚴密性試驗壓力和持續時間的規定見表1，國內外標準對試驗壓力的規定基本一致，在1.0～1.1倍設計壓力之間。對持續時間差別較大，小于30min，甚至可不做嚴密性試驗，或者與強度試驗合并進行，大于4～24 h，則需要進一步研究確定。

文獻［3］建立了氣體試壓時嚴密性試壓穩壓時間計算數學模型，見式（1），研究了西氣東輸管道干線氣試壓穩壓時間與管容、管徑和內壓力等影響因素的關系，即管容越大、同一管容管徑越大、壓力越高的管道，需要的穩壓時間越長。以慶鐵三線某輸油站為例，管材選用X 65，［σs］=450MPa，嚴密性試驗壓力為 7.0MPa，站內管道系統容量約為1000m3，穩壓時間與孔隙直徑的關系見圖1。

式中：μ為薄壁圓孔流量系數；d為泄漏孔隙簡化為薄壁圓孔直徑，mm；p為試驗壓力，MPa；ρ為水密度，kg/m3；t為穩壓時間，h；V0為工藝管道系統容積，m3；Δp為試壓過程允許壓降率；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 國內外標準關于嚴密性試驗的規定

圖1 慶鐵三線某輸油站泄漏孔徑直徑與穩壓時間的關系

根據圖1，針對給定的輸油站，嚴密性試驗所需穩壓時間與檢測泄漏點直徑成反比關系，但進一步延長穩壓時間對于檢測更小孔隙泄漏的效果有限，存在臨界穩壓時間，圖1給出的臨界穩壓時間約為7 h。建議國內標準暫不修改嚴密性試驗持續時間，對特定輸油、輸氣站場根據實際情況，按式（1）計算確定合理的嚴密性試驗持續時間。

4 低溫條件下管道試壓技術

針對0℃以下管道試壓，國內僅在長度＜500m的油田集輸管道進行了現場試驗［4］，試壓安全性、防止水凍結措施、注水設備性能等問題還需改進完善，國內標準僅為原則性規定，缺乏具體技術要求，例如GB 50251《輸氣管道工程設計規范》規定試壓宜在環境溫度5℃以上進行，否則應采取防凍措施，或者使用含有結冰抑制劑的水。

國外高寒地區管道水試壓采用外電伴熱帶技術已有成功應用先例，文獻［5］介紹了俄羅斯標準BCH 011-1988《干線管道和工藝管道的建設》0℃以下管道試壓技術要求，包括季節性水源獲取、管道保溫防凍措施、試壓熱力參數計算和低溫冷凍液添加劑等。文獻［6］介紹了阿拉斯加高寒凍土區管道水壓試驗技術，包括試壓前管道缺陷修復、試壓水加熱過濾重復利用、試壓過程進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 強度試驗升壓程序

5.1 以水為介質的強度試驗

以水為介質的強度試驗升壓過程，國內外標準基本一致，國內標準根據試驗壓力等級，規定了升壓次數和階躍值，見表2。國外標準規定了升壓過程壓力控制速率，還規定了升壓過程中空氣含量檢測方法，嚴格限定空氣含量以保證試壓強度的準確性。例如GB 50540《石油天然氣站內工藝管道工程施工規范》規定以水為介質進行強度試驗時，升壓次數應符合表2規定，升至各個階段壓力應穩壓30min，升壓速率不大于0.1MPa/min，經檢查無泄漏可繼續升壓。

表2 強度試驗升壓程序

英國標準BSPD 8010-1-2004《管道規范-第1部分：陸上鋼制管道》規定充壓過程應以控制速率進行，升壓速率可以0.1MPa/min速率增壓至95%試驗壓力或者以0.05MPa/min速率升壓至試驗壓力。記錄繪制沖水體積、壓力升高值和時間的曲線，按照圖2方法計算空氣含量。檢測空氣含量和在60%、90%試驗壓力時，試驗壓力保持時間30min。

管道中空氣含量可能影響水壓試驗精度，空氣含量不應超過試驗管道容量的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-體積曲線斜率進行對比，理論斜率計算見式（2），如斜率偏差超過10%，應對試驗段重新充壓。

圖2 升壓過程空氣含量檢測方法

5.2 以空氣為介質的強度試驗

以空氣為介質的強度試驗程序，國內外標準基本一致，另外國外標準規定了試驗完成后的降壓程序，具有借鑒意義。例如GB 50540《石油天然氣站內工藝管道工程施工規范》規定以空氣為介質進行強度試驗時，升壓值依次為試驗壓力的10%、50%，若無泄漏，逐次增加10%的試驗壓力直至100%，間隔5min，升壓速率應＜0.1 MPa/min。英國標準BSPD 8010-1-2004《管道規范-第1部分：陸上鋼制管道》規定氣體全試壓過程（強度試驗和嚴密性實驗合并完成），以0.7MPa/min速率升壓至1.25倍最大允許運行壓力，保持45min，再以0.7MPa/min速率降至1.1倍最大允許運行壓力，保持24 h，試壓完成后，以0.1MPa/min速率降至90%試驗壓力值，再以0.2MPa/min速率繼續降壓。

6 工藝管道試壓周期

對輸油、輸氣站工藝管道試壓周期，國內標準無規定。事實上，我國很多輸油、輸氣站場面臨服役時間長、輸量低、腐蝕嚴重、未進行內檢測等問題，有必要進行重新試壓和周期性試壓以驗證其可靠性和剩余壽命［7］。俄羅斯標準РД153-39ТН-008-1996《石油輸送站設備和設施的組織使用、技術維護和修理工藝手冊》規定工藝管道試驗每 8 a不少于1次；РД153-39.4 p-118-2002《現役干線石油管道線路試驗規則》規定輸油站強度試驗和嚴密性試驗周期應計入管道檢查時間，輸油站試驗周期應等于檢查周期的2倍，至少每8 a進行1次；俄羅斯標準 ОР07.00-45.21.30-КТН-004-2-2000《管道的技術維護和修理規程》規定工藝管道水壓試驗每8 a至少進行1次，或者根據管道設計參數和使用期限，確定水壓試驗壓力，并給出是否實施維修作業的結論。

7 安全措施

國內標準規定了試壓過程中的安全措施，國外標準規定了試壓安全距離，更具有針對性。例如SY/T 5922-2012《天然氣管道運行規范》規定試壓期間管道兩側各100m設為隔離區，嚴禁煙火和靜電火花；氣體試壓過程中，試驗壓力從50%SMYS升至最大試驗壓力，期間不允許人工巡線等。

英國標準BSPD 8010-1-2004《管道規范-第1部分：陸上鋼制管道》規定輸油氣站水壓試驗安全距離為15m，氣壓試驗開始前，應以0.15MPa壓力進行預試驗，檢查管道是否存在泄漏跡象，氣壓試驗安全距離應確定泄漏影響區域和爆炸半徑。文獻［8］運用高壓氣體爆炸能量計算方法，計算了氣試壓時管道爆炸的損傷半徑，為制定氣試壓的現場安全措施提供了參考依據。

8 結論

a）建議對運行壓力較低的管道，強度試驗和嚴密性試驗合并進行，操作壓力低于0.7MPa的工藝管道僅進行嚴密性試驗。

b）借鑒俄羅斯標準對輸油、輸氣站場管道劃分為高壓、中壓和低壓管道；規定輸油、輸氣站工藝管道試壓周期。

c）建議針對特定輸油、輸氣站場的實際情況，根據嚴密性試驗數學模型確定合理的臨界穩壓時間，可以適當延長穩壓時間以便檢測更細微的泄漏點。

d）借鑒俄羅斯標準和阿拉斯加管道關于0℃以下管道試壓的技術要求。

e）建議以水為介質的強度試驗程序，借鑒英國標準中的空氣含量檢測方法；以空氣為介質的強度試驗程序，借鑒英國標準中試壓完成后的降壓程序。

f）借鑒英國標準和高壓氣體爆炸能量計算方法，確定氣體試驗的泄漏影響區域和爆炸損傷半徑。

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