氣壓試驗在石化裝置壓力管道施工中的應(yīng)用

劉志強

北京燕華工程建設(shè)有限公司 北京 102502

管道的壓力試驗在整個裝置安裝中處于非常重要的地位，它的成功與否直接影響著裝置的安全運行。根據(jù)國標(biāo)GB50235-2010和行標(biāo)SH3501-2011規(guī)定，壓力試驗應(yīng)以液體為試驗介質(zhì)，在一定的試驗壓力和管道公稱直徑范圍條件內(nèi)，可用氣壓試驗代替。在實際施工中，有的工程由于施工任務(wù)重、施工工期緊，以及施工場地有限，導(dǎo)致采用水壓試驗會延誤施工進度，并影響到整個工程的竣工驗收。因此，在此情況下必須經(jīng)過科學(xué)的分析，通過在射線檢查、管道破壞性分析、管壁應(yīng)力核算和儲能分析幾方面來判定氣壓試驗的可靠性。如果上述方面均滿足要求，則可以用氣壓試驗代替液壓試驗。

本文以中化國際太倉聚四氫呋喃（PTMEG）主裝置工程中903單元的吸附系統(tǒng)管道試壓為例，詳細說明系統(tǒng)氣壓試驗的過程與步驟。

1 試壓系統(tǒng)的劃分

試壓系統(tǒng)的劃分是管道壓力試驗進行的第一個重要步驟，它與工藝流程、管道等級、設(shè)計參數(shù)、管道規(guī)格、管道材質(zhì)、管道位置和盲板安裝的難易程度等因素有關(guān)。

1.1 工藝流程

903單元吸附系統(tǒng)的工藝流程為：來自萃取清液儲罐的物料經(jīng)泵加壓后輸送到吸附塔預(yù)熱器，加熱后送至一級吸附塔；在吸附塔內(nèi)經(jīng)過催化反應(yīng)后，物料經(jīng)一級過濾器過濾，輸送至二級吸附塔；在進行催化反應(yīng)后，經(jīng)過二級過濾器過濾，進入成品區(qū)。

根據(jù)工藝流程，903單元吸附系統(tǒng)單獨作為一個整體系統(tǒng)考慮。

1.2 設(shè)計壓力

同一個化工裝置內(nèi)，按工藝流程的要求，其工藝管道的設(shè)計壓力是不同的，在劃分系統(tǒng)時，應(yīng)使相同或相近壓力等級的管道集中在同一個系統(tǒng)中。根據(jù)工藝要求所述，物料在經(jīng)過萃取清液儲罐后，設(shè)計壓力明顯提高，吸附系統(tǒng)會出現(xiàn)兩個壓力等級（A2D級和B1D級）。因而將該系統(tǒng)以設(shè)計壓力為依據(jù)分為兩個系統(tǒng)：吸附系統(tǒng)1（A2D級）和吸附系統(tǒng)2（B1D級）。其中，吸附系統(tǒng)2壓力較高，吸附系統(tǒng)1為常壓系統(tǒng)。

1.3 其他因素

按設(shè)計壓力劃分為兩個系統(tǒng)之后，再根據(jù)裝置總體流程圖及施工平面布置圖等設(shè)計文件，以管道操作單元為區(qū)域，把同材質(zhì)、相近壓力等級、現(xiàn)場分布相近、流程相通的支線盡可能集中在同一個試壓系統(tǒng)內(nèi)。在903單元吸附系統(tǒng)中，吸附系統(tǒng)2所在的工藝管道布置緊湊，系統(tǒng)中的設(shè)備所在位置也適合試壓人員進行盲板的安置工作。為此，所有等級為B1D的管道都劃分在一個系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的設(shè)備口都加盲板，系統(tǒng)中的儀表等器件全部拆除，用臨時短節(jié)連通。

2 試驗介質(zhì)的選定

國標(biāo)GB50235-2010規(guī)定：“壓力試驗應(yīng)以液體為試驗介質(zhì)。當(dāng)管道的設(shè)計壓力小于或等于0.6MPa時也可采用氣體為試驗介質(zhì)，但應(yīng)采取有效的安全措施。”當(dāng)管道的設(shè)計壓力大于0.6MPa時，必須有設(shè)計文件規(guī)定或經(jīng)建設(shè)單位同意，方可用氣體進行壓力試驗。

行標(biāo)SH3501-2011規(guī)定：管道系統(tǒng)的壓力試驗應(yīng)以液體進行。液壓試驗確有困難時，可用氣壓試驗代替，但應(yīng)符合下列條件：公稱直徑小于或等于300mm、試驗壓力小于或等于1.6MPa的管道系統(tǒng)；公稱直徑大于300mm、試驗壓力小于或等于0.6MPa的管道系統(tǒng)；設(shè)備應(yīng)全部隔離，并有經(jīng)施工單位技術(shù)總負責(zé)人批準(zhǔn)的安全措施；若超過上述條件的管道系統(tǒng)必須用氣壓試驗代替，未經(jīng)射線檢測的焊接接頭必須經(jīng)射線檢測或超聲檢測合格，角焊縫必須經(jīng)磁粉檢測或滲透檢測合格。

根據(jù)設(shè)計規(guī)范要求，壓力試驗應(yīng)以液體為主。但在中化國際太倉PTMEG主裝置工程中，由于施工工期很緊，又受設(shè)備到貨、材料到貨、施工現(xiàn)場氣候等因素的影響，在工藝配管后期，如果按正常設(shè)計規(guī)范要求以水為試壓介質(zhì)進行系統(tǒng)試壓，將導(dǎo)致工期拖延。因此，決定各系統(tǒng)采用空氣作為試驗介質(zhì)。903單元吸附系統(tǒng)2管道的公稱直徑最大為60mm，最高試驗壓力為1.725MPa，已超出規(guī)范要求。因此，通過射線檢查、管道破壞性分析、管壁應(yīng)力核算和儲能分析三方面來進一步證明氣壓試驗的可靠性。

2.1 射線檢查

SH3501-2011規(guī)定：對接接頭100%射線檢測或超聲波檢測合格；角焊縫必須經(jīng)磁粉檢測或滲透檢測合格，方可用空氣作介質(zhì)進行壓力試驗。在施工現(xiàn)場，903單元吸附系統(tǒng)2都是設(shè)計未要求100%檢測的管道，但由于在施工過程中，考慮到了工期的緊迫性，此系統(tǒng)所有管道對接接頭都按100%射線檢測或超聲波檢測合格；角焊縫都經(jīng)磁粉檢測或滲透檢測合格，每一道焊口的質(zhì)量都能得到保證。因此，從射線檢查合格方面分析，采用氣體介質(zhì)是滿足規(guī)范要求的。

2.2 破壞性分析

管道試驗時所發(fā)生的事故大部分是由于管道對接接頭及熱影響區(qū)斷裂引起的，這是由于在管道焊接中存在不同程度的缺陷。一般來講，管道對接接頭，特別是熱影響區(qū)附近是管道的最薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)ASMEIWB-3650壓力管道缺陷評定介紹，管道破壞有3種模式，即塑性破壞失效模式、韌性撕裂失效模式和脆性斷裂失效模式。

塑性破壞多發(fā)生在小口徑管線。不銹鋼管線失效多屬于塑性破壞失效模式，當(dāng)外力超過金屬材料的彈性極限時，金屬就會發(fā)生塑性變形，即使去除外力，金屬也不會恢復(fù)原狀，從而產(chǎn)生了塑性破壞。塑性破壞不僅與金屬的原子間距、晶粒大小有關(guān)，而且與管道直徑有關(guān)，但與試驗介質(zhì)沒有關(guān)系。

韌性撕裂是金屬經(jīng)大量的塑性變形后發(fā)生的斷裂。從金屬學(xué)角度分析，是以原有的微觀裂紋、空孔和雜質(zhì)等作為破壞源，在外力的作用下金屬發(fā)生大量的塑性變形，從而導(dǎo)致裂紋等破壞源緩慢擴張達到某一臨界尺寸時，發(fā)生的斷裂。從應(yīng)力強度因子法分析，把缺陷簡化為穿透裂紋、埋藏裂紋和表面裂紋3種，3種裂紋的應(yīng)力強度因子計算公式分別見式（1）、（2）和（3）。

式中：KI——張開型應(yīng)力強度因子，N/mm3/2；

σ——等效總拉應(yīng)力，N/mm2；

P1——埋藏裂紋至兩自由表面的最短距離，mm；

a——表面裂紋深度或埋藏裂紋高度的一半,mm。

或

式中：t——壁厚。

KI計算出來后，與平面應(yīng)變斷裂韌性（KIC）比較，若KI≤0.6KIC，則不會發(fā)生韌性撕裂。

從以上公式可以看出，韌性撕裂和試驗介質(zhì)沒有關(guān)系。相反，由于用氣體作試驗介質(zhì)，試驗壓力小于用液體作介質(zhì)的試驗壓力，則更不易發(fā)生韌性撕裂。

脆性斷裂失效模式一般發(fā)生在較低溫度下的鐵素體鋼管中。而脆性斷裂不僅僅與管線應(yīng)力水平有關(guān)，而且與試驗介質(zhì)有關(guān)?？刹捎脤Ρ裙芫€開裂速度（Vm）與試驗介質(zhì)中減壓波傳播速度（Vd）大小的方法來選擇試驗介質(zhì)。

當(dāng)Vm＞Vd時，裂紋尖端仍處于高壓區(qū)，故Vm不會下降，斷裂繼續(xù)進行；當(dāng)Vm＜Vd時，開裂尖端已處于低壓區(qū)，故而Vm將逐漸下降，最終Vm=0，此時形成止裂。

即：Vm≥Vd時不止裂，Vm＜Vd時止裂。Vd值為一常數(shù)，一般情況下水的Vd為1497m/s，空氣為331m/s。按Mott公式給出在理論上脆性斷裂擴展速度的計算公式，見式（4）。

式中：Va——聲波在管材中的傳播速度，m/s；

Co——原始裂紋長度，mm；

C——計算時Vm的裂紋長度，mm。

從前面分析可以看出，液體介質(zhì)與氣體介質(zhì)的區(qū)別，關(guān)鍵看材料屬于何種斷裂，對塑性及韌性撕裂二種失效形式，與試驗介質(zhì)沒有關(guān)系。也就是說，用液體試驗介質(zhì)能引起管道破裂，用氣體同樣會產(chǎn)生破裂，只是氣壓試驗破裂后產(chǎn)生較大的沖擊波。只有在環(huán)境溫度特別低，達到鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度時才發(fā)生脆性斷裂。因此，只有在冬季，特別是溫度在零下20℃時，才容易發(fā)生脆性斷裂，所以應(yīng)盡量選擇水作為試驗介質(zhì)。而903單元吸附系統(tǒng)工藝管道的壓力試驗正值9月份，環(huán)境溫度高，所以從壓力試驗對管道的破壞形式上分析，是可以采用空氣作為介質(zhì)的。

2.3 管壁應(yīng)力核算

根據(jù)SH3501-2011規(guī)定，當(dāng)設(shè)計溫度、壓力都很高或采用薄壁管道時，實驗溫度下材料的需用應(yīng)力和設(shè)計溫度下材料的需用應(yīng)力比值大于1.8時，應(yīng)計算管壁的應(yīng)力。該應(yīng)力值應(yīng)小于實驗溫度下材料屈服點的80%（氣壓試驗時）或90%（液壓試驗時）。管壁應(yīng)力計算公式見式（5）。

式中：σt——管壁應(yīng)力，MPa；

D0——管子外徑，mm；

Pt——試驗壓力，MPa；

S——管子的公稱壁厚，mm；

φ——管子的焊縫系數(shù)，按規(guī)范取0.9。

本系統(tǒng)中管道為1″、1-1/2″和2″，管道材質(zhì)均為0Cr18Ni9，管壁的應(yīng)力計算見表1。

表1 管壁應(yīng)力核算結(jié)果

綜上所述，管壁在試驗時的應(yīng)力值小于實驗溫度下材料屈服點的80%，滿足規(guī)范要求。

2.4 儲能分析

從管道系統(tǒng)的儲能來看，試壓系統(tǒng)一定要適中。一方面由于試壓反復(fù)性較大，容易引起不必要的資源浪費，更重要的是在選擇氣體作為試驗介質(zhì)時，管道內(nèi)儲能較大，如果出現(xiàn)裂縫時，會產(chǎn)生很大的沖擊波，破壞性較大。我國的相關(guān)規(guī)范及ASME在儲能限制上都尚未做出具體的規(guī)定，我們一般參考國外一些工程公司在這方面的具體經(jīng)驗。表2為法國Kellogg公司對氣壓試驗的儲能計算要求。

表2 法國Kellogg公司對氣壓試驗的儲能計算要求

根據(jù)式（6），對903單元吸附系統(tǒng)2進行儲能核算，各系統(tǒng)管道的規(guī)格、體積及試驗壓力見表3。

式中：E——氣壓系統(tǒng)的儲能，J；

V——氣壓系統(tǒng)的體積，m3；

P——氣壓試驗壓力，MPa。

根據(jù)式（6），計算得903單元吸附系統(tǒng)2儲能值E=5.628×107J。

表3 各系統(tǒng)管道的規(guī)格、體積及試驗壓力

法國Kellogg公司雖然對焊口檢測有明確的要求，但它是以系統(tǒng)的儲能多少來確定檢測比例。根據(jù)計算結(jié)果可知，903單元吸附系統(tǒng)2管道焊口檢測比率為25%。實際上，在進行氣壓試驗時，我們要求工藝管道透視比例為100%，即全部達到要求。因此，通過管道系統(tǒng)的儲能計算，采用空氣作為試驗介質(zhì)是可行的。

綜合以上分析，采用空氣作為試壓介質(zhì)可滿足規(guī)范要求，并通過對管道破壞形式的分析，加之參考國外一些公司以系統(tǒng)儲能進行核算，都證明采用空氣作為試壓介質(zhì)的可靠性。同時，隨著北京燕華工程建設(shè)有限公司施工、管理水平的不斷提高，從材料訂貨、檢測、預(yù)制到安裝一系列過程中，都有嚴格的規(guī)范要求及檢測手段，并且焊接工藝評定及焊工資格審查都要定期進行，所以903單元吸附系統(tǒng)2采用空氣作為試壓介質(zhì)是安全的。

3 試驗方法的確定

由于施工工期緊，試驗方法采用系統(tǒng)串聯(lián)試壓法。在壓力試驗過程中，用臨時線將幾個系統(tǒng)連接起來，按壓力的不同分別安裝控制閥和壓力表，為了防止閥門內(nèi)漏，可加裝雙閥進行控制。這樣做可以提高工作效率，減少試壓程序及試壓時間。試驗時，應(yīng)有專人負責(zé)操作各系統(tǒng)的控制閥及總控制閥，升壓時可先試大系統(tǒng)或高壓系統(tǒng)，檢查合格后，再將試壓用氣串入小系統(tǒng)或低壓系統(tǒng)進行檢查。另外，有些管道要求無油，因此在打壓車后設(shè)濾油罐，防止壓縮空氣經(jīng)過含油管線時將油帶入。

系統(tǒng)串聯(lián)試驗法示意圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)串聯(lián)試驗法示意圖

4 試驗壓力值的確定

因設(shè)計文件給的壓力值全部是液體的壓力試驗值，需換算成氣體的壓力試驗值，國標(biāo)及行標(biāo)同時規(guī)定氣體壓力試驗的壓力為設(shè)計壓力的1.15倍。如果設(shè)計溫度高于200℃，應(yīng)同時考慮溫度系數(shù)。此系統(tǒng)的工藝管道設(shè)計溫度沒有超過200℃，所以不用考慮溫度系數(shù)，氣壓試驗壓力值為1.725 MPa（管道的設(shè)計壓力的1.15倍）。

5 繪制系統(tǒng)流程圖

完成了試壓系統(tǒng)劃分、試驗介質(zhì)選擇、試驗壓力和試驗方法確定后，根據(jù)工藝流程圖和管線的單線圖進行系統(tǒng)流程圖繪制。另外，在繪制系統(tǒng)圖時，把所需加的盲板也要一同標(biāo)注在圖上，加盲板應(yīng)遵循以下原則：

（1）對未帶入試壓系統(tǒng)的設(shè)備，在設(shè)備與管線連接處加盲板；

（2）管道上8字盲板處可不另加盲板；

（3）對于有特殊要求的閥門（如安全閥），不參與試壓，需用盲板隔開。

（4）對于儀表閥門，例如調(diào)節(jié)閥、孔板和流量計等元件要在試壓之前全部拆除，用臨時短節(jié)替代，等試壓結(jié)束后再恢復(fù)，進行整體氣密。

6 試驗程序

以903單元吸附系統(tǒng)2的壓力試驗為基礎(chǔ)，結(jié)合其他相關(guān)專業(yè)，合理安排施工進度和網(wǎng)絡(luò)計劃，其目的是在保證系統(tǒng)壓力試驗的前提下，合理安排其他工序的施工計劃。即以系統(tǒng)的壓力試驗安排工程進度，保證試壓工作的順利進行。鑒于工期緊，要求施工完成一個系統(tǒng)立即試壓一個系統(tǒng)。通過臨時管線將各系統(tǒng)串聯(lián)起來，待系統(tǒng)具備試壓條件時可隨時進氣。各系統(tǒng)之間也有閥門控制，以避免相互串氣。試壓前試壓人員要首先對照系統(tǒng)試壓流程圖，對具備試壓條件的系統(tǒng)進行尾項檢查；確認配管無誤后，通知有關(guān)責(zé)任單位進行聯(lián)合檢查；檢查合格后才能進行壓力試驗；試壓合格后在項目責(zé)任人確認后進行泄壓，至此，一個系統(tǒng)的壓力試驗結(jié)束。

7 試壓步驟

（1）按照試驗前的準(zhǔn)備工作和各項要求準(zhǔn)備完畢，且達到相應(yīng)技術(shù)規(guī)定，并經(jīng)有關(guān)人員檢驗合格。

（2）按系統(tǒng)流程圖要求開（關(guān)）閥門，各種臨時配件、設(shè)備安裝完畢，且達到相應(yīng)的技術(shù)要求。

（3）打開空壓機，向系統(tǒng)注入壓縮空氣，使壓力逐級緩升。首先升壓至試驗壓力的50%進行檢查，如無泄漏及異常現(xiàn)象，繼續(xù)按試驗壓力的10%逐級升壓直至試驗壓力，每一級穩(wěn)壓3min，達到試驗壓力后穩(wěn)壓5min。

（4）穩(wěn)壓5min后，若無泄漏，目測無變形，強度試驗即為合格。然后打開臨時排氣閥，降壓至設(shè)計壓力，還要用涂肥皂水方法檢查，確保無泄漏；再穩(wěn)壓30min，若壓力不降，即表明氣壓試驗合格。

（5）打開臨時排氣閥，將系統(tǒng)內(nèi)氣體排至常壓。

（6）按要求拆除臨時盲板，填寫記錄，拆除臨時管線、壓力表等其他試驗設(shè)備。

（7）填寫《管道系統(tǒng)試驗記錄》，并請有關(guān)人員簽字確認。

對于其他試壓系統(tǒng)，也采取相應(yīng)的步驟進行系統(tǒng)的氣壓試驗。在實際施工中，現(xiàn)場施工隊伍參照所提供的系統(tǒng)試壓圖和試壓方案，成功地完成裝置的藝管線的氣壓試驗。實踐證明，采用空氣作為試驗介質(zhì)，加快了施工進度，減少了施工負荷，有效促進了中化國際太倉PTMEG主裝置工程的順利完工。

8 結(jié)束語

工藝管道的壓力試驗采用空氣作為試驗介質(zhì)具有明顯優(yōu)點，如臨時設(shè)施用量少、不用設(shè)高點放空和低點排放、試壓用時少、可與氣密性試驗一并進行、減少施工程序，以及縮短施工工期等。但其安全性能較差，對管道施工要求較高。

通過以上分析可知，只要環(huán)境溫度不是特別低（大于零下20℃），按照規(guī)范要求，通過管道破壞性分析、管壁應(yīng)力核算和儲能核算，采取規(guī)范的審批資格，并對現(xiàn)場實物進行嚴格的檢查，便可選用空氣作為試驗介質(zhì)。另外，在管道壓力試驗中，試壓系統(tǒng)劃分、介質(zhì)選擇和試驗方法的確定等各方面的準(zhǔn)備工作應(yīng)提早進行，最好與施工方案同步做出，這樣施工網(wǎng)絡(luò)計劃就可按試壓系統(tǒng)進行安排，從而減少重復(fù)勞動、提高工作效率，使試壓更具科學(xué)性、安全性和實用性。