石油化工管道系統(tǒng)試驗的設(shè)計

董振杰(中國石油工程建設(shè)有限公司，北京 100120)

0 引言

在煉廠管道安裝完成后需要進(jìn)行系統(tǒng)試驗，試驗分為壓力試驗和嚴(yán)密性試驗。

本文主要論述在國內(nèi)外項目中各種常用的試驗方法及試壓包的編制。

1 壓力試驗

管道壓力試驗的目的是檢查管道系統(tǒng)的承壓能力，檢查焊接質(zhì)量，同時檢驗管道系統(tǒng)的柔性。

1.1 液壓試驗

1.1.1 試驗壓力的規(guī)定

ASME B31.3—2018 《Process Piping》[1]中規(guī)定了試驗壓力最小值的計算方法，如式(1)所示：

式中：PT為最小試驗壓力；P為設(shè)計壓力；ST為試驗溫度下的許用應(yīng)力；S為設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力。

由于在高溫條件下管道材料的力學(xué)性能會下降，因此當(dāng)管道系統(tǒng)的設(shè)計溫度高于試驗溫度時，管道系統(tǒng)的試驗壓力應(yīng)按比例提高，修正系數(shù)為ST/S。

GB/T 20801—2020[2]關(guān)于試驗壓力的描述與ASME B31.3相同，均是通過式(1)計算，而且計算值均為最小值。

SH 3501—2011[3]關(guān)于試驗壓力的描述與ASME B31.3不同，雖然均是通過式(1)計算，但是SH 3501規(guī)定計算值就是試驗值，而未說明是最小值。

GB 50517—2010[4]關(guān)于試驗壓力的描述與ASME B31.3也不同，雖然均是通過式(1)計算，但是GB 50517規(guī)定計算值就是試驗值，而未說明是最小值。

雖然SH 3501和GB 50517均未明確計算值就是試驗最小值，但是標(biāo)準(zhǔn)中同時也提到了最大不允許使試驗條件下產(chǎn)生的周向應(yīng)力或軸向應(yīng)力超過試驗溫度下材料屈服強(qiáng)度的90%，這時對應(yīng)的試驗壓力為試驗壓力的最大值。

ASME B31.3和GB/T 20801規(guī)定試驗壓力最大值為導(dǎo)致產(chǎn)生屈服強(qiáng)度時對應(yīng)的壓力。為了保險起見，將導(dǎo)致產(chǎn)生90%屈服強(qiáng)度的應(yīng)力(等于1.33倍許用應(yīng)力)代入ASME B31.3和GB/T 20801的直管壁厚計算公式，即可反算出已知管道的最大承受壓力，此為最大試驗壓力。

對于夾套管，內(nèi)管試壓壓力應(yīng)按內(nèi)部或外部設(shè)計壓力中的較大值確定。

管道壓力試驗的目的是檢查管道系統(tǒng)的承壓能力。由于管道材料在高溫條件下力學(xué)性能下降，當(dāng)管道系統(tǒng)的設(shè)計溫度高于試驗溫度時，管道系統(tǒng)的液壓試驗壓力應(yīng)按比例提高。但提高后的試驗壓力不應(yīng)導(dǎo)致管道材料損壞。

管道的液壓試驗壓力經(jīng)換算后數(shù)值可能提高，使其在試驗條件下產(chǎn)生的周向應(yīng)力或軸向應(yīng)力超過了材料屈服強(qiáng)度或管道組成件的額定壓力(管道組成件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壓力值)的1.5倍，使試驗過程增加了不安全因素，所以必須將試驗壓力降低，以滿足液體壓力試驗時管道組成件應(yīng)力值在安全范圍內(nèi)的要求。

在試驗壓力下管道組成件的內(nèi)壓圓周應(yīng)力可按相關(guān)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行計算。計算得到的實際圓周應(yīng)力不得超過材料屈服強(qiáng)度的90%。否則應(yīng)降低試驗壓力直至材料屈服強(qiáng)度的90%。

管道系統(tǒng)的設(shè)計壓力與處于同一系統(tǒng)的設(shè)備設(shè)計壓力可能不同，且設(shè)計壓力相同的管道與設(shè)備，其試驗壓力也可能不同，當(dāng)管道與設(shè)備作為一個系統(tǒng)進(jìn)行試驗時，應(yīng)對試驗壓力進(jìn)行調(diào)整，以保證設(shè)備安全。

在確保安全的條件下，液壓試驗可用氣壓試驗替代。同時，GB/T 20801規(guī)定對于GC3級管道，可采用初始運(yùn)行試驗代替液壓試驗。ASME B31.3中規(guī)定對于D類流體工況，可采用初始運(yùn)行試驗代替液壓試驗。

對于液壓試驗的免除，按照GB/T 20801的要求只有滿足以下條件時才可以免除液壓試驗：“液壓試驗會損壞襯里或內(nèi)部隔熱層，或會污染生產(chǎn)過程(該過程會由于濕氣而變?yōu)槲ｋU的、腐蝕的或無法工作)，或在試驗中由于低溫而出現(xiàn)脆性斷裂的危險”。

GB/T 20801規(guī)定，對于液壓試驗免除的條件為：當(dāng)液壓和氣壓試驗都不切實際時，可采用9.1.7中的方法。這里要強(qiáng)調(diào)的是壓力試驗免除后并不只是進(jìn)行100%無損檢測就滿足設(shè)計要求。此外，還必須進(jìn)行(1)管道系統(tǒng)柔性分析；(2)進(jìn)行敏感性泄漏試驗。

ASME B31.3對于壓力試驗免除的條件及免除后的要求與GB/T 20801基本相同。不同點(diǎn)是ASME B31.3中規(guī)定了，由于液壓試驗介質(zhì)產(chǎn)生的較大載荷而導(dǎo)致管道支撐需要大的改變時，可以免除液壓試驗。

1.2 氣壓試驗

1.2.1 試驗壓力的規(guī)定

ASME B31.3規(guī)定，氣壓試驗最小值為1.1倍的設(shè)計壓力。GB/T 20801規(guī)定試驗壓力應(yīng)為1.15倍的設(shè)計壓力，并未說明此為最小值。

ASME B31.3規(guī)定，氣壓試驗最大值為1.33倍的設(shè)計壓力和導(dǎo)致90%屈服強(qiáng)度壓力中的較小者。GB/T 20801中并未明確規(guī)定試驗壓力的最大值，但是9.1.1.2條中規(guī)定：“如果試驗壓力會產(chǎn)生管道周向應(yīng)力或軸向應(yīng)力超過試驗溫度下的屈服強(qiáng)度時，試驗壓力可減至在該溫度下不會超過屈服強(qiáng)度的最大壓力”。

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1.2.2 氣壓試驗的替代和免除

GB/T 20801規(guī)定，氣壓試驗免除的條件為：氣壓試驗具有危險性，或正試驗中由于低溫而出現(xiàn)脆性斷裂的危險，可采用9.1.7中的方法。

ASME B31.3對于氣壓試驗免除的條件及免除后的要求與GB/T 20801相同。

1.3 試驗盲板的設(shè)計

盲板是完成壓力試驗的一個非常重要的元件，盲板的厚度和安裝方式對于壓力試驗的安全性有著非常重要的作用。圖1為國外某項目水壓試驗現(xiàn)場，出現(xiàn)了盲板變形、焊縫開裂、管道彎曲、管托脫落。事故發(fā)生后分析原因，主要是由于盲板厚度不夠且與管道的連接強(qiáng)度也不高，因此高壓下引起變形，焊縫撕裂，導(dǎo)致盲板脫落，從而造成高壓水噴出，形成的反作用力將管線移位。

圖1 水壓試驗過程中焊接盲板脫落

壓力試驗用封頭盲板的最小厚度應(yīng)按式(2)計算：

式中：t為盲板厚度；d為管道內(nèi)徑；C取0.33；P為設(shè)計壓力(0.1 MPa)；S取1 379(碳鋼)，1 150(300系列不銹鋼)；E取1。

壓力試驗用插板的最小厚度應(yīng)按式(3)計算：

式中：T為盲板厚度；d為突面或平面法蘭的墊片內(nèi)徑，或環(huán)連接面墊片的平均直徑；P為設(shè)計壓力(0.1 MPa)；S取1 379(碳鋼)，1 150(300系列不銹鋼)；E取1；C取0。

2 嚴(yán)密性試驗(泄漏試驗)

泄漏試驗重點(diǎn)檢查部位是法蘭、閥門填料、螺紋接頭等位置的泄漏。

GB/T 20801中規(guī)定，對于輸送極度和高度危險流體以及可燃流體的管道，應(yīng)進(jìn)行泄漏試驗，試驗壓力為設(shè)計壓力。

ASME B31.3中沒有與之對應(yīng)的泄漏試驗，但是在執(zhí)行海外項目時也需要進(jìn)行系統(tǒng)泄漏試驗。國際工程公司常用的泄漏試驗試驗壓力規(guī)定如下。

(1)當(dāng)操作壓力≤0.25 MPag時，試驗壓力為設(shè)計壓力和安全閥設(shè)定壓力減0.1 MPag中的較小者。

(2)當(dāng)0.25 MPag＜操作壓力≤0.7 MPag時，試驗壓力為操作壓力。

(3)當(dāng)操作壓力＞0.7 MPag時，試驗壓力等于0.7 MPag。

3 試壓包

由于一套煉油裝置一般包含數(shù)百條管線，除去大多數(shù)公用工程管線試驗壓力相同外，工藝管線、污油污水、放空氣、加藥等管線一般有著不同的試驗壓力，如果完全按照管道表進(jìn)行試壓，則需要編制太多的試壓包，現(xiàn)場試壓工作量巨大。因此，為了減少試壓工作量，將連在一起且試壓壓力接近的管線可一起打壓，統(tǒng)一的試驗壓力應(yīng)滿足每條管線最大值和最小值的要求。通常，不同管線劃在一個試壓包時，需要滿足以下條件：

(1)一般是相同的管道等級下合并，因為不同的管道等級所包含的閥門和法蘭的承壓能力相差很大，因此合并的可能性較?。?/p>

(2)閥門和法蘭按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，最大允許值按1.5倍的38 ℃下的許用應(yīng)力確定；

(3)管子、管件按試驗壓力應(yīng)滿足本文對壓力試驗章節(jié)對試驗壓力的要求；

(4)同時，還應(yīng)考慮特殊件、儀表件等對管線試驗壓力的限制；

(5)考慮到氣壓試驗的危險性，不建議對氣壓試驗管道進(jìn)行合并，除非有完全相同的試驗壓力。