空气试压在山西煤层气管道工程中应用 8页

空气试压在山西煤层气管道工程中应用　　摘要：本文依据相关理论、标准、规范，结合山西煤层气管道工程，论证了空气试压的可行性、安全性，陈述了空气试压流程及方法和环境温度对试压的影响。Abstract：Thisarticle，basedonrelevanttheories，standardsandnorms，combinedwithShanxiCBMpipelineproject，demonstratedthefeasibilityandsafetyoftheairpressuretest，statedtheairpressuretestprocessandtheimpactofmethodsandenvironmentaltemperatureonthepressuretest.关键词：空气试压；强度试压；严密性试验；爆炸范围Keywords：airpressuretest；strengthpressuretest；tightnesstest；explosiverange中图分类号：TE973文献标识码：A文章编号：1006-4311（2013）19-0052-020引言8\n山西煤层气（天然气）管道工程约85%的管道地处吕梁山脉，管道所经地区地形、地貌和地质条件非常复杂，区域内水源匮乏，即使部分水源充足地区，也因环境污染而导致水质远未达到试压用水条件，且试压工期主要集中在冬季，因此通过参建相关方的调研评估决定该工程一、二级地区采用空气试压。1空气试压的可行性及应用目前，管道试压主要遵循美国、加拿大等西方国家以及我国的规范和标准。并且我国的标准GB50369与美国国家标准ANSI/ASMEB31.8，在试压介质选择原则上有共同之处，两者都规定可以使用空气作为试压介质。依据我国《输气管道工程设计规范》（GB50251-2003）10.2.3[1]与《油气长输管道工程施工和验收规范》（GB50369-2006）14.1.6中“输气管道位于一、二级地区的管段可采用气体或水作试压介质”[2]。因此，山西煤层气（天然气）二期管道一级和二级地区可采用空气进行压力试验。到目前为止，国内外已有多条长输管道采用了空气（天然气）试压方法。欧美国家在大型高压输气干线上进行气压试验的实例较少，主要有加拿大NormanWells管道的气压试验。苏联应用的实例最著名的是西伯利亚—中央的6条输气管道系统气压（天然气）试验，其中10721km的管道采用天然气试压。8\n随着我国管道建设事业的迅速发展，我国多条位于一、二级地区的输气管道采用空气进行了气压试验，主要有陕京输气管道、涩宁兰输气管道、西气东输管道等。山西煤层气（天然气）管道工程一、二级地区管道采用空气作为试压介质无论是标准、规范，还是技术上都是可行的。2空气试压的安全性分析2.1钢管止裂分析气压试验的韧性分析，根据相关管道止裂公式[3]：Battelle：CVN=2.382×10-5б■■（Rt）1/3（1）AISI：CVN=2.377×10-4б■■D0.5（2）式中：CVN—2/3尺寸夏比试样冲击韧性值/J；бh—环向应力/MPa；D—钢管外径/mm；R—钢管半径/mm；t—钢管壁厚/mm。采用以上公式，对山西煤层气（天然气）管道一、二级地区的各种型号管道的CVN值进行了计算，结果见表1。山西煤层气（天然气）管道工程，按照其管材数据单中的夏比冲击功显示可知，X70管材-20℃时的夏比冲击功平均值为135J；X60管材-10℃时的夏比冲击功平均值为100J；X52管材-5℃时的夏比冲击功平均值为90J；由此可见以上各种管材的夏比冲击功试验值远高于计算值。因此，理论上在进行气压试验时，以上管材管体的韧性是满足要求的。2.2空气试压时发生爆炸的危害区域2.2.1爆炸能量管道爆炸时仅在瞬间泄压，未来得及与外界发生热量交换，因此是一个绝热膨胀过程，其爆炸能量为理想气体绝热膨胀所释放的能量。公式为：8\nE=■1-■■×1000（3）式中：E—管道物理爆炸能量/kJ；P0—大气压力，取0.101325MPa；P1—管道爆破时的压力/MPa；V—管道体积/m3；K—空气的绝热指数，取值1.402。爆炸能量可依据TNT爆炸能公式转换为TNT当量。公式为：WT——E/QT（4）式中：QT—1kg的TNT的爆炸能，取4520kJ/kg；WT—管道爆炸的TNT当量/kg。2.2.2管道爆炸波及半径对人员的伤害及建筑物的破坏主要是爆炸冲击波引起的，选用超压—冲量准则，进行计算。①轻伤半径R。R表示在此处耳膜因冲击波作用破坏或轻微损伤的概率为0.01，它要求冲击波的超压分值为17KPa，将该值带入公式（5）、（6）可求出R。公式为：ΔPs=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019（5）Z=R×■■（6）式中：△Ps—冲击超压/Pa；R—轻伤半径/m；②财产损失半径R1。采用英国的建筑物破坏等级标准，选取破坏等级2时对应的半径为财产损失半径，在此半径内财产完全损失，而在此半径外，财产完全没有损失，计算式如下：R1=■（7）8\n③山西煤层气（天然气）管道气压算例。在海平面时空气的绝热指数K=1.402。因空气的绝热指数随海拔的升高而减小，随气压的降低而降低，所以当海拔升高时，其爆破的影响范围略有增加。以山西煤层气（天然气）管道离石-太原段[5]的空气试压进行计算，见表2。　　由上表可知，若以18km气压试验段为例，在管道放置于地表时其危险半径153.2m。而在施工过程中试压段内除试压头两端外其它部分都已进行二次回填，及管道上面已覆盖了最小厚度为1.2m厚度的土，因此除试压头两端外，其它部位的危险半径将会进一步缩小。3空气试压的工艺流程及主要技术参数3.1空气试压的工艺流程根据对空气试压的设备选型和工艺进行研究，在保证工程质量和工期的情况下，山西煤层气（天然气）管道工程空气试压的工艺流程如图1。3.2空气试压的主要技术参数3.2.1高差形成的静压差值分段试压时，受高差的影响，高压气体会产生压力差，压力差可由气体状态方程式计算。常温下压力和比容的乘积与热力学温度之比值为一常量，而这个常量就为该气体的气体常数，可以查出空气的气体常数为R=287J/（kg*K）。假设一段最高点和最低点高差为200m，地区等级为二级的试压段，试压时的环境温度20°C，管道强度试验压力为7.88MPa，在此压力下对应的比容可由公式（8）算得，公式为：V=（RT）/P（8）8\n式中：V—相应压力下的气体比热容，（m3/kg）；R—气体常数，取值287J/（kg*K）；T—K氏度；P—试验压力/Mpa。由此算得此压力下对应的比容为0.01067m3/kg。根据密度与比热容的计算公式（9）：ρ=1/V（9）可算得此压力下空气的密度为93.72kg/m3。最后，可根据压强计算公式（10）：P=ρgh（10）式中：g—重力系数度，取值9.8N/kg；h—管道最高点和最低点高差/m。可算得此压力和高差下空气自身使最低点压强值大于最高点压强值0.184MPa。同理，在严密性试验压力为6.3MPa时，根据公式（8）、（9）、（10）算得在此压力下，200m高差的空气自身使最低点压强值大于最高点压强值0.147MPa。3.2.2升、降压速度及稳压频率8\n升压时缓慢地增加试验压力，升压速度控制在1MPa/h以内。压力达到30%强度试验压力时，停止升压30分钟，检查有无漏气情况；如无异常，继续升压至60%强度试验压力，停止升压30分钟，检查有无漏气情况；如无异常，继续升压至强度试验压力。达到强度试验压力后，稳压10分钟，操作人员进入现场检查有无泄漏，试压技术员确定压力和温度稳定，压力稳定后进行4小时强度稳压。当强度稳压合格后，开始排气泄压至严密性试验压力，泄压速度控制在1MPa/h以内，待压力稳定后开始24小时严密性稳压。稳压结束并合格后，开始泄压排气，泄压速度控制在1MPa/h以内，直至排气结束。3.2.3降压率由于山西煤层气（天然气）管道工程一、二级地区计划采用空气作为试压介质，因此引起管道降压的因素除空气泄露外，环境温度变化会造成管道内空气温度变化，进而引起压力的变化也是管道降压的因素之一。因此在确定空气试压结束时无泄漏的情况下，可按压降率公式进行计算：ΔP=1001-■×100%（11）式中：P—压降率%；TS—稳压开始时管内气体的绝对温度/K；TZ—稳压结束管内气体的绝对温度/K；PS—稳压开始时气体的绝对压力/MPa；PZ—稳压结束时气体的绝对压力/MPa；PS=PS1+PS2（12）PZ=PZ1+PZ2（13）式中：PS1、PZ1—稳压开始及结束时的压力表读数/MPa；PS2、PZ2—稳压开始及结束时当地的大气压/MPa；TZ、TS、PZ、PS各值指全线各测点平均值。为此，山西煤层气（天然气）管道工程在试验前，管段进气端和末端需安装测温计，并采取了相应的保温措施。同时当地大气压值根据气象台站的报告和气压计的读数取得。3.2.4稳压结束后的允许压降率8\n管道严密性试压在强度试压合格后进行，严密性试验时间较长，在设计压力下稳压24h，以观察压降为主，压降不超过允许的压降值为合格。根据《GB50369-2006油气长输管道工程施工及验收规范》“14.4.6条严密性试验压降不大于1%试验压力值，且不大于0.1Mpa为合格”[2]，以山西煤层气管道工程为例，其严密性试验压力6.3Mpa，允许压降为1%，即0.063Mpa。4结束语空气试压可以用于管道强度试压和严密性试压。①长输管道空气试压替代水试压，能够很好适应于山西煤层气（天然气）管道，较好地解决了管道沿线水资源匮乏的问题。②空气试压应用于山西煤层气（天然气）管道工程技术可行，有良好的安全性。③空气试压时配置精度和数量符合要求的检测仪器，能够精确控制试验压力。参考文献：[1]中华人民共和国建设部.GB50251-2003，油气长输管道工程设计规范[S].[2]中华人民共和国建设部.GB50369-2003，油气长输管道工程施工及验收规范[S].[3]王贵涛，高法连.西气东输管道空气试压方法的可行性分析[J].油气储运，2003，22（11）：39-42.8