水推球排氣在立管試壓中的應用

摘 要：海底管道試壓不同于陸上管道，由于它所處環境特殊，人員無法直接檢查管道除管道是否發生泄漏或者變形，因此對管道試壓要求也就格外嚴格。常用的海底管道試壓標準有挪威船級社標準DNV-OS-F101，以及澳大利亞標準AS/NZS 2 885.5。兩個標準除了對管道壓力波動的要求外，還對管道內空氣含量做了要求，要求管道內殘余空氣體積含量不能大于管道系統總容積的0.2%。文章主要介紹用水推球排氣方法的方法，達到試壓管線內部空氣含量<0.2%的要求，降低空氣對試驗結果的影響，供相關工程技術人員參考。

關鍵詞：海底管道；立管；水壓試驗；空氣含量；水推球排氣

中圖分類號：TQ379 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）12-0055-03

管道系統在建造安裝完成后需經過壓力試驗，檢驗管道的強度是否能滿足設計要求，焊縫及其它管道連接件的嚴密性。海底管道系統鋪設在海平面以下，由于這種特殊環境，在管道系統安裝完成后，人員無法檢查焊縫及管道是否發生泄漏。因此，壓力試驗格外嚴格。

海上采油模塊上立管作為海底管道的一部分，采用與海底管一樣的檢驗標準，DNV-OS-F101Submarine Pipel-

ine Systems，標準的一個重要要求是水壓試驗管道空氣含量少于0.2%，否則試驗結果不能接受。而海底管道由于它的特殊性，不允許在管道上開排氣孔。因此應采用特殊的方法對管道內氣體進行排除，目前主要的方法是用水推球進行置換排氣。

本文主要介紹水推球排氣的試驗方法和排氣效果的論證。

1 壓力試驗標準

按照挪威船級社標準DNV-OS-F101（2010版）規定，管道水壓試驗可以接受的壓力波動是試驗壓力的±0.2%，如果超過這個范圍，就要有可以解釋的原因，并且要計算結果說明，比如溫度升高等的影響。而且要求管道內空氣含量不能超過管道總體積的0.2%，因為空氣的壓縮比很大，對試驗結果影響很大。

圖1是標準中給出的空氣含量的測定方法。先給試壓管道注滿水，在試壓壓力的35%內不斷加壓，并且同時記錄加水量和壓力變化，根據圖1繪出圖表就可得出管內空氣體積。

而澳大利亞標準AS/NZS 2 885.5（2002版）除了以上圖表法外還給出了計算公式，可以計算管道在沒有空氣的情況下的理論升壓曲線。

受束縛管道的公式為：

不受束縛管道的公式為：

其中：

ΔV為管道內水的體積變化，L；

V0為管道系統內部容積，L；

D為管道外徑，mm；

t為管道壁厚，mm；

Δp為管道系統壓力變化，kPa；

ΔT為管道系統內部溫度變化，℃；

B和為溫度對管道壓力的影響系數，℃-1；

μ為管道材料泊松比，推薦為0.27；

E為管道材料楊氏模量，推薦為2.06x108 kPa；

A為試壓介質膨脹系數，kPa-1。當試壓介質為淡水時：

A=（3.9×10-3×T2-0.3×T+50.6）×（1-）×10-8

式中：T為管道系統內部溫度，℃；

p為管道系統實驗壓力，kPa。

在實際試驗時，一般管道都不受束縛，同時由于加壓過程時間較短，一般可以不考慮溫度對管道系統的影響。注水加壓過程理論壓力變化可以簡化為：

2 水推球排氣

2.1 水推球排氣原理

水推球排氣的原理比較簡單，就是利用試壓水把管道內的空氣置換出去，達到排除管道內氣體的效果。如圖2所示，在管道內推入一個排氣球，用注水泵推進一定長度，再推入另一排氣球，再兩球之間注滿水，然后利用大流量的高壓注水泵推動球快速流動至管道尾部，完成排氣注水。

2.2 水推球排氣系統圖及設備

2.2.1 水推球的系統圖如圖3所示。

2.2.1 試驗相關設備

為了完成管道水推球排氣及驗證的效果，系統需要用到以下設備：

①排氣球，如下圖（一般材質為聚亞安酯）；

②大流量高壓注水泵；

③高壓增壓泵；

④流量計；

⑤數字壓力溫度記錄儀；

⑥壓力表。

還有一些必要的管道閥門附件。

3 水推球排氣效果驗證

為了驗證水推球排氣的效果，本次試驗找了一段長20 m的12寸立管做試驗，其中包括1個90 ？觷彎頭，現場布置如圖4所示。

試驗壓力p=10 000 kPa；

管道直徑D=323.9 mm；

壁厚t=12.7 mm；

試驗當天水溫T=35 ℃

管道系統內部容積可算得V0=1 399 L

由：

A=（3.9×10-3×T2-0.3×T+50.6）×（1-）×10-8

可得水的膨脹系數A=4.34x10-7；

由式（3）可得：

Δp=1 287.6 ΔV （4）

3.1 水推球排氣步驟

①放入一個排氣球，推入管道一定深度；

②放入第二個球，在兩球中間注滿水；

③關閉增加和頭部排氣閥，打開尾部排氣排水閥；

④開動高壓注水泵，直到確定排氣球到達管道尾部。

⑤關閉所注水閥和排氣排水閥。

⑥開動增壓泵，排除連接管線內空氣，打開增壓閥。直到壓力升至試驗壓力的35%，也就是3 500 kPa，關閉增壓閥和增壓泵。

⑦試驗完成，記錄整理數據。

3.2 結果驗證

本次試驗做了兩次排氣和升壓數據記錄，根據試驗結果，得到兩組試驗數據，表1為上午試驗數據，表2為下午試壓數據。技術數據是流量計記錄的累積流量V和壓力記錄儀的壓力數據。

依據兩組數據和式（4）可以繪出管道理論和實際兩條升壓曲線。

如圖5和圖6所示，空氣含量分別是0.19 L和0.14 L，管道系統內部容積可算得V0=1 399 L，所以管道內殘余空氣含量為0.014%和0.010%，均小于標準要求的0.2%。

4 結 語

通過本次試驗和結果分析，說明水推球排氣的效果能夠滿足標準的要求，在管道試壓中運用是有效可行的。

參考文獻：

[1] DNV-OS-F 1012005，Submarine Pipeline Systems[S].