山區長輸管道清掃及分段試壓方法

祝俊川，胡東模，代小龍

(四川省工業設備安裝公司，四川成都610014)

山區長輸管道清掃及分段試壓方法

祝俊川，胡東模，代小龍

(四川省工業設備安裝公司，四川成都610014)

長輸管道的清掃和試壓是管道施工中的一個重要工序，是保證管道內潔凈度的重要措施，是檢驗管道及焊縫的承壓能力及嚴密性的主要手段。面對復雜多變的現場情況，尤其是地形多變、條件惡劣的山區地段，如何才能安全、合格、高效地完成管道的清掃、試壓工作？根據以往施工經驗，合理的管段劃分，并采用相應的管道清掃及試壓方法是關鍵。

山區； 壓力管道； 清掃； 試壓

在進行山區長輸管道施工時，管道的清掃、試壓工作有著以下幾個難點：第一是水源分布稀少，管線分段時必須考慮水源的便利性。第二是管道使用熱煨彎頭多，彎頭角度大，造成通球阻力很大，卡球風險也大。第三是管道敷設起伏大，造成注水過程排氣難度大。第四是管線高差大，試壓時必須計算管線低點環向應力，將一條管線劃為若干試驗段分別進行試驗。以我公司施工的四川彭州煉廠至成都雙流機場航煤輸油管道為例，管線全長185 km，管道設計壓力10 MPa，管道選用材質為L 360，一般地段管道規格選用φ273×8.8，穿越段為φ273×10。按照《油氣長輸管道工程施工及驗收規范》及設計說明“管道試壓段不宜超過35 km、管道低點試壓時所承受的環向應力不大于管材最低屈服強度的0.9倍”的要求，需分段進行清掃、試壓。其中龍泉驛段為山區段，管道長33.5 km，管道沿地勢敷設，最高點海拔高度970 m，最低點海拔高度510 m。由于水源少、起伏轉折多、高差大，給管線清掃、試壓帶來很大困難。文章以龍泉驛段介紹山區管線清掃及試壓方法。

1 管線試壓段劃分

1.1 應力計算

由于管線高差較大，在進行試驗前首先進行管道低點處環向應力計算

(1)

式中：σ為試壓時允許的管道環向應力(MPa)；P為允許的最大試壓壓力(MPa)；D為管道外徑(mm)；t為管道壁厚(mm)。

由式(1)可得：

(2)

由式(2) 計算可得：

設計試驗壓力:P1=12.5 MPa

又由公式P=ρgh可得低點處靜水壓力:

P2=1000×9.8×460=4508000 Pa=4.508 MPa

可得：P=22.33 MPa>P1+P2=17.008 MPa，所以此段管道滿足試壓分段要求。

1.2 綜合考慮水源選擇

(1)此段管道清掃試壓用水量估算：

V1=3.14×0.255×0.255÷4×33500=1710 m3

V2=πD2LP[D/(TE)+1/(500L)+β]/40

=40312.5L=40.3 m3(以P=122.5計算)

式中：V2為管道水壓試驗升壓P(MPa)時需增補的水量(L);D為管道內徑(cm);T為管道平均壁厚(cm);L為管道長度(m);E為管材的彈性模量，取(2.0～2.1)×105MPa;β為水的壓縮系數，取0.475×10-4。

總用水量估算：

V=V1×1.2+V2=2092.3m3

其中1.2為考慮損耗及球前預裝水的系數。

(2)由計算結果可見，清掃試壓用水量較大，所以需選擇一處能夠穩定供水的水源。經實地查看，在龍泉驛段管道終端處有一座水庫，且此處為本段管道最低處附近，交通也較為便利，故選擇在此切斷管道，作為本試驗段的起始發球端。

2 主要清掃、試壓設備選用

主要清掃、試壓設備包括：清管球、水泵、增壓泵、清管器、空壓機、試壓封頭和收發球筒等。

(1)清管球：采用空心清管球2個，注水過盈量為5%～8%。根據經驗，不考慮靜水壓情況下，使清管球行走所需壓差為0.1～0.2 MPa。

(2)水泵：根據上述：V1=1710 m3、最大高差達460 m以及清管球行走所需壓力等因素，進水泵選用揚程600 m、流量12.5 m3/h的多級離心泵。

(3)增壓泵；選用25 MPa、流量約300 L/h(高壓階段)的柱塞式電動試壓泵。

(4)清管器：采用剛性軸、4片杯形皮碗加尼龍鬃盤刷式清管器，并配備電子跟蹤裝置，以便于確定清管掃線過程中清管器運行的準確位置。

(5)空壓機：最高壓力6 MPa，產氣量5 m3/min。

(6)試壓封頭：定制橢圓形管帽，其厚度為14 mm，與φ273×10管道按照同管道焊接標準進行焊接，射線探傷合格后加焊4條加強肋防充脫裝置，均勻分布在連接處(圖1)。

圖1 加強肋連接示意

(7)收發球筒：發球筒使用DN300無縫鋼管與DN300 PN6.4法蘭/盲板焊接組成(圖2)；收球筒使用DN350無縫鋼管與DN350 PN2.5法蘭/盲板焊接組成(圖3)。

圖2 發球筒連接示意

圖3 收球筒連接示意

3 清掃、試壓流程

目前普遍采用的方式是首先采用空氣推動清管器清掃管道，然后再注水試壓，最后使用大功率風機清除試壓用水的流程。其優點是能在第一次清掃時清理掉清掃出的雜物，再進行試壓工作。但考慮到本管道試壓采用壓力較高(12.5 MPa)，如采用此種流程，則收球筒的承壓能力要求很高，存在較大安全風險且造價較高。由于在本管道施工中嚴格控制了管道內潔凈度，所以，采取如下方式進行清掃、試壓。

3.1 清掃

采用水推動清管球的方式，進行第一次清掃及向管線內注水、排氣。

(1)在管線末端(接收端)焊接試壓封頭。

(2)首先在起始端采用常壓注水，作用為浸泡、潤滑管道。根據本段地勢情況，能注入起始段200 m左右，直至水滿后裝入清管球，然后焊接試壓封頭，至此，管線全線封閉。

(3)在起始端接入水泵，啟泵向管道內注水，推動清管球前進。此時開始嚴密監測壓力值，并每一小時記錄進水量、即時壓力兩個數據。

(4)管線末端封頭排氣閥處無氣體排出、連續出水，且進水量超過管線計算容量，則表明管道內已注滿水，清管球即將到達管線末端，此時接入增壓泵進入試壓程序。

在進行管道水壓試驗時，管內空氣是否排盡是決定試壓能否成功的關鍵。清管球在管內的前進方式為滾動加滑動前進，在清理細小雜物方面雖有所欠缺。但在本過程中其主要作用是隔離空氣與水，在注水過程中，排盡空氣，為后續的試壓做好準備。試壓過程中，清管球不必取出，可帶球試壓(圖4)。

圖4 注水、試壓系統示意

3.2 管線試壓

啟動電動試壓泵，進行系統壓力和嚴密性試驗。根據《油氣長輸管道工程施工及驗收規范》和設計說明要求，強度試驗壓力為設計壓力的1.25倍，即12.5MPa；嚴密性試驗壓力為設計壓力的1.1倍，即11 MPa(圖5)。

圖5 管道強度及嚴密性試驗壓力-時間曲線

試壓過程要求：

(1)試驗時壓力應均勻緩慢上升、平穩、防止沖擊，注意外界溫度對管道試壓的影響。

(2)強度試驗分三次升壓，即壓力分別為試驗壓力1/3，穩壓15 min后，對其進行觀察，未發現問題時繼續升壓；升至試驗壓力2/3，對其進行觀察，未發現問題時便可繼續升壓；以后每次升壓1 MPa，穩壓15 min后，直至試驗壓力。

(3)在強度試驗壓力到達12.5 MPa后穩壓4 h，并沿線檢查，無泄漏降壓為合格。

(4)緩慢降壓至11 MPa，穩壓24 h進行嚴密性試驗。以壓降不大于1%試驗壓力值且不大于0.1 MPa為合格。

試壓完成后，打開末端封頭放水閥泄壓，以確保將清管球帶至末端封頭短管內。完全泄壓后，切下試壓封頭，取出清管球，焊接清掃用收/發球筒，進行后續清掃工作。清管球在封頭短管內無法取出時，可接入試壓泵，緩慢增壓，反向將其頂出。

3.3 二次清掃

采用空氣推動清管器/球的方式進行第二次清掃。根據清掃成果可進行第三次、四次清掃，直至達到合格要求。其流程為：

(1)在發球筒端接入空氣壓縮機，打開后端盲板，按順序裝入：清管球—清管器—清管球，封閉后啟動空壓機推動清管球組直至末端收球筒。此時清管球的作用是清除水，清管器作用是清理顆粒雜物及進行跟蹤。

(2)啟動空壓機向管內充氣，清管器運行速度控制在4～5 km/h，工作壓力不應超過5 MPa。

(3)跟蹤儀跟蹤。按照約5 km間距選擇六個管線相對高點作為蹲守點，啟動前安排人員蹲守，用通過檢測儀檢測，一旦清管器通過，立即通知下一處蹲守人員，并做好記錄，轉移到另一蹲守點。

(4)球運行至收球筒后，排氣閥門開始大量排氣，說明清管順利完成，待氣體排盡，壓力回零后可打開收球筒，清理雜物，取出清管器，檢查清管器皮碗的外型尺寸變化、劃傷程度，對磨損較大的皮碗進行更換。對跟蹤信號發生器充電檢修，準備下一次的清掃。

經過第二次清掃，管內大量試壓存水已排出，不再考慮管內靜水壓因素；再次進行清掃時，空氣壓力應不超過0.5 MPa。

4 卡球的處理

管道清管過程中，如果出現卡球，采取以下處理方式：

(1)如果清管器卡在管道內，要設法進行增壓推動，但增壓不得超過設計壓力，而且不能增加到收發球筒的額定壓力。

(2)如果更高的壓力也不能使管內清管器進行運動，則必須進行割管取出清管器。判斷卡球位置可采用電子跟蹤儀，另采用水推動的可以進水量進行估算。

5 安全注意事項

(1)管道清掃及試壓前，應對試驗段進行安全檢查，確認各連頭點全部連通并經質檢合格且已埋設。

(2)和試驗段一起承壓的鋼管、閥門、試壓封頭等，使用前均應進行強度試驗，強度試驗壓力為設計壓力的1.5倍，穩壓2h，無泄漏、無爆裂為合格。與試驗管道連接必須牢固，進水、進氣管必須安裝支架，固定牢固。

(3)試壓中如有泄漏，應泄壓后修補。

(4)做好記錄，清掃、試壓作業全程需安排人員堅守，有異常情況時能及時進行處理。

(5)清管作業中，應保證清掃管道的垃圾、污水不得隨意排放，應符合環保要求。

(6)應配備良好的通訊設備，保證信息的暢通。

6 結束語

山區管道清掃試壓所面臨情況復雜多變，難度大，工作中應根據不同情況，采用不同的合理的方法，選用相應合適的設備，方能快速、安全的完成清掃、試壓工作，達到既定的目的。根據多年管道施工經驗，如能在前期管道安裝過程中有效控制管內潔凈度，對降低后期管線清掃、試壓的難度也是十分有利的。

[1] 劉錫恒. 淺談長距離輸送管道的通球試壓[J].油氣田地面工程，2003，22(9).

[2] 魏秦文, 趙洪瑞. 管道試壓后掃水過程的水力學分析[J]. 重慶科技學院學報,2013,15(1).

[3] 劉剛，陳雷. 管道清管器技術發展現狀[J].油氣儲運，2011，30(9).

[4] 劉克先. 給水管道水壓試驗中的力學關系[OL].http://www.docin.com/p-582585704.html. 2008-05-26.

祝俊川(1963～)，男，本科，高級工程師，國家注冊一級建造師(機電工程、市政工程)，主要從事工程技術管理工作；胡東模(1981～)，本科，工程師，國家注冊二級建造師(機電工程)，主要從事項目施工管理工作；代小龍(1987～)，本科，助理工程師，主要從事項目施工管理工作。

U175.5

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[定稿日期]2015-05-07