管道氣壓試驗安全技術與管理

張宏彬

[海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520]

管道氣壓試驗安全技術與管理

張宏彬

[海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520]

部分壓力管道由于受工作介質影響和建造階段條件限制，必須進行氣壓強度試驗，管道氣壓試驗費用低、時間短，但風險高。為保證氣壓試驗的順利進行，需要從安全技術和安全管理兩個方面加強控制。在技術方面除了通用要求外，著重考慮安全閥設計，一般選用全啟式安全閥，壓力設定不高于管道試驗壓力的1.1倍，保證在超壓時管道內氣體能及時排放到安全區域；安全距離設計主要是通過計算管道內氣體能量，再轉化成TNT當量，按照相關規范中給出的空爆沖擊波公式計算，結合已有的爆炸對人體造成傷害的研究成果，得出一定壓力和容量下的管道氣壓試驗安全距離。另外，從組織管理、應急管理、法蘭管理、試壓過程控制等方面論述了管道氣壓試驗的安全管理。

管道；氣壓試驗；安全技術；安全管理；法蘭管理

0 引 言

在工業化程度日漸提高的今天，壓力管道作為輸送介質的載體已遍布世界各地。從煉油化工廠裝置到長輸管道，從工廠、油田到城鎮、居民小區無處不在。管道安裝完畢，熱處理和無損檢測合格后，應進行壓力試驗。由于壓力管道試驗的危險性，其安全狀況直接影響施工企業安全生產和職工安全。根據國家《壓力管道安裝安全質量監督檢驗規則》規定，新建、改建、擴建的壓力管道，建設單位、設計單位、安裝單位、監理單位、檢測單位、防腐單位和其他相關單位必須接受并配合監督檢驗單位的監督檢驗工作，并承擔壓力管道安裝安全質量責任。監督檢驗單位應根據壓力管道的等級和技術要求等具體情況確定監督檢驗的方式。其中管道強度試驗、嚴密性試驗和管道安全保護措裝置及密封性能測試為現場監督檢驗項目。壓力試驗是破壞性試驗，其試驗本身就具有很大危險性。對于新建壓力管道，一般氣體輸送管道和分支較多并且在水壓后很難干燥的管道采用氣壓試驗。氣壓試驗施工成本低，而且節省干燥時間，縮短管道施工周期，但風險高，所以加強管道氣壓試驗安全管理，成為工作的重中之重。本文從安全技術和安全管理兩個方面開展研究，提出了安全釋放裝置設計原則，給出了安全距離的計算方法，并從組織管理、應急管理、法蘭管理，試壓過程控制等方面論述了管道氣壓試驗的安全管理，以保障氣壓試驗的順利進行。

1 氣壓試驗的安全技術

1.1 安全釋放裝置設計原則

工業金屬管道工程施工質量驗收規范中規定，氣壓試驗管道上必須安裝安全釋放裝置，防止管道超壓。一般采用全啟式安全閥，當入口靜壓超過設定壓力時，閥瓣上升泄放管道的超壓，當壓力降至回座壓力時，自動關閉安全閥。一般不使用爆破片，避免一旦管道超壓就把氣體全部快速排出而造成壓力降低過快，使管道急劇收縮，對焊縫位置造成應力沖擊。

安全閥選用和安裝原則如下:

(1) 一般選用全啟式安全閥，壓力設定不高于管道試驗壓力的1.1倍。

(2) 安全閥安裝前進行標定，如果試驗過程中安全閥起跳，則泄放閥內壓力重新標定使用。

(3) 根據勞動部頒布的《壓力容器安全技術監察規程》，氣體或蒸汽在臨界條件下的最小泄放面積為

(1)

式中:a為最小泄放面積，mm2；W為質量泄放流量，kg/h；C0為流量系數；X為氣體特性系數；p為泄放壓力，MPa；Z為氣體壓縮因子；T為泄放溫度，K；M為分子量。流量系數C0由制造廠家提供，若沒有制造廠的數據時，對于全啟式安全閥，C0=0.6～0.7；氣體特性系數X和氣體壓縮因子Z可查閱GB 50184—2011。

(4) 根據計算的最小泄放面積a，計算安全閥喉徑d1或閥座口D，對于全啟式安全閥，有

(2)

(5) 根據計算的最小泄放面積，按制造廠產品資料選擇安全閥。原則是所有安全閥的實際泄放面積不得小于最小泄放面積。

(6) 由(4)選擇的安全閥喉徑，反算安全閥的泄放量。根據反算的泄放量計算排放管中的壓力降，監察安全閥的型式是否適當。

(7) 安全閥入口連接關斷閥，出口延伸至安全區域。

(8) 安全閥安裝位置，最好選在壓力波動小的被試壓主管道上，取原有的儀表接口或可利用的法蘭口。

1.2 安全距離計算

1.2.1爆炸能量計算

試壓管道內的壓縮氣體在管道破裂時，不產生物態變形，而只是降壓膨脹，即為氣體由管道破裂前壓力降至大氣壓的簡單膨脹過程，且發生全過程所需時間極短，因此無論管道內的氣體與周圍大氣存在多大溫差，都可以認為管道內氣體與外界來不及進行熱量交換，即氣體膨脹是在絕熱狀態下進行。所以高壓氣體的爆炸能量也就是絕熱膨脹功[1]。

設氣體在破裂前狀態參數為(p0,V0)。p0為管道內氣體的壓強(Pa)；V0為爆破時刻的管道容積；K為氣體的絕熱指數:

(3)

式中:p1為塑性極限壓強；pa為大氣壓強。

在絕熱過程中達到狀態(pa,Va)，其中Va表示達到大氣壓強時的體積。由絕熱方程

(4)

得

(5)

所以，

(6)

又因為

(7)

所以

(8)

氣壓試驗管道內工作介質若是空氣，則K=1.4，其爆炸能量為

(9)

設

(10)

有

AK=CKV0.

(11)

由上式可知，計算氣壓試驗管道爆炸能量，主要是確定管道爆破時容積V0及破壞壓力p0，對于新建管道，發生爆炸原因主要是由于施工管理不到位，導致法蘭、閥門等緊固件裝配不合理，焊接缺陷；少部分情況是管道、管件等本身質量不合格，而設計本身不合理的情況更少。所以在此不考慮試壓管道的塑性極限壓強，只考慮管道內絕對壓力，即p0=pg+pa(pa為大氣壓，pg為表壓)。

1.2.2TNT當量計算

AK=CKV0=3.91×14.13
=55.25×106J.

(12)

因為TNT爆炸所放出的爆破能量為4230～4836kJ/kg，qTNT一般取平均值4500kJ/kg，故有

Q=AK/qTNT=55.25×
106/(4.5×106)
=12.28，

(13)

所以換算成TNT當量是12.28kg。

1.2.3沖擊波計算

我國國防工程設計規范(草案)中規定的空爆沖擊波超壓計算公式為[2]

(14)

當W=12.8kg時，

(15)

當R值在一定范圍內變化時，Δpf計算結果如表1所示。

表1 不同距離處的空爆沖擊波超壓計算結果

沖擊波首先表現為對人耳的破壞，蘇聯采用的人耳膜破裂的超壓閾值與美國相同，并認為耳膜受傷與頭部位置及空氣沖擊波陣面有關(人耳與入射沖擊波波陣面是垂直還是平行)，另外，蘇聯也強調動壓對人的損傷作用[3]。分析相關實驗數據[4]，并結合超壓對人體傷害規律及相關的殺傷標準，按照標準TNT爆炸壓力場的數據計算，將鼓膜損傷的閾值34kPa取為人體安全的沖擊波臨界值[5]，所以當TNT當量是12.28kg，H≥0.81m(試壓管線中心距地面高度)時，安全距離R為70m。

2 氣壓試驗前組織管理

2.1 建立試壓現場組織網絡

管道試壓前應成立試壓協調小組，協調小組組織施工單位、檢驗單位、維護檢修單位、使用單位、產權單位等，聽取各方意見要求，討論壓力試驗施工單位制訂的試壓方案，最終形成完整的切實可行的試壓方案，明確試壓過程各方職責和要求，并保證試壓過程按方案執行，及時處理與試壓有關的問題[6]。

2.2 建立應急事件處理預案

單項試壓工作應急預案應與試壓單位及項目總體應急預案銜接，并切實可行。應急預案明確管道試壓應急狀態下主要人員的職責和通信渠道，提出可能發生事故的應急方案，使參與試壓的單位及相關方人員了解各自在應急狀態下的責任，保障在應急情況下高效、有序地開展應急救援工作，將事故危害減少到最低程度。并且與當地醫療機構保持緊密聯系，保證在第一時間處理緊急事件。

3 氣壓試驗前現場管理

3.1 試壓前法蘭管理

對于新建管道，試壓過程中可能發生的事故，一般由于焊接缺陷，法蘭密封面破損，緊固件未緊固或緊固件螺紋破損，還有極少的設計原因等，其中法蘭及其緊固件的問題導致的事故占主要方面。所以加強法蘭管理能夠有效降低新建管道試壓過程事故的發生概率。

3.1.1法蘭接口保護

法蘭密封面、待焊坡口、螺紋連接等在運輸、存儲、組對、吊裝過程中應重點保護。有配對法蘭的，應采用配對法蘭中間夾以橡膠或塑料制蓋板封閉，蓋板的厚度不宜小于3mm。無配對法蘭的，應采用與法蘭外徑相同且夠厚的金屬、塑料或木制盲板封閉，如金屬制盲板，盲板中間應夾以橡膠或塑料制墊片，墊片厚度不宜小于3mm。配對法蘭或盲板用螺栓緊固在容器法蘭接口處，緊固螺栓不得少于4個且應均勻分布。用金屬或塑料環形保護罩罩在法蘭接管端部。所有螺紋接口應采用六角頭螺塞或螺帽堵上，外螺紋也可以采用塑料罩保護。

3.1.2法蘭裝配管理記錄

建立法蘭數據庫，所有法蘭都應分配一個獨一無二的號碼，法蘭節點信息記錄到電子表格中，包括但不限于: 裝配日期、連接形式、管徑和壓力、墊片和緊固件規格、緊固件裝配扭矩值、施工人員信息、采用的液壓工具信息、連接完工確認信息等。對高風險的法蘭進行全程跟蹤記錄。

3.1.3工具和設備管理

施工單位需要提供符合要求的工具和設備，液壓扭矩工具需按要求在符合資質的檢定機構進行檢定并有檢定合格證書。液壓扭矩設備和量具檢定周期最長為1年，手動扳手一般為1個月，液壓泵一般為3個月。

3.1.4操作人員培訓

所有參與法蘭管理的人員都應該得到培訓，掌握法蘭保護、安裝拆卸程序，工具設備使用方法和安裝完成的檢驗方法。所有人員必須培訓合格才能上崗。

3.1.5法蘭連接管理

法蘭連接需按照以下規則進行:

(1) 法蘭裝配前，保證法蘭面干凈整潔、完整。

(2) 確保法蘭和凸緣表面在無外力作用下軸向和徑向兩個方向匹配。如果需要外力作用，要在連接前由能勝任的管線力學工程師計算并在允許的情況下繼續連接。

(3) 墊片和緊固件符合設計文件要求，螺母在螺紋上能自由轉動，螺桿伸出螺母長度為螺母厚度的1/3到2/3，并且不少于3條螺紋。

(4) 螺栓按設計文件要求涂抹潤滑脂。

(5) 螺栓緊固的扭矩值符合設計文件要求。

(6) 螺栓緊固順序以順時針方向標記，第一次給出螺栓最大力矩的30%，第二次給出60%，第三次給出100%力矩上緊。緊固過程應監測法蘭間隙，調整螺栓順序來保持間隙適當的平行。

(7) 螺栓緊固完成后，由專職檢驗人員確認簽字。

3.2 試壓區域安全防護

按照安全距離要求，對試壓區域隔離。清理或拆除影響管道壓力試驗的部件或其他物體；為檢驗而搭設的腳手架、輕便梯、監控探頭等應安全可靠；用盲板割斷無關系統(設備或管道)并設明顯標志；試壓區域應照明全部覆蓋，無暗區；防靜電接地電阻和法蘭的導線符合要求；壓力表、安全閥、緊急切斷裝置及其安全防護裝置安裝到位。

4 試壓過程要求和安全管理

4.1 試壓過程一般要求

試壓過程一般要求如下:

(1) 脆性材料管道組成件未經液壓試驗合格，不得參加管道系統氣體試驗。

(2) 試驗介質應采用干燥潔凈的空氣、氮氣或其他不易燃和無毒的氣體。

(3) 氣體試驗溫度嚴禁接近金屬材料的脆性轉變溫度。

(4) 承受內壓鋼管及有色金屬管的試驗壓力應為設計壓力的1.15倍。真空管道的試驗壓力應為0.2MPa。

(5) 氣壓試驗時應裝有壓力泄放裝置，其設定壓力不得高于試驗壓力的1.1倍。

(6) 氣壓試驗前，應用空氣進行預試驗，試驗壓力宜為0.2MPa。

(7) 氣壓試驗時，應逐步緩慢地增加壓力，當壓力升至試驗壓力的50%時，如未發現異狀或泄漏，應繼續按試驗壓力的10%逐級升壓，每級穩壓3min，直至達到試驗壓力。應在試驗壓力下保持10min，再將壓力降至設計壓力，應以發泡劑檢測不到泄漏為合格。

4.2 試壓過程安全管理

試壓過程安全管理要求如下:

(1) 用于加注和排放試壓介質的閥門，以及用于觀察試壓管線壓力的壓力表和記錄儀應設置在安全區域，以便于試壓人員觀察壓力變化情況。

(2) 法蘭接口和焊道盡可能設置視頻監控設備，監控室設在安全區域，便于試壓人員觀察現場情況。

(3) 升壓過程差發現壓力表或試壓曲線異常，應立即停止加壓，首先由能觀察到的視頻監控中查找漏點，然后再泄壓排查。

(4) 降壓過程應使壓力降至設計壓力，其間壓力表和記錄儀曲線應為正常，并應以發泡劑檢測不到泄漏為合格。

(5) 試驗合格后按要求泄壓，并且把泄壓管出口延伸至安全區域。

5 結 語

綜上所述，安裝試壓安全閥是防止超壓的有效措施，而且應保證該安全閥在使用有效期內。安全距離是防止人身傷害的根本措施，但安全距離經常受限于試壓場地的操作空間，所以試壓場所盡量避開人員活動的頻繁區域，但必須保證最小的安全距離。工業管道氣壓試驗雖然危險，只要我們提高危險意識，并采取切實可行的措施，細化試壓方案，加強試壓過程安全管理，可以降低試壓風險，保證管道氣壓試驗工作安全順利地進行。

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SafetyTechnologyandSafetyManagementforPipelinePneumaticTest

ZHANG Hong-bin

[OffshoreOilEngineering(Qingdao)Co.，Ltd.,Qingdao,Shandong266520，China]

Due to the special internal medium impact and construction phase condition, pneumatic pressure test must be carried out for pressure pipelines. Pipeline pneumatic pressure test has the advantages of low cost and short time consuming, but the risk is high. To ensure the smooth progress of the pneumatic test, we need to strengthen the control of safety technologies and safety management. For the safety technology aspect, in addition to the general requirements of the technical aspects, more attention should be paid to the safety valve design, so as to ensure the timely gas discharge in the overpressure case. Generally, fully open safety valves are used, with the pressure limit set to no higher than 1.1 times the test pressure of the pipeline. The gas energy in the tested pipeline is calculated and then converted into TNT equivalent. According to the air explosion shock wave equation given in related regulations, combined with the body injury research results, we can get the safe distance for a pipeline with certain pressure and capacity. For the safety management, organization management, emergency management, flange management, process control and other aspects of pipeline pneumatic test are discussed.

pipeline; pneumatic test; safety technology; safety management; flange management

2017-04-07

張宏彬(1980—),男，工程師，主要從事管道設計和建造工作。

TE973

A

2095-7297(2017)03-0173-05