劉志強

北京燕華工程建設有限公司 北京 102502

管道的壓力試驗在整個裝置安裝中處于非常重要的地位，它的成功與否直接影響著裝置的安全運行。根據國標GB50235-2010和行標SH3501-2011規定，壓力試驗應以液體為試驗介質，在一定的試驗壓力和管道公稱直徑范圍條件內，可用氣壓試驗代替。在實際施工中，有的工程由于施工任務重、施工工期緊，以及施工場地有限，導致采用水壓試驗會延誤施工進度，并影響到整個工程的竣工驗收。因此，在此情況下必須經過科學的分析，通過在射線檢查、管道破壞性分析、管壁應力核算和儲能分析幾方面來判定氣壓試驗的可靠性。如果上述方面均滿足要求，則可以用氣壓試驗代替液壓試驗。

本文以中化國際太倉聚四氫呋喃（PTMEG）主裝置工程中903單元的吸附系統管道試壓為例，詳細說明系統氣壓試驗的過程與步驟。

1 試壓系統的劃分

試壓系統的劃分是管道壓力試驗進行的第一個重要步驟，它與工藝流程、管道等級、設計參數、管道規格、管道材質、管道位置和盲板安裝的難易程度等因素有關。

1.1 工藝流程

903單元吸附系統的工藝流程為：來自萃取清液儲罐的物料經泵加壓后輸送到吸附塔預熱器，加熱后送至一級吸附塔；在吸附塔內經過催化反應后，物料經一級過濾器過濾，輸送至二級吸附塔；在進行催化反應后，經過二級過濾器過濾，進入成品區。

根據工藝流程，903單元吸附系統單獨作為一個整體系統考慮。

1.2 設計壓力

同一個化工裝置內，按工藝流程的要求，其工藝管道的設計壓力是不同的，在劃分系統時，應使相同或相近壓力等級的管道集中在同一個系統中。根據工藝要求所述，物料在經過萃取清液儲罐后，設計壓力明顯提高，吸附系統會出現兩個壓力等級（A2D級和B1D級）。因而將該系統以設計壓力為依據分為兩個系統：吸附系統1（A2D級）和吸附系統2（B1D級）。其中，吸附系統2壓力較高，吸附系統1為常壓系統。

1.3 其他因素

按設計壓力劃分為兩個系統之后，再根據裝置總體流程圖及施工平面布置圖等設計文件，以管道操作單元為區域，把同材質、相近壓力等級、現場分布相近、流程相通的支線盡可能集中在同一個試壓系統內。在903單元吸附系統中，吸附系統2所在的工藝管道布置緊湊，系統中的設備所在位置也適合試壓人員進行盲板的安置工作。為此，所有等級為B1D的管道都劃分在一個系統中，系統中的設備口都加盲板，系統中的儀表等器件全部拆除，用臨時短節連通。

2 試驗介質的選定

國標GB50235-2010規定：“壓力試驗應以液體為試驗介質。當管道的設計壓力小于或等于0.6MPa時也可采用氣體為試驗介質，但應采取有效的安全措施。”當管道的設計壓力大于0.6MPa時，必須有設計文件規定或經建設單位同意，方可用氣體進行壓力試驗。

行標SH3501-2011規定：管道系統的壓力試驗應以液體進行。液壓試驗確有困難時，可用氣壓試驗代替，但應符合下列條件：公稱直徑小于或等于300mm、試驗壓力小于或等于1.6MPa的管道系統；公稱直徑大于300mm、試驗壓力小于或等于0.6MPa的管道系統；設備應全部隔離，并有經施工單位技術總負責人批準的安全措施；若超過上述條件的管道系統必須用氣壓試驗代替，未經射線檢測的焊接接頭必須經射線檢測或超聲檢測合格，角焊縫必須經磁粉檢測或滲透檢測合格。

根據設計規范要求，壓力試驗應以液體為主。但在中化國際太倉PTMEG主裝置工程中，由于施工工期很緊，又受設備到貨、材料到貨、施工現場氣候等因素的影響，在工藝配管后期，如果按正常設計規范要求以水為試壓介質進行系統試壓，將導致工期拖延。因此，決定各系統采用空氣作為試驗介質。903單元吸附系統2管道的公稱直徑最大為60mm，最高試驗壓力為1.725MPa，已超出規范要求。因此，通過射線檢查、管道破壞性分析、管壁應力核算和儲能分析三方面來進一步證明氣壓試驗的可靠性。

2.1 射線檢查

SH3501-2011規定：對接接頭100%射線檢測或超聲波檢測合格；角焊縫必須經磁粉檢測或滲透檢測合格，方可用空氣作介質進行壓力試驗。在施工現場，903單元吸附系統2都是設計未要求100%檢測的管道，但由于在施工過程中，考慮到了工期的緊迫性，此系統所有管道對接接頭都按100%射線檢測或超聲波檢測合格；角焊縫都經磁粉檢測或滲透檢測合格，每一道焊口的質量都能得到保證。因此，從射線檢查合格方面分析，采用氣體介質是滿足規范要求的。

2.2 破壞性分析

管道試驗時所發生的事故大部分是由于管道對接接頭及熱影響區斷裂引起的，這是由于在管道焊接中存在不同程度的缺陷。一般來講，管道對接接頭，特別是熱影響區附近是管道的最薄弱環節。據ASMEIWB-3650壓力管道缺陷評定介紹，管道破壞有3種模式，即塑性破壞失效模式、韌性撕裂失效模式和脆性斷裂失效模式。

塑性破壞多發生在小口徑管線。不銹鋼管線失效多屬于塑性破壞失效模式，當外力超過金屬材料的彈性極限時，金屬就會發生塑性變形，即使去除外力，金屬也不會恢復原狀，從而產生了塑性破壞。塑性破壞不僅與金屬的原子間距、晶粒大小有關，而且與管道直徑有關，但與試驗介質沒有關系。

韌性撕裂是金屬經大量的塑性變形后發生的斷裂。從金屬學角度分析，是以原有的微觀裂紋、空孔和雜質等作為破壞源，在外力的作用下金屬發生大量的塑性變形，從而導致裂紋等破壞源緩慢擴張達到某一臨界尺寸時，發生的斷裂。從應力強度因子法分析，把缺陷簡化為穿透裂紋、埋藏裂紋和表面裂紋3種，3種裂紋的應力強度因子計算公式分別見式（1）、（2）和（3）。

式中：KI——張開型應力強度因子，N/mm3/2；

σ——等效總拉應力，N/mm2；

P1——埋藏裂紋至兩自由表面的最短距離，mm；

a——表面裂紋深度或埋藏裂紋高度的一半,mm。

或

式中：t——壁厚。

KI計算出來后，與平面應變斷裂韌性（KIC）比較，若KI≤0.6KIC，則不會發生韌性撕裂。

從以上公式可以看出，韌性撕裂和試驗介質沒有關系。相反，由于用氣體作試驗介質，試驗壓力小于用液體作介質的試驗壓力，則更不易發生韌性撕裂。

脆性斷裂失效模式一般發生在較低溫度下的鐵素體鋼管中。而脆性斷裂不僅僅與管線應力水平有關，而且與試驗介質有關。可采用對比管線開裂速度（Vm）與試驗介質中減壓波傳播速度（Vd）大小的方法來選擇試驗介質。

當Vm＞Vd時，裂紋尖端仍處于高壓區，故Vm不會下降，斷裂繼續進行；當Vm＜Vd時，開裂尖端已處于低壓區，故而Vm將逐漸下降，最終Vm=0，此時形成止裂。

即：Vm≥Vd時不止裂，Vm＜Vd時止裂。Vd值為一常數，一般情況下水的Vd為1497m/s，空氣為331m/s。按Mott公式給出在理論上脆性斷裂擴展速度的計算公式，見式（4）。

式中：Va——聲波在管材中的傳播速度，m/s；

Co——原始裂紋長度，mm；

C——計算時Vm的裂紋長度，mm。

從前面分析可以看出，液體介質與氣體介質的區別，關鍵看材料屬于何種斷裂，對塑性及韌性撕裂二種失效形式，與試驗介質沒有關系。也就是說，用液體試驗介質能引起管道破裂，用氣體同樣會產生破裂，只是氣壓試驗破裂后產生較大的沖擊波。只有在環境溫度特別低，達到鋼材的脆性轉變溫度時才發生脆性斷裂。因此，只有在冬季，特別是溫度在零下20℃時，才容易發生脆性斷裂，所以應盡量選擇水作為試驗介質。而903單元吸附系統工藝管道的壓力試驗正值9月份，環境溫度高，所以從壓力試驗對管道的破壞形式上分析，是可以采用空氣作為介質的。

2.3 管壁應力核算

根據SH3501-2011規定，當設計溫度、壓力都很高或采用薄壁管道時，實驗溫度下材料的需用應力和設計溫度下材料的需用應力比值大于1.8時，應計算管壁的應力。該應力值應小于實驗溫度下材料屈服點的80%（氣壓試驗時）或90%（液壓試驗時）。管壁應力計算公式見式（5）。

式中：σt——管壁應力，MPa；

D0——管子外徑，mm；

Pt——試驗壓力，MPa；

S——管子的公稱壁厚，mm；

φ——管子的焊縫系數，按規范取0.9。

本系統中管道為1″、1-1/2″和2″，管道材質均為0Cr18Ni9，管壁的應力計算見表1。

表1 管壁應力核算結果

綜上所述，管壁在試驗時的應力值小于實驗溫度下材料屈服點的80%，滿足規范要求。

2.4 儲能分析

從管道系統的儲能來看，試壓系統一定要適中。一方面由于試壓反復性較大，容易引起不必要的資源浪費，更重要的是在選擇氣體作為試驗介質時，管道內儲能較大，如果出現裂縫時，會產生很大的沖擊波，破壞性較大。我國的相關規范及ASME在儲能限制上都尚未做出具體的規定，我們一般參考國外一些工程公司在這方面的具體經驗。表2為法國Kellogg公司對氣壓試驗的儲能計算要求。

表2 法國Kellogg公司對氣壓試驗的儲能計算要求

根據式（6），對903單元吸附系統2進行儲能核算，各系統管道的規格、體積及試驗壓力見表3。

式中：E——氣壓系統的儲能，J；

V——氣壓系統的體積，m3；

P——氣壓試驗壓力，MPa。

根據式（6），計算得903單元吸附系統2儲能值E=5.628×107J。

表3 各系統管道的規格、體積及試驗壓力

法國Kellogg公司雖然對焊口檢測有明確的要求，但它是以系統的儲能多少來確定檢測比例。根據計算結果可知，903單元吸附系統2管道焊口檢測比率為25%。實際上，在進行氣壓試驗時，我們要求工藝管道透視比例為100%，即全部達到要求。因此，通過管道系統的儲能計算，采用空氣作為試驗介質是可行的。

綜合以上分析，采用空氣作為試壓介質可滿足規范要求，并通過對管道破壞形式的分析，加之參考國外一些公司以系統儲能進行核算，都證明采用空氣作為試壓介質的可靠性。同時，隨著北京燕華工程建設有限公司施工、管理水平的不斷提高，從材料訂貨、檢測、預制到安裝一系列過程中，都有嚴格的規范要求及檢測手段，并且焊接工藝評定及焊工資格審查都要定期進行，所以903單元吸附系統2采用空氣作為試壓介質是安全的。

3 試驗方法的確定

由于施工工期緊，試驗方法采用系統串聯試壓法。在壓力試驗過程中，用臨時線將幾個系統連接起來，按壓力的不同分別安裝控制閥和壓力表，為了防止閥門內漏，可加裝雙閥進行控制。這樣做可以提高工作效率，減少試壓程序及試壓時間。試驗時，應有專人負責操作各系統的控制閥及總控制閥，升壓時可先試大系統或高壓系統，檢查合格后，再將試壓用氣串入小系統或低壓系統進行檢查。另外，有些管道要求無油，因此在打壓車后設濾油罐，防止壓縮空氣經過含油管線時將油帶入。

系統串聯試驗法示意圖見圖1。

圖1 系統串聯試驗法示意圖

4 試驗壓力值的確定

因設計文件給的壓力值全部是液體的壓力試驗值，需換算成氣體的壓力試驗值，國標及行標同時規定氣體壓力試驗的壓力為設計壓力的1.15倍。如果設計溫度高于200℃，應同時考慮溫度系數。此系統的工藝管道設計溫度沒有超過200℃，所以不用考慮溫度系數，氣壓試驗壓力值為1.725 MPa（管道的設計壓力的1.15倍）。

5 繪制系統流程圖

完成了試壓系統劃分、試驗介質選擇、試驗壓力和試驗方法確定后，根據工藝流程圖和管線的單線圖進行系統流程圖繪制。另外，在繪制系統圖時，把所需加的盲板也要一同標注在圖上，加盲板應遵循以下原則：

（1）對未帶入試壓系統的設備，在設備與管線連接處加盲板；

（2）管道上8字盲板處可不另加盲板；

（3）對于有特殊要求的閥門（如安全閥），不參與試壓，需用盲板隔開。

（4）對于儀表閥門，例如調節閥、孔板和流量計等元件要在試壓之前全部拆除，用臨時短節替代，等試壓結束后再恢復，進行整體氣密。

6 試驗程序

以903單元吸附系統2的壓力試驗為基礎，結合其他相關專業，合理安排施工進度和網絡計劃，其目的是在保證系統壓力試驗的前提下，合理安排其他工序的施工計劃。即以系統的壓力試驗安排工程進度，保證試壓工作的順利進行。鑒于工期緊，要求施工完成一個系統立即試壓一個系統。通過臨時管線將各系統串聯起來，待系統具備試壓條件時可隨時進氣。各系統之間也有閥門控制，以避免相互串氣。試壓前試壓人員要首先對照系統試壓流程圖，對具備試壓條件的系統進行尾項檢查；確認配管無誤后，通知有關責任單位進行聯合檢查；檢查合格后才能進行壓力試驗；試壓合格后在項目責任人確認后進行泄壓，至此，一個系統的壓力試驗結束。

7 試壓步驟

（1）按照試驗前的準備工作和各項要求準備完畢，且達到相應技術規定，并經有關人員檢驗合格。

（2）按系統流程圖要求開（關）閥門，各種臨時配件、設備安裝完畢，且達到相應的技術要求。

（3）打開空壓機，向系統注入壓縮空氣，使壓力逐級緩升。首先升壓至試驗壓力的50%進行檢查，如無泄漏及異常現象，繼續按試驗壓力的10%逐級升壓直至試驗壓力，每一級穩壓3min，達到試驗壓力后穩壓5min。

（4）穩壓5min后，若無泄漏，目測無變形，強度試驗即為合格。然后打開臨時排氣閥，降壓至設計壓力，還要用涂肥皂水方法檢查，確保無泄漏；再穩壓30min，若壓力不降，即表明氣壓試驗合格。

（5）打開臨時排氣閥，將系統內氣體排至常壓。

（6）按要求拆除臨時盲板，填寫記錄，拆除臨時管線、壓力表等其他試驗設備。

（7）填寫《管道系統試驗記錄》，并請有關人員簽字確認。

對于其他試壓系統，也采取相應的步驟進行系統的氣壓試驗。在實際施工中，現場施工隊伍參照所提供的系統試壓圖和試壓方案，成功地完成裝置的藝管線的氣壓試驗。實踐證明，采用空氣作為試驗介質，加快了施工進度，減少了施工負荷，有效促進了中化國際太倉PTMEG主裝置工程的順利完工。

8 結束語

工藝管道的壓力試驗采用空氣作為試驗介質具有明顯優點，如臨時設施用量少、不用設高點放空和低點排放、試壓用時少、可與氣密性試驗一并進行、減少施工程序，以及縮短施工工期等。但其安全性能較差，對管道施工要求較高。

通過以上分析可知，只要環境溫度不是特別低（大于零下20℃），按照規范要求，通過管道破壞性分析、管壁應力核算和儲能核算，采取規范的審批資格，并對現場實物進行嚴格的檢查，便可選用空氣作為試驗介質。另外，在管道壓力試驗中，試壓系統劃分、介質選擇和試驗方法的確定等各方面的準備工作應提早進行，最好與施工方案同步做出，這樣施工網絡計劃就可按試壓系統進行安排，從而減少重復勞動、提高工作效率，使試壓更具科學性、安全性和實用性。