石油化工工藝管道壓力試驗(yàn)研究

王玉堂，鄒方政，王慶濤，葉楠，于翰彬(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266555)

1 壓力試驗(yàn)準(zhǔn)備工作

1.1 編制試驗(yàn)方案

在石油化工工藝管道安裝過(guò)程中，施工技術(shù)人員在對(duì)其壓力試驗(yàn)方案進(jìn)行編制時(shí)，工作開(kāi)展的前提條件就是對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行全面實(shí)地考察，從而根據(jù)其場(chǎng)地環(huán)境設(shè)計(jì)出形影的施工方案。然后是在工作人員進(jìn)行管道試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，施工單位提前與各承包商、監(jiān)理、設(shè)計(jì)施工等單位進(jìn)行協(xié)商，并在獲得審批資格后進(jìn)行施工作業(yè)。

1.2 劃分試壓系統(tǒng)

在開(kāi)展實(shí)際壓力試驗(yàn)工作時(shí)首先要進(jìn)行試壓系統(tǒng)劃分，才能為后續(xù)的實(shí)地施工工作提供極大地便利。一般將壓力管道劃分為工藝管道與公用工程管道，在壓力試驗(yàn)中包括這兩大部分，其中對(duì)于工藝管道的劃分，根據(jù)管道工藝流程與設(shè)計(jì)壓力等條件詳細(xì)劃分管道壓力系統(tǒng)。在同一壓力管道系統(tǒng)安裝過(guò)程中根據(jù)其工藝流程要求，一般是利用設(shè)計(jì)壓力將工藝管道劃分為低、中、高和超高四部分壓力設(shè)計(jì)。此外，溫度對(duì)材料性能的影響也是試壓系統(tǒng)劃分的重要因素，在工藝管道設(shè)計(jì)中其溫度也各不相同，一般范圍在5～30 ℃，當(dāng)設(shè)計(jì)溫度大于試驗(yàn)溫度時(shí)其試壓系統(tǒng)劃分就是對(duì)其承載能力的最大考驗(yàn)。在完成試壓系統(tǒng)劃分之后，再根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙等對(duì)其管道安裝過(guò)程中的具有相同材質(zhì)、相近壓力、布局類(lèi)似以及流程相貫通的各個(gè)管道系統(tǒng)部件進(jìn)行組合，從而形成統(tǒng)一的試壓系統(tǒng)。

1.3 整理試壓資料

在施工技術(shù)人員完成試壓測(cè)試的前提下，必須將每次試驗(yàn)的完整信息進(jìn)行整理分析。信息數(shù)據(jù)主要包括管道安裝工藝流程中管道設(shè)計(jì)圖紙、壓力試驗(yàn)以及試驗(yàn)條件的記錄信息，還包括管道的焊接記錄、射線影響報(bào)告以及熱反映處理報(bào)告等方面。在之后將整理的數(shù)據(jù)結(jié)果交由相關(guān)審核單位，再由承包商、建立以及設(shè)計(jì)單位等進(jìn)行驗(yàn)證處理，檢驗(yàn)合格后在進(jìn)行實(shí)際管道壓力試驗(yàn)。

2 壓力試驗(yàn)介質(zhì)選取

2.1 選取試驗(yàn)介質(zhì)

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定嚴(yán)格表明，壓力試驗(yàn)介質(zhì)的選取都以液體為主，除此之外只有在較低壓力試驗(yàn)下才選取氣體作為試驗(yàn)介質(zhì)，因此大多管道施工過(guò)程中選用液體作為試驗(yàn)介質(zhì)。但目前由于石油化工工藝管道在利用水作為試驗(yàn)介質(zhì)方面存在一定缺陷，且極易受到外界環(huán)境因素影響，所以液壓試驗(yàn)的可操作性比較低。而以氣體作為試驗(yàn)介質(zhì)則由多種優(yōu)勢(shì)，比如：來(lái)源廣泛、設(shè)施量少以及容易排放等特性，因此在石油化工裝置的安裝中一般選用氣體介質(zhì)作為管道的壓力試驗(yàn)材料。此外，以氣體為介質(zhì)的壓力試驗(yàn)存在安全漏洞，故而在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)必須加強(qiáng)安全防患意識(shí)。

2.2 分析管道失效模式

在管道壓力試驗(yàn)中其大多事故原因是由管道焊接缺陷引起的，比如焊接縫隙及熱影響區(qū)域斷裂等原因。經(jīng)研究表明，管道失效模式的產(chǎn)生主要由于兩種原因：一是由于工藝管道系統(tǒng)材料的強(qiáng)度與曲度極限不足以滿足當(dāng)前管道的薄膜應(yīng)力，從而借由各種因素影響而產(chǎn)生管道破壞現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)塑性破壞或韌性撕裂，比如：設(shè)計(jì)不合理，管壁較薄；違反操作流程，管道超壓；腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)，致使管壁變薄。這種破壞程度一般只是出現(xiàn)管道裂口，裂口程度與試驗(yàn)介質(zhì)儲(chǔ)能有關(guān)，故而這種破壞程度危害性較小。而第二種原因則是因?yàn)椴牧系脑S用應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道應(yīng)力需求，故而產(chǎn)生脆性斷裂，又稱之為低應(yīng)力脆斷，比如管接縫或管材自身缺陷，故而管道破裂時(shí)產(chǎn)生大量碎片，危害性極大。

2.3 明確試驗(yàn)介質(zhì)步驟

在明確試驗(yàn)介質(zhì)步驟的過(guò)程中假若施工場(chǎng)地條件不佳，則必須進(jìn)行校核檢驗(yàn)確定試驗(yàn)介質(zhì)。而其校核監(jiān)測(cè)主要分為兩方面：一是強(qiáng)度校核，主要與兩個(gè)數(shù)據(jù)密切相關(guān)，分別是管道計(jì)算壁厚度δ和管道實(shí)際壁厚度t。在校核過(guò)程中，若δ≤t則說(shuō)明管道實(shí)際強(qiáng)度良好，不會(huì)產(chǎn)生塑性破壞或韌性撕裂；若δ＞t時(shí)則表明管道設(shè)計(jì)強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)，此時(shí)應(yīng)當(dāng)降低試壓壓力強(qiáng)度。一般而言，新配備的壓力管道各項(xiàng)性能良好，滿足當(dāng)前壓力試驗(yàn)強(qiáng)度，而相較于已在用管道，其壓力管道、實(shí)際壁厚等都產(chǎn)生了不小改變，因此此時(shí)應(yīng)該進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，并以此數(shù)據(jù)位基準(zhǔn)進(jìn)行壓力試驗(yàn)。二是韌性校核，首先假若壓力管道中存在裂紋潛伏，此時(shí)進(jìn)行壓力試驗(yàn)就會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，所以在施工時(shí)要選擇良好韌性的管道建材，此外，若壓力管道出現(xiàn)斷裂，則進(jìn)行壓力試驗(yàn)的前提是進(jìn)行泄漏判定，從而防止脆性斷裂。之后再通過(guò)管道校核來(lái)完成明確試驗(yàn)介質(zhì)的最后步驟，在管道材料強(qiáng)度與韌性指標(biāo)皆合格的前提條件下，選擇具有安全性與科學(xué)性的氣體作為壓力試驗(yàn)介質(zhì)，而管道系統(tǒng)一經(jīng)使用，在一段時(shí)間后就會(huì)產(chǎn)生腐蝕、蠕變以及疲勞等各種現(xiàn)象，其強(qiáng)度與韌性相對(duì)而言就有所降低，此時(shí)若沒(méi)有精確數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)依據(jù)，則液體試驗(yàn)介質(zhì)是最好的選擇，能夠很好地避免危險(xiǎn)事故的發(fā)生[1]。

3 確定試驗(yàn)溫度與壓

3.1 定試驗(yàn)溫度

在液壓介質(zhì)試驗(yàn)過(guò)程中溫度適宜同樣也是試驗(yàn)成功的關(guān)鍵，假若管道溫度未得到及時(shí)明確，此時(shí)可根據(jù)施工管道與設(shè)備材料進(jìn)行試驗(yàn)溫度明確，若管道材質(zhì)為非合金鋼或低合金鋼，管道設(shè)計(jì)試驗(yàn)溫度不低于5 ℃，若管道材質(zhì)為合金鋼，則試驗(yàn)溫度應(yīng)當(dāng)不低于15 ℃。同時(shí)材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)遠(yuǎn)低于管道系統(tǒng)溫度，從而避免試驗(yàn)溫度超過(guò)脆性轉(zhuǎn)變溫度，進(jìn)而引起管道脆性斷裂，同時(shí)要根據(jù)實(shí)際狀況在合理范圍內(nèi)提高試驗(yàn)溫度，從而避免因管壁厚度增加而管道材料脆性轉(zhuǎn)變溫度升高的結(jié)果，進(jìn)而使管道缺口或焊接處的脆性強(qiáng)度增加。此外，試驗(yàn)介質(zhì)存在介質(zhì)沸點(diǎn)，此時(shí)試驗(yàn)溫度應(yīng)該低于介質(zhì)沸點(diǎn)，并且在壓力試驗(yàn)前做好準(zhǔn)備工作，提前預(yù)防溫度驟變或設(shè)備泄漏等危險(xiǎn)問(wèn)題。

3.2 確定試驗(yàn)壓力

在試驗(yàn)中要確定試驗(yàn)壓力，首先應(yīng)該以設(shè)計(jì)文件為依據(jù)。假若未明確規(guī)定設(shè)計(jì)資料，此時(shí)則應(yīng)該以相關(guān)公式的分析結(jié)果為準(zhǔn)，比如經(jīng)由試驗(yàn)壓力、試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力以及設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力等數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，假若壓力管道的對(duì)位差數(shù)值過(guò)大，此時(shí)試驗(yàn)介質(zhì)靜壓則應(yīng)列入試驗(yàn)壓力中，而在試驗(yàn)壓力中則應(yīng)以最高點(diǎn)壓力為最高基準(zhǔn)，最低點(diǎn)壓力為其管道組件承受力的最低標(biāo)準(zhǔn)。此外，確定管道與設(shè)備焊接處試驗(yàn)壓力，必須確保兩者在同一系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，若設(shè)備試驗(yàn)壓力大于管道試驗(yàn)壓力，則試驗(yàn)壓力以管道試驗(yàn)壓力為標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行試驗(yàn)工作，反之亦然，此時(shí)選擇設(shè)備試驗(yàn)壓力進(jìn)行壓力試驗(yàn)工作時(shí)，管道設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不高于設(shè)備試驗(yàn)壓力的0.87倍。

4 壓力試驗(yàn)的方法步驟

4.1 壓力試驗(yàn)方法

據(jù)試驗(yàn)考究表明，工藝管道壓力試驗(yàn)主要應(yīng)用設(shè)備與管道聯(lián)合、系統(tǒng)串聯(lián)、單挑管線以及逐項(xiàng)實(shí)驗(yàn)等試驗(yàn)法。其中逐項(xiàng)試驗(yàn)法是先進(jìn)行管道強(qiáng)度試驗(yàn)，確認(rèn)焊接口質(zhì)量后，再進(jìn)行密閉性試驗(yàn)，并以此工作流程為基準(zhǔn)檢測(cè)法蘭密封面的連接狀態(tài)。這種方法比較適用于大型石油化工管道裝配壓力試驗(yàn)。而設(shè)備與管道聯(lián)合試驗(yàn)法，則是因?yàn)楣艿老到y(tǒng)鋪設(shè)時(shí)本身存在設(shè)備與管道的串聯(lián)相接，假使此時(shí)兩者焊接處無(wú)法用盲板進(jìn)行隔離，這時(shí)就可以采用此種方法。系統(tǒng)串聯(lián)試驗(yàn)法主要是管道鋪設(shè)時(shí)存在壓力相近、位置類(lèi)似的試壓系統(tǒng)，此時(shí)應(yīng)該將此類(lèi)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)試驗(yàn)，從而保證整個(gè)管道試驗(yàn)系統(tǒng)影響因素相似，這種方法可以用在管道較為密集區(qū)域。單條管線試驗(yàn)法則是對(duì)一套管線進(jìn)行壓力試驗(yàn)，這種方法比較適用于管道較長(zhǎng)、直徑較大或不便帶入試驗(yàn)的壓力管道。

4.2 壓力試驗(yàn)具體步驟

在進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí)要同時(shí)考慮液壓與氣壓試驗(yàn)的雙向進(jìn)行，其中進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，在對(duì)管路注水操作前，首先將法蘭、閥門(mén)以及排氣口等開(kāi)關(guān)開(kāi)啟。當(dāng)管道注滿水時(shí)，鄰近排氣系統(tǒng)全部封閉。此時(shí)在管道系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行逐步升壓，直到緩慢升至試驗(yàn)強(qiáng)度的30%，此時(shí)經(jīng)過(guò)5 min的穩(wěn)壓階段，若未出現(xiàn)泄漏、變形以及降壓等各種異常現(xiàn)象時(shí)則繼續(xù)緩慢升壓，并在穩(wěn)壓10 min后，讓各個(gè)相關(guān)技術(shù)部門(mén)工作人員對(duì)整個(gè)試驗(yàn)管道系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一檢測(cè)，直至檢測(cè)壓力試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)合格，之后再進(jìn)行降壓處理，從而使試驗(yàn)壓力緩慢降至設(shè)計(jì)壓力試驗(yàn)程度，并在停壓30 min后，再次進(jìn)行全面檢測(cè)。而在進(jìn)行氣壓試驗(yàn)時(shí)，首先進(jìn)行以壓力范圍為0.2 MPa左右浮動(dòng)的預(yù)實(shí)驗(yàn)。若無(wú)異常出現(xiàn)則可進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，此時(shí)要先在放置泄壓裝置的試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行發(fā)泡劑泄漏試驗(yàn)，假若檢測(cè)合格，此時(shí)在試驗(yàn)中設(shè)定其壓力試驗(yàn)強(qiáng)度不得超過(guò)0.345 MPa，然后在逐步緩慢升壓，當(dāng)升至壓力試驗(yàn)的50%時(shí)，進(jìn)行管道系統(tǒng)的全面檢查工作，若無(wú)泄漏，此時(shí)其升壓工作可進(jìn)行逐級(jí)10%的設(shè)計(jì)壓力緩慢上升，并且每級(jí)穩(wěn)壓3 min，同時(shí)進(jìn)行逐級(jí)全面檢查工作，最后直到其壓力升至試驗(yàn)壓力并穩(wěn)壓10 min后，若無(wú)異常出現(xiàn)，則可將壓力緩慢降至設(shè)計(jì)壓力。此外，試壓工作都是較為危險(xiǎn)的工作范疇，所以在進(jìn)行試壓時(shí)要確保施工技術(shù)人員具有安全防患意識(shí)[2]。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，通過(guò)對(duì)石油化工工藝管道系統(tǒng)的充分了解與研究，在試壓系統(tǒng)中采取安全、科學(xué)以及穩(wěn)定的試驗(yàn)方法，試壓前要做好準(zhǔn)備工作，過(guò)程中則要加強(qiáng)管道系統(tǒng)的全面檢查，結(jié)束后則應(yīng)該及時(shí)回復(fù)試壓管道系統(tǒng)，這種方法不僅能夠促使壓力管道保持長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全的正常運(yùn)行，而且能夠保證石油工業(yè)的正常生產(chǎn)。