淺析10M Pa 以下管道氣壓試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)的計(jì)算

帥宇杰 高 偉

中化二建集團(tuán)有限公司 山西 太原 030021

工藝金屬管道壓力試驗(yàn)一般在管道裝配完畢后，已進(jìn)行熱處理，并且無損檢測(cè)符合要求之后進(jìn)行。由于管道的氣壓試驗(yàn)較水壓試驗(yàn)危險(xiǎn)系數(shù)高，往往不被推薦采用。同時(shí)，管道氣壓試驗(yàn)具有特殊性，所以在很多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和參考文獻(xiàn)當(dāng)中，并沒有對(duì)氣壓試驗(yàn)的安全技術(shù)問題系統(tǒng)地做出規(guī)范和說明。但施工過程中有很多非常規(guī)情況，不便或不能采用水壓試驗(yàn)進(jìn)行金屬管道的強(qiáng)度和嚴(yán)密性測(cè)試，此時(shí)只能使用氣壓試驗(yàn)。因而，對(duì)氣壓試驗(yàn)進(jìn)行安全技術(shù)上的量化、分析、管理，成為施工管理過程中的重中之重。

針對(duì)氣壓試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)的計(jì)算，運(yùn)用物理知識(shí)并參考各類相關(guān)文獻(xiàn)，通過整理、歸納、推導(dǎo)出一套工藝管道氣壓試驗(yàn)安全技術(shù)參數(shù)的計(jì)算方法。根據(jù)設(shè)計(jì)文件和管道特性表等提供的設(shè)計(jì)參數(shù)，分別對(duì)盲板厚度、法蘭螺栓緊固力矩和安全距離等進(jìn)行分析，計(jì)算出它們?cè)诓煌r下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使氣壓試驗(yàn)施工有了安全技術(shù)理論基礎(chǔ)，對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)的同時(shí)進(jìn)行安全技術(shù)方面的量化管理。同時(shí)，依據(jù)該計(jì)算方法，制作《氣壓試驗(yàn)安全技術(shù)參數(shù)電子計(jì)算工具包.exe》軟件作為同類型施工的計(jì)算工具。

1 工程概述

山西襄礦泓通煤化工20 萬t/ a 合成氣制乙二醇項(xiàng)目變壓吸附制CO/ H2裝置共38 臺(tái)吸附塔，其中36 臺(tái)吸附塔以兩排、每排18 臺(tái)方式分布，兩排吸附塔之間有306 臺(tái)氣動(dòng)程控截止閥，3300 余米管道交錯(cuò)縱橫排布，管道內(nèi)介質(zhì)分別為氫氣、甲烷氣和一氧化碳。因設(shè)計(jì)空間狹小，壓力試驗(yàn)無法將管道和設(shè)備之間用厚盲板隔離，管道試壓時(shí)只能與吸附塔設(shè)備一同打壓。同時(shí)，該裝置吸附塔裝填用的吸附劑必須在干燥潔凈環(huán)境下投運(yùn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，工藝管道進(jìn)行水壓試驗(yàn)無法滿足施工的實(shí)際要求，經(jīng)設(shè)計(jì)單位、管理單位和建設(shè)單位共同協(xié)商后，確認(rèn)該裝置工藝氣金屬管道壓力試驗(yàn)采用氣壓試驗(yàn)。圖1 為變壓吸附制CO/ H2平面布置圖。

圖1 變壓吸附制CO/H2 平面布置圖

后續(xù)工藝管道氣壓試驗(yàn)安全技術(shù)參數(shù)（安全距離計(jì)算、盲板選用厚度、法蘭螺栓緊固力矩）計(jì)算方法推導(dǎo)計(jì)算均以裝置的工藝氣試壓包8 號(hào)為例，該試壓包相關(guān)參數(shù)如下：金屬管道內(nèi)介質(zhì)為提純氫氣，施工現(xiàn)場(chǎng)大氣壓為101kPa，設(shè)計(jì)壓力3.52MPa，設(shè)計(jì)溫度60℃，試驗(yàn)壓力3.872MPa，泄露試驗(yàn)壓力3.52MPa，試壓包體積141m3，裝置內(nèi)所有鋼制管法蘭、緊固件均采用Class 系列，墊片采用鋼制管法蘭用纏繞式墊片Class 系列。

2 安全距離計(jì)算方法

試壓時(shí)所有人員應(yīng)遠(yuǎn)離試驗(yàn)管道和設(shè)備，因此，安全距離成為現(xiàn)場(chǎng)安全管理和防護(hù)的最重要參數(shù)之一。壓力試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)的管道和設(shè)備可視為一個(gè)整體的壓力容器，倘若試壓過程中發(fā)生爆炸，因爆炸發(fā)生的速度很快，試壓中的管道和設(shè)備（后續(xù)論述使用“壓力容器”代指）氣體介質(zhì)與外界來不及進(jìn)行能量交換，即試壓包與外界的能量交換近似為0，故該壓力容器爆炸可視為氣體迅速絕熱膨脹的過程。根據(jù)能量守恒定理，壓力容器爆炸產(chǎn)生的能量（E）實(shí)質(zhì)就是壓力容器對(duì)周邊環(huán)境所做的功。因此，可以通過計(jì)算氣壓試驗(yàn)的儲(chǔ)能，再根據(jù)ASME 文獻(xiàn)[8]來計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)的安全距離。

根據(jù)熱力學(xué)絕熱過程方程式[式(1)、(2)、(3)導(dǎo)出方程式（4）。

式中：E——儲(chǔ)能，J；

P2——施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際大氣壓，Pa；

P1——絕對(duì)試驗(yàn)壓力，Pa；

V——試壓包總體積，m3；

k——?dú)怏w絕熱指數(shù)。

8 號(hào)試壓包使用空氣作為試驗(yàn)介質(zhì)，根據(jù)《氣體特性系數(shù)表》，k 取1.4。將試壓包參數(shù)代入式(4)，得到：

通過儲(chǔ)能可計(jì)算最小安全距離（R），參考ASME 文獻(xiàn)可以得出如下數(shù)據(jù):

式中：Rscaled——后果比例系數(shù)，其數(shù)值應(yīng)≥20；

TNT——壓力容器儲(chǔ)能換算成三硝基甲苯的

等量千克數(shù)，且滿足TNT=E（J）/ 4266920（kg）。

根據(jù)式(5)得出8 號(hào)試壓包的最小安全距離：

3 盲板選用厚度計(jì)算方法

工藝金屬管道在試壓前應(yīng)保證待試管道與無關(guān)管件、閥門等已用盲板隔離，同時(shí)應(yīng)詳細(xì)檢查待試管道加設(shè)的盲板是否有足夠強(qiáng)度，以及是否已經(jīng)按理論厚度加設(shè)。在裝配齊全，并按計(jì)算出的螺栓緊固力矩緊固后，方可進(jìn)行升壓。《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》提供了一種算法，夾在兩法蘭之間的盲板理論厚度（tm）可按公式(6)計(jì)算確定。

式中：tm——盲板理論厚度，mm；

Ej——焊接接頭系數(shù)，其數(shù)值取1；

dG——金屬纏繞墊內(nèi)徑，mm；

P——試驗(yàn)壓力，MPa；

[σ]t——試壓選用盲板的許用應(yīng)力，MPa。

以8 號(hào)氣壓試壓包盲板計(jì)算為例：DN350 WN RF A105 的法蘭間封堵盲板，纏繞墊B0222 內(nèi)徑為374.7mm，鋼板材質(zhì)為Q235R，試驗(yàn)溫度下盲板的許用應(yīng)力為148MPa，代入式(6)，得到：

根據(jù)市場(chǎng)供應(yīng)的板材規(guī)格，應(yīng)向大取整數(shù)確定，故該處選取盲板厚度為28mm。

4 法蘭螺栓緊固力矩計(jì)算方法

對(duì)于高溫高壓、易燃易爆等重要設(shè)備及管道，在法蘭安裝時(shí)要核實(shí)螺栓強(qiáng)度、纏繞墊的有效密封面、最小墊片壓緊力和墊片系數(shù)等參數(shù)，通過計(jì)算復(fù)核防止螺栓斷裂滑絲或因纏繞墊過度壓實(shí)后失去彈性導(dǎo)致密封失效。以下闡述的緊固力矩計(jì)算方法適用范圍：設(shè)計(jì)壓力≤10MPa，所用法蘭和螺栓等均在設(shè)計(jì)允許溫度范圍內(nèi)。圖2 為計(jì)算思路示意圖。

4.1 管道內(nèi)壓力引起的法蘭螺栓軸向力

通過金屬纏繞墊的執(zhí)行規(guī)范，可以獲得纏繞墊的纏繞部分內(nèi)徑和外徑，內(nèi)、外徑作差取平均得到窄面法蘭之間的基本密封寬度。

通過《壓力容器》GB/ T150.3 查表得到墊片系數(shù)（m）、墊片比壓力（y）和螺栓許用應(yīng)力。同時(shí)，該規(guī)范提供了一種計(jì)算窄面法蘭的纏繞墊有效密封寬度(b)和纏繞墊壓緊力作用中心圓直徑（DG）的計(jì)算方法。

（1）當(dāng)窄面法蘭之間的基本密封寬度≤6.4mm 時(shí)，b取基本密封寬度；反之，按公式（7）計(jì)算墊片的b 值：

（2）當(dāng)纏繞墊有效密封寬度b≤6.4mm 時(shí)，DG取纏繞墊纏繞部分的內(nèi)、外徑平均值；反之，DG取纏繞墊纏繞部分外徑減去2b。

《管道法蘭螺栓緊固力矩》SESA0301- 2016 提供了管道內(nèi)壓力引起的法蘭螺栓軸向力計(jì)算式（式8）。

式中：F——管道內(nèi)壓力引起的法蘭螺栓軸向力，N；

P——管道的設(shè)計(jì)壓力，MPa。

4.2 纏繞墊最小壓緊力

法蘭密封需要的纏繞墊最小壓緊力（FP）的計(jì)算方法可由《壓力容器》GB/ T150.3 中的公式（式9）計(jì)算得到。

式中：FP——密封需要的纏繞墊最小壓緊力，N；

m——纏繞墊系數(shù)。

4.3 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓總荷載

操作狀態(tài)下需要的最小螺栓總荷（WP）載由式（10）計(jì)算得到。

式中：WP——操作狀態(tài)下需要的最小螺栓總荷載，N。

4.4 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓總面積

操作狀態(tài)下需要的最小螺栓總面積（AP）由式（11）計(jì)算得到。

式中：AP——操作狀態(tài)下需要的最小螺栓總面積，mm2；

[σ]tb——設(shè)計(jì)溫度下螺栓材料的許用應(yīng)力，MPa。

4.5 預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓總荷載

預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓總荷載（Wa）由式（12）計(jì)算得到。

式中：Wa——預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓總荷載，N；

Y——纏繞墊比壓力，MPa。

4.6 預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓總面積

預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓總面積（Aa）由式（13）計(jì)算得到。

式中：Aa——預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓總面積，mm2；

[σ]b——常溫下螺栓材料的許用應(yīng)力，MPa。

4.7 螺栓總面積

實(shí)際螺栓總面積計(jì)算見式（14）。

式中：Ab——螺栓總面積，mm2；

n——螺栓個(gè)數(shù)；

d1——外螺紋小徑，mm；

P1——螺矩，mm。

4.8 螺栓設(shè)計(jì)總荷載

《壓力容器》GB/ T150.3 規(guī)定，取法蘭在預(yù)緊狀態(tài)下的螺栓設(shè)計(jì)總荷載作為螺栓設(shè)計(jì)總荷載(W)，即按公式(15)計(jì)算。

4.9 螺栓所需緊固力矩

法蘭每條螺栓所需的緊固力矩（T）按式(16)計(jì)算。

式中：T——法蘭每個(gè)螺栓所需的緊固力矩，N·m；

dB——螺栓公稱直徑，mm；

k——扭矩系數(shù),取0.1。

依據(jù)上述計(jì)算方法，選取8 號(hào)試壓包一組法蘭DN350、300CL 和A105，配套20 根M30×200 螺栓，按上述方法計(jì)算該法蘭的每根螺栓緊固力矩應(yīng)為338N·m。

5 自制電子計(jì)算工具包

制作電子計(jì)算工具包，首先需要拆分上述計(jì)算方法的邏輯因果關(guān)系，區(qū)分哪些參數(shù)需要提前查閱到，也就是因；哪些參數(shù)在因的基礎(chǔ)上通過函數(shù)關(guān)系得到，也就是果。制作電子計(jì)算工具包的目的就是讓使用者只需輸入實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)應(yīng)工況的的自變量（因），因變量（果）便自動(dòng)生成顯示。安全距離工具包邏輯圖、盲板厚度工具包邏輯圖和螺栓緊固力矩工具包邏輯圖分別見圖3、圖4 和圖5。

圖3 安全距離工具包邏輯圖

圖4 盲板厚度工具包邏輯圖

圖5 螺栓緊固力矩工具包邏輯圖

在上述所有工作做好之后，為方便推廣、傳播和使用，需要整合安全技術(shù)參數(shù)計(jì)算的所有資源。襄礦乙二醇項(xiàng)目已經(jīng)將計(jì)算方法與Excel 的應(yīng)用相結(jié)合，在輸入各項(xiàng)參數(shù)后通過函數(shù)關(guān)系自動(dòng)生成最終計(jì)算結(jié)果。但在推廣普及過程中，發(fā)現(xiàn)對(duì)新手來說使用過程較為復(fù)雜，所需查閱的規(guī)范圖集較多，而且人為因素可能造成數(shù)據(jù)的不配套、不正確，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出入較大。因此，項(xiàng)目又利用Microsoft Visual Studio 開發(fā)制作了“氣壓試驗(yàn)安全技術(shù)參數(shù)計(jì)算工具包.exe”軟件。雖然前期工作較為繁瑣，需提前預(yù)設(shè)各項(xiàng)參數(shù)的數(shù)據(jù)有效性，但是能避免人為失誤導(dǎo)致的數(shù)據(jù)失真。大多數(shù)應(yīng)用程序都需要搭建環(huán)境才可以運(yùn)行，但制作的“氣壓試驗(yàn)安全技術(shù)參數(shù)計(jì)算工具包.exe”文件可以在不安裝軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)的環(huán)境下運(yùn)行，極大地提高了軟件的使用范圍，助力軟件的推廣應(yīng)用。

例如，在計(jì)算對(duì)夾法蘭之間的理論盲板厚度的時(shí)候，電子計(jì)算工具包中已經(jīng)預(yù)設(shè)了《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》HG/ T20592～20634.2- 2009 中鋼制管法蘭用纏繞式墊片Class 系列150 磅和300 磅所有金屬纏繞墊的內(nèi)徑，使用者只需要選中對(duì)應(yīng)纏繞墊的規(guī)格參數(shù)，輸入試驗(yàn)壓力和許用應(yīng)力就可以自動(dòng)生成盲板理論厚度，不僅節(jié)省了查閱規(guī)范的時(shí)間，而且提高了生成理論值的正確率。安全距離計(jì)算、螺栓扭矩計(jì)算亦是如此。圖6 為氣壓試驗(yàn)安全技術(shù)參數(shù)計(jì)算工具包截圖。

圖6 氣壓試驗(yàn)安全技術(shù)參數(shù)計(jì)算工具包截圖

6 實(shí)施效果

采用上述方法獲得氣壓試驗(yàn)當(dāng)中安全技術(shù)參數(shù)的理論值，依據(jù)計(jì)算值編制工藝管道氣壓試驗(yàn)專項(xiàng)施工方案，制作安全技術(shù)參數(shù)電子計(jì)算工具包，并依據(jù)最小安全距離布置施工現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)警戒線、警示牌等，將氣壓試驗(yàn)的危險(xiǎn)性降至最低。在施工過程中嚴(yán)格把控、量化管理，最終采用氣壓試驗(yàn)方法對(duì)3300 余米工藝管道壓力進(jìn)行試驗(yàn)，均合格，過程中無一安全事故發(fā)生。圖7 為8 號(hào)試壓包安全防護(hù)告知單。

圖7 8 號(hào)試壓包安全防護(hù)告知單

7 結(jié)語

工程實(shí)踐證明，10MPa 以下工藝管道氣壓試驗(yàn)安全技術(shù)參數(shù)計(jì)算方法符合邏輯，在實(shí)際施工過程中提供了理論基礎(chǔ)，確保了壓力試驗(yàn)安全順利進(jìn)行，積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)此方法制作的“電子計(jì)算工具包”具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。時(shí)代在飛速發(fā)展，氣壓試驗(yàn)的施工措施和方法將會(huì)更全面、更專業(yè)、更安全，甚至將有更安全便捷的方法取代管道的氣壓試驗(yàn)來檢驗(yàn)管道的強(qiáng)度和嚴(yán)密性，技術(shù)要精進(jìn)就在于不斷的專研和總結(jié)，同時(shí)需要一次次的創(chuàng)新和變革。