氣壓試驗(yàn)的技術(shù)分析及安全防范措施

尚穎

福陸中國工程建設(shè)有限公司（上海 201103）

眾所周知，在完成管道預(yù)制、安裝，以及設(shè)計(jì)要求的無損檢測和熱處理后，為了檢驗(yàn)焊縫質(zhì)量以及管件連接處的嚴(yán)密性，確保整個(gè)裝置安全平穩(wěn)地運(yùn)行，必不可少的工序就是系統(tǒng)壓力試驗(yàn)。壓力試驗(yàn)分為液壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)，或者液壓-氣壓相結(jié)合進(jìn)行試驗(yàn)。從試壓的安全性來講，通常情況下應(yīng)優(yōu)先采用液壓試驗(yàn)，因?yàn)闅鈮涸囼?yàn)的儲存能量比液壓試驗(yàn)的儲存能量增加了2 500余倍[1]，存在較大的潛在風(fēng)險(xiǎn)，但氣壓試驗(yàn)也有著不可或缺的必要性。

首先，氣壓試驗(yàn)潔凈、無水污染。有些物料不適合遇水，液壓試驗(yàn)殘留的水分會對物料造成污染，例如：多晶硅項(xiàng)目中氯硅烷遇水會生成鹽酸，將嚴(yán)重腐蝕管道；潤滑油項(xiàng)目中的潤滑油遇水會引起產(chǎn)品乳化等。而采用氣壓試驗(yàn)則不存在此類隱患，且避免了冗余的吹掃時(shí)間，進(jìn)而能夠加快施工進(jìn)度。

其次，氣相物料管線支架數(shù)量無法承受液壓試驗(yàn)時(shí)的管道充水質(zhì)量，又無法增加臨時(shí)支架時(shí)，優(yōu)先選擇氣壓試驗(yàn)。

再次，當(dāng)液壓試驗(yàn)會損害襯里或內(nèi)部隔熱層時(shí)，可選擇氣壓試驗(yàn)。

最后，GB/T 20801.5—2020《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第5部分：檢驗(yàn)與試驗(yàn)》規(guī)定，對于輸送GC1級（毒性）、GC1和GC2級（易燃性）物質(zhì)的管道，應(yīng)進(jìn)行敏感性泄漏試驗(yàn)[1]，而泄漏試驗(yàn)的介質(zhì)為空氣或氦氣，需要考慮管道氣體儲能過大而產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

以上工況必須采用氣壓試驗(yàn)，而氣壓試壓的風(fēng)險(xiǎn)性又客觀存在，因此，如何降低氣壓試驗(yàn)對工作人員健康以及周圍環(huán)境的影響，就成為需要相關(guān)從業(yè)人員認(rèn)真研究和探索的課題。但我國規(guī)范少有涉及氣壓試驗(yàn)安全性的計(jì)算，本研究主要以ASME PCC-2-2018《Repair of pressure equipment and piping》中關(guān)于氣壓試驗(yàn)儲能計(jì)算、安全距離計(jì)算等為基礎(chǔ)，詳細(xì)探討了氣壓試驗(yàn)的技術(shù)和安全措施。

1 氣壓試驗(yàn)適用條件

1.1 管道材料

氣壓試驗(yàn)系統(tǒng)中不得包括脆性材料，如可鍛鑄鐵和高硅（14.5%）力鑄鐵等，他們?nèi)狈ρ诱剐圆釠_擊和機(jī)械沖擊具有敏感性。

1.2 試驗(yàn)介質(zhì)溫度

氣壓試驗(yàn)系統(tǒng)溫度至少比管道系統(tǒng)材料的最低允許金屬溫度高17℃，材料的最低允許金屬溫度不明時(shí)，試驗(yàn)溫度不得低于17℃；氣壓試驗(yàn)不得在接近金屬延性-脆性轉(zhuǎn)變溫度下進(jìn)行，避免脆性破壞的可能性。[1]

1.3 管道試驗(yàn)壓力

當(dāng)設(shè)計(jì)壓力大于0.6 MPa時(shí)，需要經(jīng)過設(shè)計(jì)和建設(shè)單位確認(rèn)；當(dāng)試驗(yàn)壓力高于1.6 MPa時(shí)，不宜采用氣體作為介質(zhì)進(jìn)行壓力試驗(yàn)[2]，如必須進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，施工單位應(yīng)編寫專項(xiàng)方案并經(jīng)設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位確認(rèn)。[3]

如果壓力試驗(yàn)產(chǎn)生的管道周向應(yīng)力或軸向應(yīng)力超過試驗(yàn)溫度下的屈服強(qiáng)度，試驗(yàn)壓力可減至在該溫度下不會超過屈服強(qiáng)度的最大壓力。[1]

如果試驗(yàn)壓力需要保持一段時(shí)間，且管道系統(tǒng)中的試驗(yàn)流體會發(fā)生熱膨脹，則應(yīng)注意避免超壓。[1]

2 氣壓試驗(yàn)的壓力選擇

2.1 氣壓試驗(yàn)壓力

氣壓試驗(yàn)的壓力應(yīng)不低于設(shè)計(jì)壓力的1.1倍。承受內(nèi)壓鋼管以及有色金屬管道的試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.15倍。

2.2 泄漏性試驗(yàn)

泄漏性試驗(yàn)分為敏感性泄漏試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)。一般泄漏性試驗(yàn)采用敏感性泄漏試驗(yàn)，如果實(shí)現(xiàn)有困難、危險(xiǎn)性及影響面較大，在業(yè)主、設(shè)計(jì)者和安裝檢驗(yàn)者三方同意的情況下，可采取氣密性試驗(yàn)。

敏感性泄漏試驗(yàn)壓力可在105 kPa或25%的設(shè)計(jì)壓力中取最小值。氣密性試驗(yàn)壓力應(yīng)為設(shè)計(jì)壓力。經(jīng)業(yè)主或設(shè)計(jì)者同意可按最高工作壓力或結(jié)合試車一并進(jìn)行。[1]

在符合我國規(guī)范及項(xiàng)目要求的前提下，通常選取較小的試驗(yàn)壓力，以減少氣壓試驗(yàn)中因氣體儲能過大而產(chǎn)生的爆炸隱患。值得注意的是，除了GB/T 20801.5—2020通用的規(guī)定外，如有規(guī)范定義了某一種特定流體、特定工況下的氣壓試驗(yàn)（泄漏性試驗(yàn)）要求，例如GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50030—2013《氧氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確規(guī)定了泄漏性試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力，則必須遵循特定流體、特定工況的設(shè)計(jì)規(guī)范。

3 氣壓試驗(yàn)安全性分析

確定了試驗(yàn)壓力后，應(yīng)對待試管道進(jìn)行安全距離的計(jì)算，用來設(shè)置安全防范區(qū)域。安全距離計(jì)算主要是計(jì)算管道內(nèi)氣體儲能，再轉(zhuǎn)化成TNT當(dāng)量，按照ASME PCC-2-2018中給出的空氣爆炸沖擊波公式計(jì)算，結(jié)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(yàn)安全防范距離，以及爆炸碎片拋射導(dǎo)致的安全防范距離，依靠這些數(shù)據(jù)對氣壓試驗(yàn)的安全性進(jìn)行分析。

3.1 儲能E的計(jì)算

計(jì)算公式為：

式中：E為儲能，J；k為試驗(yàn)氣體絕熱指數(shù)；pa為大氣壓絕壓，101 000 Pa；pat為試驗(yàn)壓力（絕壓），Pa；V為參與氣壓試驗(yàn)的氣體總?cè)莘e，m3。

常用試驗(yàn)介質(zhì)有空氣和氮?dú)猓浣^熱指數(shù)為1.4，當(dāng)試驗(yàn)介質(zhì)采用這兩種氣體時(shí)，計(jì)算公式為：

3.2 TNT當(dāng)量的計(jì)算

3.3 安全距離R的選用

得到TNT當(dāng)量，即能計(jì)算出沖擊波安全距離。所謂的安全距離是指沖擊波危及人員、設(shè)備及結(jié)構(gòu)安全的距離，不考慮高溫（燃燒）、污染和毒性等破壞因素。安全距離有兩種計(jì)算方式，計(jì)算結(jié)果應(yīng)取二者中的較大值。

3.3.1 計(jì)算方式1

3.3.2 計(jì)算方式2

式中：R為以待試管道為中心，人員需撤離至安全地點(diǎn)的距離，m；Rscaled為比例系數(shù)，通常取20，m/kg1/3。

當(dāng)計(jì)算的最小距離無法滿足實(shí)際情況時(shí)，Rscaled也可選擇其他值，見表1。

表1 R scaled可選值

在項(xiàng)目具體操作中，人員的安全是首要的，比例系數(shù)應(yīng)取20 m/kg1/3；當(dāng)氣壓試驗(yàn)的管道實(shí)在無法避開建筑時(shí)，通過參考表格選擇可接受的破壞程度，選擇相應(yīng)較低的比例系數(shù)，并做好相應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)防護(hù)措施。

如現(xiàn)場無法滿足安全防范距離，應(yīng)立即停止氣壓試驗(yàn)，考慮其他試壓方式。

3.4 注意事項(xiàng)

氣壓試驗(yàn)前，不但需要考慮沖擊波對人員的傷害，還需考慮爆炸產(chǎn)生的碎片拋射對人員的沖擊。對于避免這類傷害需要的安全距離，在ASME PCC-2-2018中，基于美國炸藥制造商協(xié)會的數(shù)據(jù)，提供了TNT當(dāng)量對應(yīng)安全距離的參考值，供項(xiàng)目使用參考。

例如，通過計(jì)算得到TNT當(dāng)量為11 kg時(shí)，由計(jì)算方式1可得R=30 m，由計(jì)算方式2可得R=56 m，則以待試管道為中心，人員至少需撤離至56 m球形半徑以外的安全地點(diǎn)，56 m以內(nèi)的建筑需要防護(hù)措施；而通過查詢ASME PCC-2-2018中的“碎片拋射最小安全距離”表格可得，當(dāng)TNT當(dāng)量為11 kg時(shí)，碎片拋射最小安全距離需要80 m，則警示項(xiàng)目人員在80 m范圍內(nèi)存在碎片拋射危害人員健康以及建筑破損的風(fēng)險(xiǎn)，需要相應(yīng)的防范措施。

值得注意的是，在實(shí)際施工過程中，80 m的安全距離半徑通常牽扯面甚廣，甚至造成整個(gè)現(xiàn)場施工的停擺，當(dāng)安全距離無法滿足實(shí)際情況時(shí)，還可通過拆分試驗(yàn)管道范圍，將系統(tǒng)分割為較小的容積，達(dá)到縮小安全距離范圍的目的。

確定了球形半徑的安全距離后，需要對施工現(xiàn)場進(jìn)行有效的隔離，并設(shè)置警戒線，懸掛安全警示牌，通過擴(kuò)音器播放人員撤離通知等，必要時(shí)還需對現(xiàn)場距離較近的設(shè)備或氣體容易損壞的物品進(jìn)行保護(hù)隔離。同時(shí)，在試壓過程緩慢逐步升壓后，保壓時(shí)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況安排施工人員進(jìn)行現(xiàn)場安全巡查，并及時(shí)排除泄漏點(diǎn)及隱患。

4 氣壓試驗(yàn)流程

4.1 準(zhǔn)備工作

當(dāng)完成安全距離的計(jì)算工作后，即開始?xì)鈮涸囼?yàn)的準(zhǔn)備工作，充分的準(zhǔn)備工作可以避免氣壓試驗(yàn)過程中危害的發(fā)生。首先，項(xiàng)目需先制定專項(xiàng)試驗(yàn)方案，試驗(yàn)方案需要經(jīng)過批準(zhǔn)，并進(jìn)行安全技術(shù)交底，在壓力試驗(yàn)前，相關(guān)資料已經(jīng)建設(shè)單位和有關(guān)部門復(fù)查。圖1為某氣壓試驗(yàn)方案中的氣壓試驗(yàn)流程。從圖1可見：試驗(yàn)氣體為干燥無油的空氣，氮?dú)鉃閭溆脷怏w；試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)有緊急排放口；試驗(yàn)用壓力表在周檢期內(nèi)并已經(jīng)校驗(yàn)，其精度不得低于1.6級，表的滿刻度值應(yīng)為被測最大壓力的1.5～2倍，壓力表不得少于2塊；試驗(yàn)時(shí)應(yīng)增加超壓泄放裝置，其設(shè)定壓力不得高于1.1倍試驗(yàn)壓力（如圖1所示），或者試驗(yàn)壓力加0.345 MPa（取其較低值）。[5]

圖1 氣壓試驗(yàn)流程

其他準(zhǔn)備工作有：試驗(yàn)范圍內(nèi)的管道安裝質(zhì)量合格；待試管道完成設(shè)計(jì)要求的無損檢測和熱處理工作；所有接頭（例如法蘭、螺紋、填料等處）均不得包覆隔熱層，以便在壓力試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行檢查；管道上的膨脹節(jié)設(shè)置臨時(shí)約束裝置；待試管道與無關(guān)系統(tǒng)用盲板或其他隔離措施隔開，待試管道上的安全閥、爆破片及儀表原件等已拆下或加以隔離。

4.2 試驗(yàn)過程

一切準(zhǔn)備就緒后，待試管道開始通試驗(yàn)氣體，進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，步驟如下：

（1）進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，壓力宜為0.2 MPa。表壓達(dá)到0.2 MPa后，目視檢查待試管道所有接頭和連接處有無泄漏,如發(fā)現(xiàn)泄漏，不得帶壓處理，泄壓后進(jìn)行修補(bǔ)或緊固處理后重新進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）試驗(yàn)時(shí)逐級緩慢增加壓力，當(dāng)壓力升至試驗(yàn)壓力的50%時(shí)，進(jìn)行初始檢查，觀察壓力表的壓降，如發(fā)現(xiàn)壓力下降，應(yīng)泄壓后進(jìn)行泄漏點(diǎn)的修補(bǔ)，修補(bǔ)完后從第一步開始重新進(jìn)行試驗(yàn)。如未發(fā)現(xiàn)異常或泄漏，可繼續(xù)試驗(yàn)。

（3）繼續(xù)按試驗(yàn)壓力的10%逐級升壓（每級應(yīng)有足夠的保壓時(shí)間以平衡管道的應(yīng)變），每級穩(wěn)壓3 min直至達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)壓力。再將壓力降至設(shè)計(jì)壓力，應(yīng)用發(fā)泡劑檢查有無泄漏，重點(diǎn)巡回檢查閥門填料函、法蘭或螺紋連接處、放空閥、排氣閥、排水閥等，所有密封點(diǎn)無泄漏為合格。保壓時(shí)間應(yīng)根據(jù)查漏工作需要確定，如有泄漏需泄壓后進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)完后從第二步開始重新進(jìn)行試驗(yàn)。[1]

4.3 回裝復(fù)原

試驗(yàn)完成后應(yīng)將其恢復(fù)到設(shè)計(jì)狀態(tài)，因試壓而加的盲板需要拆除；安全閥、爆破片及儀表原件回裝；對氣壓試驗(yàn)用的排氣閥、排水閥處進(jìn)行封堵，必要時(shí)進(jìn)行密封焊。

5 氣壓試驗(yàn)安全防范措施

選擇氣壓試驗(yàn)應(yīng)謹(jǐn)慎，只有在液壓試驗(yàn)不適用的情況下才考慮氣壓試驗(yàn)，其安全防范措施如下：

（1）禁止脆性材料及包括含脆性材料的元件參加氣壓試驗(yàn)。

（2）進(jìn)行詳細(xì)的儲能計(jì)算及風(fēng)險(xiǎn)評估，必要時(shí)拆分系統(tǒng)，釋放風(fēng)險(xiǎn)。

（3）試驗(yàn)前審查各種檢驗(yàn)報(bào)告包括管系應(yīng)力報(bào)告，對應(yīng)力薄弱處進(jìn)行評估，必要時(shí)加裝臨時(shí)支架。

（4）對管系進(jìn)行完整性檢查，包括管道上是否有劃痕、壁厚是否低于標(biāo)準(zhǔn)下限值、無法承受試驗(yàn)壓力的元件是否已隔離等，以減少試驗(yàn)時(shí)的意外。

（5）管系焊縫管理。加強(qiáng)預(yù)制、安裝過程中焊縫的檢驗(yàn)，完成設(shè)計(jì)要求的無損探傷比例，檢查內(nèi)部是否存在缺陷，確保質(zhì)量完好，以減少試驗(yàn)時(shí)的意外。

（6）管系法蘭管理。對待試管系所有的法蘭進(jìn)行檢驗(yàn)，檢查扭矩是否達(dá)標(biāo)，墊片是否安裝正確，以提高管道氣壓試驗(yàn)的安全性。

（7）氣壓試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置超壓保護(hù)裝置，例如安全閥等。

（8）進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，將氣壓升至0.2 MPa，目視檢查泄漏點(diǎn)，及時(shí)排除隱患，避免危害擴(kuò)大。

（9）編制詳細(xì)的施工方案，并對操作人員進(jìn)行施工交底，嚴(yán)格遵守試壓步驟，并做好應(yīng)急預(yù)案。

（10）嚴(yán)格遵守計(jì)算得出的安全距離進(jìn)行警戒，設(shè)置隔離帶，限制人員進(jìn)入試壓危險(xiǎn)區(qū)域。

（11）在初期管道設(shè)計(jì)中，需要進(jìn)行氣壓試驗(yàn)的管道路徑應(yīng)盡量避免臨近馬路或中控室等不宜疏散隔離的區(qū)域，以將試驗(yàn)時(shí)對周圍交通和設(shè)施的影響降到最低。

6 結(jié)語

氣壓試驗(yàn)具有速度快、效率高、污染小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在風(fēng)險(xiǎn)高等缺點(diǎn)。只要充分考量施工人員的安全性和對周邊建筑的安全防范措施，嚴(yán)格遵守國家規(guī)范中的試驗(yàn)流程，就會使工藝管道系統(tǒng)的試壓工作更加安全、高效。