金屬管道壓力試驗質量控制

耿丹丹

北京燕華工程建設有限公司 北京 102502

石油化工裝置配管工程的重要工序之一是壓力試驗。其目的是考核管道缺陷是否在超設計壓力狀態下擴展、開裂或滲漏；同時，考核密封元件及焊縫的致密性，以保證施工安裝質量和裝置安全穩定的長周期運行。試驗有選擇、有步驟的進行，便于施工人力、物力、財力的調配，減少不必要的重復性勞動及原材料的浪費。但由于管道縱橫交錯，千差萬別，不同的工藝要求、操作條件、材質、位置、規格等，對試驗方法的選擇都有不同程度的影響。尤其是大型化工裝置，管道有十幾萬米，上千個線號，確保每一根管道參加試驗，并選擇最佳方案進行，難度是可想而知的。所以，如何使決策具備預見性、科學性、合理性是壓力試驗成功的關鍵。

某裝置管道長度共計約16945m，材質大部分為20#鋼管道。工藝物料管道設計壓力最高達4.4MPa，設計溫度最高為314℃，公用工程管道設計壓力最高達8.0MPa，設計溫度最高為250℃。管道壓力試驗在冬季進行，氣溫較低，給管道壓力試驗帶來很大難度。

1 試驗介質的選取

1.1 標準分析

各國標準對壓力試驗介質的選取限制甚嚴[1]，都規定管道的壓力試驗以液體為試驗介質，只有在較低的試驗壓力下才允許采用氣體為試驗介質，各國標準對氣壓試驗的限制如表1 所示。

表1 氣壓試驗限定條件對比表

因上述原因，所以在施工中，大多施工單位均采用液體介質進行管道的壓力試驗。但是隨著石油化工工業的不斷發展，先進工藝技術的不斷引進，越來越多的石油化工管道不適于用水作介質進行壓力試驗。而且，由于設計條件、現場施工條件和環境條件的限制，有時液壓試驗操作相當不便或不可能開展。因此，用氣體介質進行管道的壓力試驗，在石油化工裝置的安裝和檢修中越來越常見。

與液壓試驗相比，用空氣作為試驗介質有許多的優越性，即空氣來源容易，臨時設施用量少，不用設高點放空和低點排凝，排放容易，不留水跡，試壓需用的時間較少，并且可以和嚴密性試驗同時進行，減少了施工程序等。但是氣壓試驗致命的缺點是氣體突然減壓膨脹可能引起爆炸，安全性差，易出事故。

1.2 管道失效模式分析

管道壓力試驗中所發生的事故大部分是由于管道焊縫及熱影響區斷裂引起的，這是由于在管道焊接過程中存在不同程度的缺陷。據《壓力管道缺陷評定》（ASMEIWB- 3650）介紹，管道破壞有3 種模式，即塑性破壞失效、韌性撕裂失效和脆性斷裂失效[2]。

前兩種破壞模式，是由于管道薄膜應力超過材料的屈服極限和強度極限，從而引起管道破壞，這種情況下，管道一般不碎裂，而只是產生一個裂口，裂口的大小與所采用試驗介質的儲能有關。因為管道不碎裂，所以對于前兩種破壞模式來說，造成的危害性較小。造成這兩種破壞的原因有以下幾個方面：

(1) 設計不合理，管道壁厚較薄；

(2) 試驗時違反操作規程，管道系統超壓；

(3) 在用管道使用中有腐蝕現象，引起壁厚減薄。

(4) 脆性破壞模式，也就是低應力脆斷。管道的應力遠遠小于材料的許用應力，破裂時根本沒有宏觀變形，產生大量碎片，產生的危害性極大。其破裂的主要原因有[3]：管道焊縫或管材本身存在缺陷；管道材料的韌性差；管道所處的環境溫度低；管道所受到的應力較大。

從管道產生破裂的機理可以看出，壓力試驗的介質對管道破裂沒有任何影響，理論上來講，只要將試驗系統的儲能限制在一定范圍內，采用氣體或液體介質進行試驗沒有本質區別。

1.3 確定試驗介質的步驟

1.3.1 強度校核

管道的強度[2]校核見式（1）。

式中：P──系統試驗壓力，MPa；

Di──系統管道內徑，mm；

[σ]t──試驗溫度下材料的許用應力，MPa；

φ──焊縫系數；

δ──管道計算壁厚，mm；

t──管道實際壁厚，mm；

當δ≤t 時，管道強度足夠，不可能發生塑性破壞和韌性撕裂。

當δ＞t 時，管道強度不足，降低試驗壓力重新校核。

事實上，在一般情況下，對于新安裝的壓力管道，其壁厚已經考慮了壁厚負偏差和腐蝕情況，因此管道強度足夠；對于在用壓力管道，管道的實際壁厚必須是現場實際測量的。

1.3.2 韌性校核

采用斷裂前先泄漏判據作為防止脆性斷裂的方法，首先假設管道中存在潛伏裂紋，由于試驗原因引起裂紋擴展，要求所使用的材料斷裂韌性能保證不發生脆性斷裂，而只會引起泄漏。

材料在裂紋尖端附近發生小范圍屈服時，采用線彈性斷裂力學判據進行校核[2]，見式（2）。

式中：KI──張開型應力強度因子，N/ mm3/2；

Y──裂紋形狀修正系數；

σ──與裂紋平面平行的截面上的正應力，MPa；

a──裂紋尺寸，假定為壁厚的2 倍，mm；

KIc──材料斷裂韌性，N/ mm3/2。

其中：σ 值是均布的拉應力、彎曲應力和焊接殘余應力之和。

當KI＜KIc時，斷裂前先泄漏，KI≥KIc時，先斷裂后泄漏。

對于材料在裂紋尖端附近發生大范圍屈服時，采用彈塑性斷裂力學判據進行校核，見式（3）。

式中：δ──斷裂張開位移，mm；

E──彈性模量，MPa；

σs──材料屈服強度，MPa；

δc──材料斷裂韌性，mm。

當δ＜δc時，斷裂前先泄漏，δ≥δc時，先斷裂后泄漏。

1.3.3 確定試驗介質

管道經過上述方法校核以后，在滿足材料強度及韌性指標的條件下，可以選擇氣體作為試驗介質，若滿足不了上述要求，必須采用液體作為試驗介質。值得指出的是，對于在用壓力管道，一般情況下，應選擇液體作為試驗介質，因為管道運行一段時間后，可能產生腐蝕、蠕變和疲勞等現象，強度指標、韌性指標發生不同程度的劣化，只有現場取樣進行試驗，才能得到真實的數據，因此，在沒有使用準確的試驗數據進行校核的情況下，試驗介質應選用液體。

1.3.4 儲能計算

對于各種失效模式來說，氣壓試驗所造成的危害性要比液壓試驗大得多，這是因為氣壓試驗時，系統內的儲能要比液壓試驗大得多。因為要使管道內介質的壓力從大氣壓力增加到試驗壓力，就必須對介質做功，這些功將以內能的形式儲存在介質之中。一旦管道破裂，儲存在介質中的能量就釋放出來。壓縮一定容積的氣體至某一壓力所需要的功要比壓縮同體積的液體至相同壓力時大得多。也就是說，管道一旦破裂，相同體積、相同壓力的氣體爆炸時所釋放出的能量要比液體大得多[2]。

根據氣體熱力學原理，理想雙原子氣體空氣被壓縮時所做的功計算公式見式（4）。

式中：Ug──氣體膨脹所做的功，即儲存在空氣中能量，J；

P ──容器內空氣的絕對壓力，MPa；

V ──容器的容積，m3。

壓縮常溫水時所做的功計算公式見式（5）。

式中：Ul──壓縮水所作的功，即儲存在水中的能量，J；

P──容器內水的絕對壓力，MPa；

V──容器的容積，m3。

此式適用于水的絕對壓力P＜50MPa 的情況。

比較式（4）與式（5）即可得，氣體爆炸能量（Ug）和液體（水）爆炸能量（Ul）之比見式（6）。

Ug/ Ul=1.13P[1- (0.1/ P)0.2857]×106/ (10P- 1)2（6）計算出各種常用壓力下的氣體與液體爆炸能量之比值如表2 所示。

表2 常用壓力下的Ug/ Ul 值

從表2 可以看出在同一條件下，氣壓試驗時的儲能要比液壓試驗時大數千倍，壓力越低，比值越大。因此，在選擇氣體做試驗介質進行壓力試驗時，必須對系統內儲能進行限制，以保證管道一旦破裂不會造成大的事故，但是由于這一能量值與許多因素有關，我國規范及ASME都未做出具體的規定。國外一些工程公司在這方面有具體要求，如美國Kellogg 公司對氣壓試驗時的儲能、相應的焊縫檢驗要求和試壓審批資格進行了限制（見表3）。

表3 Kellogg 公司氣壓試驗系統儲能限定表

kellogg 公司推薦的進行儲能計算的公式見式（7）。

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。而且一般要求試驗系統的儲能不超過3.4×107J。

我國標準《石油化工建設工程項目交工技術文件規定》（SH3503- 2017）也要求超越規范條件采用氣壓試驗時，所有焊接接頭需經檢測合格。而現實施工中由于時間及現場條件等因素的影響，所有焊接接頭全部檢驗很難做到，而且會浪費大量的資源。焊接的一個重要問題是由于焊接工藝控制不嚴，從而使焊縫存在缺陷。所以應嚴格要求焊工持證上崗，嚴格按焊接工藝要求施焊，控制焊接環境、焊條領用等工作，加強質量控制，按施工時的正常比例對焊口進行隨機抽檢。并且規范本身要求管道系統壓力試驗合格后應進行嚴密性試驗，試驗介質宜采用壓縮空氣，同樣是氣壓試驗，但并沒有對焊縫檢驗有任何特殊要求，而如果焊縫中存在缺陷，也并不一定會在強度試驗時發現，所以在采用氣壓試驗時該公司超越了規范的要求，在采用氣壓試驗時并沒有對焊口加大比例進行檢驗。某化工廠重整- 加氫聯合裝置、20 萬t/ a 聚丙烯裝置及乙烯改擴建裝置等，大部分系統都是進行的氣壓試驗，其中最高試驗壓力達到8.6MPa，但系統劃分均較小，儲能均低于3.4×107J。

1.3.5 氣壓試驗應注意的其他問題

氣壓升壓速度的控制。從脆性斷裂學可知加載速度對中、低強度鋼脆性有明顯的影響，一般隨著加載速度增加，鋼的脆性轉變溫度升高，同樣表現出鋼的斷裂韌性降低，所以在采用氣壓進行試驗時應嚴格按規范的要求逐級緩慢升壓,使系統內氣體壓力緩慢均衡。

溫度也是造成金屬材料脆性斷裂的重要因素之一，當環境溫度低于0℃時，可以采用壓縮空氣為介質進行壓力試驗，但因為材料的脆性隨環境溫度的降低而增大，所以應嚴格注意管道材料在不同溫度下的脆性轉變溫度。

經以上分析可知，只要環境溫度不是特別低，強度校核、缺陷評定不超過管道材料許可的性能指標，限制系統儲能低于3.4×107J，控制升壓速度，并對現場實物進行嚴格的檢查，就可以超越規范的要求，靈活選取試驗介質。

2 試驗溫度與試驗壓力的確定

2.1 試驗溫度的確定

2.1.1 相關規定

(1) SH3501 中規定：液體壓力試驗時液體介質的溫度，當設計未規定時，非合金鋼和低合金鋼管道系統，液體溫度不得低于5℃；合金鋼管道系統，液體溫度不得低于15℃，且應高于相應金屬材料的脆性轉變溫度。氣壓試驗時，試驗溫度必須高于金屬材料的脆性轉變溫度。

（2）GB50235 中規定：試驗時環境溫度不宜低于5℃，當環境溫度低于5℃時，應采取防凍措施，試驗時應應測量試驗溫度，嚴禁材料試驗溫度接近其脆性轉變溫度。

2.1.2 確定試驗溫度

材料的韌性不好是造成管道破壞的主要原因之一，所以要了解鋼材從縮性變成脆性的溫度即所謂的脆性轉變溫度，碳鋼和低合金鋼都有冷脆現象，標準中所涉及的溫度概念又涉及溫度、試驗溫度、介質溫度、環境溫度和材料溫度等，對于材料冷脆來說，正確的概念應當是試驗時的材料溫度，介質溫度和環境溫度只是影響材料溫度的因素，GB50235 中規定的應該是試驗時的材料溫度。但由于現場施工不太了解每種材料的脆性轉變溫度，因而就規定了試驗時的最低介質溫度和環境溫度，可以認為在這個溫度下材料不會發生脆性破壞。

高溫高壓管道（如鍋爐給水管道）應按具體情況適當提高試驗溫度，因為隨著管壁厚度增加，材質脆性轉變溫度升高，鋼材缺口脆性增加；

試驗時應防止因溫度驟變或設備泄漏，使管內產生負壓；

還有一些特殊情況應特殊處理，如3.5%Ni 低溫鋼管道，只要液體不凝固，低于5℃也可試壓，因為3.5%Ni是低溫材料，脆性轉變溫度可達－100℃以下。

2.2 試驗壓力的確定

（1）管道系統的試驗壓力應按設計文件規定執行。若設計未作規定時，按式（8）進行計算[3]。

式中：Pt──試驗壓力，MPa；

K──系數，液體壓力試驗時取1.5，氣體壓力試驗時取1.15；

P0──設計壓力，MPa；

[σ]1──試驗溫度下材料的許用應力，MPa；

[σ]2──設計溫度下材料的許用應力，MPa；

其中，P0按試壓系統諸多管線號中高者確定；[σ]1/ [σ]2為溫度修正系數。

（2）對位差較大的管道，如附塔管道，應將試驗介質的靜壓計入試驗壓力中。試驗壓力應以最高點的壓力為準，但最低點的壓力不得超過管道組成件的承受力；

（3）真空管道試壓以內壓試驗方法進行，其試驗壓力為0.2MPa。

（4）夾套管內管的試驗壓力應按內部或外部設計壓力高者確定。夾套管的外管試驗壓力按a、b 的要求確定；

（5）對承受內壓的埋地鑄鐵管道的試驗壓力為：當P0≤0.5MPa 時，Pt=2P0；當P0＞0.5MPa 時，Pt=P0+0.5。

（6）埋地鋼管道，規范還要求其最低試驗壓力不應低于0.4MPa；

（7）當管道與設備在同一系統進行試驗，管道的試驗壓力等于或小于設備的試驗壓力時，應按管道的試驗壓力進行試驗；液壓試驗時，當管道系統試驗壓力高于設備試驗壓力，且設備試驗壓力不低于管道設計壓力的1.15 倍時，經建設單位同意，按設備的試驗壓力進行試驗。值得注意的是，管道壓力試驗時的應力值應符合下列要求：液體壓力試驗時，不得超過試驗溫度下材料屈服點的90%；氣體壓力試驗時，不得超過試驗溫度下材料屈服點的80%。

3 繪制試壓系統圖及試壓表格

按工藝流程圖及所劃分的系統繪制試壓用系統圖，試壓系統圖應包括以下內容：

管道號；介質流向；試驗壓力；系統內空氣排放點；試壓用臨時加固位置(如膨脹節需要設置臨時約束裝置)；臨時盲板位置，并對其進行編號；試驗介質入口；試驗介質排放口；壓力表位置；臨時連接線。

試壓系統圖繪制完成后，根據系統圖整理出每個系統所有管線清單，然后以系統為單元配備管道單線圖、管支架及特殊附件圖，制定管道檢查項目表，按項目表逐一進行檢查核對驗收。

4 試壓盲板的確定

常用試壓盲板有橢圓形封頭（管帽）；帶加強肋的平蓋封頭、插入式盲板和法蘭蓋，以往經常采用憑經驗、查手冊的方法確定盲板厚度，既不科學，也難以滿足各種現場條件的需要，而且容易因盲板厚度不足引起事故，或太厚造成浪費，應根據不同工藝條件合理計算并選用。

（1） 橢圓形封頭：一般適用于DN300mm、PN 6.4MPa 以上的管道系統，按式（9）計算封頭壁厚[3]。

式中：φ——焊縫系數，整體沖壓φ=1；

C——封頭壁厚附加量，C=1～3mm；

Di——管道內徑，mm。

（2）帶加強肋的平蓋封頭：適用于DN200mm、PN 4.0MPa 以上的管道系統，按式（10）計算封頭厚度。

式中：DC——當量直徑，根據支撐節距按圖1 確定最大內切圓直徑。

圖1 帶加強肋平蓋封頭

帶加強肋平蓋封頭焊接安裝應符合結構要求：底板厚度不小于8mm，支撐加強肋應等間隔對稱布置，肋板厚度不小于10mm，高度（H）應滿足式（11）。

5 壓力試驗方法與步驟

5.1 試驗方法的選取

試驗方法的選取合適與否，對試驗速度，勞動強度有著直接的影響，下面是壓力試驗中幾種常用方法。

5.1.1 逐項試驗法

逐項試驗法[4]就是先按系統進行強度試驗，主要檢查焊口質量，保證強度試驗合格；最后由建設單位加入，按生產流程擴大系統進行嚴密性試驗，重點檢查法蘭密封面的連接情況。

此法適用于大型石油化工裝置管道的壓力試驗，特別是在調節閥、孔板等未到貨，而其余管道已安裝完畢，工期又比較緊張的情況。

采用此法可以分階段完成壓力試驗的工作，充分利用時間，減少泄漏點和施工程序。例如燕化化工二廠20 萬t/ a 聚丙烯裝置管道壓力試驗時，采用了此法，提前完成了試壓工作，取得了顯著效果。

5.1.2 設備與管道聯合試驗法

即在管道系統進行壓力試驗時，將管道系統與設備串聯在一起，或在設備試驗時，帶入部分管道進行試驗的方法。

當管道系統與設備串聯時，必須保證系統試驗壓力符合規范要求。而且試驗前應核對設備的基本設計條件，進行必要的強度校核，確保設備的安全。當設備試驗帶入管線時，應按設備試驗壓力校核管道的強度。

此法適用于下列情況：

（1）設備與管道之間是焊接連接，無法加入盲板進行隔離；

（2）切制盲板數量、規模較大，盲板拆裝困難時。例如：重整－加氫聯合裝置CHP18 系統，空冷器A－201 被帶入系統一起試壓，因為A－201 進出口若加盲板，需32 塊、DN600mm、厚30mm 的盲板，切制安裝工作量均較大[4]。

（3）設備間相連的無任何分支、導淋、放空的管線和單個設備的盲腸管。例如：30 萬t/ a 乙烯改擴建裝置中，C－1101 塔配有一根長10m，直徑為1m 的盲腸管，因為盲板安裝相當不便，所以隨設備一起進行水壓試驗。

5.1.3 系統串聯氣壓試驗法

此法就是將位置、壓力相近的各試壓系統串聯起來，根據試驗壓力和系統大小分別按規定裝設控制閥和壓力表，然后同時進行壓力試驗的方法。系統串聯氣壓試驗法如圖2。

圖2 系統串聯氣壓試驗法

試驗時要求各系統控制閥處必須有專人負責操作，而且與總控制閥處聯系方便，各點控制要及時準確。升壓后依據各系統壓力高低依次關閉各系統控制閥，并分別進行檢查，最后一個系統關閉控制閥時，要及時關閉打壓車。也可以先試大系統或壓力高的系統，試驗合格后將氣體串入小系統或低壓系統進行檢查。

此法適用于石油化工裝置中，管道設備較密集處的管道系統的氣壓試驗，如泵區等。采用此法可以充分利用較少的設備高效地完成大量管道的試驗，而且各系統介質可以相互補充，提高功效。

5.1.4 單條管線試驗法

就是將一條管線單獨進行壓力試驗的方法。適用于各試驗系統不方便帶入進行試驗的管道，和管道較長，直徑較大的管道，均可單條管線成立一個系統進行試驗，如：燕化3 萬t/ a 丁基橡膠裝置中，一根DN700mm, 長120m 的有縫不銹鋼管道，因為儲能太大，單獨進行壓力試驗。此法可以避免安裝過多的臨時線，但效率較低。

5.2 氣壓試驗步驟

氣壓試驗步驟如圖3 所示。

圖3 液壓及氣壓試驗步驟

6 結論

(1) 試壓系統的劃分應以設計壓力為基礎，管道操作單元為區域，并充分考慮介質、管道位置、盲板安裝難易等因素。

(2) 大型石油化工裝置，可以突破規范的要求，選取氣體作為試驗介質。

(3) 用氣體介質進行壓力試驗時，嚴格控制系統大小、焊接質量、升壓速度、盲板厚度等因素，且系統儲能限制在3.4×107J 以下，完全具有安全性。