LNG項目管線氣壓試驗安全距離估算與選取

張維 楊繼成 王爽 黃盛海 董佳鑫

摘 ? ?要：在LNG模塊化建造項目的管線工程中，管線試壓是其關鍵工作過程，特別是管線氣壓試驗危險性高，綜合性強，安全要求嚴格。本文以加拿大LNG項目管線氣壓試驗為依托，重點探討如何估算LNG項目管線氣壓試驗儲能與安全距離，分析不同試驗壓力、試壓體積對安全距離的影響，為LNG項目的管線試壓提供理論依據。

關鍵詞：管線氣壓試驗；安全距離；風險評估分析

中圖分類號：U674.13?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Calculation and Application of Safety Distance of Piping Pneumatic Pressure Test in LNG Project

Zhang Wei， ?Yang Jicheng， ?Wang Shuang， ?Huang Shenghai， ?Dong Jiaxin

（ COOEC-Fluor Heavy Industries Co.， Ltd.， Zhuhai， 591000 ）

Abstract： Piping pneumatic pressure test is a work item with high risk， strong comprehensiveness and strict safety requirements in LNG project. Based on the LNG project， this article focuses on the calculation of energy storage and safety distance of piping pneumatic pressure test of LNG project and analyzes the influence of different pressure and different test volume on safety distance， providing theoretical basis and experience for piping pneumatic pressure test of LNG project.

Key words： Piping pneumatic pressure test; Safety distance; Risk analysis

1 ? ? 前言

自60年代以來，模塊化技術在海洋工程行業發達的美國、俄羅斯、日本等國得到了迅速發展，已成為現代船舶與海洋工程中的重要技術之一。模塊化技術的不斷發展，引發了設計思想、建造工藝及項目管理上的重大變革。

模塊化設計、建造技術的思路，是把整個LNG站場設計成不同的區域模塊，這些模塊在不同的地點并行建造，建造完成后通過大型船舶運輸到站場所在地進行總裝和調試，進而完成整個LNG站場的建造。由于 LNG 站場是一個復雜的系統，涉及許多個子流程、子系統，這些子系統、子流程是由眾多的管線系統連接起來的，LNG 站場的尺寸要遠大于傳統的海洋工程結構物。

本文所引用的項目為加拿大LNG項目，是由荷蘭皇家殼牌公司、馬來西亞國家石油公司、中國石油天然氣股份有限公司、日本三菱公司、韓國天然氣公司合資，計劃建造一座有4條生產線、年產2 800萬t的大型LNG廠，連接不列顛哥倫比亞省北部蒙特尼盆地產區至基提馬特670 km的沿海天然氣管道及配套天然氣液化設施、海運碼頭等。該項目是加拿大歷史上LNG行業投資金額最大的項目，也是近年來全球金額最大的LNG行業投資項目。

眾所周知，在如此多模塊同時建造的大型LNG項目中，施工安全是重中之重。管線的氣壓試驗在模塊建造過程中，一直被認為是一種風險程度極高的試驗方式，試驗一旦發生爆炸，往往會造成較多人員傷亡和巨額財產損失，形成重大事故或特別重大事故。但不可否認的是，氣壓試驗雖然存在極大的風險，但在一定限制條件下卻不失為一種經濟有效的檢驗手段，關鍵是要采取切實有效的安全措施，尤其是對氣壓安全距離的準確計算。

LNG模塊項目中管線的氣壓試驗對試驗場地有一些硬性要求：在安全距離范圍內非試壓工作人員不得入內，除試壓工作外不能同時進行其它工作等。因此，準確計算氣壓試驗安全距離，再結合建造場地模塊布置，合理劃分氣壓包，確定和有效控制試驗場地區域范圍，可以有效的提高生產效率，減少安全風險，節省試壓耗材，節約人力資源等。

2 ? ?壓力試驗簡介

2.1 ?壓力試驗和密封試驗

壓力試驗是確定壓力管線系統內所有部件的完整性，檢驗承受工作壓力的能力和可靠性，通常被認為是強度試驗。

密封性試驗是確定管線系統的密封性。密封性試驗可以被認為是壓力試驗后，在投產前對管線系統密封性的驗證。密封試驗分為低壓泄露試驗和操作壓力泄露試驗，兩種試驗的試驗壓力不同、目的不同，不可相互替代。

2.2 ? 壓力試驗的目的

（1）檢查法蘭連接口和焊縫是否泄露；

（2）避免運行中的故障和相關的安全問題；

（3）篩選總體設計、材料、制造的缺陷；

（4）減少管線的機械應力。

2.3 ? 管線壓力試驗的類型

壓力試驗根據介質不同可以分為：水壓試驗；氣壓試驗；水-氣混合試驗。采用壓力試驗有困難時，在滿足一定條件下亦可用100%無損檢測來替代壓力試驗。

管線水壓試驗的試驗壓力一般為1.5倍設計壓力，氣壓試驗壓力一般為1.1倍設計壓力。由于壓縮氣體儲存能量，氣壓試驗有潛在的安全風險，因此壓力試驗應平衡氣壓試驗與水壓試驗的風險和益處，以確定選用哪一種試驗方式。通常壓力試驗是以水壓試驗為主，但在以下情況需考慮使用氣壓試驗：

（1）直徑大、低壓的氣體管道。此類管道一般距離比較長，在正常生產時管道中的液體較少，若采用水壓試驗，沿線管道荷載要按水壓試驗荷載考慮，或者需要設置大量臨時支架；打壓時要消耗大量的水，多臺壓力泵同時打壓數天才能完成壓力試驗，經濟性較差；這類管道壓力較低，采用氣壓試驗即使出現管道爆裂，其后果不會特別嚴重；

（2）不允許存在少量水的工藝管道。這些管道主要包括：工藝介質會與水發生反應；氣固管線中存在水時，細小的固體顆粒會粘在一起堵塞管道，如干粉煤管線、飛灰管線等；氫氣管道極易泄漏且最小引燃電流小，如果管道內存在鐵銹等雜質容易產生靜電，一旦發生泄漏且存在靜電集聚時很容易引發火災事故；當施工現場不具備足夠熱空氣或熱氮氣時，氫氣管道或含氫管道有時候采用氣壓試驗；

（3）試壓液體會損壞管線內襯材料等情況，考慮使用氣壓試驗；

（4）環境溫度不允許采用水壓試驗，尤其在北方冬季氣溫較低，采用水壓試驗存在結冰的風險；如果加入抗凍劑，試壓廢水需要處理后才能排放，但施工期間水處理設施通常沒投入使用，不具備廢水存儲和處理的能力。因此北方項目遇到冬季試壓時，通常不做水壓試驗，若進度允許通常到天氣回暖后進行壓力試驗，若進度不允許通常部分采用氣壓試驗、部分采用無損檢測替代壓力試驗。

在加拿大LNG項目中，因規定在PAU工藝模塊中管線操作溫度不超過0 ℃，或者設計溫度低于-50 ℃時管線需要保持一個干燥無水的狀態，若是使用水壓試驗，管線內可能會殘留液體，因此為了確保建造場地管線試壓后保持干燥，管線壓力試驗采用氣壓試驗。

3 ? ?氣壓試驗安全距離估算與選取

3.1 ? 氣壓儲能計算

ASME PCC-2-2015， 給出氣壓試驗儲能計算的公式如下：

（1）

式中：E—儲能，J；

k—試驗介質的比熱比；

Pa—絕對大氣壓，取值1.01×105 Pa；

Pat—絕對試驗壓力，其值為表壓Pg與絕壓Pa之和，Pa；

V —壓力試驗的管線總體積，m3 。

當用空氣或者氮氣做試壓介質時，k =1.4，等式（1）變成：

（2）

在Excel中設置公式（2），得：

E=2.5*（Pg+101 300）*V*（1-（101 300/（Pg+101300））^0.286）

儲能換算成TNT當量：

（3）

由上述公式（1）（2）（3）可知：

（1） 在已知試驗壓力和管線體積的前提下，可計算出在試驗壓力下的儲能與TNT當量；

（2）在試驗壓力一定的情況下，試壓體積與儲能成正比。

3.2 ? 氣壓試驗安全距離估算與選取

3.2.1 安全距離估算

安全距離的取值，為上述（1）（2）（3）公式中R的最大值：

（1）當E ≤ 1.355×108 J，R=30 m；

（2）當1.355×108 J < E ≤ 2.71×108 J，R=60 m；

（3）R=Rscaled（2TNT） 1/3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：R為氣壓試驗受沖擊波影響下，人員與試壓管線的最小安全距離，m；

Rscaled 為不同影響因素的安全距離系數，最小取20 m/kg1/3。

當儲能E大于2.71×108 J時，如果最小安全距離不能滿足計算值，可替代的Rscaled值參考表 1。

根據上述規則，可以在Excel中設置一個計算最小安全距離的公式（Rscaled=20 m/kg1/3）：

R=MAX（IF（E<135 500 000，30， IF（E<271000000，60，60）），20*（E*2/4 266 920）^0.333 3）

3.2.2氣壓試驗安全距離選取實例

（1）實例一：某氣壓包試驗壓力為8800 kpa，當氣壓包內管線體積為80 m3時，通過公式（2）計算出儲能為1.2 853×109 J；帶入Excel設置的安全距離公式，向上取整得出安全距離為169 m；當氣壓包內管線體積為40 m3時，儲能為6.4 266×108 J，計算安全距離R為134 m。由此看出，當試壓體積減少一半時，安全距離只減少了1/5，因此對于安全距離較大的氣壓試驗，想通過把氣壓包拆散減少試壓體積從而減少試壓安全距離的方法不夠理想，且拆分氣壓包時會增加人力、場地工裝、試壓墊片等成本；對于試驗壓力高、試壓管線體積大的氣壓試驗，建議在夜間模塊附近沒有交叉作業且保證安全距離的條件下進行。

（2）實例二：某氣壓包A，試驗壓力為4400 kpa，氣壓包內管線體積為10 m3，計算得出安全距離為65 m；某氣壓包B，試驗壓力為4 400 kpa，氣壓包內管線體積為15 m3，計算安全距離為75 m；如果將兩個氣壓包使用高壓軟管連接到同一個試壓管匯進行氣壓試驗，試驗壓力為4 400 kpa，聯合氣壓包內管線體積為兩氣壓包體積之和25 m3，計算安全距離R為89 m。據此看出，如果此模塊在氣壓試驗工作區的最大安全距離能達到或超過89 m，則可以考慮將兩個氣壓包聯合試壓，如果試壓區域不能滿足這一條件要求，則不能將A、B兩個氣壓包聯合進行試壓。

3.3 ? 氣壓包分包原則

（1）同一氣壓包內管線的壓力磅級要一致；

（2）同一氣壓包內管線的試驗壓力要一致；

（3）同一氣壓包內管線試壓介質要一致；

（4）同一氣壓包內管線材質要一致。

加拿大LNG項目詳細設計提供的Linelist中，有對應管線材質、壓力磅級、試驗壓力、試壓介質等信息，根據Linelist中試壓相關信息在P&ID用紅線標出氣壓包范圍。

當有相連管線（特別是焊接連接的管線）試驗壓力不一樣的情況時，首先要確認其壓力磅級，如果壓力磅級一樣，可在詳細設計方允許的情況下，采用較大的試驗壓力聯合試壓。

3.4 ? 氣壓試驗風險分析

氣壓試驗風險分析主要考慮兩個因素：一個是可能性；另一個是結果。即

試驗風險 = 可能性 × 結果

LNG模塊項目經常會出現這種情況：同一根管線在不同模塊中有做水壓試驗，也有做氣壓試驗。加拿大LNG項目中，工藝模塊要求做氣壓試驗的管線連接到PAR管廊模塊中需做水壓試驗，這是考慮到管廊模塊管線相對容易進行清潔干燥，且距離容器設備較遠，水壓試驗后進行清潔干燥也可以滿足項目要求；在設計壓力一樣的情況下，由于水壓的試驗壓力比氣壓的試驗壓力高，如果管廊部位水壓試驗優先完成，可以排除該種管線因設計壓力錯誤導致試壓時管線破裂等危險情況的發生；而在工藝模塊做氣壓試驗時，由于此壓力試驗發生風險的可能性相對較低，試驗存在的風險是可接受的。氣壓試驗過程要嚴格按照工作安全分析表中的要求進行，避免可能發生的危險情況。長期積累的經驗也有助于我們降低危險發生的可能性，減少傷害發生，從而有效控制風險。

4 ? ?結語

管線的氣壓試驗安全距離是氣壓試驗中的重點關注項，本文重點解讀了ASME-PCC-2 Article 5.1中的氣壓試驗安全距離計算公式，并轉化為Excel公式。對試驗壓力、試壓體積對安全距離的影響進行對比分析，并舉例說明選取方法，為后續針對氣壓試驗的安全距離問題提供依據和借鑒。

參考文獻

[1] DEP 74.00.10.10 Gen Shop and Field Pressure Testing of Piping

Systems[S]. 2014.

[2] ASME PCC-2 Repair of Pressure Equipment and Piping[S]. 2016.

[3] ASME B31.3 Process Piping [S]. 2016.