場工藝管道吹掃、氣壓試驗技術及在陜京二線北京采育末站工程的應用。
1 前言
隨著中國經濟的快速發展，能源需求日趨增大。為滿足城市清潔能源的需求，天然氣的輸送、利用變得越來越重要。隨著“西氣東輸”、“陜京二線”等工程的建設，高壓長輸管線及工藝站場建設已全面展開。北京采育末站是陜京二線的末站，設計壓力為10MPa。末站規模大、工藝復雜，因此工藝管道的吹掃、試壓已成為輸氣站場施工中難度最大、危險性最強的關鍵施工技術。本文通過對吹掃、試壓的分析，對今后其他類似工程的施工提供一定的參考。
2 相關技術問題的分析
2．1 水壓試驗與氣壓試驗的比較
管道強度試壓介質分為壓縮空氣和水兩種。試壓介質與管道設計壓力、管徑、管道強度、管材的韌性及焊接質量有關。根據《輸氣管道工程設計規范》GB50251-2003的規定，位于三、四級地區的管段及站場內的工藝管道應采用水作為試驗介質。傳統上類似末站的站場均采用水壓試驗進行強度試驗。水具有不可壓縮性，管道內試壓介質的減壓速度大于管道的開裂擴展速度，因此，不會造成管道的大段破裂和嚴重的次生災害。另外，水壓試驗可消除鋼管的殘余應力，充分暴露管材的缺陷。
用水作試驗介質，危險性相對較小，但也存在著以下問題：
①輸氣站場工藝系統中大部分設備及管道位于地面上，但又有一部分匯氣管埋在地下，如按常規方法采用水作為試壓介質，則地下匯氣管內存水將無法排出。在陜京一線輸氣站維修改造時就發現地下匯氣管內存有半管深的水，這既增加了輸送氣體的濕度，增加了產生管道冰堵的可能性，又減少了管道的有效截面積，從而降低管道的實際輸氣量；
②水壓試驗后需對管道進行干燥處理。由于本工程要求的施工工期十分緊張，很難滿足要求；
③在北京采育末站施工時正值冬季，環境溫度低于5℃，采用水作為試驗介質實際困難很大；
④施工現場水的來源和排出處理均十分困難。
用壓縮空氣做試壓介質，在管道存在缺陷而在試壓中出現泄漏或破裂時，由于管道內試壓介質的減壓速度小于管道的開裂擴展速度，在管道止裂韌性不能滿足止裂要求時會造成管道的大段破裂和嚴重的次生災害。因此，在管道的設計和制管標準上均有針對管材止裂韌性的要求。采用空氣作為試壓介質應十分謹慎。
《輸氣管道工程設計規范》規定在以下條件同時滿足時，站場內的工藝管道可采用空氣作為試驗介質：
①試壓時最大環向應力小于5%管道屈服強度(三級地區)；
②最大操作壓力不超過現場最大試驗壓力的80％；
③所試驗的是新管子，并且焊縫系數為1．0。
2．2氣壓試驗壓力的確定
根據《工業金屬管道工程施工及驗收規范》GB 50235-97的規定，承受內壓的鋼管，氣壓試驗壓力為設計壓力的1．15倍。根據設計文件的要求，并經有關部門批準，氣壓試驗壓力最終確定為設計壓力的1．15倍(11．5MPa)。
3 氣壓試驗前進行的校核計算
“陜京二線”業主制訂了陜京二線鋼管技術條件，對管材的化學成分、機械性能、檢測等各方面均提出了較高的要求。對韌性的要求見表1。
根據文獻4的管材止裂計算介紹，由表1可知管材可滿足氣壓試驗的韌性要求。
環向應力的計算見下式。
σh=Pd／(2δn) (1) 式中：
σS—管材的最低屈服強度(MPa)
σh—由內壓產生的管道環向應力(MPa)
P—管道試壓時內壓力(MPa)
d—管子內徑(Cm)
δn—管子公稱壁厚(cm)
各工藝管道校核計算見表2。
表1 -20℃下夏比沖擊韌性要求
位置夏比沖擊剪切面積SA%夏比沖擊功(10mm×10mm×55mm)
J
單個試樣最小值三個試樣平均值
管體橫向≥80≥90單個試樣最小值≥140
三個試樣平均值≥190
焊縫及熱影響區≥30≥40單個試樣最小值≥60
三個試樣平均值≥90
表2 環向應力與屈服強度的比值
管徑 mm壁厚δncm管材鋼級屈服強度(δS)MPa試驗壓力MPa環向應力(δh)MPaδh/δS
10002．62L485(X70)48511．5219．545．3%
7002．1L485(X70)48511．5191．739．5%
6501．75L485(X70)48511．5213．644%
5001．6L415(X60)41511．5179．743．3%
4001．6L360(X52)36011．5143．839．9%
3501．25L360(X52)36011．516144．7%
2501．42L245(B)24511．5101．241．3%
2001．25L245(B)24511．59237．6%
1000．63L245(B)24511．591．337．3%
500．36L245(B)24511．595．839．1%
備注：L系列為GB/T9711的鋼級；括號內X系列為API Spec 5L的鋼級
經過上述計算，用壓縮空氣做11．5MPa強壓試驗時，管道最大環向應力與屈服強度的比值為45．3％。
4 采取的安全措施
為確保試壓工作萬無一失，采取焊縫100％檢測合格及法蘭螺栓全部采用扭矩扳手均勻上緊等措施，保證焊縫質量和法蘭接口的嚴密性。同時采取以下安全措施：
①試壓前制訂完整的試壓方案和HSE(Health Safety Environment)應急預案，并必須得到地方安全主管部門的批準方可實施；
②所有參加施工作業的人員必須樹立“安全第一，預防為主”的思想，不違章指揮，不違章操作；
③管段兩端封頭處60m范圍內嚴禁站人，打壓作業區50m范圍內非工作人員不得進入；
④提供可靠的交通和通訊系統，隨時通報試壓作業期間出現的情況和問題；
⑤嚴禁敲打管道。
5 陜京二線北京采育末站吹掃、氣壓試驗的應用
站場工藝系統安裝完畢后，應做吹掃、試壓。吹掃的作用是為了清潔管道系統。試壓是為了檢驗設備、管道焊縫和法蘭接口安裝質量，確保通氣運行時系統無泄漏現象。
站場工藝復雜、管徑大、管道系統的主管路很多，各支管道又相互連通，如采用常規吹掃方法，從進站管口接空壓機往系統內進空氣，從系統各主、支管末端吹出，不能保證各管道內臟物被吹走所需的氣流速度，很難達到清潔工藝管道系統的效果。因此，根據工藝系統特點，采用爆破吹掃法。爆破吹掃的原理是對吹掃系統只留一個吹掃出口，在出口處用石棉橡膠墊封堵作為爆破膜。當空壓機向系統內加壓到爆破膜的承壓極限(0．6MPa)時，石棉橡膠膜爆破，系統內壓縮空氣在瞬間高速飛出爆破口，管道內銹塵、雜物隨氣流排出，從而達到對系統內管道清掃的目的。
北京采育站是陜京二線輸氣管道的末站，與北京市采育接收站毗鄰。是我國已建長輸管道中規模大、工藝復雜；施工難度高的末站。具有收發球、過濾分離、計量、調壓等功能。采育末站設計壓力為10MPa，進站流量為264萬～3000萬m3／d，進站管徑為φ1016×26．2，進站后設置D1000清管器收球筒一個，收球筒前端開置三通口，經D1000氣液聯動球閥進入四具并聯的過濾分離器。天然氣過濾分離后經兩路超聲波流量計量系統，再經6路調壓后進入北京市采育城市接收站，供北京市使用。出站管徑為φ1016×26．2。工藝管線從D50～D10000共計全長為2558m，閥門共計129個，各種設備20臺。
根據工藝系統情況及計量、調壓裝置不能參加爆破吹掃的要求，格整個系統分為南、北兩區，各設置一個爆破口，分別進行吹掃、爆破。爆破膜選用5mm厚高壓石棉橡膠板，爆破壓力為0．6MPa。吹掃空壓機選用XHP1070(V=30m3／min，P=2．4MPa)。每區經過5次爆破，用白布進行排出氣體打靶試驗，白布上未發現鐵銹、塵土、水分等臟物，吹掃達到要求。
根據工藝特點和設計要求，對工藝系統按工作壓力不同分為高、中、低3區進行分級試壓，高、中壓區之間及中、低壓區之間設置分界閥。高壓區為從進站管、清管器收球筒、過濾分離器、超聲波計量撬、6路調壓裝置到出站管等主要工藝管道及設備，工作壓力為10MPa，強度試驗壓力為11．5MPa，嚴密性試驗壓力為10MPa；中壓區為工藝系統中所有放空閥至放空分離罐和排污閥至污水罐的管道，工作壓力為6．3MPa，強度試驗壓力為7．25MPa，嚴密性試驗壓力為6．3MPa；低壓區為放空分離罐和污水罐后的管線，工作壓力為1．6MPa，強度試驗壓力為1．84MPa，嚴密性試驗壓力為1．6MPa。
試壓時采用2臺空壓機S-10／250(V=10m3/minP=25MPa)，同時往試壓系統高壓區內加壓，當系統壓力升至1．86MPa時，關閉中、低分界閥、對低壓區進行強度試驗，4h穩壓強度試驗合格后，打開低壓區泄壓閥使低壓區壓力降至1．6MPa，穩壓24h用肥皂水對焊縫及法蘭等宜漏部位進行嚴格檢漏，合格后泄至常壓，低壓區試驗完畢，低壓區泄壓閥保持開啟狀態；當系統壓力升至7．25MPa時，關閉高、中壓分界閥，對中壓區進行強度試驗，穩壓4h強壓合格后，打開中、低壓分界閥降壓至6．3MPa，穩壓24h檢漏合格后泄至常壓；當系統壓力升壓11．5 MPa時，空氣壓縮機停止加壓，關閉試壓管上進氣閥，對高壓區進行強度試驗，4h穩壓合格后打開高壓區泄壓閥降壓至10MPa，穩壓24h檢漏合格后泄至常壓，試壓工作全部完成。實際工程一次試驗合格。
6 結束語
通過對北京采育末站高壓工藝管線吹掃、氣壓試驗一次成功，總結了一套高壓(10MPa)輸氣站場工藝管道吹掃、氣壓試驗拄術施工經驗，驗證了用空氣為介質對天然氣工藝站場進行11．5 MPa高壓氣壓試驗的安全性和可行性。可為國內正在建設的陜京二線工藝站場和其他天然氣項目提供參考實例。
參考文獻
1 《輸氣管道工程設計規范》GB 50251-2003
2 《工業金屬管道工程施工及驗收規范》GB 5023-97
3 龐根選，燕君，安衍莊．管道安裝工程壓力試驗探討[J]．山西建筑，2000．(2)：149-151
4 秦興述．西氣東輸管道空氣試壓探討[J]．天然氣與石油，2002(9)：4-6
(本文作者：北京城建亞泰建設工程有限公司 100013 吳雄平；北京市煤氣熱力工程設計院有限公司 100032 孫明燁 劉磊；北京市燃氣集團咨詢分公司 100035 左熠)
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