城镇高压燃气管道强度试验介质与压力的探讨

摘 要

摘要：对燃气管道强度试验的介质与压力进行了多角度的分析和探讨，提出了城镇三、四级地区高压燃气管道强度试验试验介质与压力的确定方法。关键词：高压燃气管道；强度试验；试验介质
摘要：对燃气管道强度试验的介质与压力进行了多角度的分析和探讨，提出了城镇三、四级地区高压燃气管道强度试验试验介质与压力的确定方法。
关键词：高压燃气管道；强度试验；试验介质；试验压力
Discussion on Media and Pressure for Strength Test of Municipal High-pressure Gas Pipeline
LI Yong-wei
Abstract：The media and pressure for strength test of gas pipeline are analyzed and discussed from different aspects. The determination methods of media and pressure for strength test of high-pressure gas pipeline in class 3 and class 4 locations of city are put forward.
Key words：high-pressure gas pipeline；strength test；test media；test pressure
   随着陕气进京一、二、三期工程以及西气东输一、二期工程的实施，各城市天然气供应的规模不断扩大，许多城市引入了4.0MPa及2.5MPa压力级制的高压天然气管道。在高压天然气管道施工过程中，必然要通过压力试验为投产后管道的安全运行打下基础。而高压天然气管道强度试验时，是采用洁净水还是采用压缩空气作为试验介质以及采用压缩空气时试验压力如何确定，在长输燃气管道和市政燃气管道领域一直是有争议的问题[1～5]。
1 管道试压的目的与规定
    管道试压的目的是为了验证已完成焊接的管道的强度，评判管道能否承受以后运行的压力；严密性试验，是验证新建的管道是否有泄漏点[5、6]。管道经强度试压后可以消除破裂等事故，但并不是不会出现泄漏，泄漏事故对生产影响较小，可以不停气进行修复[3]。国内相关规范标准对于试压的要求可追溯到《输气和配气管线系统》ASME B31.8[1]。
   《工业金属管道工程施工及验收规范》GB 50235—97[7]规定，当现场条件不允许使用液体或气体进行压力试验时，可采用下列方法代替：所有焊缝用液体渗透法或磁粉法进行检验，对接焊缝用100%射线照相进行检验。这种代替方法也是源自ASME B31的规定[7]。工业金属管道包括地上和埋地管道。对于地上管道，如果所有的焊口都做了无损检验，并且质量达到了规范规定的要求，那么用无损检验代替管道的强度试验是可以接受的。但对于埋地管道，在下沟回填的过程中，可能存在下管时的磕碰、回填的质量以及温度的影响等因素，无损检验并不能保证接口焊缝以及管材本身焊缝没有问题，所以各种埋地管道的压力试验在相应规范中均没有明确说可以用其他方式代替。
    在国内外输气管道建设的历程中，均发生过压力试验事故[3～5]。新建市政燃气管道是否发生过压力试验事故无从查证，而新建燃气管道压力试验时压力升不上去的情况多有耳闻。管道之问的碰口未焊完即实施压力试验，或因非开挖穿越工程两端回填土不密实，产生不均匀沉降造成燃气管道环焊缝开裂的实例，都说明了新建燃气管道进行压力试验的重要性。无论是输气管道，还是市政燃气管道，在工程设计和施工验收规范中，均规定了对强度试验和严密性试验的要求。
2 强度试验与管道安全的关系
    梁翕章老先生就输气管道试压问题在《天然气与石油》杂志连续刊载了3期文章[3～5]，对输气管道试验介质和试验压力值进行了深入的分析论述，阐述了水压试压与输气管道安全、可靠性的关系，对ASME B31.8输气和配气管道系统的试压进行了解读。论文主要论述的是一、二级地区输气管道的试压问题，但文中的内容、观点和结论对市政燃气管道试压很有帮助。现将一些精华内容归纳罗列如下。
    ① 水压试验的压力越高，暴露的缺陷越多，越能暴露出小尺寸缺陷；与之相反，试验压力处在低压段时，暴露的缺陷少，容易暴露出大尺寸缺陷。
    ② 管道水压试验的破裂事故，多出现在试压强度为90%最小屈服强度以前，在此强度以上遗留的只是小漏点；试压强度达不到90%最小屈服强度，将存在很多潜在发生破裂因素。
   ③ 输气管道水压试验强度在100%～110%最小屈服强度范围最为适宜。
    ④ 在高试验强度未出现的潜在缺陷，在低的运行压力下缺陷不会扩展暴露。
    ⑤ 试压时稳压时间是必须的，有些缺陷暴露是需要时间的，约有15%的缺陷是在稳压时暴露的。
    ⑥ 水压试验成功的基础在于能排除试压段中的空气，仅有百分之几的残留空气，需增加极大的能量来压缩，并将在事故时造成巨大的破坏。
    目前的通行做法：管道强度计算只是影响管道安全的主要因素之一；管道选材从技术方面不仅要考虑强度问题，还要考虑管道的径向失稳问题。对低压力管道，可能很薄的壁厚就能满足管道的强度要求，而考虑径向失稳因素可能会选择比理论计算值大得多的壁厚。而管道行业的另一个通行法则就是，管道的强度试验与设计压力相关联，不会因为管道有足够的强度，就人为提高管道的强度试验压力；也不应该为了进行管道的强度试验，对管道的强度设计提出过高的要求。根据美国天然气协会(AGA)研究院管道研究组开展的水压试验证实，在高压下未出现的潜在缺陷，在低的运行压力下缺陷不会扩展暴露。因此在最高试验压力下，乘以安全系数，作为管道运行的最高操作压力，对管道的安全是有根据的[3～5]。
3 强度试验压力与强度设计的关系
    管道的强度设计是在设计阶段根据规范的规定进行的，强度设计只针对设计压力，与强度试验压力无关。在工程实施过程中，有可能根据材料的变化修改设计。原则上，强度试验只是在设计条件下去验证材料和施工的质量，而不会由于强度试验的问题再去修改设计成果。
    在进行管道强度试验时，采用液体作为试验介质，试验压力一般取设计压力的1.5倍；而采用气体作为试验介质时，试验压力一般取设计压力的1.15倍以下，并且对采用气体进行压力试验规定了一系列严格的条件和要求[1]。一方面是为了同样达到有效验证管道整体强度的目的，另一方面也是考虑一旦管道发生破裂，必须尽量降低这种破裂对试验人员及周围环境所带来的危害。采用空气作为试验介质时，一旦管道破裂，其弹性压能释放的后果要远远大于水泄压带来的后果。如果采用气体作为试验介质，试验压力取值又与液压试验压力取值一致，在不改变管道强度设计的前提下，这种做法是不安全的，也是不科学的。但非要通过修改管道的强度设计，将气压试验压力提高到液压试验压力值，将产生本末倒置的局面，变成不是用压力试验来验证管道的强度，而是管道要有足够的强度来保证压力试验的安全。这对管道工程建设来讲是不合理、不可接受和不可承受的。
    对于燃气工程，由于输送介质易燃、易爆的特点，工程设计和建设的质量对安全运行的影响至关重要，相关的设计规范和施工验收规范也有非常明确的规定。在保证设计质量、严格施工安装要求的前提下，管道的强度试验就成为验证管道整体强度、确保管道长远安全运行的关键环节。随着材料科学和焊接技术的进步，也随着燃气行业管理水平和安全要求的提高，燃气工程建设标准、技术要求、检验要求也越来越严，使得燃气工程建设质量不断提高。在这种前提下，三、四级地区燃气管道的强度试验介质也从只能用水扩展到水、气均可，但用空气进行管道强度试验时为了保证试压过程的安全，必须适当增加管道强度设计要求[1、6]。
4 强度试验压力与管道安全的关系
    新建管道的安全运行靠管道的安全设计和强度试验来验证和保证，而不是靠强度试验压力值的大小来保证和验证。不同种类的管道，有不同的安全设计系数；同一种管道，在不同的设计和使用条件下，也有不同的安全设计要求。管道安全性是与经济性紧密相关的，管道安全性要求不同，对管道的强度试验要求也就不同，不能对安全性要求不同的管道提出同样的强度试验要求。举例来讲，对于设计压力为10.0MPa、强度设计系数为0.72、试压压力不小于1.1倍设计压力、试压强度为90%最小屈服强度以上的一级地区的输气管道和设计压力为4.0MPa、强度设计系数为0.3、试压压力为1.5倍设计压力、试压强度为不大于40%最小屈服强度的四级地区的市政燃气管道来讲，不能认为哪种管道更安全或不安全。为了位于四级地区的市政燃气管道更安全，不可能、也不允许将该管道的试压强度更改为90%最小屈服强度以上。
    对于燃气管道设计来讲，小的强度设计系数意味着高的安全性，而大的强度设计系数意味着低的运行安全性。强度设计系数又与试压时环向应力大小紧密相关。一、二级地区输气管道采用小的设计安全系数是为了降低工程造价，却带来了高的运行风险，因而必须采用高试压强度和安全的试压方式。即便是高试验压力，和管道强度设计相比，也是低安全系数，只是依靠实验结论，采用低于试验压力的压力去运行，即能保证管道的运行安全。对于三、四级地区来讲，采用比设计压力高得多的压力进行试验，目的也是为了保证管道的安全。
5 市政燃气管道水压试验的难点
    燃气管道的水压试验对确保管道长期安全使用很重要。但就从管道强度试验介质的选择来讲，管道试压介质的确定与管道设计压力、管径、用管强度、管材的韧性及焊接质量有关，还与管道沿线地形条件、供水条件、施工单位的试压设备配置有关，特别是试压方式选择对今后的管道运行可能造成的影响等因素也有关。因此，试压介质的确定应该综合分析管道的具体情况，从试压安全保证、经济性、可行性、对管道运行的影响等方面全面进行考虑。水压试验尽管有安全可靠等众多好处，但是对不同工程建设的各种复杂内部、外部条件而言，必然存在其适用的条件和不足[8]。
    对于市政燃气管道，如果采用水作为试验介质进行管道的强度试验，无疑从安全角度考虑是非常合理的，对于单项燃气管道工程也应该是首选的试压方式。但是，与输气管道长距离、等径、无分支、建设周期相对较短的特点相比，市政燃气管道建设有很多特点，穿跨越多，分支多，管径变化多，高程变化多，周期长，这就为采用清管球方式的水压试验带来
了重重障碍，即便是克服种种困难、高代价实施了水压试验，后续的排水工作也是一大难题。
    水压试验技术在我国输气管道上应用的历史不长，但在国外输气管道上的应用却已经几十年了，并正在向深度发展。学习这门技术，跟上时代，并能掌握运用到我国输气管道建设上尚有大量的工作要做[5]。2.5MPa以上压力级制的燃气管道进入城镇的时间并不长，能够完成具有城镇燃气特点的水压试验队伍也需要不断涌现、壮大，试压技术也需要不断探索和提高。因此，目前只从试压安全角度去选择试验介质，忽略强度试验的技术性、可操作性和经济性，是不可取的。
6 强度试验介质与压力的选择
    对于三、四级地区燃气管道强度试验时，是采用洁净水还是采用压缩空气作为试验介质以及采用压缩空气时试验压力如何确定，近年来一直争论不休。石油天然气行业的石油科学与技术论坛上，各方技术人员对三、四级地区用压缩空气进行强度试验时试验压力的取值各抒己见，实施中分别取1.1倍、1.15倍、1.25倍、1.5倍设计压力的都有，最后也没有争论出一个大家公认的结果。在燃气行业，这种争论也是此起彼伏。近十几年，北京市四级地区的高压燃气管道采用压缩空气进行强度试验时，试验压力就分别采用过1.15倍、1.25倍、1.5倍的设计压力。
    事实上，目前造成这种模糊局面的原因有3个。一是强度设计系数问题，二是城镇燃气的规范体系问题，三是《输气管道工程设计规范》GB 50251—2003[9]条文规定的问题。把这3个问题搞清楚了，三、四级地区燃气管道强度试验的问题也就清楚了。
6.1 强度设计系数
   《城镇燃气设计规范》GB 50028—2006[10]和《输气管道工程设计规范》GB 50251—2003对三、四级地区高压燃气管道强度设计系数的规定见表1。
表1 强度设计系数规定
规范名称
强度设计系数
三级地区
四级地区
《城镇燃气设计规范》
0.4
0.3
《输气管道工程设计规范》
0.5
0.4
    从表1可以看出，对于同一工程设计，选择不同的规范，管道的强度设计结果也不同。理论上讲，《城镇燃气设计规范》GB 50028—2006中对三、四级地区的管道的强度设计要求比《输气管道工程设计规范》GB 50251—2003中对三、四级地区的管道的强度设计要求高出25%以上。
6.2 城镇燃气规范体系
    燃气管道压力试验的规范要求及规范对比已在文献[1]中进行了详细的介绍。《城镇燃气设计规范》GB 50028—2006虽然将市政燃气管道设计压力提高到了4.0MPa，并对城镇高压燃气管道通过的地区进行分级，不同等级地区采用不同的强度设计系数进行管道设计。但是相应的施工验收规范的要求并没有同步跟进，造成在工程实施过程中，只能参照执行输气管道工程的有关标准。
    根据城镇燃气的特点，城镇高压燃气管道强度设计系数的取值与《输气管道工程设计规范》GB 50251—2003不同，2.5MPa以上压力级制高压燃气管道的其他设计要求基本与《输气管道工程设计规范》GB 50251—2003一致。在参照执行输气管道工程的施工验收要求时，就产生了差异，造成按照《城镇燃气设计规范》GB 50028—2006设计的燃气管道可以在不改变管道强度设计的条件下即可满足空压试验条件，而按照《输气管道工程设计规范》GB 50251—2003设计的燃气管道如果不改变管道强度设计的条件，只能进行水压压力试验，而若进行空压压力试验，就必须降低管道的最大操作压力，或者推翻管道的强度设计，重新选材。
6.3 相关规范条文
    文献[1]对《输气管道工程设计规范》GB 50251—2003中关于管道的强度设计、强度试验介质与压力等内容已进行了充分讨论，并强调指出其中三、四级地区管道试压介质和压力的规定存在漏洞，与管道的强度设计不是唯一对应关系。作为《输气管道工程设计规范》GB 50251—2003修改依据的《输气和配气管线系统》ASME B31.8—1999[11]却有严格的对应关系。对此，文献[12]做了说明，主要是考虑三、四级地区的建筑物、人口稠密，一旦试压中管道破裂，压缩气体的剧烈膨胀可能会造成居民生命和财产的巨大损失，所以严格限制采用气体做强度试压介质。只有当三、四级地区管道的壁厚选择比设计规范的最低要求大得多、实际最大运行应力很低，即安全系数分别达到2.8和3.75以上，而且是没有受到腐蚀或疲劳损害的新管道时，才能采用空气进行强度试压。
6.4 空气试压条件
三、四级地区燃气管道的空气试压条件见表2。
表2 三、四级地区的管道空气试压条件
试压时最大环向应力
操作压力
管材
三级地区
四级地区
最大操作压力不超过现场最大试验压力的80%
所试验的是新管道，并且焊缝系数为1.0
＜50%钢管的最小屈服强度
＜40%钢管的最小屈服强度
6.5 小结
    从文献[12]对《输气管道工程设计规范》GB 50251—2003条文所做的解释可以看出，规范编制人员是认定了三、四级地区进行管道强度试验时，不论采用什么试压介质，试验压力必须为设计压力的1.4倍和1.5倍。其结果就是采用空气作为试压介质时，人为将三、四级地区的强度设计系数由0.5和0.4更改为0.357和0.267，比《城镇燃气设计规范》中规定的0.4和0.3还要低。延伸的结果就是大大提高了采用空气进行强度试验的经济代价。
    结合以上的论述，综合各种因素，在国内现有燃气规范体系框架下，市政高压燃气管道还是应该首选水作为强度试验介质。试验压力执行《输气管道工程设计规范》GB 5025 1—2003的规定。如果必须采用压缩空气作为强度试验介质，应参照《输气和配气管线系统》ASME B31.8—1999的规定，依据空气试压条件计算空压的试验压力。如果简化计算，也可以采用1.25倍的设计压力作为空气试压的试验压力。
7 结论与建议
7.1 结论
    ① 燃气管道强度设计时，不但应考虑地区等级的不同，还应考虑强度试验的要求。
    ② 进行燃气管道强度试验时，水压试验不是唯一的选择，但应该是首选的试压方式。
    ③ 三、四级地区燃气管道选用压缩空气进行强度试验，试验压力取设计压力的1.4倍和1.5倍是不合理的。
    ④ 三、四级地区燃气管道若选用压缩空气进行强度试验，可以采用1.25倍的设计压力作为空气试压的试验压力。
7.2 建议
    ① 对《城镇燃气设计规范》GB 50028—2006和《城镇燃气输配工程施工及验收规范》CJJ 33—2005进行进一步研究，统一强度设计和强度试验标准。
    ② 应进一步对三、四级地区燃气管道的空压强度试验进行研究，尽快修改《输气管道工程设计规范》GB 50251—2003相关条文，以利更好地指导燃气管道的设计和建设工作。
参考文献：
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[9] GB 50251—2003，输气管道工程设计规范[S].
[10] GB 50028—2006，城镇燃气设计规范[S].
[11] ASME B31.8—1999，输气和配气管线系统[S].
[12] 叶学礼.《输气管道工程设计规范》GB 50251—2003关于试压的若干规定[J].天然气与石油，2006.24(2)：5-8.
 
(本文作者：李永威 北京市煤气热力工程设计院有限公司 北京 100032)