一种一级地区高钢级输气管道高强度水压试验方法

摘要

本发明提供了一种一级地区高钢级输气管道高强度水压试验方法，根据管材力学性能统计数据，在99%可靠度下，确定管道高点最大试压压力，并根据实物屈服强度和管材小试样屈服强度之间的关系，确定管道低点最大试压压力;试压进程采用压力-容积图曲线控制，当压力-容积图曲线横坐标出现0.2%管容的残余变形时，为保证管道安全，停止试压，否则一直升压至规定的试压压力。本发明提供的一种一级地区高钢级输气管道高强度水压试验方法，可在允许的风险范围内尽可能提升管道试压压力，为管道投产后的安全运行和管道提压运行提供保证，有效提高企业社会效益和经济效益。

说明书

技术领域

本发明涉及管道强度试压方法，特别涉及一种一级地区高钢级输气管道 高强度水压试验方法。

背景技术

输气管道的母材和焊缝中不可避免地存在着一些缺陷，管道试压（水 压或气压）的直接目的是发现并修复这些缺陷，以避免这些缺陷在管道运 行过程中发生断裂破坏。管道试压压力的高低对缺陷的暴露率有重要影响， 试压压力越高，缺陷暴露率越高。提高试压强度的有利之处还在于：在高 强度试压压力的基础上，管道投产运行的压力相对试压压力较低，因此运 行更安全，且具有一定的潜力提高运行压力，从而提高输量。随着大口径 输气管道的大规模建设和高钢级管材的使用，在保证管道安全运行的前提 下，提高运行压力有极高的社会效益和经济效益。

国外，加拿大CSA Z662-2007《油气管道系统》中规定，一级地区，对 于X80及以下钢级的管道，水压试验的压力对应110%管材最小要求屈服强 度，X80以上钢级的管道，水压试验的压力对应107%管材最小要求屈服强度。 美国的输气管道设计规范ASME B31.8-2007《输气和配气管道系统》中则规 定，水压试验最低压力为100%管材最小要求屈服强度。国内，现行规范 （GB50251-2003《输气管道工程设计规范》、GB50369-2006《油气长输管 道工程施工及验收规范》等）规定：一级地区，强度试验压力不得小于设 计压力的1.1倍（设计系数0.72），在高差较明显的试压段，需要核算管道 低点试压时所承受的环向应力，其值一般不应大于管材最低屈服强度的0.9 倍；对特殊经设计允许，其值最大不得大于0.95倍（目的是为了增加试压 段的高差）。试压过程中，主要监测压力值来控制试压进程。

由上述资料可知，与国外试压压力相比，我国在这方面还偏于保守， 管道强度试压压力还有改进提升空间。随着大口径（1219mm），高钢级（X80） 管道的大规模铺设，试压压力的提升显得更为迫切。但试压压力的提高对 试压过程以及对管道本身而言，具有更高的风险，通过何种方法确定试压 压力、采用多高的试压压力，国内一直没有该方面的详细研究和报道。进 一步，采用较高试压压力后，相应的试压方法是否需要修正，如是否需要 采用压力-容积图曲线控制试压进程，如何控制，研究均缺少明确结论。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能最大限度提升试压压力、保 证管道安全的一级地区高钢级输气管道高强度水压试验方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种一级地区高钢级输气管道高 强度水压试验方法，包括：

1)根据管材屈服强度统计数据和99%的概率可靠度，确定管道高点最 大试压压力P₁；

2)根据实物屈服强度和管材小试样屈服强度之间关系,确定管道低点 最大试压压力P₂；

3)根据试压段高差和所述管道高点最大试压压力P₁，确定管道低点试 压压力P_低点，若所述管道低点试压压力P_低点小于或等于所述管道低点最大 试压压力P₂，以高点试压压力达到所述高点最大试压压力P₁组织试压，否 则以低点试压压力达到所述低点最大试压压力P₂组织试压；

4)给管道注水试压，利用压力-容积图曲线控制升压进程，至正常情况 下的升压停止条件；

5)管道试压达到正常情况下的升压停止条件后，进行稳压和严密性试 验。

进一步地，所述管道高点最大试压压力P₁计算公式为

式中，μ为该管道的钢管样本的屈服强度均值，MPa；σ_屈为样本标准 方差，MPa；δ为管道壁厚，mm；D为管道外径，mm。

进一步地，所述管道低点最大试压压力P₂计算公式为

P₂＝1.1P₁

进一步地，所述管道低点试压压力P_低点计算公式为

式中，h为试压段高差，m；ρ_水为水的密度，kg/m³；g为重力加速度， 取为10m/s²。

进一步地，所述正常情况下的升压停止条件为：管道高点试压压力达 到所述的管道高点最大试压压力P₁且管线低点试压压力不大于所述的管道 低点最大试压压力P₂，且压力-容积图曲线保持线性上升；若管道高点试压 压力尚未达到所述的管道高点最大试压压力P₁，但实际压力-容积图曲线偏 离其线性段，且其偏离量对应的不可逆管道容积增量为0.2%管道容量，此 时停止升压，降压维修管道，然后再次升压，直至达到正常情况下的升压 停止条件。

本发明提供的一种一级地区高钢级输气管道高强度水压试验方法，一 方面通过计算确定合理的试压压力，另一方面在现场试压时通过合理控制 试压过程，在保证安全的前提下尽可能地提高了管道的试压强度，可以检 测出更多的管道缺陷，从而使管道运行更加安全，并为管道今后提压运行 提供数据支持，具有极大的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种一级地区高钢级输气管道高强度水压 试验方法的正常情况下管道试压时升压停止条件

图2为本发明实施例提供的一种一级地区高钢级输气管道高强度水压 试验方法的非正常情况下管道试压时升压停止条件

图3为本发明实施例提供的一种一级地区高钢级输气管道高强度水压 试验方法的压力-容积图曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种一级地区高钢级输气管道高强度水压试验方法，包 括：

1）根据管材屈服强度统计数据和99%的概率可靠度，确定管道高点最 大试压压力P₁。

根据巴洛公式

$\sigma =\frac{\mathrm{PD}}{2\delta }---\left(1\right)$

式中，P为管道试压压力或运行压力，MPa；D为管道外径，mm；δ为 管道壁厚，mm；σ为内压产生的环向应力，应不超过管道的屈服强度，MPa。 由此可知，试压及运行时管道承压能力主要由管径、壁厚和屈服强度决定。 现有制管水平对管径和壁厚控制较好，但屈服强度的分散性仍较大，因此 在管径、壁厚确定情况下，某根钢管能否承受某个压力由其实际屈服强度 决定。因此，根据钢管实际屈服强度样本数据，在一个可接受的概率条件 下，确定最高试压压力。管道的屈服强度样本数据可从制管时的监造资料 中获取。依据DNV OS F101，管道临时阶段可接受的非人为破坏的目标失 效概率为10^-2，认为可接受的概率值为99%，实际上，由于埋地管线的两向 应力状态，实际发生屈服的概率值小于99%。

基于上述思路，可得管道高点最大试压压力P₁可由以下步骤确定：

设管道符合正态分布的某个屈服强度样本为X_屈，其均值为μ_屈，标准 方差为σ_屈，即X_屈～N（μ_屈，σ_屈）。根据99%的可靠度，确定钢管屈服强 度的低值σ_low

σ_low=μ_屈-2.33σ_屈       （2）

为保证试压的允许破坏概率，试压时需满足

$\sigma =\frac{\mathrm{PD}}{2\delta }\le {\sigma }_{\mathrm{low}}---\left(3\right)$

于是可知试压时的管道高点最大试压压力P₁为

$P_1=\frac{{2\sigma }_{\mathrm{low}}\delta }{D}$

即：

2)根据实物屈服强度和管材小试样屈服强度之间关系，确定管道低点 最大试压压力P₂。

在式（4）计算管道高点最大试压压力P₁时，没有考虑管道实际屈服 强度和管材小试样屈服强度的区别，或者认为钢管屈服行为符合第三强度 理论。实际管道试压时，处于二向应力状态，应用第四强度理论，可知钢 管的屈服条件为

$\sqrt{\frac{1}{2}[{({\sigma }_h-{\sigma }_L)}^2+{{\sigma }_L}^2+{{\sigma }_h}^2]}={({{\sigma }_h}^2-{\sigma }_h{\sigma }_L+{{\sigma }_L}^2)}^{0.5}={\sigma }_s---\left(5\right)$

式中，σ_h为试压产生的管道环向应力，σ_L为试压产生的轴向应力，σ _s为管材屈服强度。现场强度水压试验时，由于管道埋地管道受约束，有σ _L=μσ_h。因为管线钢的泊松比μ为0.3，故式（5）可化简为

0.889σ_h＝σ_s          （6）

从而有

σ_h＝1.125σ_s     （7）

同样根据99%的可靠度，当试压达到的等效应力达到σ_low时，实际钢管 可承受的环向应力为1.125σ_low，小数圆整后为1.1σ_low，由此对应的管道 低点最大试压压力P₂计算公式为 $P_2=\frac{2\times {1.1\sigma }_{\mathrm{low}}\delta }{D}={1.1P}_1---\left(8\right)$

由式（7）还可知，实际管道屈服时的环向应力是管材小试样屈服强度 的1.125倍，故式（4）计算的允许试压压力仍偏保守。式（8）表明，只 要管线试压压力不超过1.1P₁，在管道符合第四强度理论情况下，仍能保证 试压时实际钢管产生屈服的概率不大于10^-2。

3)根据试压段高差和所述管道高点最大试压压力，确定管道低点试压 压力P_低点，实际试压时，需要确定管线高点和低点的试压压力极值。若以 P₂为高点试压压力，则低点不能满足99%概率可靠度的要求。因此采取的 方案为以管道高点最大试压压力P₁为高点试压压力，根据试压段高差计算 低点压力P_低点，其计算公式为

式中，h为试压段高差，m；ρ_水为水的密度，kg/m³，g为重力加速度， 取为10m/s²。

若管道低点试压压力P_低点小于或等于管道低点最大试压压力P₂，以高 点试压压力达到管道高点最大试压压力P₁组织试压，否则以低点试压压力 达到管道低点最大试压压力P₂组织试压；

4)给管道注入试压介质升压，利用压力-容积图曲线控制升压进程；压 力P由安装在试压头上的压变仪采集，容积ΔV是指试压过程中管道的进 水量，可由采集柱塞泵轴的转数，由此推算进水量。

试压时，为了保证试压段避免出现大范围屈服，需要根据P-ΔV曲线 形状来判断管道是否屈服。正常情况下，管道不会出现屈服，故进水量与 压力（不考虑空气影响）成线性关系。当管道大范围屈服时，升高同样压 力，进水量将明显增加，从而引起P-ΔV曲线偏转。因此，当发现P-ΔV 曲线偏转量达到临界值时，需要停止升压。临界偏转量可根据小试样管材 的屈服定义为：ΔV偏移量对应的不可逆管道容积为管道容积的0.2%。 于是，正常试压情况下的升压停止条件为：管线高点试压压力达到规定值 （即高点试压压力达到管道高点最大试压压力P₁且低点试压压力不大于管 道低点最大试压压力P₂）,且实际P-ΔV曲线保持线性上升，如图1所示； 非正常情况下的停止条件为：管道高点试压压力尚未达到管道高点最大试 压压力P₁，但实际P-ΔV曲线偏离其线性段，且其偏离量对应的不可逆管 道容积增量为0.2%管容，如图2所示。若试压过程中出现该不正常情况， 则应降压后维修管道，然后再次升压，直至达到正常升压停止条件。

5)管道试压达到正常情况下的升压停止条件后，按GB50369－2006《油 气长输管道工程施工及验收规范》规定进行稳压和严密性试验。

现以外径为1219mm、钢级为X80、设计压力12MPa的新建管线为例， 对该管线长度12km、壁厚18.4mm、高差为12.4m的试压段进行高强度试 压，针对该试压段，本发明提供的高强度水压试验方法的具体步骤如下：

步骤一：计算基于管材屈服强度分布的高度最大试压压力P₁。已知该 试压段管材屈服强度的一个样本见表1，由表1可知，该样本屈服强度均 值μ为584.1MPa，标准方差为σ_屈为22.70MPa，在99%概率可靠度下，根 据公式（3），可计算得P₁为16.1MPa（小数向上圆整）。

表1某试压段钢管屈服强度样本数据（MPa）

575 561 583 570 648 653 579 608 562 555 558 559 590 591 588 584 589 593 559 559 563 567 630 594 557 569 568 593 564 585 565 557 592 569 589 605 579 598 560 569 582 566 582 560 579 624 574 617 570 600 583 579 608 556 555 620 582 594 560 605 570 605 559 572 557 569 583 622 566 562 571 625 561 571 592 605 579 581 557 555 555 605 600 585 604 576 618 583 589 555

589 615 610 567 597 614 567 580 600 555 598 570 580 637 599 588 568 568 580 579 570 569 600 634 632 594 563 615 560 574 660 599 555 598 609 608 605 575 559 557 560 584 585 565 577 611 579 607 587 595 555 575 610 612 564 581 585 559 564 603

步骤二：计算考虑二向应力状态的低点最大试压压力P₂。根据公式（8） 计算得P₂为17.7MPa。

步骤三：实际试压压力确定。根据该段试压段高差12.4m及式（9）， 可得当高点压力达到P₁后，P_低点压力为16.22MPa，小于P₂，于是根据试压 段高点压力达到16.1MPa进行试压。

步骤四：利用注水泵给管道注水，注水时在管道中加入隔离球，力求 排干净管道中的空气。

步骤五：按常规方法(如采用泥浆车给管道升压)给管道升压，同时采 集管道压力信号（压力变送器）和柱塞泵（升压用）进水量信号（计量柱 塞泵轴的转数即可），并在计算机上实时显示压力—容积图曲线。

步骤六：按标准GB50369－2006《油气长输管道工程施工及验收规范》 规定，当压力达到30%P₁、60%P₁时，各自稳压15分钟。整个升压期间始终 监测压力—容积图曲线，当高点管道压力未达到16.1MPa之前，若曲线出 现如图2所示的偏转，立即停止升压。本案例中压力—容积图曲线在整个 升压期间，一直正常，未出现偏转，如图3所示。

步骤七：高点管道升压至16.1MPa，之后按GB50369-2006规定进行稳 压和严密性水压试验。

本发明提供的一种一级地区高钢级输气管道高强度水压试验方法,能 够在保证安全的前提下最大限度的提升试压压力，提高了管道的试压强度， 可以检测出更多的管道缺陷，从而保证管道安全运行。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案 而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人 员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离 本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。