城市長距離高壓燃?xì)夤艿狼骞茉噳杭夹g(shù)

摘 要

隨著武漢1+8城市圈建設(shè)的高速發(fā)展，天然氣在城市能源結(jié)構(gòu)中所占比重越來越大，全省各個城市長距離高壓燃?xì)夤艿赖慕ㄔO(shè)隨之蓬勃發(fā)展。為了保證輸氣品質(zhì)，清管試壓成為施工中的
    隨著武漢1+8城市圈建設(shè)的高速發(fā)展，天然氣在城市能源結(jié)構(gòu)中所占比重越來越大，全省各個城市長距離高壓燃?xì)夤艿赖慕ㄔO(shè)隨之蓬勃發(fā)展。為了保證輸氣品質(zhì)，清管試壓成為施工中的重要環(huán)節(jié)。
    城市長距離高壓燃?xì)夤艿赖那骞茉噳号c城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖那骞茉噳菏遣煌摹ｉL距離高壓燃?xì)夤艿劳ǔＴO(shè)計在城市的外環(huán)，穿越農(nóng)田、丘陵、山坡較多，管道起伏較大，為減少管道碰頭工程量和水資源的浪費，提高清管試壓工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，城市長距離高壓燃?xì)夤艿婪侄我话銥?0km～25km；而在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿腊惭b過程中，為避免占道時間過長，管線的最大分段不超過1km。這使城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿狼骞茉噳合嚓P(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足城市長距離高壓燃?xì)夤艿赖囊?，因此，城市長距離高壓燃?xì)夤艿狼骞茉噳焊嗟囊b了長輸管線的標(biāo)準(zhǔn)。我參加了武漢市天然氣高壓外環(huán)工程和鄂州市杜山-葛店高壓天然氣管道工程施工，就城市長距離高壓燃?xì)夤艿赖那骞茉噳簹w結(jié)以下幾項要點。
1 確定管道分段長度
    在試壓時，如果管道高差過大，最低點靜水壓力增加，可能會使此點的應(yīng)力超過管材屈服強(qiáng)度而損壞；因此，清管試壓前，應(yīng)進(jìn)一步踏勘現(xiàn)場，找出管線最高點與最低點位置。在管道起伏較大的地段，盡量縮短管段的試驗長度，控制高差在30m以內(nèi)；當(dāng)無法避免高差超過了30m時，應(yīng)核算管道最低點的環(huán)向應(yīng)力。
    城市長距離高壓燃?xì)夤艿来蠖嘣O(shè)計在偏僻的地方，上、排水困難。因此，管道分段時，要充分考慮上水和排水條件。上水點的位置應(yīng)選在取水方便、水質(zhì)符合設(shè)計要求、足以滿足清管試壓用水、設(shè)備便于進(jìn)出的地方。排水點則應(yīng)選擇在不影響交通、不影響周邊環(huán)境，排除的水能順利流向相關(guān)部門指定的位置。
    管道的分段端點應(yīng)盡量選擇在地形較為平整，管道設(shè)計坡度較小的地段，減少碰頭時難度，以保證碰死口焊接質(zhì)量。
    合理管道分段，有利于試驗成功和施工效率的提高，有利于環(huán)境保護(hù)，更有利于安全防護(hù)工作，因此，要高度重視管道的分段工作。
2 清管、試壓參數(shù)的確定
2.1 試壓段強(qiáng)度核算
    對于高差超過30m的試壓段，應(yīng)根據(jù)該段的縱斷面圖計算管道最低點的靜水壓力，并核算其環(huán)向應(yīng)力。環(huán)向應(yīng)力值不得大于管道最低屈服強(qiáng)度σs的0.9倍，同時最高點試驗壓力值不應(yīng)低于設(shè)計壓力。
    管道最低點產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力為σh=(P×d)/(2δ)
    這個環(huán)向應(yīng)力是由試壓時靜水壓力與試驗壓力的共同作用產(chǎn)生的，其管道最低點的壓力值為P＝Ps+Pj
式中σh——由內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力；
    P——管道在試壓時的最大內(nèi)應(yīng)力；
    d——管道的外直徑；
    δ——管道的公稱壁厚；
    Ps——水壓試驗的強(qiáng)度試壓設(shè)計值；
    Pj——試壓段的最大靜水壓力。
    應(yīng)σh＜0.9σs
2.2 試驗壓力計算
   我們要特別注意，管道試驗壓力應(yīng)以最高點為準(zhǔn)。管道安裝中，管段兩端并不一定是最高點，當(dāng)兩端的壓力表讀數(shù)升至設(shè)計試驗壓力時，并不等于整個管道各點均達(dá)到這個壓力。管道兩端試驗壓力還應(yīng)考慮最高點與兩端高差產(chǎn)生的靜水壓力對其作用。
   即：P起=Ps+Pj起
        P終=Ps+Pj終
2.3 注水時間的計算
    注水時間的計算與選擇的泵型、管徑大小以及管道長度有關(guān)，注水上水率按95%計算，則本段管線注水需要時間為
   本管段容積÷(注水泵組注水量×95%)
   注水時間的計算便于試壓工作時間的安排。
3 清管、試壓設(shè)備選型
3.1 清管器的選擇
   城市長距離高壓燃?xì)夤艿狼骞?、掃水均采用清管器清掃。清管器是由鋼骨架主體和其上安裝的各種清管工具組成。
   管道清掃時，將具有一定過盈量的清管器置于管道中，使之外沿與管道內(nèi)壁形成良好的彈性密封，然后輸入介質(zhì)(通常為壓縮空氣或水)，使清管器前后產(chǎn)生足夠的壓差，推動清管器在管內(nèi)運行(如圖1)。
 
   常用的清管器有皮碗、直板和混合式清管器。
   皮碗清管器，主體上配置碗狀聚胺酯，其柔韌性能好，即使管道有變形現(xiàn)象，皮碗仍能具有良好的密封，從而順利通過，清除管道污物。
    直板清管器與皮碗清管器不同的是將聚氨酯做成圓盤狀，具有雙向運行特點。當(dāng)直板清管器在運行中被卡時，可在反方向輸入介質(zhì)將球推回原處，提高了清管的安全性；同時，直板清管器清管對管道內(nèi)壁具有良好的擦刮作用。
    混合清管器是由皮碗和直板組合而成，即可保證清管時的密封性能，又可保證較好的清管效果。為了及時檢測管道變形情況，還可在清管器上安裝測徑板。
3.2 空壓機(jī)的選擇
    清管器是靠向管內(nèi)輸入介質(zhì)產(chǎn)生的壓差為動力運行的。在城市長距離高壓燃?xì)夤艿狼骞軙r，這個介質(zhì)通常為壓縮空氣，因此，應(yīng)合理選擇空氣壓縮機(jī)。一般清管器的速度控制在每小時2km～4km，這樣可根據(jù)管徑計算出每分鐘所需的壓縮空氣量，即：
   Q=πd2T0PmV/4P0TZ
式中：Q——單位時間進(jìn)氣量
   T——清管后管段內(nèi)氣體的平均溫度
   V——清管器運行速度
   Pm——推清管器壓力
   P0——0.101325   TO——293.15K
   Z——氣體的壓縮系數(shù)    d——管道內(nèi)徑
3.3 泵的選擇
    城市長距離高壓燃?xì)夤艿涝噳盒杷看?，試驗壓力高，而我們知道泵的特性是流量與壓力成反比，這就是泵選型時要解決的矛盾。兼顧到注水和升壓速度，所用的泵分為注水泵和升壓泵。注水泵流量大、壓力低，升壓泵則壓力高、流量低。注水泵和升壓泵選擇是否合適，對試壓效率及工期有很大的影響。注水泵流量過大，會因壓力太小而使后期的升壓時間過長；注水泵壓力太大，則會因流量過小使注水時間過長；這兩種選型方式均不能達(dá)到高效的試壓效果，而且電機(jī)功率大，需發(fā)電量大，隨之配置的發(fā)電機(jī)功率大，增加了設(shè)備投資；設(shè)備龐大還會給運輸及在施工現(xiàn)場的擺放帶來困難。
為了平衡流量與壓力關(guān)系，試壓時，可分三級泵組升壓。即首先用流量較大、壓力較低的雙吸離心泵給管道快速上水至滿，此時水有比較大的壓縮空間，再用多級離心泵注入具有一定壓力能量的水對管道進(jìn)行升壓，隨著壓力的不斷升高，水的壓縮空間愈來愈小，而升壓速度越來越快，當(dāng)壓力升至試驗壓力的60%，應(yīng)及時改用帶有電接點壓力表的電動試壓泵控制升壓速度，一旦管道壓力升至試驗壓力自動斷電，進(jìn)入保壓狀態(tài)。這種試壓泵組可大大縮短試壓工期，泵體積小，適用于野外作業(yè)，配置的發(fā)電機(jī)組比較經(jīng)濟(jì)，且試壓安全可靠。
4 清管、試壓裝置的設(shè)計
    清管、試壓裝置均屬壓力容器設(shè)備，設(shè)計及制作應(yīng)嚴(yán)格遵循《特種設(shè)備安全技術(shù)》規(guī)則和《鋼制壓力容器》GB150標(biāo)準(zhǔn)。
4.1 清管裝置
清管裝置用于管道清掃，分為發(fā)射球裝置和接收 球裝置兩部分(如圖2)。
 
    發(fā)射球裝置的設(shè)計應(yīng)考慮安裝清管器的方便，制作成喇叭口型；接收球裝置的設(shè)計則要考慮有足夠的空氣排放能力；而且當(dāng)清管器到達(dá)終點，頂端排氣口被封堵時，接收球裝置應(yīng)能繼續(xù)通暢排氣，因此，在接球裝置上必須具有兩個以上的排氣口，且排氣口的間距應(yīng)大于清管器的長度。
    雖然清管器的運行壓力并不高，但如果遇到卡球，可能會使清管器的背壓達(dá)到接近設(shè)計壓力，故清管裝置的承壓能力不得低于管道的設(shè)計壓力。
4.2 試壓裝置
    試壓裝置用于管道的強(qiáng)度試驗和嚴(yán)密性試驗，連接著各種設(shè)備和測量儀表，它的設(shè)計壓力不應(yīng)低于管道強(qiáng)度試驗壓力。
    因長距離高壓燃?xì)夤艿婪笤O(shè)起伏大，管道試壓注水時，若管內(nèi)空氣不能順利排除，很容易造成氣堵，這樣不僅升壓速度緩慢，而且氣體的壓縮性影響了試壓結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。然而管道的最高點并不一定在管道的兩端，而多在管道中部，此部位不適宜開孔排氣。所以，試壓前應(yīng)預(yù)先在管內(nèi)放置隔離清管器，進(jìn)水時清管器自然將空氣和水隔斷。清管器在水的推動下運行，壓縮前方空氣，使之從管道末端的排氣口排出，以達(dá)到排盡管內(nèi)空氣的目的。
    試壓完成后，對管道進(jìn)行泄壓。當(dāng)管內(nèi)壓力與大氣壓平衡時，管道低處的水停止流動。為解決這一問題，同樣，試壓前預(yù)先在管內(nèi)放置一個隔離清管器，待試壓完成后，用壓縮空氣為動力推動隔離清管器運行，掃除管內(nèi)存積水。
    通過上述分析，為達(dá)到排盡管內(nèi)空氣或水的目的，試壓裝置的設(shè)計如圖3、圖4所示，應(yīng)能放置至少兩個清管器，并且要有足夠的進(jìn)口和出口，各閥門之間的距離大于清管器的長度，保證兩個清管器在任何位置進(jìn)排水、氣暢通。
4.3 清管、試壓裝置技術(shù)要求
   清管、試壓裝置簡體可用與主管相同的材質(zhì)也可用16Mn鋼，其厚度應(yīng)不小于主管壁厚。對筒體上的開孔應(yīng)嚴(yán)格按 《補強(qiáng)圈》JB/T4736標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補強(qiáng)。
   在使用清管、試壓裝置前，要完成清管、試壓裝置的各種部件的安裝，然后對清管、試壓裝置進(jìn)行壓力試驗，試驗壓力為管道最大試驗壓力的1.25倍，穩(wěn)壓1h合格后，方可與試壓段管道連接。
5 清管操作要點
   打開發(fā)射球裝置盲板，將清管器送入其大小頭處壓緊以防串氣，關(guān)閉盲板，關(guān)閉發(fā)球裝置上的放空閥，打開首端壓力表閥門，打開收球裝置上的排污、排氣閥。開啟空壓機(jī)出口閥門，通過發(fā)球裝置上的進(jìn)氣口注入壓縮空氣，發(fā)送清管器。為了監(jiān)測清管器的運行狀態(tài)，發(fā)生卡堵時能迅速定位，在彎頭等容易發(fā)生卡球的位置設(shè)置清管器通過指示儀，并派專人觀察。
   一般，清管器運行速度控制在每小時2km～4km，運行壓力為0.05MPa～0.2MPa。
   可根據(jù)以下公式計算出清管器運行距離和速度，判斷出清管器所在位置和通球時間：
   清管器的運行距離：L=4P0TZQ/πd2T0Pm
   清管器運行速度：V=L/t
   Q——發(fā)清管器后的累計進(jìn)氣量
   L——清管器運行距離
   t——清管時間
   若清管器停止運行，并且清管器后面的壓力持續(xù)上升，則判定為清管器遇卡，此時應(yīng)及時對首末端進(jìn)行卸壓。因清管器裝有電子發(fā)射器，根據(jù)運行速度、時間的計算和清管器通過指示儀確定清管器大概位置，然后用電子接受儀探測其具體位置，挖出管道斷管，取出清管器，最后將此管段焊接，無損探傷合格后再次清管。
在進(jìn)氣量沒有減小的情況下，若推球壓力不增加，并且計算清管器運行距離遠(yuǎn)大于實際運行距離，可判定為清管器漏(串)氣。其主要原因是清管器過盈量太小，與管道密封不嚴(yán)或首端進(jìn)氣量偏小。解決方法是再發(fā)射一個過盈量更大的清管器或增大管道的進(jìn)氣量。
6 試壓操作要點
    根據(jù)地理環(huán)境條件，確定上、排水位置，選擇地形較高一端安裝隔離球接收裝置，防止排水倒灌。為了避免注水時管道的劇烈震動和環(huán)境溫度對試壓的影響，在試壓前，溝槽回填應(yīng)至管上方0.5m以上，且裸露在外的管子不宜太長。
    為解決全線注水時排除空氣和泄壓時排除積水問題，試壓裝置與管道連接前預(yù)埋注水隔離清管器和掃水隔離清管器，注水清管器采用皮碗式，掃水清管器采用直板式獲混合式，并裝上電子發(fā)射機(jī)，通過接收裝置隨時跟蹤清管器所在位置。試壓裝置與管道連接應(yīng)按相應(yīng)材質(zhì)的焊接工藝評定及規(guī)程進(jìn)行焊接，焊好后做100%射線拍片檢驗，合格后方能開始上水試壓。
    在試壓過程中，要注意平穩(wěn)升壓和緩慢泄壓，以避免巨大的沖擊力將管道焊縫撕裂。
    城市長距離高壓燃?xì)夤艿狼骞茉噳菏欠衲芤淮涡院细衽c管道安裝質(zhì)量有密切的關(guān)系。若管子組對錯邊量或借角過大、管子焊縫內(nèi)壁焊瘤過高等現(xiàn)象均會造成清管器卡堵，甚至?xí)斐蓢?yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在管道的安裝過程中，精心組織、精心施工，加強(qiáng)質(zhì)量管理與監(jiān)督是十分重要的。
 
(本文作者：郭漢軍 武漢市燃?xì)鉄崃こ坦?430051)