长输管道严密性试压稳压时间研究

闫 锋，闫红霞，谷英翠，王立国，黄少华

（1.中国石油管道科技研究中心，河北廊坊 065000；2.河北保定太行集团有限责任公司，河北保定 071000；3.中石油江苏液化天然气有限公司，江苏如东 226400）

长输管道严密性试压稳压时间研究

闫 锋1，闫红霞2，谷英翠1，王立国3，黄少华3

（1.中国石油管道科技研究中心，河北廊坊 065000；2.河北保定太行集团有限责任公司，河北保定 071000；3.中石油江苏液化天然气有限公司，江苏如东 226400）

建立了考虑管道内压、温度、管容、试压介质的特性以及管道弹性变形等因素对长输管道严密性试压稳压时间影响的数学模型。利用该模型对某管道进行计算，结果表明：相同压降时，管容越大所需稳压时间越长；同一管容，管道内压越高，所需稳压时间越长。基于本模型可为长输管道严密性试压确定合理稳压时间。

长输管道；严密性；试压；稳压时间；数学模型

0 引言

长输管道严密性试压的目的是检验管道的整体严密状况，对管道投产后能否安全运行起重要作用 。 所 以 GB 50251-2003、BS EN1594-2000、CSA-Z662-2007、ISO 13623-2000等多部规范都在管道试压程序中规定必须进行管道严密性试压。但由于对管道严密性试压的认识不同，各国规范对于严密性试压的稳压时间规定有较大差距[1-5]（见表1），最长达24 h，最短的没有规定。稳压时间长，则能充分检测管道的严密状况以保证管道的安全运行，但必然会大量增加工程费用、延长工期，在时间、人力、物力上造成不必要的浪费；稳压时间短，则不能充分检验管道的严密状况，给管道的安全运行留下隐患。文献 [6-8]都提出了制订合理稳压时间的必要性，并定性地提出管容及压力对稳压时间有较大影响。因此，建立符合工程实际的计算长输管道严密性试压稳压时间的数学模型，综合分析各种因素对稳压时间的影响，定量确定管道的合理稳压时间，具有一定的工程应用价值。

1 数学模型

1.1 气试压稳压时间

1.1.1 管道容积变化量

严密性试压过程中，管道容积的变化量主要受管道内压及试压介质温度的影响，即：

表1 国内外关于稳压时间的对比[1-5]

1.1.1.1 压力对管道容积的影响

根据管道受力状态，内压对管道容积的变化量可表达为[9]：

式中L——管道长度/m；

D——管道外直径/m；

δ——管道壁厚/m；

ν——管材泊松比；

E——管材弹性模量/Pa。

1.1.1.2 温度对管道容积的影响

在管道严密性试压过程中，当介质温度发生变化时，管道的截面积与长度都将发生变化，并影响管道的容积。根据埋地管道受力状态，温度变化对管道容积的变化量可表达为[10]：

1.1.2 气体体积变化量

当管道存在一定的泄漏时，管道内气体的体积与泄漏时间t有关。同时，管道内压的变化及试压介质温度的变化也将引起气体体积的变化，综合考虑主要因素对管道内气体体积的影响，可表达为：

1.1.2.1 泄漏对管道内气体体积的影响

由于实际管壁泄漏孔形状复杂，为处理问题方便，将其等价为当量孔径为d的薄壁圆孔。根据伯努利方程可得单位时间内泄漏到大气中气体的体积：

式中V′——试压介质泄漏到大气中的泄漏率（以体积减少为负） /（m3/s）；

ρ——试压介质密度/（kg/m3）；

μ——薄壁圆孔的流量系数，通常取μ＝0.62[11]。

不考虑与外界能量交换，假设气体泄漏为绝热膨胀，则由理想气体状态方程可得：

式中V——管道内压下试压介质的体积泄漏率/（m3/s）；

P′——大气压/Pa；

k——气体绝热指数。

SY/T 5922-2003《天然气管道运行规范》中规定允许压降不超过1%[12]，即压降变化很小，则单位时间内由于泄漏引起试压介质体积的变化量可近似为：

式中P0——严密性试压初始压力/Pa。

1.1.2.2 压力及温度变化对气体体积的影响

1.1.3 气试压稳压时间数学模型

根据连续性方程，管道体积的变化量等于管道内气体的体积变化量之和，即可表达为：

1.2 水试压稳压时间

1.2.1 管道容积变化量

由式 （5）可知，由压力和温度引起管道容积的变化量为：

1.2.2 水体积的变化量

管道内水体积的变化量主要受泄漏时间、管道内压及试压介质温度的影响，可表达为：

1.2.2.1 泄漏对水体积的影响

根据伯努利方程，单位时间内由于泄漏引起试压介质水体积的减少量可近似表达为：

1.2.2.2 压力变化对水体积的影响

水在压强作用下有体积缩小的性质，可表达为：

式中 βP——压缩系数/（MPa）-1，结合管道实际情况可以参考水在20℃、10 MPa时的压缩系数 βP=4.608 3 × 10-4。

1.2.2.3 温度变化对水体积的影响

温度变化对水体积的影响可表达为：

1.2.3 残留管内气体体积的变化量

考虑到在进行严密性水试压时，完全排尽空气是不可能的，因此需要考虑管段中残存少量空气的影响。设管道内残余空气在严密性试压压力P0下的体积为V′=f·V0，f为气体体积与管容的百分比。由于气体体积受温度和管道内压的影响，因此可表达为：

1.2.3.1 管道内压对气体体积的影响

由于进行严密性试压时压力变化较小，由气体状态方程，可以得到在一定温度下压力变化引起的气体体积变化量：

1.2.3.2 温度变化对气体体积的影响

由于管道内含气量很少，设小孔泄漏的全部为水。根据连续性方程，则管道体积的变化量之和等于管道内水及残留气体的体积变化量之和。

方程 （29）就是计算长输管道严密性试压稳压时间的数学模型。Z（t）为当量孔径为d的薄壁圆孔在时间t内的泄漏量，X（T）为温度变化dT时试压介质相对于管道的体积增量，Y（P）为压力变化dP时试压介质相对于管道的体积增量。方程 （29）反映了管道严密性试压稳压时间t与管道试压压力P0、管径D、管容V0、泄漏孔当量孔径d及温度变化dT的关系。

2 试验验证

加拿大的NOVA研究技术中心的K.K.Botros和J.Geerligs，为了检测管壁上不同尺寸小孔在空气试压时的泄漏能力，曾做过管壁小孔泄漏试验[14]。试验管道参数见表2，当量孔径取0.166 8、0.178 8、0.304 1、0.705 6、1.691 1mm五种尺寸，并测出了相应的压力和温度随时间变化的曲线。根据试验中当量孔径尺寸及相应温度变化和泄漏时间，代入本文中数学模型公式得到压力随时间变化曲线，其与试验曲线对比见图1。每个当量孔径小孔泄漏时的压力值与计算值平均误差见表3，总的平均误差仅为6.45%，表明本文建立的模型与实际情况基本吻合。

表2 试验管道参数

表3 压力计算值与试验值误差

3 稳压时间影响因素分析

按西气东输某一段管道参数进行计算，设管径D=101 6 mm，管壁厚度δ＝14.6 mm，管材弹性模量E=210 GPa，泊松比ν＝0.3，水密度ρ水＝1 000 kg/m3，管道内压P0=10 MPa，管长为工程中常用的阀间距L=32 km。按照SY/T5922-2003《天然气管道运行规范》中规定取允许压降dP/P0不超过1%。水试压时管道中含气量一般不大于管容的0.2%[15]。下面算例分析，除非特指，采用压降1%，水试压时含气量为管容的0.2%。

3.1 泄漏当量孔径的选取

管道严密性试压的稳压时间越长，能检测出管壁上小孔的当量孔径就越小，管道运行就越安全，但工程费用就越高，工期也就越长。为此，选取合理的管壁泄漏当量孔径是首要问题。图2给出了管道严密性试压时产生不同压降所需稳压时间与管壁上薄壁圆孔当量孔径变化的关系。

从图2可以看出，严密性水试压时，在稳压时间24 h内产生压降为1% （0.1MPa）时，可检测到管壁最大当量孔径尺寸为0.6 mm，气试压时相应值为5 mm。也就是说，同一当量孔径薄壁圆孔泄漏产生相同压降时，气试压比水试压需要的稳压时间长得多。所以在规范BS EN1594-2000、CSAZ662-2007、ISO 13623-2000中都规定尽量采用水试压，在特殊情况下进行气试压时稳压时间要适当延长。综合考虑图2所示曲线和工程要求，在进行严密性水试压时，除非特指以下计算均取当量孔径为0.6mm，在进行严密性气试压时，取当量孔径为5mm。

3.2 水试压时管内含气量的影响

管道进行水压试验时，原则上要求必须排净管道内空气，但从技术上讲完全排除空气是很困难的，管内一般会残留少量空气。图3给出了温差为零时，不同含气量时压降与稳压时间的关系。从图3可以看出，相同压降时管内含气量越多，需要稳压时间越长。目前各国规范对管道严密性液体试压的管内含气量都没有明确规定，但如图3所示，含气量对稳压时间影响较大。当欲检测管道管壁最小泄漏当量孔径达0.6 mm、压降1%时，管道内含气量为0.2%所需要的稳压时间比含气量0%时所需稳压时间多了近6 h。因此，在技术条件允许的情况下，有必要对此进行规定，使其达到最小。

3.3 管道内压、管容的影响

当管道试压长度或管径不同时，其管容不同。图4给出了西气东输管段进行水试压和气试压时，温差为零、管容V为1.0万～3.0万m3，产生压降为1%所需的稳压时间与管内压力变化的关系。由图4可以看出，同一试压压力时，管容越大所需稳压时间越长；同一管容时，压力越大所需稳压时间越长。即对于大口径、高压力管道，严密性试压所需稳压时间较长；小口径、低压力管道，所需稳压时间应适当减少。基于本文所建模型，根据管道基本尺寸、压力等级及期望检测的管壁最小当量孔径，可以帮助施工者确定合理稳压时间。

3.4 温度对水压试验的影响

在冬季进行水试压时，如果环境温度低于0℃，通常采用热水试压，温度下降较大，引起管道压降也较大，此时必须计算温度变化对水压试验的影响，判断管道压降是否为管道泄漏引起。图5给出了采用不同温度的热水进行管道试压且管道无泄漏时，温度下降引起管道的压降情况。可以看出，采用热水试压，温度下降较大时产生的压降远大于1%，并且温度下降相同时，试压水温越高，压降越明显。对于不同类型的管道可按照本文所建模型来判断压降是否属于管道泄漏问题。

4 结论

（1）同一当量孔径小孔，产生相同压降时，气试压比水试压所需的稳压时间长得多。因此，管道严密性试压应尽量采用水试压，在特殊情况下不得不采用气试压时，应延长稳压时间，并且最好加入方便检测的物质 （如嗅味剂、示踪剂等）。

（2）水试压时，管内含气量与稳压时间关系密切，相同压降时管内含气量越多稳压时间越长。因此，在技术条件允许的情况下，应尽可能地减少水试压时管道内的空气含量。

（3）相同压降时，管容越大所需稳压时间越长。同一管容，管道内压越高，所需稳压时间越长。

（4）温度变化对水压试验结果有很大影响，利用本模型可以科学判断管道压降是否属于管道泄漏问题，为冬季热水试压试验结果的判定提供了参考。

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Study on Duration of Tightness Test for Long-distance Pipeline

YAN Feng（PetroChina Pipeline R&D Center,Langfang 065000,China）,YAN Hong-xia,GU Ying-cui,et al.

The mathematical model for determining the tightness test duration of long-distance pipeline is developed,which has considered the influence of following aspects:the pipeline pressure,the temperature,the pipeline volume,the characteristics of the test medium,the pipeline elastic deformation and other factors.According to the mathematical model,calculation for a pipeline is carried out.The results show that for the same pressure dropping,the larger the pipeline volume is,the longer the tightness test duration will need;for the same pipeline volume,the higher the pipeline pressure is,the longer the tightness test duration will need.For particular pipelines,the reasonable tightness test duration can be determined based on the mathematical model built in this paper,which can provide some references for engineering practice.

long-distance pipeline;tightness;pressure test;duration of stable pressure;mathematical model

TE973.6

A

1001－2206（2011）06－0001－06

闫 锋 （1976-），男，河北定州人，工程师，2009年毕业于中国石油大学 （北京），博士研究生。从事油气储运系统的研究工作。

2011-02-21