长输管道在山区等复杂地形压力试验等应用技术分析

唐云

摘要：长输管道清管、试压是管道建设中的一个关键工序，主要目的是排除管道的杂物，检测管线的几何形状和管线缺陷，以便排除管线的隐患，保证管道的安全运行。本文主要就我公司在浙江山区天然气管道安装施工清管、试压这方面技术应用进行介绍、探讨和经验总结。

关键词：山区 管道 清管 试压

1 工程概况

我公司在2004年12月到2006年2月承接的杭甬线输气管道线路工程北仑段和鄞州段，北仑段：北仑分输阀室-石门水库段线路施工，管线水平长度约10.4179公里：鄞州段：东环线-鄞州分输阀室线路施工，管线水平长度3.320Km，设计管道直径为813mm，设计压力为6.3MPa，材质为L450。

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本标段管道位于有灵峰山脉的山区，其山体均属天台山余脉，其中太白山主峰海拔653m米区域内，我管线穿越的海拔高度为220m，高低落差为209m，总体上呈两头高中低的变化特征。给管线施工、运输带来相应的难度，管道局专业试压队伍也知难而退。

2 整体试验方案

2.1 试验顺序。清管扫线、测径==>水压试验==>清管排水。

2.2 基于该段管道沿线水源及排水点的排布情况，拟将试验段管道分为两段，一段EG86～EC18+1，管长6.8Km，另一段EC18+1～EC47，管长6.9Km。

2.3 试压长度的确定。根据我国现行规范中有关试验的条款规定，分段水压的管道长度一般不超过53km，落差须控制在30m以内，超出既定落差范围的须根据本管段的纵截面求得管道低点的静水压力，核算管道低点试压是所承受的环向应力，压力值不得超出管材最低屈服强度的0.9倍。

浙江山区试验分段时须再考虑高程差对试验压力的影响、现有设备能力，以及借地成本、取水成本、设备进场转场成本。

3 施工准备

按施工方案，进行临时用地的借用，筑坝围挡山中溪水，并取样检验溪水成分；整平临时通道和试压场地，根据设计要求调配现场设备；参照设计图纸开挖操作坑并放坡；合理规划排水渠线路，确保排水通畅。

试压设备检查与校验：参考设计要求检验试压头的质量、性能和工作压力。重复使用的试压头在投入使用前，先通过试验检验其工作压力，其工作压力不得低于最大试验压力的1.5倍；编号管理所有试压头，并在每个试压头上明确标注水压试验日期、试验压力及工作压力；水压试验开始前，参照设计要求认真检验试压头的安全性能和质量，所有管件、阀门等元件完好无损；按要求焊接试压头和试压管道后，对环形焊缝进行100%射线检测。

4 清管扫线、测径

管道、测径试压准备阶段必做的一项工作是清管。清管时，借助压缩空气助推清管器来清理管道，测径是对管道通过几何特性及性能进行检验，继而基于通过性能检验管道有无变形问题。

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4.1 清管器的选用。将电子跟踪器装配在清管、注水、排水所用的皮碗上。皮碗清管器的过盈量通常为5%（以后则参考现场情况，将山区段取上限值），适用于管线弯头的曲率半径。另外，清管器还须具备以下性能：①清管器——刚性轴，装配8片双向聚酯盘。②钢丝刷清管器——装配4片聚酯杯形皮碗及钢丝盘刷。③注水清管器——刚性轴，装配8片双向聚酯盘，隔离球也一样。④测径清管器——基本类似于注水清管器的组成结构，但须在第四与第五个聚酯盘中间配装一厚8mm、直径703mm（即为试压段中最大壁厚钢管或内径的90%）的铝测径板。测径清管器前部盘的聚酯材料的硬度应为中软硬度。⑤排水清管器——与注水清管器类似。⑥吸水清管器——子弹头型，未加外涂层，质轻的开放孔聚氨脂泡沫材料，比重约16～20kg/m3，最小长度为直径的1.5倍。

4.2 空压机的选择。为了确保清管器清管速度不低于2～5m/s，宜采用两台空压机同时工作，但实际运行中为了节约运行成本，仅用一台空压机，其压力只能达到0～2.2MPa，排气量为23m3/min。

4.3 设备和仪器。①中扬程注水泵——多级泵，在2.5MPa扬程时泵的排量达到100m3/h。②水过滤器——当压力为1.0Mpa 时，过滤能力可以达到0.35m3/s。1m2范围内包括40个过滤器网眼，对于附着物的清污能力良好。③压力、温度图表记录仪——量程20.0MPa，24 小时全天记录。④压力泵——撬装，能够对管道加压至超出最高试验压力10MPa。另外，须将止回阀装设在压力泵出水管道上，并按要求安装压力表。⑤清管器收发筒——可用工程用管现场制作收发清管器常用收发筒，但其只能用于低压空气。将法兰盲板焊接在试压管端，以便装入/取出清管器时能够快速打开。

4.4 清管流程

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4.5 情况分析。由于管道维护工作做得比较到位，管内杂物较少，清管工序开展的比较顺利。清管时，清管器的过盈量与使用年限关系到一次清管的时间长短，通常情况下一次清管须3～5h完成。通过图3和图4可看出，受地形影响1#段一次清管曲线大幅波动。曲线上扬时管线处于上坡路段，曲线下滑时则管线处于下坡路段，但压力数字值和高程值基本成比例。

5 输气管道试压

管道试压是综合检验管材质量、管道的整体性及施工质量。它基本涵盖了两方面内容：一是检验管道系统的强度是否达标，二是检验管道系统是否严密。

①合理选用试压介质。试压介质宜采用山区较洁净的水。②科学设定试验压力。在国内的输气管道工程中，通常参考管道介质和地区类别将强度试验压力设定为设计压力的1.1～1.5倍，但存在较大落差的地域（如山区）须兼顾高度的静压差，以确保管线顶部的试验压力同样能满足设计要求。本段管道试压等级的设定除了考虑相关规范，还兼顾了业主要求，采用取用作设计试验压力的1.25倍加上该段的高度静压差且不大于强度试验压力为90%的材料最低屈服极限，经计算，该段取值达到9.08MPa，完全能满足上述要求；若计算后取值与设计要求存在一定差距，则须考虑再分段试压，这一工作也是山区段总体分段试验依据之一。

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③水压试验流程图

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④分析（如图6）

⑤注水程序

a在隔离球前注100方水，实际注水压力小于0.1MPa。

b在隔离球和清管球之间注100方水，实际注水压力小于0.1MP。

c从清管球后部注水。实际注水压力会大幅波动较，但通常都小于19.6MP。

原方案中注水泵通过阀门与试压头相连，阀门的安装位置需适合清管器的长度。先在第一个隔离球前面的管道内注入300m或100m3的冲洗水，主要起润滑和密封作用。注入隔离球的后面。隔离球将被注入的水推出发射筒。在隔离球的后面注入300m或100m3的冲洗水，并紧跟注水清管器注入试压水，再按上述路径发射第二个注水清管器，防止其形成气穴。按照GB 50369-2006油气长输管道工程施工及验收规范中的相关要求，须将隔离球加入试压充水中，以防管内存留空气，试压后再从试压水中取走隔离球，宜避免在管线高点开孔排气。

管道试压上水的水头已装配隔离球，可彻底清除管内空气。通常情况下，管线会频繁出现大的起伏，若不装配隔离球排气，就会使空气存留在管内造成气阻，最终导致管道系统不易升压，把空气占去的空间填满水，另外因为大量空气滞留在管线内，一旦管道出现渗漏点，管道压力会急剧下降（因空气的压缩性很大），造成试压合格的假象。管内存在少量空气或处于真空状态时会快速升压，直至其达到试验压力（因水的压缩量很小），如果管道出现微量渗漏，压力降会显示管道有漏点，提醒工作人员尽快找到漏点而进行清除修理。

如长输管线出现大的起伏，在下坡管段须操控终端排气阀对清管器（隔离球）前端施加一定压力，以避免隔离球和水头脱离（下坡管段因水重和球重而加快隔离球的前进速度，供水困难），通过清管器与接收头之间的背压可调控清管器的行走速度，最大速度为每小时3km。

由于当时山区施工采用发电机供电，在上水过程中发电机出现几次故障，可能形成清管球在下坡过程中发生多次抽气现象，和原管线窝存的气体以及停电时进入管道的空气，造成进入管道内的气体从低压处被分离出来，并积聚在管道的高凸处，给后道扫水工序带来更高的要求。

6 清管排水

清管排水主要方法和清管扫线、测径大致一样，区别在于第一次采用试验的试压头后，再换用清管扫线的工装：

6.1 在出发点接收第二个注水清管器后，借助空压机助推第一个注水清管器回到出发点，待2个清管器回到首端后再将试压头拆掉，再将清管收发筒二次装配在试压段两头。增加皮碗清管器清管，直至清管器到达接收端时，清管器前没有流水。排水时，对驱动排水清管器所需的空气压力作记录，以便对高压区和可能出现的残留水进行区分。

6.2 排水后用泡沫清管器（至少5个）清管，放射频次控制在1次/小时，直至泡沫清管器在接收时是干燥的。称量发射前和接收后清管器的重量，通常情况下泡沫清管器增重不应超出0.5kg。

6.3 实况分析：在第一次扫水出现意想不到的结果，在接空压机的压力端在气体高达2MPa时（该台空压机的最高压力），而出口阀门竟然不出水，清管球不运动！换空压机，压力达到2.6MPa开始另一端出细水，当压力到2.8MPa时，水大量喷发后压力迅速下降到0.6MPa，扫线得以继续进行。

按空气动力学原理，静态空气是不存在阻力的，所以，水力学对管道中静态气体所产生的阻力忽略不计，开始不得其解，查了相关资料后得知这是一种气阻现象：在本段工况情况下，由于前面原因产生了原管线窝存的气体以及管道停电时掺入的空气，出现了空气分子间的分子作用力及其相互作用，分子力的作用产生粘滞力，使空气柱边沿空气层吸附在管壁上，产生粘滞力dτ，作用在空气与管壁之间的接触面，其方向与空气运动趋势方向相反，水流被气体堵塞，形成所谓的气堵，由此可见该段的气阻达到了1MPa左右，（按PEmax=P■e■公式为0.1MPa到0.3MPa，Pa=管内静水压力差（1.81 Mpa）+运行阻力（0.05MPa）=1.86；

σ=0.0006 参照《气阻定律》；

D=0.813m，由于当时的山坡度数在22°左右，故假设平均直径取0，406m；

Lcr=11756dm3/s=11.756m3/s=11.56/0.51917

=22.643m；

由于当时的山坡度数在22°，实际Lcr=22.643/tan22°=56.04m

S=管子面积=3.14*0.40652（半径）2=0.51917

代入公式PEmax=P■e■得出Pmax=2.59MPa

与实际情况基本吻合。

可以推测《气阻定律》文中的仅仅和气体长度直径和管壁粗糙度有关，还应该输送管线中的压降和管子的长度、流体粘滞系数成正比，而和管子的内径成反比。可能与弯头的度数、数量以及高程差段（这里我在计算中在D，和 Lcr调整）数成正比。由于《气阻定律》的试验中没有在高程差段中间设置压力检测装置，略有遗憾。关于气阻现象和原理，在本文中不赘述，以后会结合杭嘉线管线的施工总结进行详细分析。

7 结束语

管道清管、试压在我公司已经成功运用多年，得到华东管道施工界的好评，截止目前，我公司已累计清管、试压管道200余公里，同时积累了山区和平原的施工经验，丰富了我公司长输管道的施工方法。

参考文献：

[1]阮天恩，翁友彬.气阻定律[Z].

[2]马振杰.背压技术在山区管道清管、测径及试压作业中的应用[J].中国高新技术企业，2009（13）.

[3]刘欣，孟凡新，张彩芹，宋庆杰山.区管道试压技术的选择及新技术推广应用[J].科技资讯，2011（29）.

[4]江勇，张宝强，陈娟，张国权.特殊地形地貌对管道施工的影响[J].管道技术与设备，2011（03）.