大坡度段管道试压后扫水爆管事故原因分析及预防措施

王鲁君，安金平

1.中国石油天然气管道局科技中心，河北廊坊065000

2.中国石油天然气管道局第三工程分公司，河南中牟451450

大坡度段管道试压后扫水爆管事故原因分析及预防措施

王鲁君1，安金平2

1.中国石油天然气管道局科技中心，河北廊坊065000

2.中国石油天然气管道局第三工程分公司，河南中牟451450

某长输管道山区段在试压排水后用清管器扫除残水的过程中，出现了大坡度段管道末端爆裂的事故。文章详细分析了该段管道的存水情况，对清管器在大坡度段高速运动对末端管道产生的冲击力进行了计算，结果表明清管器撞击管底液柱时产生的瞬时局部压力超过管道的抗拉强度，造成管道爆裂，并提出了解决方案。

大坡段管道；试压；排水；爆管

1 事故简述

2011年，某长输管道在大坡度管段试压排水后，扫水阶段管道末端管体爆裂，按原试压方案重新试压、排水和扫水，仍然在末端发生爆管，管道现场爆裂情况如图1所示。

2 原因分析

事故管段走向如图2所示。现场试压结束后，首先在管道出口G点自然排水。4 h后，排水口无水排出，表明试压管段中的水已经基本排尽，管内形成空腔。从图2可以看出，管道高程从A点起至G点逐步降低，但存在两处U型管段（BCD段和EFG段），因此两处U型管段可能会有少量存水。

在A点启动空气压缩机推动清管器扫水，当清管器到达D点后，在压缩空气驱动力和重力作用下沿管道内壁高速滑下，由于排水引管直径较小，清管器撞击管底液柱时产生的瞬时局部压力超过管道抗拉强度，造成管道爆裂。

图1 管道爆裂现场

图2 事故管段走向

3 液体压力计算

3.1 管道排水情况

自然排水时管阻很小，考虑压力能全部转化为动能，初速度为0，因而水流量为：

式中Q——流量/（m3/h）；

R——排水管内半径/m；

g——重力加速度/（m/s2）；

H——管道两端水头差/m。

已知：排水管规格为D 159 mm×6 mm，管道两端A、G水头差H为160 m，由上式得：

Q=3 500（m3/h）

试压管段实长约10 km，每千米容积1 130 m3，试压期间充水量约为11 300 m3，按上述计算所得流量进行自然排水。由于F点是除G点外全程的最低点，4 h后，在水的重力作用下，整个管道除BCD段和F点附近低点段有一定量无法自然排放的存水外，整个管道基本排空，符合现场实际情况。

3.2 管道存水状况及原因

自然排水后管道内部存水情况如图3所示，两处存水的主要原因是DC段和EF段自身高差均超过了10 m，当DC与BC两段的液柱高差超过10 m时，液柱对水产生的拉力超过了水的饱和蒸汽压，D处的水开始汽化，液柱被分离成两段。

图3 自然排水后管道的内部存水情况

利用清管器进行强制排水后，清管器在压缩空气的作用下向前运动，BCD段的水逐渐通过D点沿管道向E、F点流动，水不断从G点排出。待清管器到达D点时，管道中只有由于FG段高差而导致的存水，如图4所示。

图4 清管器到达D点时管道的内部状况

清管器运动至E点后，由于坡度明显增大，在压缩空气驱动力和自重的作用下，清管器加速沿管道向下滑行直到撞击到管底液面。

3.3 清管器对管底液面产生的冲击力

清管器在EF段自由下滑时，初速度为0，到达末端F点的速度为V，由能量守恒定理有：

式中M——清管器质量；

V——清管器到达末端F点时的速度；

α——EF段与水平面夹角；

μ——摩擦系数。

L——EF段长度。

由于排水口的面积仅为清管器横截面积的1/64，清管器撞击管底液面后，液体基本没有移动，运动速度几乎为0。因此，清管器与管底液体的碰撞可视为非弹性碰撞，由动量定理有：

式中F——清管器产生的冲击力；

t——碰撞时间。

将式（2）代入式（3）式可得：

3.4 冲击力产生的液体压力和管道的应力

冲击力产生的液体压力为P，则：

式中d——管道内径。

清管器撞击管底水面时，这部分有水的管道相当于一个承压的薄壁压力容器，根据第三强度理论，管道应力为：

式中σ——管道应力；

D——管道外径；

δ——管道壁厚。

3.5 事故实例计算

已知：钢管规格为D 1 219 mm×18.4 mm，材质X80，抗拉强度为750MPa，清管器质量为450kg，管道内壁摩擦系数μ=0.25。EF段与水平面的夹角为α=25.6°，管道EF段长度L=94 m。

通过计算可知，清管器滑落至管底液面时的速度为17.6 m/s，碰撞时间保守地取0.3 s，对末端管道管壁形成的应力为1 029 MPa，超过管道材料的抗拉强度（750 MPa），从而导致了管道的爆裂。由于末端没有土壤覆盖，承载能力最差，因此，管道在末端的裸露部分发生破坏。

以上计算未考虑空气阻力和清管器推进空气压力的影响，假设两者相互抵消，实际情况会更复杂一些，但就结果而言，上述计算已足以说明问题。

4 改进措施

（1）在自然排水结束后，在管端附近开面积不小于主管道截面积的排水口（见图5），使得清管器高速冲击管底液面时，压力得以充分释放。实践证明此措施行之有效且简明实用。

图5 试压管道末端排水口示意

（2）采用带有超速制动装置的清管器，保证其在进入下坡管段时，保持安全的速度。

（3）采用背压控制清管器的速度。但此法的工效较低，过程也不易控制，只有制订可靠的方案方可实施。

5 结束语

大坡度管道试压排水时，必须采取有效措施防止清管器高速下滑产生的危害。在技术方案编制过程中，要通过准确的计算来量化地评估具体方案的安全性和有效性，要在实验的基础上通过严谨的推理计算得出分析结果，并依此提出相应措施。

[1]姚登樽，魏秦文，冯斌，等.高落差管道试压排水安全施工技术研究[R].廊坊：中国石油管道局研究院，2013.

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[5]赵传海.长输管道水压试验中几个重要公式计算[J].油气田地面工程，2007，33（3）：11-12.

Analyses and Precaution of Pipe Explosion Accident Happened in Steep Slope Pipeline Section during Water Discharging after Hydraulic Test

Wang Lujun1，An Jinping2
1.Science and Technology Center of China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang 065000，China
2.Third Construction Subcompany of China Petroleum Pipeline Bureau，Zhongmu 451450，China

An explosion happened at the end part of a steep slope section of a long-distance pipeline in mountain area during water discharging with a pig after hydraulic test.By analyzing the situation of residual water in the pipeline section and calculating the impact force on the steep pipeline end section produced by high speed pig moving，it is confirmed that the accident is resulted from the instantaneous high pressure produced by the pig impacting the water in the end part of the pipeline section and exceeding the tensile strength of the pipe.Some protective measures are recommended.

pipeline in steep slope section；pressure testing；water discharging；pipe explosion

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.022

王鲁君（1963-），男，山东莱州人，教授级高工，1984年毕业于西安石油大学焊接专业，硕士，现从事石油化工和长输管道建设科技工作。

2014-05-24