压力管道液压试验取值探讨

郝 伟 李玉国 东华工程科技股份有限公司 合肥 230024

压力管道是指利用一定的压力，输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa (表压)的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm 的管道［1］。

管道压力试验能够检测管道系统的强度和严密性，可以降低或消除某些部位的峰值应力，且短时超压能钝化裂纹，使其产生闭合效应。在试验过程中，通过观察管道有无明显变形或破裂，来验证其是否具有设计压力下安全运行所必需的承压能力。同时，通过观察焊缝、法兰等连接处有无渗漏，来检验管道系统的严密性。因此，管道安装完毕、热处理和无损检测合格后，应进行压力试验。压力试验的方法及压力试验值应按照设计文件执行。通常压力试验应以液体为试验介质，当管道的设计压力小于或等于0.6MPa 时，也可采用气体为试验介质，但应采取有效的安全措施［2］。本文仅针对液压试验取值进行探讨。

1 液压试验值的确定

在《工业金属管道设计规范》、 《工业金属管道工程施工规范》和《工业金属管道工程施工质量验收规范》中均要求当管道的设计温度高于试验温度时，液压试验应符合以下规定。

液压试验计算公式:

由公式(2)可以获得液压试验下的直管名义厚度，即:

式中，PT为试验压力，MPa;P 为设计压力，MPa;［σ］T为试验温度下管材的许用应力，MPa; ［σ］t为设计温度下管材的许用应力，MPa;σT为试验条件下管材的圆周应力，MPa;Do为管道外径，mm;tsn为直管名义厚度，mm;C 为所有厚度附加量之和，mm;C1为厚度减薄附加量，包括加工、开槽和螺纹深度及材料厚度负偏差，mm;C2为腐蚀或磨蚀附加量，mm;Ej为焊接接头系数;σs为材料标准常温屈服点，MPa。

当试验温度下管材的许用应力与设计温度下管材的许用应力的比值［σ］T/ ［σ］t大于6.5 时，应取6.5。

应校核管道在试验压力条件下的应力，当试验压力在试验温度下产生超过屈服强度的应力时，应将试验压力降至不超过屈服强度时的最大压力。

但是，在以上标准中并没有对法兰最大允许试验压力有所限制。然而，国内现行法兰标准《钢制管法兰、垫片、紧固件》与《石油化工钢制管法兰》中均要求管法兰原则上不进行单个法兰的水压试验。当法兰安装到管道或设备上后，其水压试验压力应不大于法兰标准规范中规定的常温最高允许工作压力的1.5 倍。因此，建议在满足以上要求的同时，考虑法兰最大允许试验压力，以满足管道系统法兰密封性能的要求。

2 液压试验取值对装置安全性及经济性的影响

2.1 现行设计模式下存在的问题

在现行设计模式下，压力试验值由管道布置专业在相应成品文件中进行说明，而管道壁厚由管道机械专业进行计算，但最终壁厚由管道材料专业确定。在此设计过程中，如果管道材料专业不考虑压力试验下的最小壁厚，同时在压力试验取值时，管道布置专业也没有校核内压圆周应力，就可能出现试验压力下管道材料超过屈服强度的情况，使管道产生塑性变形，为装置运行埋下安全隐患。反之，如果管道材料专业采用了压力试验下的最小壁厚，虽能保证装置的可靠运行，却使其成本大幅提高。

2.2 液压试验所需壁厚与内压计算壁厚的比较

为便于和液压试验所需壁厚进行比较，将《工业金属管道设计规范》内压壁厚计算公式摘录如下:

式中，ts为直管最小计算壁厚，mm;Y 为温度修正系数;其他参数与前述相同。

下面以新疆某大型企业2000kt/a 煤制油项目净化装置为例进行详细说明。

工艺气管道规格DN900，设计温度205℃，设计压力4.50MPa，材质06Cr19Ni10Ⅰ类，具体参数见表1。

表1 壁厚计算参数

按照液压试验下的直管名义厚度公式(4)校核，最小试验壁厚为17.39mm，考虑所有厚度附加量之和，经圆整取值为22mm;按照内压壁厚计算公式(5)得最小计算壁厚为15.70mm，考虑所有厚度附加量之和，经圆整取值为20mm。显然，液压试验下核算壁厚大于内压下计算壁厚。

经统计，该装置此规格管道用量约为500m，按照壁厚差值2mm 核算，重量相差22t。若按市场价2.5 万元/t 计算，将多花费55 万元，使装置费用大幅提高，不利于控制成本。另外，由于净化装置规模较大，所用不锈钢管道普遍大于DN450，且DN450 以上时壁厚差值大多高于2mm，见表2。考虑到其用量超过5000m，如果仅仅为了保证装置的安全性，仍最终选择液压试验所需壁厚，装置将会增加投资400 多万元，再加上管件等费用，此数字将会更大。因而，为了节约投资，必须按照现行标准进行精细化设计。

表2 各规格管道壁厚比较(mm)

2.3 对现行设计模式的建议

由以上论述可知，压力管道液压试验取值不仅决定装置安全，还直接影响工程投资。鉴于现行设计模式中存在的问题，结合《工业金属管道设计规范》第11.5.3 规定“按照压力试验下计算的内压圆周应力超过许用值，可以降低试验压力”，本文提出以下建议供化工设计领域的同行参考:

(1)管道机械专业根据设计压力计算最小壁厚，结果提给管道材料专业。

(2)管道材料专业考虑各种工艺要求，将最小计算壁厚圆整后得到名义壁厚，其作为成品文件提给管道布置专业。

(3)管道布置专业计算压力试验值，并根据名义壁厚校核管道的内压圆周应力。如果超过相应许用值，应将试验压力降至不超过屈服强度时的最大压力。同时应考虑法兰最大允许试验压力，以满足法兰密封性能的要求。

依据现行标准规定，基于上述建议，使各个专业分工明确，设计才能更加经济合理，进而达到精细化设计的目的。

3 结语

近年来，随着化工项目大型化的发展趋势，所用管道规格越来越大，同时用量也越来越多，个别管道甚至超过了现行标准尺寸范围，这就更加凸显了精细化设计的重要性及必要性，即设计不但要保证装置的安全可靠，同时也必须考虑项目的经济性。鉴于此，建议在压力管道液压试验取值时，应严格按照相应标准进行精细化设计，特别是对于不同屈服强度的材料，更应该区别对待，从而保证装置的经济可靠。

1 2003年国务院第373 号令《特种设备安全监察条例》.

2 GB 50235 -2010，工业金属管道工程施工规范［S］.

3 GB 50316 - 2000，工业金属管道设计规范 (2008 版)［S］.

4 GB 50184 -2011，工业金属管道工程施工质量验收规范［S］.

5 HG/T 20592 ～20635 -2009，钢制管法兰、垫片、紧固件［S］.

6 SH/T 3406 -2013，石油化工钢制管法兰［S］.

7 GB/T 12771 -2008，流体输送用不锈钢焊接钢管［S］.