上海天然气主干管网场站气体强度试验的探讨

上海天然气管网有限公司 金东琦

上海市天然气主干管网工程经过十余年的建设，截至2016年12月，主干管网系统已投运天然气主干管道约670 km，各类型天然气场站近百座，场站的设计压力从6.3 MPa到1.6 MPa。在场站建设过程中强度试验是工程建设的重要环节，是对工程施工质量、材料性能、设备验证和工艺系统整体质量的综合检验，其目的是验证工艺系统整体强度，暴露和消除安装、管材及设备中残存的缺陷，保证场站运行安全。

由于国家、地方及行业规范编制时间不同，应用的范围不同造成各规范对天然气场站强度试验的规定不一致，现对上海市天然气主干管网工程场站采用气体强度试验的可能做如下讨论。

1 规范对天然气场站压力试验的规定

1.1 城镇燃气行业对天然气场站压力试验的规定

城镇燃气行业对天然气场站压力试验的规定主要依据《城镇燃气输配工程施工及验收规范》(CJJ 33—2005)中的规定，钢管的强度试验：当管道设计压力p>0.8 MPa，试验介质为清洁水，试验压力为设计压力的1.5倍；管道设计压力p≤0.8 MPa时，试验介质为压缩空气，试验压力为设计压的1.5倍且不小于0.4 MPa。严密性试验介质宜采用空气，试验压力为设计压力。

1.2 压力管道行业对天然气场站压力试验的规定

《工业金属管道工程施工规范》(GB 50235—2010)和《压力管道安全技术监察规程-工业管道》(TSG D0001—2009)规定：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0.6 MPa时，也可采用气体为试验介质，但应采取有效的安全措施。承受内压的埋地钢管道液压试验的试验压力应为设计压力的1.5倍，且不得低于0.4 MPa。气压试验时，承受内压钢管的试验压力应为设计压力的1.15倍。当管道的设计压力大于0.6 MPa时，必须有设计文件规定或经建设单位同意，方可用气体进行压力试验。输送可燃流体的管道必须进行泄漏性试验。泄漏性试验应在压力试验合格后进行，试验介质宜采用空气。泄漏性试验压力应为设计压力。

1.3 长输管道行业对天然气场站压力试验的规定

《输气管道工程设计规范》(GB 50251—2015)中规定，输气场站和阀室的强度试验应采用水做介质，当具备若干条件时位于三、四级地区的输气站内的工艺管道可采用空气试压，试验压力为设计压力的1.5倍。严密性试验的介质采用空气或其他不易燃和无毒的气体。严密性试验压力应为设计压力。

《石油天然气站内工艺管道工程施工规范》(GB 50540—2009)中规定，输气场站强度试验采用水做介质，试验压力为1.5倍设计压力。输气场站强度试验采用空气做介质，试验压力为1.15倍设计压力。严密性试验的介质采用空气或其他不易燃和无毒的气体。严密性试验压力应为设计压力。

1.4 上海市地方规范的规定

《城镇高压、超高压天然气管道技术规程》(DGJ 08—02—2003)规定轻度试压用水做介质，试验压力为1.5倍设计压力，泄漏性(严密性)试验由设计确定。本规范对场站压力试验未专门规定。《城镇天然气站内工程施工质量验收标准》(DG/TJ08—2103—2012)中仅规定站内管道系统安装完成并经无损检验、冲洗或吹扫合格后应进行强度试验和严密性试验,试验压力、试验时间、试验介质与试验结果应符合设计文件规定。

2 上海市天然气主干管网场站气体强度试验分析

2.1 场站强度试验介质的选择

场站强度试压介质分为气体和液体两种。采用液体进行管道强度试压，当管道存在缺陷而在试压中出现泄漏或破裂时，由于液体具有不可压缩的特性，管道内试压介质的减压速度大于管道的开裂扩展速度，因此管道能够迅速止裂。而采用气体进行强度试压，压缩气体达到给定压力需要做的功远远大于液体。当管道出现泄漏或破裂时，由于管道内介质的减压速度小于管道的开裂扩展速度，在管道止裂韧性不能满足止裂要求时，会造成管道的大段破裂和严重的次生灾害。基于以上的分析在上海市天然气主干管网工程场站在建设初期场站压力试验也是选择洁净水作为强度试验的介质，但在工程实践中水压压力试验的问题也逐渐暴露出来：

(1)水压压力试验中由于水的表面张力远大于气体表面张力。对于试压时已经干燥的输气系统，以水作为介质进行严密性试验检漏的灵敏性远不如采用气体，有数据显示：气压试验至少比相同压力下的水压试验灵敏 60倍。采用气体作为严密性试验介质时，气体可以从水不能通过的微隙中渗漏，而输气管道在运行时不允许轻微渗漏，但气压试验的灵敏性是建立在管道干燥的基础上，若管道系统未完全干燥，则残留水会充满微隙使气体严密性试验的灵敏性无从发挥。

(2)高压输气场站选址一般位于城郊偏远位置，水压试验的水源不易获得，另外随着环保意识的加强，施工阶段站内排水系统尚未完成，水压试验试压完毕后的污水排放也较为困难，稍有不慎容易引起场站周围居民的反感。

(3)实际工程建设中先用水进行场站管道强度试压，再用空气做严密性试压，强度试验后必须先进行完全干燥，介质置换造成试压工序复杂化，水压试验后若干燥不彻底，还会造成轻微泄漏缺陷不易发现。若采用气体强度试验，可以与气体严密性试验一并实施简化压力试验的工序。

气体强度试验的危险性主要是长距离管段气压试验时一旦出现泄漏或破裂时管道止裂韧性不能满足止裂要求时，会造成管道的大段破裂和严重的次生灾害，故站外输气管线由于距离较长应首选液体作为压力试验的介质。而站内管段一般较短且管径较小，气压压力试验出现泄漏或破裂时处于相对可控状态，故上海市天然气主干管网工程场站在建设过程中也开始摸索场站气压强度试验的可能性。

2.2 场站气体强度试验可行性分析

上海市天然气主干管网属于省市(直辖市)级天然气输气管网，并且城镇燃气行业规范最高设计压力为4.0 MPa，而上海市天然气主干管网主干管的设计压力为6.0 MPa，所以上海市天然气主干管网按照规范分类应按长输管线规范或地方专项规范管理，管网场站的设计和施工应遵循和参考长输管线行业及压力管道行业规范。

在长输管道行业国家规范 GB 50251—2015、GB 50540—2009及压力管道行业规范GB 50235—2010及TSG D0001—2009中均未禁止场站内管道系统采用气体压力试验，仅对气体压力试验的条件作出了限制，尤其是国家标准《输气管道工程设计规范》(GB 50251—2015)中明确三、四级地区输气场站可以采用气体压力试验但必须同时满足表1所列三个条件：

表1 三四级地区输气场站工艺管道空气试压条件

以下通过气体压力试验必须满足的三个条件逐一分析上海市天然气主干管网场站气压试验的可行性：

2.2.1 现场最大试验压力产生的环向应力条件

根据《输气管道工程设计规范》(GB 50251—2015)附录中关于管道环向应力计算公式：

式中：σh——内压产生的环向应力，MPa；

σn——管子公称壁厚，mm；

p——管道压力(最大试验压力)，MPa；

d——管道内径，mm。

对上海市天然气主干管网设计压力为6.3 MPa的场站中常用管道规格进行计算(现场最大试验压力按设计压力1.15倍计算)，计算结果详见表2：

表2 常用管道规格试压时环向应力计算

由上表的计算可以看出，设计压力6.3 MPa场站内常用管道规格在最大试验压力时产生的环向应力均小于管道管材最小屈服强度的 40%，DN100～600的管道压力试验时处于较低环向应力水平。究其原因，上海市天然气主干管网场站建设以来一直遵循本质安全的设计理念，不管场站现状所处地区的等级，均按规范要求的最高安全系数(即设计系数按0.3选取)计算壁厚，管道壁厚余量充足管道应力水平较低。

站内DN800管道壁厚由于需与站外DN800主干管输气管道保持一致，管道应力水平稍高，但仍然小于50%的管道最小屈服强度，可满足三级地区气压强度试验的要求，对处于远期可能发展为四级地区的场站，当站内有 DN800管道时可适当增加管道壁厚采用气压强度试验或采用水压强度试验。

上海市天然气主干管网其他设计压力的场站遵循的是同一设计理念，按最高安全系数计算站内工艺管道壁厚，故试压时环向应力水平与设计压力6.3 MPa场站一致，均基本满足四级地区气压试验要求的管道环向应力要求。

2.2.2 最大操作压力条件

根据《输气管道工程设计规范》(GB 50251—2015)术语解释，场站最大操作压力为在正常操作条件下，管线系统中的最大实际操作压力。按照上海市天然气主干管网场站的运行规范不同设计压力的场站最大操作压力详见表3：

表3 上海市天然气主干管网场站最大操作压力

由上表的数据可以看出按照上海市天然气主干管网场站现行的运行规范，不同设计压力的场站最大操作压力均不超过80%最大试验压力，满足规范要求的气压试验条件。

2.2.3 工艺管道质量条件

上海市天然气主干管网场站中工艺管道使用的均为新采购的合格钢管，DN100～300管道采用无缝钢管，制管标准为《高压化肥设备用无缝钢管》(GB 6479—2013)，DN400～800钢管采用螺旋缝埋弧焊钢管或直缝埋弧焊钢管，制管标准为《石油天然气工业管线输送系统用钢管》(GB/T 9711—2017)，PSL2类，以上钢管的焊缝系数均为1.0。所以上海市天然气主干管网场站中工艺管道满足规范要求的气压试验条件。

2.3 场站气体强度试验时的安全措施

为保证气体强度试压的安全进行，国内规范对气体强度试压的进程做了详细的规定，另外国外相关标准规定了试验完成后的降压程序，具有借鉴意义。例如《石油天然气站内工艺管道工程施工规范》(GB 50540—2009)规定以空气为介质进行强度试验时，升压值依次为试验压力的10%、50%，若无泄漏，逐次增加10%的试验压力直至100%，间隔5 min，升压速率应<0.1 MPa/min。英国标准BS PD 8010-1-2004《管道规范一第1部分：陆上钢制管道》规定，试压完成后，以0.1 MPa/min速率降至90%试验压力值，再以0.2 MPa/min速率继续降压。

国内标准还规定了试验过程中的安全措施，例如《天然气管道运行规范》(SY/T 5922—2012)规定试压期间管道系统一定距离内设为隔离区，严禁烟火和静电火花。

3 结语

针对上海市天然气主干管网场站的压力试验，在执行国家标准、行业标准时，必须认真考虑压力试验的安全性、试验介质的来源与排放、试验介质对燃气输配系统的影响以及燃气输配系统的运行特征等因素。从现行国家标准、地方、行业标准来看，由于编制年代不同，使用场所和使用条件不同，各规范的要求不统一，给使用者带来了诸多疑惑。综合各规范之间的共同点，从安全、操作和连续性等角度出发，提出上海市天然气主干管网场站管道强度和严密性试验的试验介质与压力要求见表4。

场站采用气体强度试验前应按本文表1中所列条件逐一核对，必须同时满足三个条件时方可编制气体强度试验实施方案，气体强度试验实施方案应对试验进程尤其是升降压速度和幅度进行详细规定，并提出气体强度过程中相应的安全措施。