城市長(zhǎng)距離高壓燃?xì)夤艿狼骞茉噳杭夹g(shù)

摘 要

隨著武漢1+8城市圈建設(shè)的高速發(fā)展，天然氣在城市能源結(jié)構(gòu)中所占比重越來(lái)越大，全省各個(gè)城市長(zhǎng)距離高壓燃?xì)夤艿赖慕ㄔO(shè)隨之蓬勃發(fā)展。為了保證輸氣品質(zhì)，清管試壓成為施工中的
    隨著武漢1+8城市圈建設(shè)的高速發(fā)展，天然氣在城市能源結(jié)構(gòu)中所占比重越來(lái)越大，全省各個(gè)城市長(zhǎng)距離高壓燃?xì)夤艿赖慕ㄔO(shè)隨之蓬勃發(fā)展。為了保證輸氣品質(zhì)，清管試壓成為施工中的重要環(huán)節(jié)。
    城市長(zhǎng)距離高壓燃?xì)夤艿赖那骞茉噳号c城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖那骞茉噳菏遣煌?。長(zhǎng)距離高壓燃?xì)夤艿劳ǔＴO(shè)計(jì)在城市的外環(huán)，穿越農(nóng)田、丘陵、山坡較多，管道起伏較大，為減少管道碰頭工程量和水資源的浪費(fèi)，提高清管試壓工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，城市長(zhǎng)距離高壓燃?xì)夤艿婪侄我话銥?0km～25km；而在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿腊惭b過(guò)程中，為避免占道時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，管線的最大分段不超過(guò)1km。這使城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿狼骞茉噳合嚓P(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)已不能滿(mǎn)足城市長(zhǎng)距離高壓燃?xì)夤艿赖囊?，因此，城市長(zhǎng)距離高壓燃?xì)夤艿狼骞茉噳焊嗟囊b了長(zhǎng)輸管線的標(biāo)準(zhǔn)。我參加了武漢市天然氣高壓外環(huán)工程和鄂州市杜山-葛店高壓天然氣管道工程施工，就城市長(zhǎng)距離高壓燃?xì)夤艿赖那骞茉噳簹w結(jié)以下幾項(xiàng)要點(diǎn)。
1 確定管道分段長(zhǎng)度
    在試壓時(shí)，如果管道高差過(guò)大，最低點(diǎn)靜水壓力增加，可能會(huì)使此點(diǎn)的應(yīng)力超過(guò)管材屈服強(qiáng)度而損壞；因此，清管試壓前，應(yīng)進(jìn)一步踏勘現(xiàn)場(chǎng)，找出管線最高點(diǎn)與最低點(diǎn)位置。在管道起伏較大的地段，盡量縮短管段的試驗(yàn)長(zhǎng)度，控制高差在30m以?xún)?nèi)；當(dāng)無(wú)法避免高差超過(guò)了30m時(shí)，應(yīng)核算管道最低點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)力。
    城市長(zhǎng)距離高壓燃?xì)夤艿来蠖嘣O(shè)計(jì)在偏僻的地方，上、排水困難。因此，管道分段時(shí)，要充分考慮上水和排水條件。上水點(diǎn)的位置應(yīng)選在取水方便、水質(zhì)符合設(shè)計(jì)要求、足以滿(mǎn)足清管試壓用水、設(shè)備便于進(jìn)出的地方。排水點(diǎn)則應(yīng)選擇在不影響交通、不影響周邊環(huán)境，排除的水能順利流向相關(guān)部門(mén)指定的位置。
    管道的分段端點(diǎn)應(yīng)盡量選擇在地形較為平整，管道設(shè)計(jì)坡度較小的地段，減少碰頭時(shí)難度，以保證碰死口焊接質(zhì)量。
    合理管道分段，有利于試驗(yàn)成功和施工效率的提高，有利于環(huán)境保護(hù)，更有利于安全防護(hù)工作，因此，要高度重視管道的分段工作。
2 清管、試壓參數(shù)的確定
2.1 試壓段強(qiáng)度核算
    對(duì)于高差超過(guò)30m的試壓段，應(yīng)根據(jù)該段的縱斷面圖計(jì)算管道最低點(diǎn)的靜水壓力，并核算其環(huán)向應(yīng)力。環(huán)向應(yīng)力值不得大于管道最低屈服強(qiáng)度σs的0.9倍，同時(shí)最高點(diǎn)試驗(yàn)壓力值不應(yīng)低于設(shè)計(jì)壓力。
    管道最低點(diǎn)產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力為σh=(P×d)/(2δ)
    這個(gè)環(huán)向應(yīng)力是由試壓時(shí)靜水壓力與試驗(yàn)壓力的共同作用產(chǎn)生的，其管道最低點(diǎn)的壓力值為P＝Ps+Pj
式中σh——由內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力；
    P——管道在試壓時(shí)的最大內(nèi)應(yīng)力；
    d——管道的外直徑；
    δ——管道的公稱(chēng)壁厚；
    Ps——水壓試驗(yàn)的強(qiáng)度試壓設(shè)計(jì)值；
    Pj——試壓段的最大靜水壓力。
    應(yīng)σh＜0.9σs
2.2 試驗(yàn)壓力計(jì)算
   我們要特別注意，管道試驗(yàn)壓力應(yīng)以最高點(diǎn)為準(zhǔn)。管道安裝中，管段兩端并不一定是最高點(diǎn)，當(dāng)兩端的壓力表讀數(shù)升至設(shè)計(jì)試驗(yàn)壓力時(shí)，并不等于整個(gè)管道各點(diǎn)均達(dá)到這個(gè)壓力。管道兩端試驗(yàn)壓力還應(yīng)考慮最高點(diǎn)與兩端高差產(chǎn)生的靜水壓力對(duì)其作用。
   即：P起=Ps+Pj起
        P終=Ps+Pj終
2.3 注水時(shí)間的計(jì)算
    注水時(shí)間的計(jì)算與選擇的泵型、管徑大小以及管道長(zhǎng)度有關(guān)，注水上水率按95%計(jì)算，則本段管線注水需要時(shí)間為
   本管段容積÷(注水泵組注水量×95%)
   注水時(shí)間的計(jì)算便于試壓工作時(shí)間的安排。
3 清管、試壓設(shè)備選型
3.1 清管器的選擇
   城市長(zhǎng)距離高壓燃?xì)夤艿狼骞堋咚捎们骞芷髑鍜?。清管器是由鋼骨架主體和其上安裝的各種清管工具組成。
   管道清掃時(shí)，將具有一定過(guò)盈量的清管器置于管道中，使之外沿與管道內(nèi)壁形成良好的彈性密封，然后輸入介質(zhì)(通常為壓縮空氣或水)，使清管器前后產(chǎn)生足夠的壓差，推動(dòng)清管器在管內(nèi)運(yùn)行(如圖1)。
 
   常用的清管器有皮碗、直板和混合式清管器。
   皮碗清管器，主體上配置碗狀聚胺酯，其柔韌性能好，即使管道有變形現(xiàn)象，皮碗仍能具有良好的密封，從而順利通過(guò)，清除管道污物。
    直板清管器與皮碗清管器不同的是將聚氨酯做成圓盤(pán)狀，具有雙向運(yùn)行特點(diǎn)。當(dāng)直板清管器在運(yùn)行中被卡時(shí)，可在反方向輸入介質(zhì)將球推回原處，提高了清管的安全性；同時(shí)，直板清管器清管對(duì)管道內(nèi)壁具有良好的擦刮作用。
    混合清管器是由皮碗和直板組合而成，即可保證清管時(shí)的密封性能，又可保證較好的清管效果。為了及時(shí)檢測(cè)管道變形情況，還可在清管器上安裝測(cè)徑板。
3.2 空壓機(jī)的選擇
    清管器是靠向管內(nèi)輸入介質(zhì)產(chǎn)生的壓差為動(dòng)力運(yùn)行的。在城市長(zhǎng)距離高壓燃?xì)夤艿狼骞軙r(shí)，這個(gè)介質(zhì)通常為壓縮空氣，因此，應(yīng)合理選擇空氣壓縮機(jī)。一般清管器的速度控制在每小時(shí)2km～4km，這樣可根據(jù)管徑計(jì)算出每分鐘所需的壓縮空氣量，即：
   Q=πd2T0PmV/4P0TZ
式中：Q——單位時(shí)間進(jìn)氣量
   T——清管后管段內(nèi)氣體的平均溫度
   V——清管器運(yùn)行速度
   Pm——推清管器壓力
   P0——0.101325   TO——293.15K
   Z——氣體的壓縮系數(shù)    d——管道內(nèi)徑
3.3 泵的選擇
    城市長(zhǎng)距離高壓燃?xì)夤艿涝噳盒杷看?，試?yàn)壓力高，而我們知道泵的特性是流量與壓力成反比，這就是泵選型時(shí)要解決的矛盾。兼顧到注水和升壓速度，所用的泵分為注水泵和升壓泵。注水泵流量大、壓力低，升壓泵則壓力高、流量低。注水泵和升壓泵選擇是否合適，對(duì)試壓效率及工期有很大的影響。注水泵流量過(guò)大，會(huì)因壓力太小而使后期的升壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；注水泵壓力太大，則會(huì)因流量過(guò)小使注水時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；這兩種選型方式均不能達(dá)到高效的試壓效果，而且電機(jī)功率大，需發(fā)電量大，隨之配置的發(fā)電機(jī)功率大，增加了設(shè)備投資；設(shè)備龐大還會(huì)給運(yùn)輸及在施工現(xiàn)場(chǎng)的擺放帶來(lái)困難。
為了平衡流量與壓力關(guān)系，試壓時(shí)，可分三級(jí)泵組升壓。即首先用流量較大、壓力較低的雙吸離心泵給管道快速上水至滿(mǎn)，此時(shí)水有比較大的壓縮空間，再用多級(jí)離心泵注入具有一定壓力能量的水對(duì)管道進(jìn)行升壓，隨著壓力的不斷升高，水的壓縮空間愈來(lái)愈小，而升壓速度越來(lái)越快，當(dāng)壓力升至試驗(yàn)壓力的60%，應(yīng)及時(shí)改用帶有電接點(diǎn)壓力表的電動(dòng)試壓泵控制升壓速度，一旦管道壓力升至試驗(yàn)壓力自動(dòng)斷電，進(jìn)入保壓狀態(tài)。這種試壓泵組可大大縮短試壓工期，泵體積小，適用于野外作業(yè)，配置的發(fā)電機(jī)組比較經(jīng)濟(jì)，且試壓安全可靠。
4 清管、試壓裝置的設(shè)計(jì)
    清管、試壓裝置均屬壓力容器設(shè)備，設(shè)計(jì)及制作應(yīng)嚴(yán)格遵循《特種設(shè)備安全技術(shù)》規(guī)則和《鋼制壓力容器》GB150標(biāo)準(zhǔn)。
4.1 清管裝置
清管裝置用于管道清掃，分為發(fā)射球裝置和接收 球裝置兩部分(如圖2)。
 
    發(fā)射球裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮安裝清管器的方便，制作成喇叭口型；接收球裝置的設(shè)計(jì)則要考慮有足夠的空氣排放能力；而且當(dāng)清管器到達(dá)終點(diǎn)，頂端排氣口被封堵時(shí)，接收球裝置應(yīng)能繼續(xù)通暢排氣，因此，在接球裝置上必須具有兩個(gè)以上的排氣口，且排氣口的間距應(yīng)大于清管器的長(zhǎng)度。
    雖然清管器的運(yùn)行壓力并不高，但如果遇到卡球，可能會(huì)使清管器的背壓達(dá)到接近設(shè)計(jì)壓力，故清管裝置的承壓能力不得低于管道的設(shè)計(jì)壓力。
4.2 試壓裝置
    試壓裝置用于管道的強(qiáng)度試驗(yàn)和嚴(yán)密性試驗(yàn)，連接著各種設(shè)備和測(cè)量?jī)x表，它的設(shè)計(jì)壓力不應(yīng)低于管道強(qiáng)度試驗(yàn)壓力。
    因長(zhǎng)距離高壓燃?xì)夤艿婪笤O(shè)起伏大，管道試壓注水時(shí)，若管內(nèi)空氣不能順利排除，很容易造成氣堵，這樣不僅升壓速度緩慢，而且氣體的壓縮性影響了試壓結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。然而管道的最高點(diǎn)并不一定在管道的兩端，而多在管道中部，此部位不適宜開(kāi)孔排氣。所以，試壓前應(yīng)預(yù)先在管內(nèi)放置隔離清管器，進(jìn)水時(shí)清管器自然將空氣和水隔斷。清管器在水的推動(dòng)下運(yùn)行，壓縮前方空氣，使之從管道末端的排氣口排出，以達(dá)到排盡管內(nèi)空氣的目的。
    試壓完成后，對(duì)管道進(jìn)行泄壓。當(dāng)管內(nèi)壓力與大氣壓平衡時(shí)，管道低處的水停止流動(dòng)。為解決這一問(wèn)題，同樣，試壓前預(yù)先在管內(nèi)放置一個(gè)隔離清管器，待試壓完成后，用壓縮空氣為動(dòng)力推動(dòng)隔離清管器運(yùn)行，掃除管內(nèi)存積水。
    通過(guò)上述分析，為達(dá)到排盡管內(nèi)空氣或水的目的，試壓裝置的設(shè)計(jì)如圖3、圖4所示，應(yīng)能放置至少兩個(gè)清管器，并且要有足夠的進(jìn)口和出口，各閥門(mén)之間的距離大于清管器的長(zhǎng)度，保證兩個(gè)清管器在任何位置進(jìn)排水、氣暢通。
4.3 清管、試壓裝置技術(shù)要求
   清管、試壓裝置簡(jiǎn)體可用與主管相同的材質(zhì)也可用16Mn鋼，其厚度應(yīng)不小于主管壁厚。對(duì)筒體上的開(kāi)孔應(yīng)嚴(yán)格按 《補(bǔ)強(qiáng)圈》JB/T4736標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。
   在使用清管、試壓裝置前，要完成清管、試壓裝置的各種部件的安裝，然后對(duì)清管、試壓裝置進(jìn)行壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為管道最大試驗(yàn)壓力的1.25倍，穩(wěn)壓1h合格后，方可與試壓段管道連接。
5 清管操作要點(diǎn)
   打開(kāi)發(fā)射球裝置盲板，將清管器送入其大小頭處壓緊以防串氣，關(guān)閉盲板，關(guān)閉發(fā)球裝置上的放空閥，打開(kāi)首端壓力表閥門(mén)，打開(kāi)收球裝置上的排污、排氣閥。開(kāi)啟空壓機(jī)出口閥門(mén)，通過(guò)發(fā)球裝置上的進(jìn)氣口注入壓縮空氣，發(fā)送清管器。為了監(jiān)測(cè)清管器的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)生卡堵時(shí)能迅速定位，在彎頭等容易發(fā)生卡球的位置設(shè)置清管器通過(guò)指示儀，并派專(zhuān)人觀察。
   一般，清管器運(yùn)行速度控制在每小時(shí)2km～4km，運(yùn)行壓力為0.05MPa～0.2MPa。
   可根據(jù)以下公式計(jì)算出清管器運(yùn)行距離和速度，判斷出清管器所在位置和通球時(shí)間：
   清管器的運(yùn)行距離：L=4P0TZQ/πd2T0Pm
   清管器運(yùn)行速度：V=L/t
   Q——發(fā)清管器后的累計(jì)進(jìn)氣量
   L——清管器運(yùn)行距離
   t——清管時(shí)間
   若清管器停止運(yùn)行，并且清管器后面的壓力持續(xù)上升，則判定為清管器遇卡，此時(shí)應(yīng)及時(shí)對(duì)首末端進(jìn)行卸壓。因清管器裝有電子發(fā)射器，根據(jù)運(yùn)行速度、時(shí)間的計(jì)算和清管器通過(guò)指示儀確定清管器大概位置，然后用電子接受儀探測(cè)其具體位置，挖出管道斷管，取出清管器，最后將此管段焊接，無(wú)損探傷合格后再次清管。
在進(jìn)氣量沒(méi)有減小的情況下，若推球壓力不增加，并且計(jì)算清管器運(yùn)行距離遠(yuǎn)大于實(shí)際運(yùn)行距離，可判定為清管器漏(串)氣。其主要原因是清管器過(guò)盈量太小，與管道密封不嚴(yán)或首端進(jìn)氣量偏小。解決方法是再發(fā)射一個(gè)過(guò)盈量更大的清管器或增大管道的進(jìn)氣量。
6 試壓操作要點(diǎn)
    根據(jù)地理環(huán)境條件，確定上、排水位置，選擇地形較高一端安裝隔離球接收裝置，防止排水倒灌。為了避免注水時(shí)管道的劇烈震動(dòng)和環(huán)境溫度對(duì)試壓的影響，在試壓前，溝槽回填應(yīng)至管上方0.5m以上，且裸露在外的管子不宜太長(zhǎng)。
    為解決全線注水時(shí)排除空氣和泄壓時(shí)排除積水問(wèn)題，試壓裝置與管道連接前預(yù)埋注水隔離清管器和掃水隔離清管器，注水清管器采用皮碗式，掃水清管器采用直板式獲混合式，并裝上電子發(fā)射機(jī)，通過(guò)接收裝置隨時(shí)跟蹤清管器所在位置。試壓裝置與管道連接應(yīng)按相應(yīng)材質(zhì)的焊接工藝評(píng)定及規(guī)程進(jìn)行焊接，焊好后做100%射線拍片檢驗(yàn)，合格后方能開(kāi)始上水試壓。
    在試壓過(guò)程中，要注意平穩(wěn)升壓和緩慢泄壓，以避免巨大的沖擊力將管道焊縫撕裂。
    城市長(zhǎng)距離高壓燃?xì)夤艿狼骞茉噳菏欠衲芤淮涡院细衽c管道安裝質(zhì)量有密切的關(guān)系。若管子組對(duì)錯(cuò)邊量或借角過(guò)大、管子焊縫內(nèi)壁焊瘤過(guò)高等現(xiàn)象均會(huì)造成清管器卡堵，甚至?xí)斐蓢?yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在管道的安裝過(guò)程中，精心組織、精心施工，加強(qiáng)質(zhì)量管理與監(jiān)督是十分重要的。
 
(本文作者：郭漢軍 武漢市燃?xì)鉄崃こ坦?430051)