隨著武漢1+8城市圈建設的高速發展，天然氣在城市能源結構中所占比重越來越大，全省各個城市長距離高壓燃氣管道的建設隨之蓬勃發展。為了保證輸氣品質，清管試壓成為施工中的重要環節。
城市長距離高壓燃氣管道的清管試壓與城鎮燃氣管道的清管試壓是不同的。長距離高壓燃氣管道通常設計在城市的外環，穿越農田、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，提高清管試壓工作效率和經濟效益，城市長距離高壓燃氣管道分段一般為10km～25km；而在城鎮燃氣管道安裝過程中，為避免占道時間過長，管線的最大分段不超過1km。這使城鎮燃氣管道清管試壓相關規范及標準已不能滿足城市長距離高壓燃氣管道的要求，因此，城市長距離高壓燃氣管道清管試壓更多的引鑒了長輸管線的標準。我參加了武漢市天然氣高壓外環工程和鄂州市杜山-葛店高壓天然氣管道工程施工，就城市長距離高壓燃氣管道的清管試壓歸結以下幾項要點。
1 確定管道分段長度
在試壓時，如果管道高差過大，最低點靜水壓力增加，可能會使此點的應力超過管材屈服強度而損壞；因此，清管試壓前，應進一步踏勘現場，找出管線最高點與最低點位置。在管道起伏較大的地段，盡量縮短管段的試驗長度，控制高差在30m以內；當無法避免高差超過了30m時，應核算管道最低點的環向應力。
城市長距離高壓燃氣管道大多設計在偏僻的地方，上、排水困難。因此，管道分段時，要充分考慮上水和排水條件。上水點的位置應選在取水方便、水質符合設計要求、足以滿足清管試壓用水、設備便于進出的地方。排水點則應選擇在不影響交通、不影響周邊環境，排除的水能順利流向相關部門指定的位置。
管道的分段端點應盡量選擇在地形較為平整，管道設計坡度較小的地段，減少碰頭時難度，以保證碰死口焊接質量。
合理管道分段，有利于試驗成功和施工效率的提高，有利于環境保護，更有利于安全防護工作，因此，要高度重視管道的分段工作。
2 清管、試壓參數的確定
2.1 試壓段強度核算
對于高差超過30m的試壓段，應根據該段的縱斷面圖計算管道最低點的靜水壓力，并核算其環向應力。環向應力值不得大于管道最低屈服強度σs的0.9倍，同時最高點試驗壓力值不應低于設計壓力。
管道最低點產生的環向應力為σh=(P×d)/(2δ)
這個環向應力是由試壓時靜水壓力與試驗壓力的共同作用產生的，其管道最低點的壓力值為P＝Ps+Pj
式中σh——由內壓產生的環向應力；
P——管道在試壓時的最大內應力；
d——管道的外直徑；
δ——管道的公稱壁厚；
Ps——水壓試驗的強度試壓設計值；
Pj——試壓段的最大靜水壓力。
應σh＜0.9σs
2.2 試驗壓力計算
我們要特別注意，管道試驗壓力應以最高點為準。管道安裝中，管段兩端并不一定是最高點，當兩端的壓力表讀數升至設計試驗壓力時，并不等于整個管道各點均達到這個壓力。管道兩端試驗壓力還應考慮最高點與兩端高差產生的靜水壓力對其作用。
即：P起=Ps+Pj起
P終=Ps+Pj終
2.3 注水時間的計算
注水時間的計算與選擇的泵型、管徑大小以及管道長度有關，注水上水率按95%計算，則本段管線注水需要時間為
本管段容積÷(注水泵組注水量×95%)
注水時間的計算便于試壓工作時間的安排。
3 清管、試壓設備選型
3.1 清管器的選擇
城市長距離高壓燃氣管道清管、掃水均采用清管器清掃。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，將具有一定過盈量的清管器置于管道中，使之外沿與管道內壁形成良好的彈性密封，然后輸入介質(通常為壓縮空氣或水)，使清管器前后產生足夠的壓差，推動清管器在管內運行(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，即使管道有變形現象，皮碗仍能具有良好的密封，從而順利通過，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狀，具有雙向運行特點。當直板清管器在運行中被卡時，可在反方向輸入介質將球推回原處，提高了清管的安全性；同時，直板清管器清管對管道內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，即可保證清管時的密封性能，又可保證較好的清管效果。為了及時檢測管道變形情況，還可在清管器上安裝測徑板。
3.2 空壓機的選擇
清管器是靠向管內輸入介質產生的壓差為動力運行的。在城市長距離高壓燃氣管道清管時，這個介質通常為壓縮空氣，因此，應合理選擇空氣壓縮機。一般清管器的速度控制在每小時2km～4km，這樣可根據管徑計算出每分鐘所需的壓縮空氣量，即：
Q=πd2T0PmV/4P0TZ
式中：Q——單位時間進氣量
T——清管后管段內氣體的平均溫度
V——清管器運行速度
Pm——推清管器壓力
P0——0.101325 TO——293.15K
Z——氣體的壓縮系數 d——管道內徑
3.3 泵的選擇
城市長距離高壓燃氣管道試壓需水量大，試驗壓力高，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，對試壓效率及工期有很大的影響。注水泵流量過大，會因壓力太小而使后期的升壓時間過長；注水泵壓力太大，則會因流量過小使注水時間過長；這兩種選型方式均不能達到高效的試壓效果，而且電機功率大，需發電量大，隨之配置的發電機功率大，增加了設備投資；設備龐大還會給運輸及在施工現場的擺放帶來困難。
為了平衡流量與壓力關系，試壓時，可分三級泵組升壓。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，此時水有比較大的壓縮空間，再用多級離心泵注入具有一定壓力能量的水對管道進行升壓，隨著壓力的不斷升高，水的壓縮空間愈來愈小，而升壓速度越來越快，當壓力升至試驗壓力的60%，應及時改用帶有電接點壓力表的電動試壓泵控制升壓速度，一旦管道壓力升至試驗壓力自動斷電，進入保壓狀態。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，配置的發電機組比較經濟，且試壓安全可靠。
4 清管、試壓裝置的設計
清管、試壓裝置均屬壓力容器設備，設計及制作應嚴格遵循《特種設備安全技術》規則和《鋼制壓力容器》GB150標準。
4.1 清管裝置
清管裝置用于管道清掃，分為發射球裝置和接收 球裝置兩部分(如圖2)。
發射球裝置的設計應考慮安裝清管器的方便，制作成喇叭口型；接收球裝置的設計則要考慮有足夠的空氣排放能力；而且當清管器到達終點，頂端排氣口被封堵時，接收球裝置應能繼續通暢排氣，因此，在接球裝置上必須具有兩個以上的排氣口，且排氣口的間距應大于清管器的長度。
雖然清管器的運行壓力并不高，但如果遇到卡球，可能會使清管器的背壓達到接近設計壓力，故清管裝置的承壓能力不得低于管道的設計壓力。
4.2 試壓裝置
試壓裝置用于管道的強度試驗和嚴密性試驗，連接著各種設備和測量儀表，它的設計壓力不應低于管道強度試驗壓力。
因長距離高壓燃氣管道敷設起伏大，管道試壓注水時，若管內空氣不能順利排除，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果的穩定性和準確性。然而管道的最高點并不一定在管道的兩端，而多在管道中部，此部位不適宜開孔排氣。所以，試壓前應預先在管內放置隔離清管器，進水時清管器自然將空氣和水隔斷。清管器在水的推動下運行，壓縮前方空氣，使之從管道末端的排氣口排出，以達到排盡管內空氣的目的。
試壓完成后，對管道進行泄壓。當管內壓力與大氣壓平衡時，管道低處的水停止流動。為解決這一問題，同樣，試壓前預先在管內放置一個隔離清管器，待試壓完成后，用壓縮空氣為動力推動隔離清管器運行，掃除管內存積水。
通過上述分析，為達到排盡管內空氣或水的目的，試壓裝置的設計如圖3、圖4所示，應能放置至少兩個清管器，并且要有足夠的進口和出口，各閥門之間的距離大于清管器的長度，保證兩個清管器在任何位置進排水、氣暢通。
4.3 清管、試壓裝置技術要求
清管、試壓裝置簡體可用與主管相同的材質也可用16Mn鋼，其厚度應不小于主管壁厚。對筒體上的開孔應嚴格按 《補強圈》JB/T4736標準進行補強。
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，然后對清管、試壓裝置進行壓力試驗，試驗壓力為管道最大試驗壓力的1.25倍，穩壓1h合格后，方可與試壓段管道連接。
5 清管操作要點
打開發射球裝置盲板，將清管器送入其大小頭處壓緊以防串氣，關閉盲板，關閉發球裝置上的放空閥，打開首端壓力表閥門，打開收球裝置上的排污、排氣閥。開啟空壓機出口閥門，通過發球裝置上的進氣口注入壓縮空氣，發送清管器。為了監測清管器的運行狀態，發生卡堵時能迅速定位，在彎頭等容易發生卡球的位置設置清管器通過指示儀，并派專人觀察。
一般，清管器運行速度控制在每小時2km～4km，運行壓力為0.05MPa～0.2MPa。
可根據以下公式計算出清管器運行距離和速度，判斷出清管器所在位置和通球時間：
清管器的運行距離：L=4P0TZQ/πd2T0Pm
清管器運行速度：V=L/t
Q——發清管器后的累計進氣量
L——清管器運行距離
t——清管時間
若清管器停止運行，并且清管器后面的壓力持續上升，則判定為清管器遇卡，此時應及時對首末端進行卸壓。因清管器裝有電子發射器，根據運行速度、時間的計算和清管器通過指示儀確定清管器大概位置，然后用電子接受儀探測其具體位置，挖出管道斷管，取出清管器，最后將此管段焊接，無損探傷合格后再次清管。
在進氣量沒有減小的情況下，若推球壓力不增加，并且計算清管器運行距離遠大于實際運行距離，可判定為清管器漏(串)氣。其主要原因是清管器過盈量太小，與管道密封不嚴或首端進氣量偏小。解決方法是再發射一個過盈量更大的清管器或增大管道的進氣量。
6 試壓操作要點
根據地理環境條件，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。為了避免注水時管道的劇烈震動和環境溫度對試壓的影響，在試壓前，溝槽回填應至管上方0.5m以上，且裸露在外的管子不宜太長。
為解決全線注水時排除空氣和泄壓時排除積水問題，試壓裝置與管道連接前預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，并裝上電子發射機，通過接收裝置隨時跟蹤清管器所在位置。試壓裝置與管道連接應按相應材質的焊接工藝評定及規程進行焊接，焊好后做100%射線拍片檢驗，合格后方能開始上水試壓。
在試壓過程中，要注意平穩升壓和緩慢泄壓，以避免巨大的沖擊力將管道焊縫撕裂。
城市長距離高壓燃氣管道清管試壓是否能一次性合格與管道安裝質量有密切的關系。若管子組對錯邊量或借角過大、管子焊縫內壁焊瘤過高等現象均會造成清管器卡堵，甚至會造成嚴重的經濟損失。因此，在管道的安裝過程中，精心組織、精心施工，加強質量管理與監督是十分重要的。
(本文作者：郭漢軍 武漢市燃氣熱力工程公司 430051)
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