压力管道气压试验包的特点及限制条件分析

【摘要】本文介绍了压力管道气压包的组包条件，通过对系统试验压力的分析，说明了气压包的超压试验是气压试验组包方式的特点，是必然的结果。在系统试验压力下影响试压包系统安全的主要限制条件有应力校核、材料韧性断裂和脆性断裂指标、气压能量限制等。为保证系统试压的安全，说明了详细分析这些指标的必要性。

【关键词】气压包 超压试验 应力校核 韧性 脆性 能量

1 前言

我们知道气体的压缩系数比液体大得多，美国Kellogg公司气压数据表明，压缩气体的蓄能时非常强大[1] 。同条件下发生事故时气压试验也比液压试验破坏强度大许多，因此气压试验较水压试验更危险，对于影响试压包安全的因素要有更多的定量分析。

2 气压试验包的组包特点

2.1 管线组包的条件

气压组包要根据管线系统的试验压力和管道材质、试验介质分类，按照便于操作、保证试压质量与安全的原则进行，结合装置内工艺管线系统的布置情况，将不同管道系统进行分类、组合。管道材质类别相同、试验压力相同或相近、试验介质相同且其管道布置易于安拆临时管道的工艺管道系统可以组成一个试压包，主要应满足的条件有：

（1）工艺管道系统试压包组应在相同施工、验收标准的条件下进行。

（2）试压包组包时要求同类别材料组包。

（3）管线的选取按各管线实验压力算值（设计压力）相近的原则选取，各管线实验压力算值之差不超过0.5MPa的管线组包为宜。

2.2 气压包系统的试验压力分析

2.2.1 气压包系统中管线组的试验压力确定

对设计的单条管线而言ASME36.3 、

GB50235-2010、SH3501-2011、GB/T20801.5等标准都要求气压试验压力按1.15倍设计压力确定，这是管线在气压试验时应达到的最基本强度标准，必须满足。

试压包是把一些不同设计压力的管线组成临时系统试压，这些管线按标准计算的试验压力各不相同，当把这些试验压力要求各不相同的管线放在同一个系统试验压力下进行试验时，为满足每条管线对各自试验压力的要求，系统试验压力的取值只大于或等于所有这些管线的标准计算试验压力，试压才算有效。设系统试验压力为PT，管线组中最高试验压力值为Pc，即只有必须满足PT≥Pc，系统实验压力PT才能满足所有管线的强度试验压力值的要求，试压才是满足标准要求的。

由系统实验压满足条件PT≥Pc可知，当取PT=Pc时系统实验压力PT取值最小，是满足试验压力的最低要求。由应力校核公式（1）可看出，同一管道条件的试验压力PT和它产生的应力δt成正比，那么，当PT=Pc时，Pc产生的δt也最小，在此试验压力下系统相对最安全，因此可将 PT=Pc确定为系统试验压力，以待校核。

2.2.2 气压包系统的超压试验

管道组包是利用管线的试验压力计算值作为分类依据，把试验压力计算值相近的管线组合在一起试压，在实际施工过程中，因为系统试验压力PT取线组中最高试验压力值Pc确定为系统试验压力，对于试压包中的一些管线来说，系统试验压力超过了其施工及验收标准的要求，给管线的安全带来不确定的影响，这就是管线的超压现象。可以看出管线的试验压力超压是由试压包的组包方法决定的，是不可避免的，因此超压状态试验是试压包试压过程中最主要的特点。

我们把管线组中最大试验压力值和最小试验压力值之差称为“超压范围”，记作P。施工中，增大P值可在更大的范围内选择管线组包，使组包成功效率提高。但随着P值的持续增大超压现象将更严重，最大试验压力Pc 引起管线的周向应力可能超出试验温度下的屈服强度，给管线系统的试压安全造成危害，因此选择较小的P相对安全，但择试压包的P值太小，实际操作中难以找到符合条件的管线，使组包成功能功率大大降低。因此，适当选择P值，原则是既要保证组包机率又要保证系统的安全性。

通常在施工中利用气压包组包P值不超过0.5MPa的条件可快速组包，成功率也较高，这种条件是一种经验的判断。实践证明选择0.5MPa的超压组包成功率较高，这主要是在石油化工装置建设过程中大部分是中、低压管道，0.5MPa的试验压力差值范围可覆盖的中、低压管道较多，另一方面0.5MPa的试验压力差值P数值较低，对于大多数中、低压常用金属管道组包是安全的。所以选择0.5MPa的试验压力差值P快速组包被一些单位广泛应用，如中石化十建公司、四公司，南京工程公司等均在采用此做法。但要准确知道P（max）对管道安全的影响，还须对试压包系统试验压力PT产生的周向应力δt进行定量分析。

3 管道试验压力应满足的主要限制条件3.1 超压试验中的应力校核

标准除了对基本的试验压力取值的规定外，GB/T20801.5中9.1.1.2 a）中还规定了对试验压力的另外限制：“如果试验压力产生周向应力或轴向应力超过试验温度下的屈服强度时，试验压力可减至该温度下不会超过屈服强度的最大压力[2]”。可见，这一条是出于安全的考虑，对管线的最大试验压力也做了限制。

根据圆筒形的薄璧理论[3]，理想状态下周向应力是轴向应力的2倍，材料的破坏主要是周向应力的结果，因此管线中如果没有特殊的轴向拘束力，我们只考虑周向应力即可。GB50316-2000给出了周向应力校核公式：

δt= PT[DO-（tsn-C）]/[2（tsn-C）] （式1）气压试验校核公式： δt

δ―管道试压条件下的周向应力；

PT―管道强度试验压力；

DO―管段外径；

tsn―管道名义厚度；

C―管道厚度附加量之和；

δS―管道材料标准常温屈服点；

Ej―焊接接头系数；

为计算方便，试压管线如果为新建全焊接管线，可设C=0、将上述公式（3）可简化：

δt =0.5PT（DO/tsn-1） （式3）

应力校核是保证气压试验安全的重要理论依据之一。如果管道试压值在标准规定的试压值范围内，试压就没有必要校核，当管道的试验压力超过了标准规定的试压值时，管道的试压安全性变得不确定，就必须按规定校核。试压包多数管线是在超压的情况下试压，因此，原则上应对每条超压管道进行校核。由当PT=Pc时，Pc产生的δt最小，校验公式（2）的条件更容易满足，因此应将气压包系统的初定值PT=Pc代入公式（1）或（3）计算各管道的周向应力，并分别按公式（2）校核比对，公式（2）的校核应满足每条管线的限制条件，试压包才是安全和有效的。