石油化工管道系统试验的设计

董振杰(中国石油工程建设有限公司，北京 100120)

0 引言

在炼厂管道安装完成后需要进行系统试验，试验分为压力试验和严密性试验。

本文主要论述在国内外项目中各种常用的试验方法及试压包的编制。

1 压力试验

管道压力试验的目的是检查管道系统的承压能力，检查焊接质量，同时检验管道系统的柔性。

1.1 液压试验

1.1.1 试验压力的规定

ASME B31.3—2018 《Process Piping》[1]中规定了试验压力最小值的计算方法，如式(1)所示：

式中：PT为最小试验压力；P为设计压力；ST为试验温度下的许用应力；S为设计温度下的许用应力。

由于在高温条件下管道材料的力学性能会下降，因此当管道系统的设计温度高于试验温度时，管道系统的试验压力应按比例提高，修正系数为ST/S。

GB/T 20801—2020[2]关于试验压力的描述与ASME B31.3相同，均是通过式(1)计算，而且计算值均为最小值。

SH 3501—2011[3]关于试验压力的描述与ASME B31.3不同，虽然均是通过式(1)计算，但是SH 3501规定计算值就是试验值，而未说明是最小值。

GB 50517—2010[4]关于试验压力的描述与ASME B31.3也不同，虽然均是通过式(1)计算，但是GB 50517规定计算值就是试验值，而未说明是最小值。

虽然SH 3501和GB 50517均未明确计算值就是试验最小值，但是标准中同时也提到了最大不允许使试验条件下产生的周向应力或轴向应力超过试验温度下材料屈服强度的90%，这时对应的试验压力为试验压力的最大值。

ASME B31.3和GB/T 20801规定试验压力最大值为导致产生屈服强度时对应的压力。为了保险起见，将导致产生90%屈服强度的应力(等于1.33倍许用应力)代入ASME B31.3和GB/T 20801的直管壁厚计算公式，即可反算出已知管道的最大承受压力，此为最大试验压力。

对于夹套管，内管试压压力应按内部或外部设计压力中的较大值确定。

管道压力试验的目的是检查管道系统的承压能力。由于管道材料在高温条件下力学性能下降，当管道系统的设计温度高于试验温度时，管道系统的液压试验压力应按比例提高。但提高后的试验压力不应导致管道材料损坏。

管道的液压试验压力经换算后数值可能提高，使其在试验条件下产生的周向应力或轴向应力超过了材料屈服强度或管道组成件的额定压力(管道组成件标准规定的压力值)的1.5倍，使试验过程增加了不安全因素，所以必须将试验压力降低，以满足液体压力试验时管道组成件应力值在安全范围内的要求。

在试验压力下管道组成件的内压圆周应力可按相关设计规范进行计算。计算得到的实际圆周应力不得超过材料屈服强度的90%。否则应降低试验压力直至材料屈服强度的90%。

管道系统的设计压力与处于同一系统的设备设计压力可能不同，且设计压力相同的管道与设备，其试验压力也可能不同，当管道与设备作为一个系统进行试验时，应对试验压力进行调整，以保证设备安全。

在确保安全的条件下，液压试验可用气压试验替代。同时，GB/T 20801规定对于GC3级管道，可采用初始运行试验代替液压试验。ASME B31.3中规定对于D类流体工况，可采用初始运行试验代替液压试验。

对于液压试验的免除，按照GB/T 20801的要求只有满足以下条件时才可以免除液压试验：“液压试验会损坏衬里或内部隔热层，或会污染生产过程(该过程会由于湿气而变为危险的、腐蚀的或无法工作)，或在试验中由于低温而出现脆性断裂的危险”。

GB/T 20801规定，对于液压试验免除的条件为：当液压和气压试验都不切实际时，可采用9.1.7中的方法。这里要强调的是压力试验免除后并不只是进行100%无损检测就满足设计要求。此外，还必须进行(1)管道系统柔性分析；(2)进行敏感性泄漏试验。

ASME B31.3对于压力试验免除的条件及免除后的要求与GB/T 20801基本相同。不同点是ASME B31.3中规定了，由于液压试验介质产生的较大载荷而导致管道支撑需要大的改变时，可以免除液压试验。

1.2 气压试验

1.2.1 试验压力的规定

ASME B31.3规定，气压试验最小值为1.1倍的设计压力。GB/T 20801规定试验压力应为1.15倍的设计压力，并未说明此为最小值。

ASME B31.3规定，气压试验最大值为1.33倍的设计压力和导致90%屈服强度压力中的较小者。GB/T 20801中并未明确规定试验压力的最大值，但是9.1.1.2条中规定：“如果试验压力会产生管道周向应力或轴向应力超过试验温度下的屈服强度时，试验压力可减至在该温度下不会超过屈服强度的最大压力”。

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1.2.2 气压试验的替代和免除

GB/T 20801规定，气压试验免除的条件为：气压试验具有危险性，或正试验中由于低温而出现脆性断裂的危险，可采用9.1.7中的方法。

ASME B31.3对于气压试验免除的条件及免除后的要求与GB/T 20801相同。

1.3 试验盲板的设计

盲板是完成压力试验的一个非常重要的元件，盲板的厚度和安装方式对于压力试验的安全性有着非常重要的作用。图1为国外某项目水压试验现场，出现了盲板变形、焊缝开裂、管道弯曲、管托脱落。事故发生后分析原因，主要是由于盲板厚度不够且与管道的连接强度也不高，因此高压下引起变形，焊缝撕裂，导致盲板脱落，从而造成高压水喷出，形成的反作用力将管线移位。

图1 水压试验过程中焊接盲板脱落

压力试验用封头盲板的最小厚度应按式(2)计算：

式中：t为盲板厚度；d为管道内径；C取0.33；P为设计压力(0.1 MPa)；S取1 379(碳钢)，1 150(300系列不锈钢)；E取1。

压力试验用插板的最小厚度应按式(3)计算：

式中：T为盲板厚度；d为突面或平面法兰的垫片内径，或环连接面垫片的平均直径；P为设计压力(0.1 MPa)；S取1 379(碳钢)，1 150(300系列不锈钢)；E取1；C取0。

2 严密性试验(泄漏试验)

泄漏试验重点检查部位是法兰、阀门填料、螺纹接头等位置的泄漏。

GB/T 20801中规定，对于输送极度和高度危险流体以及可燃流体的管道，应进行泄漏试验，试验压力为设计压力。

ASME B31.3中没有与之对应的泄漏试验，但是在执行海外项目时也需要进行系统泄漏试验。国际工程公司常用的泄漏试验试验压力规定如下。

(1)当操作压力≤0.25 MPag时，试验压力为设计压力和安全阀设定压力减0.1 MPag中的较小者。

(2)当0.25 MPag＜操作压力≤0.7 MPag时，试验压力为操作压力。

(3)当操作压力＞0.7 MPag时，试验压力等于0.7 MPag。

3 试压包

由于一套炼油装置一般包含数百条管线，除去大多数公用工程管线试验压力相同外，工艺管线、污油污水、放空气、加药等管线一般有着不同的试验压力，如果完全按照管道表进行试压，则需要编制太多的试压包，现场试压工作量巨大。因此，为了减少试压工作量，将连在一起且试压压力接近的管线可一起打压，统一的试验压力应满足每条管线最大值和最小值的要求。通常，不同管线划在一个试压包时，需要满足以下条件：

(1)一般是相同的管道等级下合并，因为不同的管道等级所包含的阀门和法兰的承压能力相差很大，因此合并的可能性较小；

(2)阀门和法兰按照相关标准的规定，最大允许值按1.5倍的38 ℃下的许用应力确定；

(3)管子、管件按试验压力应满足本文对压力试验章节对试验压力的要求；

(4)同时，还应考虑特殊件、仪表件等对管线试验压力的限制；

(5)考虑到气压试验的危险性，不建议对气压试验管道进行合并，除非有完全相同的试验压力。