长输管道水压试验的排空问题

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2003年第25卷第4期 安金龙:长输管道水压试验的排空问题21

管道施工

长输管道水压试验的排空问题

安金龙

(江汉石油管理局油田建设工程公司,潜江 433123)

摘 要 长输油气管道水压试验中,采用加皮碗式清管器隔离法试压充水,可以有效排净管内高点空气,提高工作效率,降低试压成本。

关键词 油气管道 水压试验 排空

1 前言

强度及严密性试验是长输管道工程施工的重要工序,也是投入运行前对管道进行安全性检查的主要手段之一。洁净水是长输管道强度及严密性试验的常用介质。在水压试验的实践中,试验充水的排空问题一直得到广大工程技术和作业人员的高度重视。但也有少数人由于对流体的性质掌握不够,对规范的要求理解不深,采用了无效的排空方法,大大降低了工作效率,增加了试压成本。

比较典型的错误就是将 高点排空 理解为 最高点排空 ,以为在试压管段的两端各安装1个高点空管,只要这两个排空管的排气口处于试压管的最高点,就可以达到排尽管内空气的目的(见图1),期望安装图1

的装置能够排除管内存留的空气。

图3 (加隔离器)试压充水示意图

水溢出,似乎表明管内已经充满水的时候,管道中间的高点位置实际上仍然存留了一定量的空气。这部分空气并没有像一些人想象的那样从管段的最高点逸出。

当我们加大供水流量使管内水流达到较高速度的时候,原积聚在塑料管中间高点位置的空气会逐渐被水携带从管段的出水端逸出。

实验二:同样的塑料管,同样的布置,不同的是在注水口放入一个活塞隔离器;只要充水压力足以推动活动塞隔离器,当出水端有水溢出时,管内存留空气基本排净(图3)。

3 实验分析

图1 水压试验中的典型错误排空法

3 1 根据以上的基础实验,结合流体力学的原理,我们可以看出:

(1)当试压充水的速度比较慢,管内水流处于层流状态的时候,水在管内的运动仅限于质点之间的摩擦和变形。这种摩擦和变形不能使水流携带空气。升高试压管段两端的排气口不可能将管内所有高点的空气完全排除。

(2)当试压充水的速度加快到一程度,管内水流至少处于紊流的混合摩擦状态的时候,水在管内的运动除了质点之间的摩和变形外,还存在着互相碰撞和掺混。这种碰撞和掺混可以使水流夹带空气。如果排空的时间足够长,排出的水量足够多,管内的空气就可以全部被水流夹带出来。

(3)作为一种机械方法,试压充水加入隔离器可以有效地排除管内空气。

, 其实不然。为了直观地说明问题,我们可以做一个简单的实验。2 基础实验

实验一:取一段长度2m的透明塑料管,将其布置成两端最高,纵向有多个起伏的弯曲形状,管内不加任何隔离物;从塑料管的一端匀速缓慢地向管内注水,直到另一端有水溢出为止(图2)

。

图2 (不加隔离器)试压充水示意图

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22化工建设工程 2003年第25卷第4期

水平地或以一个固定的坡度进行铺设。它总是蜿蜒起伏的。试压充水时既不可能,也不充许在沿线的每一个高点都开孔排空。理论上分析,采用图1所示的 最高点排空法 进行排空必须同时具备两个条件:

(1)安装多台大排量的充水泵,使管内水流至少达到完全紊乱的混合摩擦状态。

作为一个例子,如果试压管段的管径为Dn500,钢管内表面的粗糙度为0.15mm,水的运动粘度为0.01cm/s,通过水力学计算,我们可以求得,要使管内水流达到完全紊流的混合摩擦状态,充水流量至少应达到406m/h(流速0.574m/s)。

(2)在出水端,排空的时间要足够长,以便距出水端最远的高点空气能够被充分携带出来。

但是,这两个条件在实践中都是难以做到的,特别是第(2)条无法操作。

3 3 因此,作为结论: 高点排空 最高点排空 ;图1所示的 最高点排空法 不能用于试压管段的排空作业;试压充水加隔离器是排除管内空气的有效方法;这已被大量的试压实践所证明。4 充水排空的必要性

作为排空问题的补充,有必要对充水排空的必要性做进一步的讨论。

先通过计算来看一看管内存留空气对水压试验的影响。

我们知道,空气微溶于水,难以与水混合。但为简化讨论,我们假定空气不溶于水,也不能与水混合。

设试压管段的总容积为Vm,管内空气总量为Vg,水总量为Vw,则Vm=Vg+Vw。当管段内压力增加 P时,泵入的增量水的体积在管内压力下为 Vm,管内空气的体积减少 Vg,管内水的体积减少 Vm,那么,增量水在管内压力下的体积应等于管内空气的体积减小量和管内水的体积的减小量的和。即:

Vm= Vg+ Vw

根据体积弹性模量的定义,可以得到:Vm P/Km=Vg P/Kg+Vw P/Kw

式中,Km、Kg、Kw分别为空气-水混合物体积弹性模量、纯空气体积弹性模量和纯水的体积弹性模量。

将上式变形为:

的时间

32

1/Km=Vg/Vm 1/Kg+(1-Vg/Vm)Kw水压试验时,Kw 2.1 104bar。

如果Vg/Vm=1%,当管内压力为1bar时,则有:1/Km=1% 1/1+(1-1%)/2.1 104=210.99/2.1 10

=210.99/Kw即Km=0.5%Kw

这说明管内存有1%空气时,起始阶段的水压试压效率仅为空气完全排空时的0.5%;且通过类似的计算我们还可以知道,空气所占总容积的比例越小,试压效率越高;管内压力越高,试压效率越高。

此外,虽然前苏联采用过天然气-水或空气-水的混合介质进行油气管道的强度及严密性试验,此时,试压管段各个高点的试验压力等于采用气压试验时的试验压力,各个低点的试验压力等于采用水压试验时的试验压力,但这种试验方法并没有得到推广。其主要原因就在于工作效率较低。

因此,水压试验充水时采取有效措施进行排空很有必要。

5 试压实例

表1是西气东输26标段两条河流定向穿越管段的水压试验情况的对比,从中可以看出有效排空与否对水压试验效率的巨大影响。

表1 水压试验对比

工程名称管径管道材质试压管段长度

北兴塘河定向穿越 1016 26.2

X70556m

进水端稍高,中间最高,另一端最低。管道呈抛物线状。最高点与最低点位差约1m。 15.0

塘河定向穿越 1016 26.2

X70548m

进水端较低,中间3个高点,另一端较高。管道呈正弦曲线状。最高点与最低点位差约1m。 15.0

4

管道沿线地形特征

最高试验压力MPa(表压)排空方法升压时间

本文图1所示的最高点排

加皮碗式清管器隔离法(末

空法(两端充分排空,无空

端出水,无空气逸出为止)

气逸出为止)

340h

15h

[注]升压时间:充完水后用试压泵增压。从0MPa(表压)升至15.0MPa(表压)

参考文献

1 干线管道施工手册 [苏] 奇尔勘斯科夫等著.2 液压流体力学 浙江大学,盛敬超编.

(收稿日期:2003-05-07)

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qh6j.html