海洋工程中压力容器和管线高压气密试验安全距离的计算与应用

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第6期
海洋工程中压力容器和管线高压气密试验安全
距离的计算与应用
宋健
（海洋石油工程（青岛）有限公司， 山东 青岛 266520）
[摘 要] 气密试验是测试压力容器及管线系统在工作状态下密封性能的试验。

根据不同工作压力的容器和管线系统，气密试验压力也不同。

压力较高、容积较大的气密试验危险性非常大，容易造成严重的工程事故。

气密试验中的隔离距离是保证试验安全的最重要环节，本文介绍气密试验安全距离的理论计算与实际应用。

[关键词] 压力容器；气密试验；安全距离；计算
作者简介：宋健（1985—），男，山东滨州人，本科学历，海洋
石油工程股份有限公司建造事业部中级工程师。

海洋石油工程中的压力容器和工艺管线系统数量较多，流程复杂，在工程完工后一般都要进行泄漏性试验，测试容器及管线系统在工作压力下的密封性。

对于工作状态为气介质的容器和管线，要用压缩空气和氮气进行气密试验。

高压气密是危险性特别大的一种压力试验，容易造成安全事故。

如2009年上海天然气公司小洋山LNG 气密试验爆炸事故，造成一人死亡、十余人受伤的事故。

为避免该类事故再次发生，气密试验一定要设置精确的安全隔离距离，避免操作人员和其他人员受伤。

1 气密试验前期的安全准备工作
为确保气密试验的安全作业，在试验之前要完成下列准备工作：
(1)检查所有的压力容器元件和管路，必须严格按照图纸安装完毕，所有元件附件，如压力表、变送器等按照图纸和规格书要求安装完毕。

(2)气密试验前，所有容器和管道焊接口，需提供NDT 检验合格报告。

(3)气密试验前，需提供压力容器和管线1.5倍设计压力的强度试验报告。

(4)操作人员、质控人员和安全人员需仔细检查待气密试验的设备和管线，按试验方案完成工装选型和连接，确认无误后签署作业许可。

2 气密试验安全距离的定义
气体压缩比远大于液体，如在20℃时，压力为10MPa 的压缩空气，体积为1m 3，如果压力释放为常压，则体积增大为11m 3。

在气密试验中，
受压力和容积的影响，大量气体压缩于试验对象内，形成介质储能。

压力越高，容积越大，储能越大。

工程试验中，常用TNT 当量表示储能释放所产生的能量，可见其危险性。

压力容器或管道在试验时发生爆炸，属于气体绝热碰撞的物理过程。

其产生的危害有两种：一种为气体碰撞做功过程中形成的冲击波，一种为钢结构破损造成的飞散碎片。

这两种危害均可造成人员伤亡的后果。

因此，在气密试验时，要根据理论安全距离设置隔离带，严格控制操作人员和无关人员的活动区域，避免产生人员伤亡的悲剧。

3 安全距离的计算3.1试验压力及容积
气密试验的试验压力根据不同的项目有不同的规定，一般来说，选用压力容器和管线系统的操作压力的1.1倍或设计压力的0.9倍。

试验对象的容积是计算储能和安全距离的重要因素，压力试验容积应包含被试验对象容积和试验工装的容积。

3.2 气体储能和TNT 当量计算
根据储能公式，计算试验最高压力时，试验介质的储能E 。

E=［1/(k —1)］×Pat ×V ［1-(Pa/Pat)[(k-1)/k]］ (I-1)
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安全密封
石油和化工设备2019年第22卷
表1 危险等级划分表
表2 不同工况下的理论安全距离
E=stored energy,J(ft-lb);
k=ratio of specific heat for the test fluid;
P a =a b s o l u t e a t m o s p h e r i c pressure,101kpa(14.7psia);
Pat=absolute test pressure,Pa(psia);V=total volume under test pressure,m 3(ft3)如果试验介质是压缩空气或者氮气，k 可取值1.4，则公式简化为：
E=2.5×Pat ×V ［1-(Pa/Pat)0.286］ (I-2)以某项目气密试验为例，试验对象体积为59m 3
，试验压力为1158kPaG ，试验介质为氮气。

带入储能公式，计算可得：
E=2.5×Pat ×V ［1-(Pa/Pat)0.286］
=2.5×(101.325+1158)×59［1-(101.325/1259.325)0.286］=95452.688kJ
通过储能公式计算得出，该气密包在试验压力1158kPa 时的氮气储能为95.453MJ 。

TNT
当量的计算公式如下：
带入上述计算储能E
的数值后可得，该气密包
的TNT 当量为：
即该气密包在压力最高时的储能相当于22kgTNT 爆炸时所释放的能量，数据结果是非常严重的，所以，安全是气密试验中的重中之重。

3.3 安全距离的计算
气密试验安全距离R 的计算公式如下：R=R scaled (TNT)1/3， (I-3)E=stored energy as calculated by eq. (I-1)R= actual distance from equipment and piping R scaled=scaled consequence factor; value for eq. (I-3) shall be 20 m/kg1/3 (50 ft/lb1⁄3) or greater
TNT=energy measured in TNT,kg(lb)
根据上述公式计算得出结果后，试验时人员隔离的最小安全距离可参考以下标准：
(1) R=30mfor E≤135500000J;
(2) R=60mfor135500000J; E≤271000000J;(3) R=100ft for E100000000 ftlb;
(4) R=200ft for100000000 E≤200000000 ftlb;公式R scaled 可视为试验时气体储能的危险等级，危险等级划分参考表1。

Alternative Values for Rscaled 危险等级评估
Rscaled m/kg1/3
Rscaled ft/lb1/3
Biological Effect人身影响
Structural Failure建筑物损坏2050—
Glass windows 玻璃破碎1230Eardrum rupture耳膜破裂Concrete block panels 混凝土损坏
615Lung damage 肺部损伤
Brick walls 砖墙损坏
2
5
Fatal 致命
—
根据不同的危险等级，可计算出不同的安全距离。

需要说明的是，在选取安全等级时，需要参考试验场地的具体情况，根据作业器械、建筑物等密集程度选取危险等级参数。

以fatal （人员
致命）等级和Lung damage ，Brick walls （肺部损伤，砖墙损坏）两个等级为例，可以根据不同等级计算得出不同的安全距离，如表2所示。

容积m³ Piping Volume 操作压力k P a G O p e r a t i o n pressure 试压压力k P a G Test pressure E -M J （储能）story energy TNT当量kg TNT 耳膜损伤
E a r d r u m
rupture
玻璃飞溅损伤
Glass windows
0.0924956374532.14985.310.7927389830.1857871730m 30m
32538627410.13164.827922938.629250860m 60m 54.353505885559.7562501131.18508261m 102m 7.3
24960
27456
401.7982016
94.1658624
55m
91m
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第6期 ◆参考文献
[1] ASME PCC-2 Repair of Pressure Equipment and Piping[S].[2] 钱成文，张延萍，吕彦，等. 输气管道的气压试验技术[J].油气储运，2003，(2)：42-47.
[3] 张宏彬. 管道气压试验安全技术与管理[J].海洋工程装备与技术，2017，(3)：173-177.
收稿日期：2019-01-21；修回日期：2019-04-20
图1 气密试验安全距离示意图
根据不同的危险等级，可分为以下几个安全隔离距离：
(1)作业禁区。

气密试验升降压时禁止任何人员进入，该区域是测试对象发生事故时产生冲击波和大量碎片的区域。

(2)限制区。

非作业人员不得进入，该区域是测试对象发生事故时产生碎片的区域。

该区域由作业人员可进入，但必须要佩戴齐劳保用品，并熟知躲避飞溅物区域和逃生路线。

(3)隔离区。

无关人员不得进入，该区域是事故产生碎片的飞行投影区域，可能会造成无关人员的损伤。

在气密试验实际作业过程前，要严格按照理论安全距离进行有效隔离，尤其在大储能高压气密试验时，要提前书面正式通知作业区无关人员远离试验区域。

试验起压前，要有安全人员再次确认试验作业区域人员清空。

起压后，按照理论安全距离
设置警示标志、拉隔离带、安全人员要在隔离区外边缘处进行安全监督，防止无关人员误入隔离区。

将理论计算应用到实际作业中，避免该类工程事故的发生。

5 结语
安全是施工中最重要的环节，而任何工程在施工过程中都存在着各种各样的风险。

在规避风险时，需要精确的理论基础，合理完善的方案和严格有利的执行，才能将损失降到最小，有效地避免施工作业对人员的伤害。

宋健 海洋工程中压力容器和管线高压气密试验安全距离的计算与应用
4 安全距离的应用气密试验的安全距离计算是编制气密试验方案的安全注意事项的最重要依据，根据具体试验工况，合理选择危险等级R scaled ，根据公式计算得出安全距离，并严格按照安全距离进行人员隔离，是避免人员伤亡的关键所在。

理论安全距离的应用，应体现在气密试验方案的安全事项条目中，并根据不同的危险等级绘制隔离区域图，指导现场工作人员拉隔离带，放置隔离警示牌、安全巡检等。

在气密试验方案中，不同安全等级下的不同隔离区域，如图1所示。