压力管道气压试验包的特点及限制条件分析

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A S M E36.3 、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P T，管线组中最高试验压力值为P c，即只有必须满足P T≥P c，系统实验压力P T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P T≥P c可知，当取P T=P c时系统实验压力P T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P T和它产
生的应力δt成正比，那么，当P T=P c时，P c
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P T=P c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P T取线组中最高试验压力值
P c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P c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0.5M P a
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P T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= P T[D O-（t sn-C）]/[2（t sn-C）] （式1）
气压试验校核公式：δt＜0.8 E jδS（式2）
其中：
δ—管道试压条件下的周向应力；
P T—管道强度试验压力；
D O—管段外径；
t sn—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；
E j—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 =0.5P T（D O/t sn-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P T=P c时，P c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P T=P c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。

3.2 气压管道的破坏模式分析
ASMEIWB-3650《压力管道缺陷评定》
压力管道气压试验包的特点及限制条件分析
王涛
武汉检安石化有限公司 湖北 武汉 430082
【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
把管道破坏分为三种模式，即塑性破坏失效、韧性撕裂失效和脆性断裂失效。

前两种破坏模式是由于管道薄膜应力超过材料的屈服极限和强度极限，从而引起管道破坏，这种情况下，管道一般不碎裂，所以造成的危害性较小。

脆性破坏模式就是低应力脆断。

此时管道的应力远远小于材料的许用应力，破裂前变形较小、不易察觉，破裂后产生大量碎片，产生的危害性极大。

3.2.1 管道的韧性条件
管道的前两种破坏模式应采用韧性条件分析，当用气体试压时，管道有微小缺陷可能发生泄漏或破裂，这是允许的。

但如果造成长距离的爆破或撕裂，就属于事故。

当管道自身的承压应力值大于管道的内压应力时，在某些缺陷部位会发生起裂，但不会发生长距离的爆破和撕裂。

理论上，管道的夏比试样冲击韧性值应大于止裂所需的夏比试样冲击韧性值。

为了确定管材所需的止裂韧性，国外许多机构都进行了研究，建立了多种止裂韧性预测公式，主要有美国的Battelle公式（TCM 模型）及高强、高韧性管材的修正公式：（1）Battelle公式：CVNmin=2.382*10-5σ2（Rt）1/3 （式4）
（2）高强、高韧性管材的修正公式：CVNmin=CVN+0.002CVN2.04- 21.18 （式5）合格条件：CVN>94J
其中：
CVNmin—止裂所需的最低夏比冲击功/ J；
R—钢管半径/mm；
t—钢管壁厚/mm ；
σ—钢管在工作状态下所受的环向应力/ MPa；
采用Battelle公式预测管道所需要的止裂韧性，公式（4）可计算出止裂所需的最低夏比冲击功，延性断裂得到止裂的条件是管材的夏氏冲击值CVN应大于得到止裂所需的最小夏氏冲击值CVNmin，即CVN> CVNmin 时达到止裂条件。

当预测值大于94J时，应采用修正公式（5）进行修正，若估计管材可能出现严重的断口分离现象，可将比裂预测值加大50%。

把试验压力作为工作状态时，包内部分承压能力较弱的管线由试验压力P T引起的环向应力σ相对较高，公式（4）中CVNmin 值会有较大升高，导致条件变化。

因此，以气体作为试压介质时，在编制试压包试压方案和组织试压前，应该对管体止裂韧性进行计算，以防止发生管道爆破或撕裂事故。

要使管道空气试压时不发生大段的管道破裂，必须考虑管材的止裂韧性，新安装的压力管道，在满足材料强度及韧性指标的条件下，可以选择气压试验，否则，必须采用液压试验。

3.2.2 脆性条件
脆性断裂的扩展能否得到止裂，取决于管中介质减压波的速度和裂纹在金属中的扩
展速度之间的关系，裂纹在金属中的扩展速
度与金属材料有关，也与该金属所处的温度
有关[4]。

由于储存在压缩气体中的能量释放具有
危险性，必须将气压试验时脆性破坏机会减
至最小程度。

当同等条件下用水作为试压介
质时，水的压缩性非常小，管道内水的减压
波速度远超过材料裂纹的扩展速度，水压试
验较气压试验不会引起裂纹扩展。

因此，较
难形成长距离破裂和造成严重的次生灾害。

而气体的减压波速远小于水，特别是温度较
低的情况下，材料的裂纹的扩展速度成倍增
加。

当温度低到某一数值时，气体减压波速
度远大于材料裂纹扩展速度，此时不能止
裂，会造成裂纹长距离扩展，形成事故。

很多金属都有低温脆性的特点，温度当
临近材料的脆性转变温度时，材料塑性、韧
性急剧下降，在外力作用下容易发生事故。

GB50235-2010将“脆性材料严禁使用气体进
行压力试验。

压力试验温度严禁接近金属材
料的脆性转变温度”作为强制性条款执行，
是考虑到金属管道气压试验的最大风险之一
在于温度过低。

因此，施工时应考虑试验温
度对材料的脆性的影响，必要时应采取控制
试验温度的措施。

4 工艺装置气压试验中的能量限制
工艺装置结构比较复杂，设备、厂房、
人员分布密集，稍有不慎会给人员、财产造
成巨大损失，试压过程中气体的蓄能安全的
评估就显得尤为重要。

气体的蓄能越强，破
坏力越大，因此要对管道试压过程中的内蓄
能量加以限制。

但内蓄能量值对安全的影响
又与许多因素有关，详细确定有一定困难，
我国规范目前采用的方法是对气压试验压力
值进行限制，如sh3501-2011的8.1.4和8.1.5
都要求气压试验试验压力不易超过1.6MPa；
GB50235-2010中8.6.1条关于气压试验替代压
力不超过0.6 MPa，超过规定试验压力值的应
按规定向设计部门及建设单位报审。

国外一
些工程公司在这方而有具体要求[5]。

Kellogg公司推荐的储能计算的公式为：
E=9.8×104V（10P+11.033）
1n[（10P+1.033）÷1.033] （式6）
式中：
E—气压系统的储能，J；
V—气压系统体积，m3；
P—气压试验压力，MPa；
当试验系统的储能E＜3.4 x107J时，系统
蓄能满足要求。

武汉80万吨乙烯装置“火炬气”气压
包最大口径72”、试验压力0.58MPa、容积
3000m3，按（6）计算蓄能E达到9.3 x108J，
远大于Kellogg公司的储能限制。

可见乙烯
装置“火炬气”气压包由于容积较大，虽然
压力不高，但能量相当巨大，对于这种容积
巨大的系统，显然只对压力进行控制是不够
的，必须对容积进行限制。

气压试验在组包
时，可以把一些实验压力高的管线分割成较
小的系统，把实验压力较低的管线分割成相
对较大的系统，以调整试压包储能。

在划分
系统和建立试压包时，气压系统的储能要求
低于3.4 x 107J可较准确的保证试压安全。

由以上分析可知，只要建立一整套完整
的审批制度，对现场的试验管道进行严格的
检查，在试验温度不是太低，强度校核、缺
陷评定不超过管道材料许可的性能指标，限
制系统储能低于3.4 x 107J的情况下，就能充
分利用气体试验的优势进行试验。

5 结论
（1）气压试验是比较危险的，气压包
在组包的时候，要求组包管线具有“相同施
工、验收标准，同材料类别、各管线实验压
力算值之差相互接近”的条件时才能组包。

试压包试验压力的确定是组包过程的重要的
环节，原则上系统的试验压力值应选择管线
组中最高试验压力计算值为初定值并进行应
力校核，即将P T=P c定为系统试验压力，以
待校核。

（2）超压试验现象是气压包的特点，
超压试验对管线造成的安全影响是不确定
的。

超压对管线的安全影响必须利用管线组
中的最大试验压力产生的周向应力与各管线
的限制条件进行定量比对分析后才能判断，
试验压力产生的应力应满足每条管线的限制
条件，试压包才是安全和有效的。

（3）在编制试压包试压方案和组织试
压前，应该对管体止裂韧性进行计算，以防
止发生管道爆破或撕裂事故；低应力脆断所
产生的危害性极大，金属管道气压试验的最
大风险之一在于温度过低，试验时应防止试
验温度接近金属材料的脆性转变温度。

（4）工艺装置气压包试验中应对能量
进行限制，我国规范目前只对试验压力有些
限制，没有考虑气压系统体积的影响，当系
统比较庞大时，容积的影响不容忽视。

气压
系统的储能要求低于3.4 x 107J可较准确的保
证试压安全。

参考文献
[1] 黄小军.石化装置管道系统的试压方案分
析.[J].能源环境，2003 122
[2] G B/T20801.5-2006.压力管道规范.工业管
道[S].中国国家标准化管理委员会，2006-
6-1，6
[3] 张石铭.化工容器及设备[M].湖北科学技术
出版社，1983. 12
[4] 播家华.断裂力学在油气管道工程上的应用，
[J].油气管道技术，1980年增刊
[5] 张红印.石化装置金属管道的压力试验[J].
化工施工技术，2000 22-26
作者简介
王涛（1970－），湖北武汉人，汉族，大专，武
汉检安石化有限公司，工程师 主要从事石油化
工装置管道、压力容器等的维修及建设。

压力管道气压试验包的特点及限制条件分析
作者：王涛
作者单位：武汉检安石化有限公司 湖北 武汉 430082
刊名：
中国石油和化工标准与质量
英文刊名：China Petroleum and Chemical Standard and Quality 年，卷(期)：2013(4)
本文链接：/Periodical_hgbzjlzl201304211.aspx。