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首页 > 压力管道许可证 > GC类工业管道 > 管道气压试验如何进行安全性分析？安装许可证：管道气压试验如何进行安全性分析？
概述
新建管道系统安装完毕后或运行管道改造完成后，为检验管道系统完整性应进行压力试验，并进行严密性试验对系统的泄露性进行检查，尤其是法兰、螺纹连接处。管道严密性试验可结合压力试验一并进行。
按试验介质不同，压力试验可选择液压试验和气压试验，但首先应采用液压试验，多为水压试验。在液压试验缓慢升压过程中可以释放管道系统中局部的应力集中。当液压试验压力达到2.4 MPa、气压试验的压力达到0.2 MPa 时，就应关注到管道系统内部因承压而存在的能量释放风险。
对于不宜采用水压试验的场合或不具备试验条件时，可采用气压试验，但应采取相应的安全技术措施。当液压试验和气压试验都不可行时，可采取替代的方法，如对焊缝进行100％ 无损检测，由设计单位对管道系统进行柔性分析等。输送极度和高度危害介质以及可燃介质的管道，在压力试验合格后，应以空气为介质进行泄露性试验。采用气压试验时安全风险性大，近几年气密试验造成的事故时有报道。笔者就管道气压试验的安全性进行了研究。
按试验介质不同，压力试验可选择液压试验和气压试验，但首先应采用液压试验，多为水压试验。在液压试验缓慢升压过程中可以释放管道系统中局部的应力集中。当液压试验压力达到2.4 MPa、气压试验的压力达到0.2 MPa 时，就应关注到管道系统内部因承压而存在的能量释放风险。
对于不宜采用水压试验的场合或不具备试验条件时，可采用气压试验，但应采取相应的安全技术措施。当液压试验和气压试验都不可行时，可采取替代的方法，如对焊缝进行100％ 无损检测，由设计单位对管道系统进行柔性分析等。输送极度和高度危害介质以及可燃介质的管道，在压力试验合格后，应以空气为介质进行泄露性试验。采用气压试验时安全风险性大，近几年气密试验造成的事故时有报道。笔者就管道气压试验的安全性进行了研究。
采用气压试验的条件
当管道的设计压力低于0.6 MPa 时，可以采用气体作为介质进行压力试验。如果设计压力大于0.6 MPa，认为采用水压试验不切实际时［1］ ，例如结构设计未考虑管道系统充满水的静载荷，或者生产中管道内部不允许有残留水渍，可以采用气压试验。此时，气压试验应考虑到试压时材料没有非延性断裂的风险，以及最大的风险———温度过低。
SH 3501－2011《石油化工有毒、可燃介质钢制管道工程施工及验收规范》规定石油化工管道，除设计规定气压试验的，都应采用液压试验。液压试验有困难的，可采用气压试验代替，但气压试验时压力不宜大于1.6 MPa［2］ 。采用气压试验代替水压试验的，或者试验压力大于1.6 MPa 的，都应编制专项施工技术方案，制定特殊安全技术措施，经施工单位技术总负责人批准后才能实施。通过广泛调研和现场验证，对于石油天然气站场内工艺管道，当采用空气进行严密性试验时， 试验压力不得高于6.4 MPa［3］ 。
因此，压力试验应首先考虑采用液压试验，一般情况下就是水压试验。由于气压试验安全风险大，风险的大小也与参与试压的系统的大小、试验的压力有关。只有在液压试验不可行时，才考虑气压试验。气压试验所用的气体通常采用洁净、干燥的空气，当采用其他的气体时，应无毒、不可燃。
SH 3501－2011《石油化工有毒、可燃介质钢制管道工程施工及验收规范》规定石油化工管道，除设计规定气压试验的，都应采用液压试验。液压试验有困难的，可采用气压试验代替，但气压试验时压力不宜大于1.6 MPa［2］ 。采用气压试验代替水压试验的，或者试验压力大于1.6 MPa 的，都应编制专项施工技术方案，制定特殊安全技术措施，经施工单位技术总负责人批准后才能实施。通过广泛调研和现场验证，对于石油天然气站场内工艺管道，当采用空气进行严密性试验时， 试验压力不得高于6.4 MPa［3］ 。
因此，压力试验应首先考虑采用液压试验，一般情况下就是水压试验。由于气压试验安全风险大，风险的大小也与参与试压的系统的大小、试验的压力有关。只有在液压试验不可行时，才考虑气压试验。气压试验所用的气体通常采用洁净、干燥的空气，当采用其他的气体时，应无毒、不可燃。
气压试验的安全性分析
气压试验开始前要划分试压系统、编制试压方案，在方案审批完成后开始各项准备工作，包括：气源准备，空压机、集管、盲板、压力表、安全阀等设备材料准备，开展人员培训和安全技术交底，并做好试压时间安排和试压区域的安全隔离。
气压试验时应避免因材料的脆性断裂而带来的安全风险，同时应对参与试压的管道系统储能进行计算，从而计算出安全距离，试压开始前应按计算值进行安全隔离。
3.1 试验温度
气压试验时要考虑到压缩气体中储存能量的释放风险，因此要最大限度减少试压时材料脆性断裂的风险。ASME B31.3－2016 认为试验温度是重要的，设计在材料选择时必须考虑到试验温度［4］ 。SH 3501 规定了试验温度应高于相应金属材料的无延性转变温度。ASME PCC－2－2015 规定了为避免试压时造成材料脆性断裂，试验时金属温度应至少维持在最低设计金属温度（MDMT） 以上17℃［5］ 。最低设计金属温度从材料厂家的试验数据中获得，无法从规范标准中查获。ASME B31.3 －2016 标准中规定有材料使用温度下限值，即设计最低温度（Design Minimum Temperature）。GB／ T 20801.2－2006《压力管道规范工业管道》也规定了不同材料的最低使用温度，以碳钢为例，其免除冲击试验的最低使用温度如图1 所示。
气压试验时应避免因材料的脆性断裂而带来的安全风险，同时应对参与试压的管道系统储能进行计算，从而计算出安全距离，试压开始前应按计算值进行安全隔离。
3.1 试验温度
气压试验时要考虑到压缩气体中储存能量的释放风险，因此要最大限度减少试压时材料脆性断裂的风险。ASME B31.3－2016 认为试验温度是重要的，设计在材料选择时必须考虑到试验温度［4］ 。SH 3501 规定了试验温度应高于相应金属材料的无延性转变温度。ASME PCC－2－2015 规定了为避免试压时造成材料脆性断裂，试验时金属温度应至少维持在最低设计金属温度（MDMT） 以上17℃［5］ 。最低设计金属温度从材料厂家的试验数据中获得，无法从规范标准中查获。ASME B31.3 －2016 标准中规定有材料使用温度下限值，即设计最低温度（Design Minimum Temperature）。GB／ T 20801.2－2006《压力管道规范工业管道》也规定了不同材料的最低使用温度，以碳钢为例，其免除冲击试验的最低使用温度如图1 所示。
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图1 中曲线A 代表的材质有Q235A、Q235B、16Mng 等；曲线B 代表的材质有20 号钢、Q345、16Mn、16MnR 等［6］ 。GB 150.4－2011《压力容器》规定了低温容器液压试验时液体的温度不低于冲击试验温度加20℃［7］ 。目前国内与管道有关标准规范中仅规定了压力试压时要避免材料的脆性断裂（或非延性断裂）风险，试验温度应高于材料的无延性转变温度，但没有就压力试验时的温度进行统一规定。
综上所述，笔者认为气压试验温度可考虑为不低于材料最低使用温度加20 ℃，不同材料的最低使用温度可以从设计标准方便查得。查询图1 可知，以12 mm 厚20 号碳钢为例，试验温度应不低于0℃，10 mm 厚Q235B 的试验温度不低于10 ℃。管道材料及焊缝金属有冲击试验数据的，试验温度应不低于冲击试验温度（取高值）加20 ℃。采用国外材料的，可按ASME B31.3－2016 的规定查询材料的最低设计温度，在此基础上加20 ℃得到气压试验温度下限值，试验温度应高于该温度值。
3.2 试压系统的储能计算
在管道和仪表流程（P＆ID）图上标注试压系统的范围，标明系统编号、管线号、压力表位置、安全阀位置、临时盲板加装位置及编号、打压点、放空点等信息。当使用空气作为试验介质时可按下列公式计算试压系统的储能［5E：
E ＝2.5patV［1－（pa ／ pat）0.286］
式中：E———系统储能，J；
pat———绝对压力，Pa；
V———试验压力下系统容积，m3；
pa———绝对大气压，pa ＝101 325 Pa。
换算成TNT 当量（kg），即TNT＝E ／4 266 920。
3.3 安全距离计算
进行气压试验时，人员距离试压设备或管道的最小距离，即安全距离R 的选取与系统储能E 有关［5］ ，一般：
E≤135.5 MJ Rmin ＝30 m
E ＝135.5～271.0 MJ Rmin ＝60 m
E＞271.0 MJ R ＝Rs（2TNT）1／ 3
其中，Rs为安全系数，在计算安全距离时一般取Rs ＝20。当E≤271.0 MJ，按R ＝Rs（2TNT）1／ 3计算出来的安全距离大于最小限值时，按计算值作为安全距离进行现场隔离。
综上所述，笔者认为气压试验温度可考虑为不低于材料最低使用温度加20 ℃，不同材料的最低使用温度可以从设计标准方便查得。查询图1 可知，以12 mm 厚20 号碳钢为例，试验温度应不低于0℃，10 mm 厚Q235B 的试验温度不低于10 ℃。管道材料及焊缝金属有冲击试验数据的，试验温度应不低于冲击试验温度（取高值）加20 ℃。采用国外材料的，可按ASME B31.3－2016 的规定查询材料的最低设计温度，在此基础上加20 ℃得到气压试验温度下限值，试验温度应高于该温度值。
3.2 试压系统的储能计算
在管道和仪表流程（P＆ID）图上标注试压系统的范围，标明系统编号、管线号、压力表位置、安全阀位置、临时盲板加装位置及编号、打压点、放空点等信息。当使用空气作为试验介质时可按下列公式计算试压系统的储能［5E：
E ＝2.5patV［1－（pa ／ pat）0.286］
式中：E———系统储能，J；
pat———绝对压力，Pa；
V———试验压力下系统容积，m3；
pa———绝对大气压，pa ＝101 325 Pa。
换算成TNT 当量（kg），即TNT＝E ／4 266 920。
3.3 安全距离计算
进行气压试验时，人员距离试压设备或管道的最小距离，即安全距离R 的选取与系统储能E 有关［5］ ，一般：
E≤135.5 MJ Rmin ＝30 m
E ＝135.5～271.0 MJ Rmin ＝60 m
E＞271.0 MJ R ＝Rs（2TNT）1／ 3
其中，Rs为安全系数，在计算安全距离时一般取Rs ＝20。当E≤271.0 MJ，按R ＝Rs（2TNT）1／ 3计算出来的安全距离大于最小限值时，按计算值作为安全距离进行现场隔离。
若Rs ＝20 时计算的安全距离，在现场隔离无法做到时，可以选择表1 中的安全系数替代值重新计算安全距离，但按这个安全距离对人员进行现场隔离时，可能造成的人身伤害或结构破坏的风险会增加。因此，当系统储能E＞271 MJ 时，为降低试压时的安全风险，应考虑将试压系统分解成较小的系统进行试验。
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3.4 试验压力
气压试验的压力为设计压力的1.15 倍。试验前使用空气进行预试验，试验压力宜为0.2 MPa。GB 50235－2010《工业金属管道工程施工规范》规定了输送极度和高度危害介质及可燃介质的管道应进行泄露性试验，试验介质宜采用空气，泄露性试压的压力为设计压力。ASME B31.3－2016 规定了气压试验压力应不低于设计压力的1.1 倍；泄露性试验（Sensitive Leak Test）压力不低于105 kPa 或25％ 设计压力（取小值）。
3.5 安全泄压装置
气压试验有超压能量释放的风险，试验时应安装超压泄放装置，GB 50235－2010 规定设定压力不高于试验压力的1.1 倍。ASME B31.3－2016 规定了设定压力不高于试验压力加10％ 试验压力或345kPa，两者不一致时取较小值，该规定与TSG－D 0001－2009《压力管道安全技术监察规程》的一致。
3.6 焊缝检测
试压用的临时法兰盖和盲板的厚度应经过计算，盲板应进行编号，在试压流程图上标注位置。需要焊接封闭时应选用管帽或封头；当采用内置焊接平盖时，管径应不大于400 mm，试验压力应不大于2.5 MPa［8］ ，且采用V 型焊口加角焊缝设计结构，焊缝需通过100％ VT（目视检测）＋100％ NDT（无损检测）检测合格。
气压试验的压力为设计压力的1.15 倍。试验前使用空气进行预试验，试验压力宜为0.2 MPa。GB 50235－2010《工业金属管道工程施工规范》规定了输送极度和高度危害介质及可燃介质的管道应进行泄露性试验，试验介质宜采用空气，泄露性试压的压力为设计压力。ASME B31.3－2016 规定了气压试验压力应不低于设计压力的1.1 倍；泄露性试验（Sensitive Leak Test）压力不低于105 kPa 或25％ 设计压力（取小值）。
3.5 安全泄压装置
气压试验有超压能量释放的风险，试验时应安装超压泄放装置，GB 50235－2010 规定设定压力不高于试验压力的1.1 倍。ASME B31.3－2016 规定了设定压力不高于试验压力加10％ 试验压力或345kPa，两者不一致时取较小值，该规定与TSG－D 0001－2009《压力管道安全技术监察规程》的一致。
3.6 焊缝检测
试压用的临时法兰盖和盲板的厚度应经过计算，盲板应进行编号，在试压流程图上标注位置。需要焊接封闭时应选用管帽或封头；当采用内置焊接平盖时，管径应不大于400 mm，试验压力应不大于2.5 MPa［8］ ，且采用V 型焊口加角焊缝设计结构，焊缝需通过100％ VT（目视检测）＋100％ NDT（无损检测）检测合格。
安全性技术措施
4.1 安全隔离
试压现场应加设围栏和警示牌，并有专人现场监督［9］ 。气压试验的升压宜安排在周末或夜晚休息时间进行，试压前按照试压方案中规定的安全距离进行隔离，人员清场。
4.2 升压程序
试压过程中应缓慢升压，减压检查，泄压处理。发现泄漏时严禁带压紧固螺栓、补焊或修补。要避免因升压过快或超压引起爆炸产生的冲击波造成伤害。试验前，应用空气进行预试验，试验压力0.2MPa。缓慢升压至试验压力50％ ，如未发生泄漏，继续按试验压力的10％ 逐级升压，每级稳压3 min，直至升至试验压力。在试验压力下稳压10 min，再将压力降为设计压力检查泄漏［1］ 。国外ASME 标准对气压试验的升压过程、检查、泄漏处理有更详细的规定和程序要求，气压试验的升压程序可分以下步骤［5］ 。
1.步骤一
升压至0.17 MPa 或25％ 的试验压力（取小值）；关闭进气阀门稳压10 min；外观检查有误泄漏；如果发现泄漏，应先泄压，然后修补，并重新开始
步骤一；如果未发现泄漏，进入步骤二。
2.步骤二
在步骤一的压力基础上升压0.35 MPa 或35％的试验压力（取大值），稳压3 min，再以同样压力值升压、稳压直至50％ 的试验压力；在50％ 的试验压力下稳压1 0 min。观察压力表的压力损失，如果压力损失超过了10％ 的试验压力，应将系统压力降至25％ 的试验压力，进行泄露点检查；如果未观察到压力损失，进入步骤三。
3.步骤三
按照10％ 的试验压力逐级升压，每级关闭进气阀停压5 min。如果发现压力损失，应降压至25％的试验压力检查泄漏点。如果需要应泄压后进行修补，返回步骤一；升压至试验压力后，关闭阀门后观察表压10 min；将压力降至设计压力。
4.步骤四
检查整个管道系统泄漏情况，包括法兰、焊缝、螺纹连接等位置；如果未发现有泄漏，可以开始缓慢泄压；如果发现泄漏需要处理，应泄压后进行修补。重复步骤二和步骤三。
4.3 泄露性试验
容器在耐压试验合格后进行泄露性试验，气密性试验是泄露性试验的方法之一，试验压力为容器的设计压力［10］ 。管道泄露性试验在耐压试验合格后进行，试验介质宜采用空气。泄漏试验时，压力逐级缓慢上升，当达到试验压力，并且停压10 min 后，用涂刷中性发泡剂的方法，巡回检查所有密封点，以不泄漏为合格［10］ 。TSG－D 0001－2009 没有规定试验压力的数值，GB 50235－2010 规定泄露性试验压力应为设计压力。
试压现场应加设围栏和警示牌，并有专人现场监督［9］ 。气压试验的升压宜安排在周末或夜晚休息时间进行，试压前按照试压方案中规定的安全距离进行隔离，人员清场。
4.2 升压程序
试压过程中应缓慢升压，减压检查，泄压处理。发现泄漏时严禁带压紧固螺栓、补焊或修补。要避免因升压过快或超压引起爆炸产生的冲击波造成伤害。试验前，应用空气进行预试验，试验压力0.2MPa。缓慢升压至试验压力50％ ，如未发生泄漏，继续按试验压力的10％ 逐级升压，每级稳压3 min，直至升至试验压力。在试验压力下稳压10 min，再将压力降为设计压力检查泄漏［1］ 。国外ASME 标准对气压试验的升压过程、检查、泄漏处理有更详细的规定和程序要求，气压试验的升压程序可分以下步骤［5］ 。
1.步骤一
升压至0.17 MPa 或25％ 的试验压力（取小值）；关闭进气阀门稳压10 min；外观检查有误泄漏；如果发现泄漏，应先泄压，然后修补，并重新开始
步骤一；如果未发现泄漏，进入步骤二。
2.步骤二
在步骤一的压力基础上升压0.35 MPa 或35％的试验压力（取大值），稳压3 min，再以同样压力值升压、稳压直至50％ 的试验压力；在50％ 的试验压力下稳压1 0 min。观察压力表的压力损失，如果压力损失超过了10％ 的试验压力，应将系统压力降至25％ 的试验压力，进行泄露点检查；如果未观察到压力损失，进入步骤三。
3.步骤三
按照10％ 的试验压力逐级升压，每级关闭进气阀停压5 min。如果发现压力损失，应降压至25％的试验压力检查泄漏点。如果需要应泄压后进行修补，返回步骤一；升压至试验压力后，关闭阀门后观察表压10 min；将压力降至设计压力。
4.步骤四
检查整个管道系统泄漏情况，包括法兰、焊缝、螺纹连接等位置；如果未发现有泄漏，可以开始缓慢泄压；如果发现泄漏需要处理，应泄压后进行修补。重复步骤二和步骤三。
4.3 泄露性试验
容器在耐压试验合格后进行泄露性试验，气密性试验是泄露性试验的方法之一，试验压力为容器的设计压力［10］ 。管道泄露性试验在耐压试验合格后进行，试验介质宜采用空气。泄漏试验时，压力逐级缓慢上升，当达到试验压力，并且停压10 min 后，用涂刷中性发泡剂的方法，巡回检查所有密封点，以不泄漏为合格［10］ 。TSG－D 0001－2009 没有规定试验压力的数值，GB 50235－2010 规定泄露性试验压力应为设计压力。
ASME B31.3－2016 规定泄露性试验（SensitiveLeak Test）的压力不低于105 kPa 或25％ 的设计压力（取小值）。试验时应逐步加压到试验压力的50％ 或170 kPa（两者比较取小值），保持足够长的时间进行泄露检查，然后逐级升压至试验压力，每级应停留一定时间，以平衡管道系统的应力。ASMEPCC－2 规定了泄露性试验的压力不大于35％ 的设计压力，逐级升压应按10％ 的试验压力进行，每级保持30～60 s。
综上所述，为尽可能降低泄露性试验时管道系统积累的能量，笔者认为可将泄露性试验的压力规定为不小于25％ 的设计压力（或105 kPa，取小值），且不超过35％ 的设计压力。设计单位可以在设计文件中规定和明确，施工单位按照设计文件的规定来执行。这样可以避免在设计压力下进行泄露性试验时可能造成的安全风险。当然，泄露性试验也可以结合试车一并进行。
如果设计单位或建设单位坚持在设计压力下进行泄露性试验，施工单位应严格按照气压试验的程序要求来准备施工方案，试验前确保参与试验的所有管道组成件、焊缝质量是合格的，并已经过了液压试验的强度检验。
结论
压力试验时应尽量避免采用气压试验的方式。采用气体进行压力试验时超压能量有释放的风险，应安装安全泄压装置，系统储能的大小与试验压力和系统的大小有关。为降低风险，要尽量将超大系统分解成几个较小的系统单独试验，当无法分解为较小的系统时，应严格按计算的安全距离进行隔离和人员清场。为了避免气压试验时材料发生脆性断裂，试验温度不得接近材料的延性－脆性转变温度。气压试验前应核查所有的管道组成件、所有焊缝质量合格。相比国内标准，国外标准对气压试验的缓慢逐级升压过程有详细的描述，可在气压试验方案编制时引用。以空气进行泄露性试验时设计单位应规定尽可能低的试验压力（最高不小于35％ 的设计压力），在设计单位或建设单位坚持以设计压力进行试验时，施工单位应核查试压系统所有管道组成件、焊缝质量合格，且经过了液压试验的强度检验。
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