LNG项目管线气压试验安全距离估算与选取

张维 杨继成 王爽 黄盛海 董佳鑫

摘    要：在LNG模块化建造项目的管线工程中，管线试压是其关键工作过程，特别是管线气压试验危险性高，综合性强，安全要求严格。本文以加拿大LNG项目管线气压试验为依托，重点探讨如何估算LNG项目管线气压试验储能与安全距离，分析不同试验压力、试压体积对安全距离的影响，为LNG项目的管线试压提供理论依据。

关键词：管线气压试验；安全距离；风险评估分析

中图分类号：U674.13                            文献标识码：A

Calculation and Application of Safety Distance of Piping Pneumatic Pressure Test in LNG Project

Zhang Wei，  Yang Jicheng，  Wang Shuang，  Huang Shenghai，  Dong Jiaxin

（ COOEC-Fluor Heavy Industries Co.， Ltd.， Zhuhai， 591000 ）

Abstract： Piping pneumatic pressure test is a work item with high risk， strong comprehensiveness and strict safety requirements in LNG project. Based on the LNG project， this article focuses on the calculation of energy storage and safety distance of piping pneumatic pressure test of LNG project and analyzes the influence of different pressure and different test volume on safety distance， providing theoretical basis and experience for piping pneumatic pressure test of LNG project.

Key words： Piping pneumatic pressure test; Safety distance; Risk analysis

1     前言

自60年代以來，模块化技术在海洋工程行业发达的美国、俄罗斯、日本等国得到了迅速发展，已成为现代船舶与海洋工程中的重要技术之一。模块化技术的不断发展，引发了设计思想、建造工艺及项目管理上的重大变革。

模块化设计、建造技术的思路，是把整个LNG站场设计成不同的区域模块，这些模块在不同的地点并行建造，建造完成后通过大型船舶运输到站场所在地进行总装和调试，进而完成整个LNG站场的建造。由于 LNG 站场是一个复杂的系统，涉及许多个子流程、子系统，这些子系统、子流程是由众多的管线系统连接起来的，LNG 站场的尺寸要远大于传统的海洋工程结构物。

本文所引用的项目为加拿大LNG项目，是由荷兰皇家壳牌公司、马来西亚国家石油公司、中国石油天然气股份有限公司、日本三菱公司、韩国天然气公司合资，计划建造一座有4条生产线、年产2 800万t的大型LNG厂，连接不列颠哥伦比亚省北部蒙特尼盆地产区至基提马特670 km的沿海天然气管道及配套天然气液化设施、海运码头等。该项目是加拿大历史上LNG行业投资金额最大的项目，也是近年来全球金额最大的LNG行业投资项目。

众所周知，在如此多模块同时建造的大型LNG项目中，施工安全是重中之重。管线的气压试验在模块建造过程中，一直被认为是一种风险程度极高的试验方式，试验一旦发生爆炸，往往会造成较多人员伤亡和巨额财产损失，形成重大事故或特别重大事故。但不可否认的是，气压试验虽然存在极大的风险，但在一定限制条件下却不失为一种经济有效的检验手段，关键是要采取切实有效的安全措施，尤其是对气压安全距离的准确计算。

LNG模块项目中管线的气压试验对试验场地有一些硬性要求：在安全距离范围内非试压工作人员不得入内，除试压工作外不能同时进行其它工作等。因此，准确计算气压试验安全距离，再结合建造场地模块布置，合理划分气压包，确定和有效控制试验场地区域范围，可以有效的提高生产效率，减少安全风险，节省试压耗材，节约人力资源等。

2    压力试验简介

2.1  压力试验和密封试验

压力试验是确定压力管线系统内所有部件的完整性，检验承受工作压力的能力和可靠性，通常被认为是强度试验。

密封性试验是确定管线系统的密封性。密封性试验可以被认为是压力试验后，在投产前对管线系统密封性的验证。密封试验分为低压泄露试验和操作压力泄露试验，两种试验的试验压力不同、目的不同，不可相互替代。

2.2   压力试验的目的

（1）检查法兰连接口和焊缝是否泄露；

（2）避免运行中的故障和相关的安全问题；

（3）筛选总体设计、材料、制造的缺陷；

（4）减少管线的机械应力。

2.3   管线压力试验的类型

压力试验根据介质不同可以分为：水压试验；气压试验；水-气混合试验。采用压力试验有困难时，在满足一定条件下亦可用100%无损检测来替代压力试验。

管线水压试验的试验压力一般为1.5倍设计压力，气压试验压力一般为1.1倍设计压力。由于压缩气体储存能量，气压试验有潜在的安全风险，因此压力试验应平衡气压试验与水压试验的风险和益处，以确定选用哪一种试验方式。通常压力试验是以水压试验为主，但在以下情况需考虑使用气压试验：

（1）直径大、低压的气体管道。此类管道一般距离比较长，在正常生产时管道中的液体较少，若采用水压试验，沿线管道荷载要按水压试验荷载考虑，或者需要设置大量临时支架；打压时要消耗大量的水，多台压力泵同时打压数天才能完成压力试验，经济性较差；这类管道压力较低，采用气压试验即使出现管道爆裂，其后果不会特别严重；

（2）不允许存在少量水的工艺管道。这些管道主要包括：工艺介质会与水发生反应；气固管线中存在水时，细小的固体颗粒会粘在一起堵塞管道，如干粉煤管线、飞灰管线等；氢气管道极易泄漏且最小引燃电流小，如果管道内存在铁锈等杂质容易产生静电，一旦发生泄漏且存在静电集聚时很容易引发火灾事故；当施工现场不具备足够热空气或热氮气时，氢气管道或含氢管道有时候采用气压试验；

（3）试压液体会损坏管线内衬材料等情况，考虑使用气压试验；

（4）环境温度不允许采用水压试验，尤其在北方冬季气温较低，采用水压试验存在结冰的风险；如果加入抗冻剂，试压废水需要处理后才能排放，但施工期间水处理设施通常没投入使用，不具备废水存储和处理的能力。因此北方项目遇到冬季试压时，通常不做水压试验，若进度允许通常到天气回暖后进行压力试验，若进度不允许通常部分采用气压试验、部分采用无损检测替代压力试验。

在加拿大LNG项目中，因规定在PAU工艺模块中管线操作温度不超过0 ℃，或者设计温度低于-50 ℃时管线需要保持一个干燥无水的状态，若是使用水压试验，管线内可能会残留液体，因此为了确保建造场地管线试压后保持干燥，管线压力试验采用气压试验。

3    气压试验安全距离估算与选取

3.1   气压储能计算

ASME PCC-2-2015， 给出气压试验储能计算的公式如下：

（1）

式中：E—储能，J；

k—试验介质的比热比；

Pa—绝对大气压，取值1.01×105 Pa；

Pat—绝对试验压力，其值为表压Pg与绝压Pa之和，Pa；

V —壓力试验的管线总体积，m3 。

当用空气或者氮气做试压介质时，k =1.4，等式（1）变成：

（2）

在Excel中设置公式（2），得：

E=2.5*（Pg+101 300）*V*（1-（101 300/（Pg+101300））^0.286）

储能换算成TNT当量：

（3）

由上述公式（1）（2）（3）可知：

（1） 在已知试验压力和管线体积的前提下，可计算出在试验压力下的储能与TNT当量；

（2）在试验压力一定的情况下，试压体积与储能成正比。

3.2   气压试验安全距离估算与选取

3.2.1 安全距离估算

安全距离的取值，为上述（1）（2）（3）公式中R的最大值：

（1）当E ≤ 1.355×108 J，R=30 m；

（2）当1.355×108 J < E ≤ 2.71×108 J，R=60 m；

（3）R=Rscaled（2TNT） 1/3                                     （4）

式中：R为气压试验受冲击波影响下，人员与试压管线的最小安全距离，m；

Rscaled 为不同影响因素的安全距离系数，最小取20 m/kg1/3。

当储能E大于2.71×108 J时，如果最小安全距离不能满足计算值，可替代的Rscaled值参考表 1。

根据上述规则，可以在Excel中设置一个计算最小安全距离的公式（Rscaled=20 m/kg1/3）：

R=MAX（IF（E<135 500 000，30， IF（E<271000000，60，60）），20*（E*2/4 266 920）^0.333 3）

3.2.2气压试验安全距离选取实例

（1）实例一：某气压包试验压力为8800 kpa，当气压包内管线体积为80 m3时，通过公式（2）计算出储能为1.2 853×109 J；带入Excel设置的安全距离公式，向上取整得出安全距离为169 m；当气压包内管线体积为40 m3时，储能为6.4 266×108 J，计算安全距离R为134 m。由此看出，当试压体积减少一半时，安全距离只减少了1/5，因此对于安全距离较大的气压试验，想通过把气压包拆散减少试压体积从而减少试压安全距离的方法不够理想，且拆分气压包时会增加人力、场地工装、试压垫片等成本；对于试验压力高、试压管线体积大的气压试验，建议在夜间模块附近没有交叉作业且保证安全距离的条件下进行。

（2）实例二：某气压包A，试验压力为4400 kpa，气压包内管线体积为10 m3，计算得出安全距离为65 m；某气压包B，试验压力为4 400 kpa，气压包内管线体积为15 m3，计算安全距离为75 m；如果将两个气压包使用高压软管连接到同一个试压管汇进行气压试验，试验压力为4 400 kpa，联合气压包内管线体积为两气压包体积之和25 m3，计算安全距离R为89 m。据此看出，如果此模块在气压试验工作区的最大安全距离能达到或超过89 m，则可以考虑将两个气压包联合试压，如果试压区域不能满足这一条件要求，则不能将A、B两个气压包联合进行试压。

3.3   气压包分包原则

（1）同一气压包内管线的压力磅级要一致；

（2）同一氣压包内管线的试验压力要一致；

（3）同一气压包内管线试压介质要一致；

（4）同一气压包内管线材质要一致。

加拿大LNG项目详细设计提供的Linelist中，有对应管线材质、压力磅级、试验压力、试压介质等信息，根据Linelist中试压相关信息在P&ID用红线标出气压包范围。

当有相连管线（特别是焊接连接的管线）试验压力不一样的情况时，首先要确认其压力磅级，如果压力磅级一样，可在详细设计方允许的情况下，采用较大的试验压力联合试压。

3.4   气压试验风险分析

气压试验风险分析主要考虑两个因素：一个是可能性；另一个是结果。即

试验风险 = 可能性 × 结果

LNG模块项目经常会出现这种情况：同一根管线在不同模块中有做水压试验，也有做气压试验。加拿大LNG项目中，工艺模块要求做气压试验的管线连接到PAR管廊模块中需做水压试验，这是考虑到管廊模块管线相对容易进行清洁干燥，且距离容器设备较远，水压试验后进行清洁干燥也可以满足项目要求；在设计压力一样的情况下，由于水压的试验压力比气压的试验压力高，如果管廊部位水压试验优先完成，可以排除该种管线因设计压力错误导致试压时管线破裂等危险情况的发生；而在工艺模块做气压试验时，由于此压力试验发生风险的可能性相对较低，试验存在的风险是可接受的。气压试验过程要严格按照工作安全分析表中的要求进行，避免可能发生的危险情况。长期积累的经验也有助于我们降低危险发生的可能性，减少伤害发生，从而有效控制风险。

4    结语

管线的气压试验安全距离是气压试验中的重点关注项，本文重点解读了ASME-PCC-2 Article 5.1中的气压试验安全距离计算公式，并转化为Excel公式。对试验压力、试压体积对安全距离的影响进行对比分析，并举例说明选取方法，为后续针对气压试验的安全距离问题提供依据和借鉴。

参考文献

[1] DEP 74.00.10.10 Gen Shop and Field Pressure Testing of Piping

Systems[S]. 2014.

[2] ASME PCC-2 Repair of Pressure Equipment and Piping[S]. 2016.

[3] ASME B31.3 Process Piping [S]. 2016.