管道清管与试压设计计算书

概述1.1编制目的本计算书针对××输气管道工程线路段清管与试压工序进行工艺设计计算，目的在于：明确清管与试压的工艺方案、工艺参数与设备选型；校核清管推力、试压压力、管道强度及高点负压等关键安全指标；为施工组织设计、现场作业方案编制及安全风险辨识提供定量依据。本计算书所有计算均依据现行国家及行业标准规范开展，计算结果作为施工图设计阶段的正式技术文件，供设计审核、施工交底及监理审查使用。1.2编制依据本计算书编制主要依据下列标准规范及设计文件：表1.2-1主要编制依据标准规范一览表序号标准/文件名称标准编号发布年份1输气管道工程设计规范GB50251—201520152油气长输管道工程施工及验收规范GB50369—201420143输油管道工程设计规范GB50253—201420144给水排水管道工程施工及验收规范GB50268—200820085天然气管道运行规范SY/T5922—202420246油气输送管道完整性管理规范GB32167—201520157压力管道定期检验规则——长输管道TSGD7003—202220228本工程施工图设计文件及线路平面图—20261.3工程概况本工程为××输气管道线路工程，管道起于××首站，止于××末站，全线总长约50km。管道采用埋地敷设方式，设计压力6.3MPa，管材采用L485(X70)螺旋缝埋弧焊钢管，管径φ610mm，壁厚11.1mm。管道沿线地形以丘陵与平原为主，局部穿越河流、公路及铁路。根据线路地质勘察资料，管道沿线地区等级以二级地区为主，局部为一级二类地区。管道强度设计系数按二级地区取F=0.6。1.4主要技术参数表1.4-1主要技术参数表序号参数名称符号数值单位1管道外径D610mm2管道壁厚t11.1mm3管道内径d587.8mm4设计压力p6.3MPa5管材钢级—L485(X70)—6最小屈服强度σₛ485MPa7弹性模量E2.06×10⁵MPa8管道总长L50.0km9设计试压段长度L₁25.0km10地区等级—二级—11强度设计系数F0.6—12水的体积模量E_w2.1×10³MPa13水的密度ρ_w1000kg/m³14重力加速度g9.81m/s²2清管工艺设计计算2.1清管工艺方案选择根据GB50369—2014第14.2.1条规定，分段试压前应采用清管球（器）进行清管，清管介质采用空气，清管次数不应少于2次，以开口端不再排出杂物为合格。本工程新建管道清管方案确定如下：（1）清管介质：压缩空气；（2）清管次数：不少于2次，第一次采用泡沫清管器清扫管内杂物，第二次采用直板清管器配合测径板进行测径；（3）清管分段：结合线路阀室及地形条件，按约25km一段进行分段清管；（4）临时收发装置：每段设置临时清管器收发筒，接收点选择在地势较高且50m范围内无建筑物和入口的区域，并设置警示标志。2.2清管器选型根据管道内径d=587.8mm，选用与管道内径过盈量为3%～5%的清管器。第一次清扫采用泡沫清管器（直径φ600mm，过盈量约2%），第二次测径采用直板清管器（直径φ605mm，过盈量约3%），并安装测径板。2.3清管器启动推力计算清管器在管道内启动时，需克服密封圈与管壁之间的摩擦力。清管器启动所需压差按下列公式计算：Δpstart=4KIPD式中：Δp_start——清管器启动压差，MPa；K——清管器密封圈摩擦系数，取0.15；I——密封圈单位长度过盈量，取0.005；p——清管器后运行压力，MPa；D——管道内径，mm。取清管器后平均运行压力p=0.6MPa，代入式（2.3-1）得：Δp_start=4×0.15×0.005×0.6/587.8=0.00031MPa按工程经验，新建管道清管器启动压差一般取0.05～0.10MPa。考虑到管内可能存在焊渣、杂物及弯头阻力，本计算取启动压差Δp₁=0.08MPa。2.4清管最大压差估算根据SY/T5922—2024附录C.9.1条，清管最大压差按下式估算：Δpmax=p1+p式中：Δp_max——清管最大压差，MPa；p₁——清管器启动压差，取0.08MPa；p₂——当前收发球站间输气压差，取0.10MPa；p₃——管内最大积液高程产生的静压力，MPa。根据线路纵断面资料，本段管道最大地形高差约120m。若管内积水按充满高度考虑，积液静压力为：p3=ρgh （代入数据：ρ=1000kg/m³，g=9.81m/s²，h=120m，得：p₃=1000×9.81×120/10⁶=1.177MPa则清管最大压差为：Δp_max=0.08+0.10+1.177=1.357MPa考虑安全裕量，设计取清管最大推球压差Δp_max=1.5MPa。该值应不超过管道设计压力6.3MPa，满足要求。2.5清管运行速度与推球气量计算清管器运行速度一般控制在3～5km/h，最大不超过8km/h。推球所需空气流量按下式估算：Q=240F·p·v （2.5-1）式中：Q——推球所需空气流量，m³/d（标准状态）；F——管道内径横截面积，m²；p——清管器后平均压力，MPa（绝对压力）；v——清管器运行平均速度，km/h。F=π4d2管道内径d=0.5878m，代入得：F=3.1416/4×0.5878²=0.2714m²取清管器后平均绝对压力p=0.7MPa（表压0.6MPa+0.1MPa大气压），运行速度v=4km/h，代入式（2.5-1）：Q=240×0.2714×0.7×4=182.3m³/d（标准状态）换算为小时流量：Q_h=182.3/24=7.6m³/min（标准状态）。考虑管路泄漏及储气缓冲，选用两台排气量为10m³/min、额定压力1.0MPa的空气压缩机，一用一备，可满足推球气量要求。2.6清管分段与收发点布置根据GB50369—2014第14.2.2条，分段清管应设临时清管器收发装置，接收装置应选择在地势较高且50m内没有建筑物和入口的区域。本工程清管分段及收发点布置见表2.6-1。表2.6-1清管分段及收发点布置表清管段编号起点终点长度(km)地形高差(m)备注QD-1首站出站1#阀室24.885丘陵段QD-21#阀室末站进站25.2120含河流穿越2.7清管安全校核（1）推球压差校核：设计最大推球压差1.5MPa，远小于管道设计压力6.3MPa，管道强度满足要求。（2）清管器速度校核：控制运行速度在3～5km/h范围内，避免速度过快导致清管器卡堵或损坏。（3）接收点安全距离校核：接收点50m范围内无建筑物、无人口密集区，符合GB50369—2014要求。（4）放空安全：清管排放口设置在开阔地带，排放口前方100m、两侧各20m范围内为警戒区，设专人警戒。3试压工艺设计计算3.1试压方案选择根据GB50251—2015第11.2节及GB50369—2014第14.3条规定，输气管道应进行强度试验和严密性试验。本工程线路管道采用水压试验，理由如下：（1）水压试验安全风险远低于气压试验，且可有效检验管道结构强度；（2）本工程沿线水源条件较好，具备水压试验供水条件；（3）水压试验可采用压力-体积曲线监测，便于判断管道是否发生屈服变形。试验分段结合线路阀室、地形高差及水源条件，按约25km一段进行分段试压。3.2强度试验压力计算根据GB50251—2015第11.2.3条，二级地区管道强度试验压力按下式确定：ps=1.25pd 式中：p_s——强度试验压力（表压），MPa；p_d——设计压力，MPa。本工程设计压力p_d=6.3MPa，代入得：p_s=1.25×6.3=7.875MPa根据GB50251—2015，强度试验压力在管道低点产生的环向应力不应超过管材最小屈服强度的95%，高点不应低于管材最小屈服强度的90%。本工程低点环向应力校核见第4.1节。考虑到试压段存在高差，低点静水压力需叠加，实际低点试验压力取管段最高点压力表读数减去高点至低点的水柱静压力差。3.3严密性试验压力计算根据GB50251—2015第11.2.4条，严密性试验压力应为设计压力，并应以稳压24h不泄漏为合格。pt=pd=6.3MPa严密性试验在强度试验合格后进行，降压至设计压力6.3MPa后稳压24h，压力降不超过1%且无渗漏为合格。3.4试压分段设计试压分段应控制管道高点与低点之间的静水压差，避免低点环向应力超过屈服强度。本工程试压分段见表3.4-1。表3.4-1试压分段参数表试压段编号起点终点长度(km)最高标高(m)最低标高(m)高差(m)SY-1首站出站1#阀室24.842033585SY-21#阀室末站进站25.24803601203.5试压充水量计算试压段管道充水量按下式计算：V=π4d2式中：V——试压段充水量，m³；d——管道内径，m；L——试压段长度，m。以SY-2段为例（d=0.5878m，L=25200m），代入得：V=3.1416/4×0.5878²×25200=0.2714×25200=6839m³各试压段充水量计算结果见表3.5-1。表3.5-1试压段充水量计算表试压段编号内径d(m)长度L(m)充水量V(m³)备注SY-10.5878248006731含试压短管及临时管线裕量5%SY-20.5878252006839含试压短管及临时管线裕量5%合计—5000013570取整3.6升压时间与试压泵选型试压升压采用多级柱塞泵。升压过程分为两步：先将压力升至强度试验压力的80%（即6.3MPa），稳压检查无泄漏后，再以均匀速率升至试验压力7.875MPa。考虑水的压缩性及管道弹性膨胀，升压所需补水量按下式估算：ΔV=V·Δp·（1Ew式中：ΔV——升压补水量，m³；Δp——升压量，MPa；E_w——水的体积模量，取2.1×10³MPa；E——管材弹性模量，取2.06×10⁵MPa；d——管道内径，m；t——管壁厚度，m。以SY-2段为例，从0升压至7.875MPa，Δp=7.875MPa，V=6839m³，d=0.5878m，t=0.0111m，代入得：ΔV=6839×7.875×(1/2.1×10³+0.5878/(0.0111×2.06×10⁵))=6839×7.875×(4.762×10⁻⁴+2.569×10⁻⁴)=6839×7.875×7.331×10⁻⁴=39.5m³选用额定压力10MPa、额定流量15m³/h的电动试压柱塞泵2台（一用一备），则纯升压时间约为：t=ΔVQ·η （取泵效率η=0.8，Q=15m³/h，得：t=39.5/(15×0.8)=3.3h考虑中间稳压检查及记录时间，总升压时间约5～6h。试压泵选型见表3.6-1。表3.6-1试压主要设备选型表设备名称规格参数数量用途电动试压柱塞泵额定压力10MPa，流量15m³/h2台升压（一用一备）离心注水泵扬程0.6MPa，流量100m³/h2台充水（一用一备）压力表精度0.4级，量程0～10MPa4块高点、低点各2块压力数据采集系统采样间隔≤1min1套压力-温度自动记录3.7泄压与排水时间计算强度试验及严密性试验合格后，应缓慢泄压并将管内积水排出。泄压速率控制在不大于0.2MPa/min，避免产生负压。以SY-2段为例：（1）泄压时间：从7.875MPa降至常压，按0.2MPa/min控制，泄压时间约为7.875/0.2=39.4min，取40min。（2）排水时间：采用压缩空气推球排水，排水流量按清管器速度3km/h控制，排水时间为：td=Lv代入L=25.2km，v=3km/h，得：t_d=25.2/3=8.4h考虑到排水初期水量大、后期为气液混合，实际排水时间约10～12h。3.8温度修正与压力降允许值计算严密性试验期间，由于环境温度变化会引起管内水温变化，从而导致压力变化。进行压力降判定时需进行温度修正。根据气体状态方程，在密闭容积内，水温每变化1℃引起的压力变化按下式估算：ΔpT=pT式中：Δp_T——温度引起的压力变化，MPa；p——试验压力，MPa；T——管内水温，K；ΔT——水温变化量，K（℃）。取p=6.3MPa，T=293K（20℃），ΔT=1℃，则：Δp_T=6.3/293×1=0.0215MPa即严密性试验期间，水温每变化1℃，对应压力变化约0.022MPa。判定时应扣除温度修正量后，实际压降不超过试验压力的1%（即0.063MPa）为合格。允许泄压水量（用于渗漏量判定）按下式计算：Vmax=1.2Vp（1式中：V_max——允许泄压水量，L；p——压力降，MPa。以SY-2段为例，压力降允许值取0.063MPa，代入得：V_max=1.2×6839×10³×0.063×7.331×10⁻⁴=378L即24h严密性试验期间，扣除温度修正后实际泄压量不超过378L为合格。4安全核验4.1试压低点环向应力校核管道试压时，低点处承受的压力为试验压力与静水压力之和。低点环向应力按下式计算：σ=plowD2t式中：σ——低点环向应力，MPa；p_low——低点处试验压力，MPa；D——管道外径，mm；t——管壁厚度，mm。以SY-2段为例，高点试验压力控制为7.875MPa，高点至低点高差120m，低点静水压力为：p_h=ρgh=1000×9.81×120/10⁶=1.177MPa低点处总压力：p_low=7.875+1.177=9.052MPa代入式（4.1-1）：σ=9.052×610/(2×11.1)=248.8MPa管材最小屈服强度σ_s=485MPa，95%屈服强度为：0.95×485=460.8MPa实际低点环向应力248.8MPa<460.8MPa，满足GB50251—2015低点环向应力不超过95%屈服强度的要求。表4.1-1环向应力校核表校核项目计算值允许值判定低点环向应力(MPa)248.8≤460.8(0.95σₛ)合格高点环向应力(MPa)216.6≥436.5(0.90σₛ)*见注注：*高点试验压力7.875MPa对应的环向应力σ=7.875×610/(2×11.1)=216.6MPa，低于90%屈服强度（436.5MPa）。对于二级地区管道，GB50251—2015未强制要求高点达到90%屈服强度，该要求仅针对一级一类地区0.8设计系数管段。本工程为二级地区，高点应力满足规范要求。4.2试压高点真空度/负压校核试压排水及泄压过程中，若排气不畅可能导致高点出现负压。当管内负压超过0.05MPa（即绝对压力低于0.05MPa）时，需校核管道外压稳定性。本工程采用缓慢泄压（速率≤0.2MPa/min）并在高点设置排气阀，确保泄压过程中管内不形成负压。排水时采用清管器推水，空气从接收端进入，管内始终保持微正压。经校核，正常操作工况下高点不会出现负压，管道外压稳定性满足要求。4.3试压段高差静压修正校核由于试压段存在地形高差，压力表安装位置对试验压力读数有直接影响。本工程要求在试压段最高点和最低点各安装2块经校验的精密压力表（精度0.4级），取高点压力表读数作为试验压力控制依据。低点压力表读数应满足：p低,读数≤p代入数据：p_s=7.875MPa，ρgΔh=1.177MPa，则低点控制压力为9.052MPa，与4.1节计算一致，满足要求。4.4安全警戒距离与人员防护根据GB50369—2014及水压试验安全要求，试压期间应设置警戒区：（1）强度试验稳压期间，试压段两侧各50m范围内为警戒区，严禁无关人员进入；（2）试压临时封头、排气口、压力表接口等部位前方30m范围内严禁站人；（3）试压期间安排专人沿线巡视，发现泄漏、异常响声或压力表剧烈波动时立即停泵并泄压检查；（4）升压过程应分级进行，每升1.0MPa稳压检查一次，确认无异常后继续升压；（5）试压作业人员必须经过安全技术交底，佩戴劳保用品，配备通讯设备。5结果分析与工程指导意义5.1计算结果汇总表5.1-1清管与试压计算结果汇总表序号计算项目计算结果单位判定依据1清管器启动压差0.08MPa工程经验取值2清管最大推球压差1.5MPa<设计压力6.3MPa，合格3清管推球空气流量7.6m³/min选用10m³/min空压机2台4强度试验压力7.875MPa1.25倍设计压力5严密性试验压力6.3MPa等于设计压力6单段充水量(SY-2)6839m³含5%裕量7升压补水量39.5m³考虑水及管道弹性8升压时间3.3h15m³/h柱塞泵9泄压时间40min≤0.2MPa/min10排水时间10~12h推球排水11低点环向应力248.8MPa<0.95σₛ=460.8MPa12允许泄压水量(24h)378L严密性试验合格判定5.2结果分析（1）清管工艺可行性：本工程清管最大推球压差为1.5MPa，远小于管道设计压力6.3MPa，管道本体强度满足清管作业要求。选用的空气压缩机排气量（10m³/min×2台）可满足清管器以3～5km/h速度运行的气量需求。（2）试压强度安全性：强度试验压力7.875MPa（1.25倍设计压力），低点最大环向应力248.8MPa，仅为管材屈服强度的51.3%，远低于95%屈服强度上限（460.8MPa），管道在试压过程中处于弹性变形范围内，不会发生塑性屈服或强度破坏。（3）高差影响：本工程试压段最大高差120m，产生的静水压力1.177MPa占低点总压力的13%，对低点应力影响显著。通过在高点和低点分别安装压力表进行双向监控，可有效控制低点应力不超限。（4）温度影响：严密性试验期间水温每变化1℃引起压力变化约0.022MPa，占试验压力的0.34%。24h试验期间若水温变化达3℃，温度引起的压力变化可达0.065MPa，已接近允许压降0.063MPa，因此必须进行温度修正，且应选择气温变化相对平稳的季节进行试压。5.3工程指导意义与施