СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ТРУБОПРОВОДНОГО УЧАСТКА ГАЗОМ НА ПРОЧНОСТЬ И ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
METHOD OF TESTING PIPELINE SECTION FOR STRENGTH AND AIR-TIGHTNESS

Изобретение относится к системам трубопроводного транспорта и может быть использовано в строительстве, реконструкции и ремонте трубопроводов, в частности участков магистральных газопроводов (далее МГ), для их испытания газом на прочность и герметичность перед вводом в эксплуатацию.
Известен способ испытания трубопроводного участка на прочность и герметичность путем нагнетания в него воздуха до испытательного давления компрессорной станцией через трубопровод, при этом производительность станции уменьшается по мере возрастания давления в участке (авт.св. СССР №478212).
Наиболее близким техническим решением является способ испытания трубопроводного участка воздухом на прочность и герметичность по стандарту организации СТО Газпром 2-3.5-354-2009. Порядок проведения испытаний магистральных газопроводов в различных природно-климатических условиях. - М.: ООО «Газпром экспо», 2009, п.п.5.16, 5.17, рис.Б.3. В известном способе испытание участка производится путем нагнетания в него газа до испытательного давления мобильной компрессорной станцией (далее МКС) с регулируемой массовой производительностью через трубопровод. Регулирование достигается изменением количества мобильных компрессорных установок (далее МКУ) в составе МКС, включенных в процесс нагнетания.
Известно, что расход газа в трубопроводе пропорционален произведению площади проходного сечения трубопровода, скорости и плотности газа в трубопроводе (см., например, Башта Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. - М.: Машиностроение, 1972):
тр
где M, кг/с - расход газа в трубопроводе;
т
c, м/с - скорость газа в трубопроводе в текущий момент времени;
т
3
g, кг/м - плотность газа в трубопроводе в текущий момент времени.
тр
2
F, м - площадь проходного сечения трубопровода.
Скорость газа в трубопроводе, через который нагнетается газ в участок при испытаниях в ОАО «Газпром», отдельно нормативно не регламентирована. Поэтому при разработке проектов строительства, реконструкции и капитального ремонта МГ в ОАО «Газпром» ее, как правило, ограничивают диапазоном от 50 м/с до 20 м/с в соответствии с п.п.7.6.7 и 7.6.20 стандарта организации СТО Газпром 2-3.5-051-2006 Нормы технологического проектирования магистральных газопроводов. При этом площадь проходного сечения в проектируемом трубопроводе определяют по скорости, выбранной в вышеуказанном диапазоне, и при условии максимальной производительности в самом начале процесса нагнетания газа в участок, т.е. одновременного подключения к участку всех МКУ в составе МКС. В самом начале нагнетания, когда давление в участке равно атмосферному, допускают существенно большую скорость газа в трубопроводе.
В соответствии с (1) расход газа в трубопроводе главным образом зависит от плотности газа, монотонно возрастающей пропорционально давлению в участке в соответствии с уравнением состояния газа
т
где P, Па - давление газа в трубопроводе в текущий момент времени;
R, Дж/(кг×К) - газовая постоянная нагнетаемого газа;
т
Т, К - температура газа в трубопроводе в текущий момент времени.
Из (1) и (2) следует, что, по мере роста давления в участке (и трубопроводе) и при постоянстве массового расхода, плотность газа растет, а его скорость в трубопроводе снижается. Это означает, что в известном техническом решении, где все МКУ одновременно подключаются к трубопроводному участку и в нем устанавливается постоянный массовый расход, трубопровод работает в режиме максимального расхода только в самом начале нагнетания газа в участок. Затем загрузка трубопровода существенно снижается пропорционально повышению давления в участке. Поэтому заполнение участка газом происходит существенно медленнее, чем могло бы происходить. Следует отметить, что трубопровод является возимым от участка к участку изделием многократного применения, монтируемым и демонтируемым на каждом испытании, что влечет дополнительные затраты из-за его завышенных в несколько раз веса и габаритов.
Таким образом, недостатком указанных технических решений является увеличение времени и трудоемкости испытания трубопроводного участка газом.
Задачей изобретения является создание способа испытания трубопроводного участка газом на прочность и герметичность, позволяющего сократить время и затраты его строительства, реконструкции и ремонта.
Технический результат достигается за счет того, что для испытания трубопроводного участка на прочность и герметичность в него нагнетают газ до испытательного давления МКС с регулируемой массовой производительностью через трубопровод. Перед каждым увеличением производительности МКС измеряют температуру и давление газа в трубопроводе, затем вычисляют давление газа в трубопроводе и, если измеренное давление больше вычисленного давления, увеличивают производительность, а давление вычисляют по формуле:
р
где P, Па - вычисляемое давление воздуха в трубопроводе;
R, Дж/(кг×К) - газовая постоянная нагнетаемого газа;
из
T, К - измеренная температура газа в трубопроводе;
у
M, кг/с - увеличенная массовая производительность компрессорной станции;
макс
c м/с - максимально допустимая скорость газа в проходном сечении трубопровода;
тр
2
F, м - площадь проходного сечения трубопровода.
Предлагаемое изобретение поясняется фиг.1, где схематично изображена МКС для испытаний участка воздухом, реализующая способ.
МКС включает группу МКУ 1, параллельно подключенных к трубопроводному участку 2 через трубопровод 3, коллектор 4 и нагнетательные трубопроводы 5 с запорными кранами 6. Трубопровод 3 снабжен средствами 7 и 8 измерения давления и температуры воздуха. Участок 2 снабжен средством 9 измерения давления, впускным 10 и выпускным 11 кранами.
МКС работает следующим образом.
В исходном состоянии, после развертывания МКС для испытаний на рабочей площадке, при помощи средства 8 измеряют температуру и средства 9 давление воздуха в трубопроводе 3. При обычно применяемой наземной прокладке трубопровода 3 на этом первом этапе измеренные температура и давления равны, соответственно, температуре и давлению атмосферного воздуха. Далее, в соответствии с формулой (3), по измеренной температуре, площади проходного сечения трубопровода 3 и массовой производительности первой группы МКУ 1, подключаемых к участку 2 на первом этапе, рассчитывают давление воздуха.
После этого сравнивают измеренное и вычисленное давления и, если первое больше второго, открывают краны 6 в трубопроводах 5, через коллектор 4 подключают МКУ 1 первой группы к трубопроводу 3 и начинают нагнетать воздух в участок 2 через кран 10.
Далее, в соответствии с этапами плана подключения МКУ 1, на каждом этапе измеряют температуру и давление воздуха в трубопроводе 3, по формуле (3) рассчитывают давление, подставляя сумму производительностей МКУ 1, подключенных на предшествующих этапах, и группы вновь подключаемых МКУ 1. Когда измеренное давление превзойдет вычисленное давление, подключают следующую группу МКУ 1. И далее, аналогичным образом, поэтапно подключают группу за группой МКУ 1, пока не подключат все МКУ 1 в составе МКС.
По достижении в участке 2 испытательного давления МКУ 1 останавливают, кран 10 закрывают и участок 2 подвергают выдержке под испытательным давлением для проверки его прочности и (или) герметичности. По окончании выдержки воздух из участка 2 через вентиль 11 выпускают в атмосферу.
Такой способ испытания позволяет существенно увеличить темп подъема давления в трубопроводном участке 2 и сократить время его заполнения воздухом до испытательного давления, либо существенно уменьшить вес и габариты трубопровода 3, замедлив испытание.
Пример
Исходные данные:
- Протяженность трубопроводного участка для испытаний L, км 30
у
- Диаметр условного прохода трубопроводного участка D, мм 1400
ст
ст
мку-1
3
- Объемная производительность одной МКУ при Р=101325 Па и Т=273 К, V, м/мин 65
- Количество МКУ в МКС 9 шт.
- Начальное давление в участке атмосферное
исп
2
- Испытательное давление в участке Р, кг/см (изб) 132
из
- Измеренная температура воздуха в соединительном трубопроводе между МКУ и участком Т, К 333
тр
- Максимальная скорость воздуха в соединительном трубопроводе между МКУ и участком с, м/с:
в начале заполнения участка равна скорости распространения звука в воздухе;
в конце заполнения участка 20
Требуется:
уч
тр
определить время t заполнения участка воздухом от атмосферного до испытательного давления при помощи 9-ти МКУ и минимальный диаметр d проходного сечения соединительного трубопровода в 2-х вариантах:
1. Одновременное подключение девяти МКУ при заполнении участка воздухом от атмосферного до испытательного давлений по известным способам
2
Объем воздуха, подаваемый в участок до давления до 132 кг/см (изб)
Производительность 9-ти МКУ
мку-9
3
3
V=65×9=585 м/мин=9,75 м/с
Время заполнения участка до испытательного давления
уч-1
уч-132
мку-9
t=V/V=173,7 час (7,2 суток)
Для расчета диаметра проходного сечения соединительного трубопровода сначала определяют скорость распространения звука в воздухе:
зв
из
0,5
c=(к×R×Т)=366 м/с,
где к=1,4 - показатель адиабаты воздуха;
R=287 Дж/(кг×К) - газовая воздуха;
из
Т=333К - измеренная температура воздуха в соединительном трубопроводе.
тр
Пусть скорость воздуха в трубопроводе в начале заполнения участка c=250 м/с, что соответствует коэффициенту запаса по скорости звука примерно 1,5. Тогда из уравнений
мку-9
тр
тр-9
V=c×F
и
определяют минимальный диаметр
тр-9
d=0,223 м=223 мм.
2
Скорость воздуха в трубопроводе будет монотонно снижаться до величины 1,88 м/с обратно пропорционально возрастанию давления в участке до 132 кг/см (изб).
исп
2
Для давления испытания Р=132 кг/см (13 МПа) длина трубопровода должна быть не менее 550 м (см. выше СТО Газпром 2-3.5-354-2009, л.48, табл.5), масса трубопровода составит примерно 27 тонн, а масса одной сборочной единицы - трубопроводной плети примерно 600 кг.
2. Последовательное подключение 9-ти МКУ по 1-й, друг за другом, при заполнении участка воздухом от атмосферного до испытательного давлений по предложенному способу
2
тр
Сначала из (3) определяют минимальный диаметр проходного сечения соединительного трубопровода из условий работы девяти МКУ на завершающем этапе закачки воздуха в участок при давлении 132 кг/см и скорости воздуха 20 м/с в трубопроводе (см. ссылку выше на СТО Газпром 2-3.5-051-2006) d=0,076 м=76 мм.
тр
Затем из (3) при скорости воздуха 366 м/с и атмосферном давлении определяют максимально допустимый объемный расход воздуха в трубопроводе V=82 м/мин.
3
Далее подключают к участку одну МКУ производительностью 65 м/мин, что будет соответствовать скорости воздуха в трубопроводе в начальный период закачки в участок, равной 290 м/с, т.е. с запасом относительно скорости распространения звука.
Затем, принимая скорость воздуха в трубопроводе 50 м/с (см. ссылку выше на СТО Газпром 2-3.5-051-2006), в соответствии с (3) вычисляют давления подключения каждой МКУ. Когда измеренное давление в трубопроводе становится больше вычисленного давления, производят подключение МКУ. Расчет времени закачки нарастающим количеством подключенных МКУ приведен в таблице.
Таблица
Количество подключенных МКУ
Расчетное давление подключения, Па
Время закачки, ч
1
101325
25
2
1212610
36
3
1820000
24.6
4
2340000
17,4
5
3030000
14,4
6
3640000
12
7
4240000
10,2
8
4850000
9
9
5460000
103,2
Итого: t<sub>уч-2</sub>=251,8 часа
В этом варианте масса трубопровода составит примерно 6 тонн, а масса одной трубопроводной плети примерно 135 кг.
Из сравнения 2-х вариантов очевидно, что стоимость изготовления и трудоемкость монтажа и технического обслуживания трубопровода в 1-м варианте будет существенно больше, однако время испытаний на 78 часов меньше.