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摘 要：海底管道试压不同于陆上管道，由于它所处环境特殊，人员无法直接检查管道除管道是否发生泄漏或者变形，因此对管道试压要求也就格外严格。常用的海底管道试压标准有挪威船级社标准DNV-OS-F101，以及澳大利亚标准AS/NZS 2 885.5。两个标准除了对管道压力波动的要求外，还对管道内空气含量做了要求，要求管道内残余空气体积含量不能大于管道系统总容积的0.2%。文章主要介绍用水推球排气方法的方法，达到试压管线内部空气含量<0.2%的要求，降低空气对试验结果的影响，供相关工程技术人员参考。
关键词：海底管道；立管；水压试验；空气含量；水推球排气
中图分类号：TQ379 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）12-0055-03
管道系统在建造安装完成后需经过压力试验，检验管道的强度是否能满足设计要求，焊缝及其它管道连接件的严密性。海底管道系统铺设在海平面以下，由于这种特殊环境，在管道系统安装完成后，人员无法检查焊缝及管道是否发生泄漏。因此，压力试验格外严格。
海上采油模块上立管作为海底管道的一部分，采用与海底管一样的检验标准，DNV-OS-F101Submarine Pipel-
ine Systems，标准的一个重要要求是水压试验管道空气含量少于0.2%，否则试验结果不能接受。而海底管道由于它的特殊性，不允许在管道上开排气孔。因此应采用特殊的方法对管道内气体进行排除，目前主要的方法是用水推球进行置换排气。
本文主要介绍水推球排气的试验方法和排气效果的论证。
1 压力试验标准
按照挪威船级社标准DNV-OS-F101（2010版）规定，管道水压试验可以接受的压力波动是试验压力的±0.2%，如果超过这个范围，就要有可以解释的原因，并且要计算结果说明，比如温度升高等的影响。而且要求管道内空气含量不能超过管道总体积的0.2%，因为空气的压缩比很大，对试验结果影响很大。
图1是标准中给出的空气含量的测定方法。先给试压管道注满水，在试压压力的35%内不断加压，并且同时记录加水量和压力变化，根据图1绘出图表就可得出管内空气体积。
而澳大利亚标准AS/NZS 2 885.5（2002版）除了以上图表法外还给出了计算公式，可以计算管道在没有空气的情况下的理论升压曲线。
受束缚管道的公式为：
不受束缚管道的公式为：
其中：
ΔV为管道内水的体积变化，L；
V0为管道系统内部容积，L；
D为管道外径，mm；
t为管道壁厚，mm；
Δp为管道系统压力变化，kPa；
ΔT为管道系统内部温度变化，℃；
B和为温度对管道压力的影响系数，℃-1；
μ为管道材料泊松比，推荐为0.27；
E为管道材料杨氏模量，推荐为2.06x108 kPa；
A为试压介质膨胀系数，kPa-1。当试压介质为淡水时：
A=（3.9×10-3×T2-0.3×T+50.6）×（1-）×10-8
式中：T为管道系统内部温度，℃；
p为管道系统实验压力，kPa。
在实际试验时，一般管道都不受束缚，同时由于加压过程时间较短，一般可以不考虑温度对管道系统的影响。注水加压过程理论压力变化可以简化为：
2 水推球排气
2.1 水推球排气原理
水推球排气的原理比较简单，就是利用试压水把管道内的空气置换出去，达到排除管道内气体的效果。如图2所示，在管道内推入一个排气球，用注水泵推进一定长度，再推入另一排气球，再两球之间注满水，然后利用大流量的高压注水泵推动球快速流动至管道尾部，完成排气注水。
2.2 水推球排气系统图及设备
2.2.1 水推球的系统图如图3所示。
2.2.1 试验相关设备
为了完成管道水推球排气及验证的效果，系统需要用到以下设备：
①排气球，如下图（一般材质为聚亚安酯）；
②大流量高压注水泵；
③高压增压泵；
④流量计；
⑤数字压力温度记录仪；
⑥压力表。
还有一些必要的管道阀门附件。
3 水推球排气效果验证
为了验证水推球排气的效果，本次试验找了一段长20 m的12寸立管做试验，其中包括1个90 ？觷弯头，现场布置如图4所示。
试验压力p=10 000 kPa；
管道直径D=323.9 mm；
壁厚t=12.7 mm；
试验当天水温T=35 ℃
管道系统内部容积可算得V0=1 399 L
由：
A=（3.9×10-3×T2-0.3×T+50.6）×（1-）×10-8
可得水的膨胀系数A=4.34x10-7；
由式（3）可得：
Δp=1 287.6 ΔV （4）
3.1 水推球排气步骤
①放入一个排气球，推入管道一定深度；
②放入第二个球，在两球中间注满水；
③关闭增加和头部排气阀，打开尾部排气排水阀；
④开动高压注水泵，直到确定排气球到达管道尾部。
⑤关闭所注水阀和排气排水阀。
⑥开动增压泵，排除连接管线内空气，打开增压阀。直到压力升至试验压力的35%，也就是3 500 kPa，关闭增压阀和增压泵。
⑦试验完成，记录整理数据。
3.2 结果验证
本次试验做了两次排气和升压数据记录，根据试验结果，得到两组试验数据，表1为上午试验数据，表2为下午试压数据。技术数据是流量计记录的累积流量V和压力记录仪的压力数据。
依据两组数据和式（4）可以绘出管道理论和实际两条升压曲线。
如图5和图6所示，空气含量分别是0.19 L和0.14 L，管道系统内部容积可算得V0=1 399 L，所以管道内残余空气含量为0.014%和0.010%，均小于标准要求的0.2%。
4 结 语
通过本次试验和结果分析，说明水推球排气的效果能够满足标准的要求，在管道试压中运用是有效可行的。
参考文献：
[1] DNV-OS-F 1012005，Submarine Pipeline Systems[S].
关键词：海底管道；立管；水压试验；空气含量；水推球排气
中图分类号：TQ379 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）12-0055-03
管道系统在建造安装完成后需经过压力试验，检验管道的强度是否能满足设计要求，焊缝及其它管道连接件的严密性。海底管道系统铺设在海平面以下，由于这种特殊环境，在管道系统安装完成后，人员无法检查焊缝及管道是否发生泄漏。因此，压力试验格外严格。
海上采油模块上立管作为海底管道的一部分，采用与海底管一样的检验标准，DNV-OS-F101Submarine Pipel-
ine Systems，标准的一个重要要求是水压试验管道空气含量少于0.2%，否则试验结果不能接受。而海底管道由于它的特殊性，不允许在管道上开排气孔。因此应采用特殊的方法对管道内气体进行排除，目前主要的方法是用水推球进行置换排气。
本文主要介绍水推球排气的试验方法和排气效果的论证。
1 压力试验标准
按照挪威船级社标准DNV-OS-F101（2010版）规定，管道水压试验可以接受的压力波动是试验压力的±0.2%，如果超过这个范围，就要有可以解释的原因，并且要计算结果说明，比如温度升高等的影响。而且要求管道内空气含量不能超过管道总体积的0.2%，因为空气的压缩比很大，对试验结果影响很大。
图1是标准中给出的空气含量的测定方法。先给试压管道注满水，在试压压力的35%内不断加压，并且同时记录加水量和压力变化，根据图1绘出图表就可得出管内空气体积。
而澳大利亚标准AS/NZS 2 885.5（2002版）除了以上图表法外还给出了计算公式，可以计算管道在没有空气的情况下的理论升压曲线。
受束缚管道的公式为：
不受束缚管道的公式为：
其中：
ΔV为管道内水的体积变化，L；
V0为管道系统内部容积，L；
D为管道外径，mm；
t为管道壁厚，mm；
Δp为管道系统压力变化，kPa；
ΔT为管道系统内部温度变化，℃；
B和为温度对管道压力的影响系数，℃-1；
μ为管道材料泊松比，推荐为0.27；
E为管道材料杨氏模量，推荐为2.06x108 kPa；
A为试压介质膨胀系数，kPa-1。当试压介质为淡水时：
A=（3.9×10-3×T2-0.3×T+50.6）×（1-）×10-8
式中：T为管道系统内部温度，℃；
p为管道系统实验压力，kPa。
在实际试验时，一般管道都不受束缚，同时由于加压过程时间较短，一般可以不考虑温度对管道系统的影响。注水加压过程理论压力变化可以简化为：
2 水推球排气
2.1 水推球排气原理
水推球排气的原理比较简单，就是利用试压水把管道内的空气置换出去，达到排除管道内气体的效果。如图2所示，在管道内推入一个排气球，用注水泵推进一定长度，再推入另一排气球，再两球之间注满水，然后利用大流量的高压注水泵推动球快速流动至管道尾部，完成排气注水。
2.2 水推球排气系统图及设备
2.2.1 水推球的系统图如图3所示。
2.2.1 试验相关设备
为了完成管道水推球排气及验证的效果，系统需要用到以下设备：
①排气球，如下图（一般材质为聚亚安酯）；
②大流量高压注水泵；
③高压增压泵；
④流量计；
⑤数字压力温度记录仪；
⑥压力表。
还有一些必要的管道阀门附件。
3 水推球排气效果验证
为了验证水推球排气的效果，本次试验找了一段长20 m的12寸立管做试验，其中包括1个90 ？觷弯头，现场布置如图4所示。
试验压力p=10 000 kPa；
管道直径D=323.9 mm；
壁厚t=12.7 mm；
试验当天水温T=35 ℃
管道系统内部容积可算得V0=1 399 L
由：
A=（3.9×10-3×T2-0.3×T+50.6）×（1-）×10-8
可得水的膨胀系数A=4.34x10-7；
由式（3）可得：
Δp=1 287.6 ΔV （4）
3.1 水推球排气步骤
①放入一个排气球，推入管道一定深度；
②放入第二个球，在两球中间注满水；
③关闭增加和头部排气阀，打开尾部排气排水阀；
④开动高压注水泵，直到确定排气球到达管道尾部。
⑤关闭所注水阀和排气排水阀。
⑥开动增压泵，排除连接管线内空气，打开增压阀。直到压力升至试验压力的35%，也就是3 500 kPa，关闭增压阀和增压泵。
⑦试验完成，记录整理数据。
3.2 结果验证
本次试验做了两次排气和升压数据记录，根据试验结果，得到两组试验数据，表1为上午试验数据，表2为下午试压数据。技术数据是流量计记录的累积流量V和压力记录仪的压力数据。
依据两组数据和式（4）可以绘出管道理论和实际两条升压曲线。
如图5和图6所示，空气含量分别是0.19 L和0.14 L，管道系统内部容积可算得V0=1 399 L，所以管道内残余空气含量为0.014%和0.010%，均小于标准要求的0.2%。
4 结 语
通过本次试验和结果分析，说明水推球排气的效果能够满足标准的要求，在管道试压中运用是有效可行的。
参考文献：
[1] DNV-OS-F 1012005，Submarine Pipeline Systems[S].