CN114993845B - 一种管道气压测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道气压测试装置及方法，所述管道气压测试装置包括用于储存测试气体的储气装置、密封接头、输气管路、压力传感器；还包括圆柱块或圆柱块和圆柱块套管组合体，所述圆柱块或圆柱块和圆柱块套管组合体的外径小于所述待测试管材的内径，用于设置在所述待测试管材内；通过在待测试管材内部增加圆柱块或圆柱块和圆柱块套管组合体，显著降低了待测试管材内部的气体打压容积，减少管材内部高压气体积蓄的能量，提升管材高压气体测试的安全性和可靠性；同时使得管材内部气压调控更加及时，提升管材气压测试的效率和准确性。

Description

一种管道气压测试装置及方法

技术领域

本发明涉及管道检测设备技术领域，特别涉及一种管道气压测试装置及方法。

背景技术

管道运输作为五大运输方式之一，是输送氢气、天然气、掺氢天然气、石油、饮用水等重要能源和资源的主要手段，在国民经济的发展中起到至关重要的作用，被称为国民经济的“生命线”。如在天然气输送领域，预计到2025年，我国天然气管网里程将达到16.3万公里。近年来，随着氢能的不断发展，压力管道开始广泛应用于氢能领域，成为实现氢能安全、高效输送的重要方式。目前国内已经建设多条输氢管道，如我国最长的输氢管道“巴陵—长岭”氢气管道，全长约42 km，管径457 mm，设计压力4 MPa，最大年输氢量可达4.42万吨；“济源—洛阳”输氢管道，全长25 km，管径508 mm，设计压力4 MPa，最大年输氢量可达10.04万吨；2021年6月启动建设的“定州-高碑店”输氢管道，全长164.7 km，管径508 mm，设计压力4MPa，最大年输氢量可达10万吨，是国内目前规划建设的距离最长的输氢管道。

用于氢气、天然气等介质输送的管材对安全性要求高，通常需要对管材进行耐压试验、渗透性试验、密封性试验，如GB 50516-2010《加氢站技术规范》中12.3部分规定氢气管道应采用气体开展压力试验、气密性试验以及泄漏量试验。现有的专利方法中也多通过对管材施加高压气体测试管材的气体渗透和泄漏性能，如CN201310694098.0“全尺寸非金属管材气体渗透性能的测试装置及其测试方法”和CN202110636057.0“一种掺氢天然气管道泄漏监测装置及方法”。在这些测试中，都需要对管材施加较高的气体内压。不同于采用水介质进行管材测试，采用高压气体介质对管材进行耐压、渗透性或密封性测试时，由于气体具有很高的可压缩性，管材内部的高压气体中积聚了大量的能量，这会导致以下几方面的问题：

1)测试中若管材发生爆破失效时，管材内部的高压气体中积聚的大量能量会快速释放，形成冲击波对周围的物体产生物理冲击。由于很多测试中需要采用氢气或者天然气进行测试，这些高压可燃气体不但会形成物理冲击，还存在燃烧爆炸的风险。因此，对管材进行高压气体测试时安全风险较大；

2)管材测试过程中通常采用打压设备提升测试气体压力，由于气体具有很高的可压缩性，需要提供大量的气体进行压缩从而提升气体打压，测试过程升压缓慢。管材内部的气体打压容积越大，测试过程升压越缓慢，导致测试过程中管材内部的气体压力调控不及时，影响测试效果。

3)管材内高压气体积聚的能量来源于打压设备的做功，管材内部的气体打压容积越大，气体压力越高，测试过程中需要消耗的气体以及压缩能量越多。尤其是对于疲劳测试，测试过程需要进行上万次的打压，需要消耗大量的能量用于气体内压加载。并且气体加压过程中会产生热量，导致测试环境温度波动，影响测试结果的准确性。

不少学者提出采用水、空气或氮气替代易燃易爆气体做气体试验的方法，但近年来越来越多研究显示介质对管道和容器的服役性能有着重要影响。例如，在高压氢气环境下，材料韧性和疲劳性能会显著下降，因此氢环境的性能测试无法用空气或氮气替代。

对于公称直径为500mm，长度为1000 mm的管材，管材内部的气体打压容积为171.1L。对管材进行10 MPa氢气内压加载测试，单次测试需要消耗的氢气质量约为1.38 kg，理想状态下单次打压氢气内部的压缩能量为7.9 MJ，氢气的内储存的化学能量更是达到197.5MJ，相当于约45公斤的TNT能量。测试过程中管材内部的高压气体积聚了大量的能量，一旦发生泄漏或者爆炸，将会产生严重的安全事故。一般用于高压氢气打压的压缩机流量较小，对管材试样进行内压加载过程需要的时间较长，导致测试压力的调控缓慢。尤其是在疲劳测试中，需要进行上万次的内压加载，这会导致整个测试的周期太长。

目前管材高压气体测试装置相关的代表性成果有：发明专利CN202110708662.4“一种管材耐压测试装置及其测试方法”、发明专利CN201910249941.1“一种铝合金管材耐压密封性测试装置”、以及发明专利CN202110479072.9“一种金属管件的高温气体驱动渗透测试系”等。这些专利虽然都是对管材/管件进行高压气体测试，但是主要关注于管材变形、测试结果准确性以及渗透或者泄漏性测试。现有的管材高压气体测试装置及方法没有考虑并解决管材内部高压测试气体的危险性、管材气压测试的效率、测试准确性和经济性。

基于以上背景技术，本发明旨在提出一种管道气压测试装置及方法，基于该测试装置及方法能够提升管材高压气体测试的安全性、测试效率、准确性和经济性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种节省资源、安全高效的管道气压测试装置。

本发明的技术方案如下：

一种管道气压测试装置，用于对待测试管材进行高压气体测试，所述气压测试装置包括：储气装置，其用于储存测试气体；密封接头，其设置于所述待测试管材两端，用于对所述待测试管材进行密封，其中至少一个密封接头上设置有通气孔；输气管路，其一端连接所述储气装置，另一端经过所述密封接头的所述通气孔连通所述待测试管材的内部，用于向所述待测试管材通入测试气体；压力传感器，其用于检测所述待测试管材内部的压力；还包括圆柱块，所述圆柱块的外径小于所述待测试管材的内径，用于设置在所述待测试管材内，减少气压测试时向所述待测试管材内部通入的气体质量，能够显著减小待测试管材内部的气体打压容积，由此减少高压气体测试时管材内部的高压气体含量，减少管材内部高压气体积蓄的能量，提升测试的安全性；提升了管材内气体升压速率，使得管材内部气压调控更加及时，提升了管材气压测试的效率和准确性；同时可以减少测试所需气体的质量，同时减少气体打压过程中消耗的能量，节约资源和能源，提升测试的经济性。

本发明所述的管道气压测试装置中，所述管道气压测试装置还包括圆柱块套管，所述圆柱块套管可一层或多层嵌套在所述圆柱块外侧，两者一同置于待测试管材内部，从而进一步的减小待测试管材内部的气体打压容积。

本发明所述的管道气压测试装置中，为避免测试工况下压缩机打压产生过大的压力偏差，待测试管材内部的气体打压容积不能太小，即圆柱块的体积或圆柱块和圆柱块套管的组合体的体积具有上限，该上限值为：

其中，

为圆柱块或圆柱块和圆柱块套管的组合体的体积上限值，

为待测试管 材试样内部总的容积，

为压缩机标况下的流量，

为标况压力，

为标况温度，

为测试 工况温度，

为打压系统的滞后时间，为从管材内的压力达到预设的测试工况压力

至压 缩机停止打压之间的这段时间，

为根据具体测试需求确定的管材内部压力波动最高 值，其压缩机打压产生的管材内部压力最高值减去测试工况压力值

。

本发明所述的管道气压测试装置中，圆柱块具有多个不同的直径规格，圆柱块可由多个相同直径规格的圆柱块相互连接而成，组合得到不同长度的圆柱块，满足不同长度的管材测试需求。

本发明所述的测试装置中，圆柱块套管具有多个不同的直径规格，圆柱块套管可由多个相同直径规格的圆柱块套管相互连接而成，组合得到不同长度的圆柱块套管；不同直径规格的圆柱块套管可以依次嵌套在内置圆柱块的外侧，组合得到不同外径尺寸的组合体，满足不同长度和管径的管材测试需求。

本发明所述的测试装置中，圆柱块和圆柱块套管组合体的体积应当小于内置圆柱 块和圆柱块套管的组合体的体积上限值

，且在能够放入待测试管材的前提下，圆柱块和 圆柱块套管组合体的体积应当尽量大。

本发明所述的测试装置中，包含垫块，垫块位于圆柱块或圆柱块套管与待测试管材之间，用于保持内置圆柱块和圆柱块套管居中，且避免圆柱块或圆柱块套管与待测试管材的直接接触。

本发明所述的测试装置中，为能够承受较高的外压作用，圆柱块为实心圆柱体结构，或者圆柱块为大壁厚的空心结构，或者内置圆柱块为薄壁空心结构，但是其内部设置有加强筋。

本发明进一步提供了一种管道气压测试方法，包括以下步骤：

步骤1：计算圆柱块或圆柱块和圆柱块套管的组合体的体积上限值：

其中，

为圆柱块或圆柱块和圆柱块套管的组合体的体积上限值，

为待测试管 材试样内部总的容积，

为压缩机标况下的流量，

为标况压力，

为标况温度，

为测试 工况温度，

为打压系统的滞后时间，为从管材内的压力达到预设的测试工况压力

至压 缩机停止打压之间的这段时间，

为根据具体测试需求确定的管材内部压力波动最高 值，其压缩机打压产生的管材内部压力最高值减去测试工况压力值

；

步骤2：根据上述体积上限值，选取确定所述圆柱块或圆柱块和圆柱块套管的组合体，所述圆柱块的轴向总长度小于等于待测试管材的轴向长度，所述圆柱块由一个圆柱块组成，或由多个相同直径的圆柱块组合连接而成；

步骤3：将上述确定的圆柱块或圆柱块和圆柱块套管的组合体放置于待测试管材内部，安装所述待测试管材两端的密封接头；

步骤4：向待测试管材中吹扫待测试气体，排尽管材中的空气；

步骤5：向待测试管材通入待测试气体，并加压至预设压力，开始测试。

本发明所述的管道气压测试方法，在步骤2中，所述圆柱块和圆柱块套管的组合体为在所述圆柱块外侧嵌套一层或多层圆柱块套管形成，圆柱块套管的轴向总长度与圆柱块的轴向总长度保持相同，所述圆柱块套管由一个圆柱块套管组成，或由多个相同直径或不同直径的圆柱块套管组合连接而成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明通过在测试管材内部增加了圆柱块或圆柱块和圆柱块套管，显著减小待测试管材内部的气体打压容积，由此减少高压气体测试时管材内部的高压气体含量，减少管材内部高压气体积蓄的能量，提升管材高压气体测试的安全性。

（2）本发明装置及方法显著减小待测试管材内部的气体打压容积，提升了管材气压测试过程中气体升压速率，使得管材内部气压调控更加及时，且避免测试工况下压缩机打压产生过大的压力偏差，提升了管材气压测试的效率和准确性。

（3）本发明的测试装置通过减少待测试管材内部的气体打压容积，减少测试所需气体的质量，同时减少气体打压过程中消耗的能量，节约资源和能源，提升管材高压气体测试的经济性。该装置包含了多个内置圆柱块和圆柱块套管，通过相互组合可以得到不同长度和直径的组合体，满足不同长度和直径的管材的测试需求。

附图说明

图1为本发明专利的管道气压测试装置结构示意图。

图2为本发明专利的管道气压测试方法流程图。

图3为在圆柱块外侧嵌套多层圆柱块套管，以尽量减小待测试管材内部的气体打压容积。

图4为采用多个相同直径的圆柱块相互连接，组合得到不同长度的圆柱块，满足不同长度的管材测试需求。

图5（a）为实心圆柱体结构的内置圆柱块的结构示意图，图5（b）为大壁厚空心结构的内置圆柱块的结构示意图。

图6（a）为薄壁空心结构的内置圆柱块的结构示意图，其内部设置有环向加强筋，图6（b） 、图6（c）为图6（a）中内置圆柱块的A-A截面结构示意图，分别为两种不同结构的环向加强筋，其中图6（b）为圆片状环向加强筋的结构示意图，图6（c）为杆状环向加强筋的结构示意图。

图7（a）为薄壁空心结构的内置圆柱块的结构示意图，其内部设置有环向加强筋和轴向加强筋，图7（b）为图7（a）中内置圆柱块的B-B截面结构示意图。

附图说明：圆柱块1、垫块2、待测试管材3、气体打压容积4、管材密封接头5、管材带打压孔的密封接头6、打压孔7、输气管路8、圆柱块套管9、环向加强筋11、轴向加强筋12。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1所描述的为本发明实施的较佳示意图，但是本发明所涉及的具体技术形式也可以以其他类似的方式实施，并不仅限于图1所给出的框架和顺序。更精确地讲，本发明所给出的实施流程是该发明所涉及技术领域中较为透彻全面理解本发明技术路线的较好方式。

除本发明外另有定义词汇外，本发明中所使用的全部技术和科学术语均与本发明技术领域内所属技术人员通常理解的内容相同。本发明内容和实施路线中所使用的术语只是为了更好地表达本发明技术流程中具体实施的步骤，并不仅仅局限在所描述的术语内。

在合理情况下，本发明公开的实施方式中各个实例是可以互相组合的。

图1为本发明的一种管道气压测试装置的结构示意图。本发明中管道气压测试装置，用于对待测试管材3进行高压气体测试，气压测试装置包括：储气装置，其用于储存测试气体；密封接头5、6，其设置于所述待测试管材3两端，用于对待测试管材3进行密封，其中至少一个密封接头5、6上设置有通气孔；输气管路8，其一端连接所述储气装置，另一端经过密封接头的通气孔连通待测试管材3的内部，用于向待测试管材3通入测试气体；压力传感器，其用于检测待测试管材3内部的压力；还包括圆柱块1，圆柱块1的外径小于待测试管材3的内径，用于设置在待测试管材3内，减少气压测试时向待测试管材3内部通入的气体质量。本发明管道气压测试装置能够显著减小待测试管材3内部的气体打压容积4，由此减少高压气体测试时管材内部的高压气体含量，减少管材内部高压气体积蓄的能量，提升测试的安全性。此外，本发明管道气压测试装置还提升了管材内气体升压速率，使得管材内部气压调控更加及时，提升了管材气压测试的效率和准确性。同时，本发明管道气压测试装置可以减少测试所需气体的质量，同时减少气体打压过程中消耗的能量，节约资源和能源，提升测试的经济性。

本实施例中的气压测试装置，还包括圆柱块套管9，圆柱块套管9可一层或多层的嵌套在圆柱块1外侧，两者一同置于待测试管材3内部。

在本实施例中的气压测试装置中，若待测试管材3内部的气体打压容积4太小，压缩机加载进入气体打压容积4的气体会导致管材内部压力快速增加，这会导致管材内部压力很容易超过预设的测试工况压力，使得试验过程中压缩机打压产生过大的压力偏差与波动。因此，待测试管材3内部的气体打压容积4不能太小。据此，可以计算得到内置圆柱块1和圆柱块套管9的组合体的最大体积为：

试验中管材的预设的测试工况压力是确定的，记为

；根据管材气压测试试验对 压力控制精度的要求，确定压缩机打压产生的管材内部压力最高不超过

，即管材内部 压力波动最高不超过

。

根据气压测试试验所用压缩机给出的标准工况下的打压流量

，可以计算得到测 试工况下的压缩机打压流量

为：

其中，

为标准工况气体压力，

为标准工况气体温度，

为测试工况下管材内气 体压力，

测试工况下管材内气体温度。

理论上，压缩机将待测试管材3内气体打压至测试工况压力

后，压缩机应当立即 停止打压；然而，实际测试系统中压力传感器并不会立即监测到管材内的气体压力达到预 设的测试工况压力

，且从压力传感器监测到管材内的气体压力达到测试工况压力

至压 缩机停止打压还存在一定的滞后时间。因此，从管材内的气体压力达到测试工况压力

至 压缩机停止打压存在一段滞后时间，记为

。在管材内的气体压力达到测试工况压力

后的

时间内，压缩机加载至待测试管材3内部的气体的物质的量

为：

其中，R为摩尔气体常数，为8.31 J/(mol·K)。

由于待测试管材3内部的气体打压容积4保持不变，压缩机加载至待测试管材3内 部的

mol的气体会导致管材内部的气体压力增加。忽略这段时间内管材内部气体温度的 变化，则管材内部气体压力增加量：

其中，

为待测试管材3内部的气体打压容积4。

根据管材气压测试试验要求，管材内部压力波动最高不超过

，即：

由此计算得到待测试管材3内部的气体打压容积4的V满足：

由此计算得到圆柱块1的体积或圆柱块1和圆柱块套管9的组合体的体积为：

其中，

为待测试管材试样内部总的容积。

由此可以确定，为避免测试工况下压缩机打压产生过大的压力偏差，圆柱块1的体积或圆柱块1和圆柱块套管9的组合体的体积上限为：

该测试装置包含多个不同直径规格的圆柱块1，每个直径规格下又具有多个圆柱 块1，圆柱块1之间可以相互连接，组合得到不同长度的圆柱块，满足不同长度的管材测试需 求。该测试装置包含个不同直径规格的圆柱块套管9，每个直径规格下又具有多个圆柱块套 管，相同直径规格的圆柱块套管9可以相互连接，组合得到不同长度的圆柱块套管；不同直 径规格的圆柱块套管9可以依次嵌套在圆柱块1的外侧，组合得到不同外径尺寸的组合体， 满足不同长度和管径的管材测试需求。圆柱块1和圆柱块套管9组合体的体积应当小于圆柱 块1和圆柱块套管9的组合体的体积上限值

，在保证组合体能够置入管材内部的前提下， 可以使得组合体的轴向长度和直径尽量大，以充分减小待测试管材3内部的气体打压容积 4。

为能够承受较高的外压作用，圆柱块1为实心圆柱体结构，或者圆柱块1为大壁厚的空心结构，或者圆柱块1为薄壁空心结构，但是其内部设置有加强筋。该测试装置还包含垫块2，垫块2位于圆柱块1或圆柱块套管9与待测试管材3之间，用于保持圆柱块1和圆柱块套管9居中，且避免圆柱块1或圆柱块套管9与待测试管材3的直接接触。

图2为本发明实施例管道气压测试方法，包括以下步骤：

步骤1：计算圆柱块1的体积或圆柱块1和圆柱块套管9的组合体的体积上限值：

其中，

为圆柱块1或圆柱块1和圆柱块套管9的组合体的体积上限值，

为待测 试管材试样内部总的容积，

为压缩机标况下的流量，

为标况压力，

为标况温度，

为 测试工况温度，

为打压系统的滞后时间，为从管材内的压力达到预设的测试工况压力

至压缩机停止打压之间的这段时间，

为根据具体测试需求确定的管材内部压力波动最 高值，其压缩机打压产生的管材内部压力最高值减去测试工况压力值

。

步骤2：根据上述体积上限值，选取确定圆柱块或圆柱块和圆柱块套管的组合体，圆柱块1的轴向总长度小于等于待测试管材3的轴向长度，圆柱块1由一个圆柱块组成，或由多个相同直径的圆柱块组合连接而成；

步骤3：将上述确定的圆柱块1或圆柱块1和圆柱块套管9的组合体放置于待测试管材3内部，安装待测试管材3两端的密封接头5、6；

步骤4：向待测试管材3中吹扫待测试气体，排尽管材中的空气；

步骤5：向待测试管材7通入待测试气体，并加压至预设压力，开始测试。

本实施例所述的测试方法，在步骤2中，圆柱块1和圆柱块套管9的组合体为在圆柱 块1外侧嵌套一层或多层圆柱块套管9形成，圆柱块套管9的轴向总长度与圆柱块的轴向总 长度保持相同，圆柱块套管9由一个圆柱块套管组成，或由多个相同直径或不同直径的圆柱 块套管组合连接而成。在圆柱块1和圆柱块套管9组合体的体积应当小于圆柱块1和圆柱块 套管9的组合体的体积上限值

的情况下，重复该步骤在连接好的内置圆柱块外侧依次嵌 套多层圆柱块套管9，直至最终的内置圆柱块1和圆柱块套管9组合体的外径最大，且小于待 测试管材3的内径。

以上是对本发明中管道气压测试装置及方法的详细介绍。采用本发明所设计的管材高压气体测试的装置，结合发明的测试方法，可以显著减小待测试管材3内部的气体打压容积4，由此减少高压气体测试时管材内部的高压气体含量，减少管材内部高压气体积蓄的能量，提升管材高压气体测试的安全性。待测试管材3内部的气体打压容积4的减小提升了管材气压测试过程中气体升压速率，使得管材内部气压调控更加及时，且避免测试工况下压缩机打压产生过大的压力偏差，提升了管材气压测试的效率和准确性。本发明的测试装置通过减少待测试管材3内部的气体打压容积4可以显著减少测试所需气体的质量，同时减少气体打压过程中消耗的能量，节约资源和能源，提升测试经济性。同时减少气体打压过程中消耗的能量，节约资源和能源，提升管材高压气体测试的经济性。本发明的测试装置包含了多个圆柱块1和圆柱块套管9，不同长度和直径的圆柱块1和圆柱块套管9通过相互组合，可以得到不同长度和直径的组合体，满足不同长度和直径的管材的测试需求。在保证组合体能够置入管材内部的前提下，可以使得组合体的轴向长度和直径尽量大，以充分减小待测试管材3内部的气体打压容积4。

实施例1：

以公称直径为500mm，壁厚为20.62 mm，长度为1000 mm的钢管为例，管材的内径为466.76 mm，由此计算得到管材内部的气体打压容积为171.1 L。采用氢气对管材进行内压测试，氢气测试压力为10 MPa，按照常温25℃计算得到氢气的质量为：

氢气的热值为143 kJ/g，由此计算得到该管材内储存的氢气化学能量为：197.5MJ。

至于高压氢气的压缩能量，按照等温压缩过程，管材内部的高压氢气相对于大气环境的压缩能量为：

由此该测试管材内部高压氢气中聚集的总的能量为205.4 MJ。

采用本发明中的管材高压气体测试的装置，内置圆柱块外径为450 mm，长度为1000 mm，将该内置圆柱块放入待测试管材内部，管材内部的气体打压容积减小为12.1 L。因此，采用本发明中的管材高压气体测试的装置后，管材内部的气体打压容积减小为原来的7.1%，可见气体打压容积显著减小。

采用本发明中的管材高压气体测试的装置，管材内部的气体打压容积显著减小，由此管材内部高压氢气中聚集的总的能量也会相应地减小为原来的7.1%，为14.6 MJ。由此可见，管材内部高压氢气中聚集的总的能量显著降低，提升了管材高压氢气测试的安全性。

实施例2：

以公称直径为500 mm，壁厚为20.62 mm，长度为1000 mm的钢管为例，管材的内径 为466.76 mm，由此计算得到管材内部的气体打压容积为171.1 L。采用氢气对管材进行内 压加载测试，氢气测试压力为10 MPa，测试温度为25℃。试验所采用压缩机标准工况下的打 压流量

为1 m³/min，换算至测试工况（10 MPa，25℃）下压缩机的打压流量

为：

其中，

为标准工况气体压力，

为标准工况气体温度，

为测试工况下管材内气 体压力，

测试工况下管材内气体温度。

由此，要将管材内氢气压力由0 MPa提升至10 MPa，需要的加载时间和气体升压速率为：

采用本发明中的管材高压气体测试的装置，内置圆柱块外径为450 mm，长度为1000 mm，将该内置圆柱块放入待测试管材内部，管材内部的气体打压容积减小为12.1 L。因此，采用本发明中的管材高压气体测试的装置后，管材内部的气体打压容积减小为原来的7.1%。此时将管材内氢气压力由0 MPa提升至10 MPa，需要的加载时间和气体升压速率为：

可以采用本发明中的管材高压气体测试的装置，管材内气体升压速率显著提升，由0.0099 MPa/s提升至0.14 MPa/s，升压速率提升了13.1倍，使得管材内部气压调控更加及时；打压过程所需的时间仅为原来的7.1%，显著提升了管材气压测试的效率和准确性。

实施例3：

以公称直径为500 mm，壁厚为20.62 mm，长度为1000 mm的钢管为例，管材的内径为466.76 mm，由此计算得到管材内部的气体打压容积为171.1 L。采用氢气对管材进行内压加载测试，氢气测试压力为10 MPa，按照常温25℃计算得到氢气的质量约为1381.2 g。按照理想情况，根据等温压缩过程，将管材内部的氢气由环境压力压缩至10 MPa需要消耗的能量为7.9 MJ。

采用本发明中的管材高压气体测试的装置，内置圆柱块尺寸为外径450 mm，长度为1000 mm，将该内置圆柱块放入待测试管材内部，管材内部的气体打压容积变为12.1 L。因此，采用本发明中的管材高压气体测试的装置后，管材内部的气体打压容积减小为原来的7.1%。管材内部高压氢气的质量也将变为原来的7.1%，为98.1 g。压缩高压氢气消耗的能量也会减少为原来的7.1%，为0.56 MJ。

可见，采用本发明中的管材高压气体测试的装置，管材高压气体测试消耗的氢气质量以及压缩氢气消耗的能量都将显著减小，能够提升管材高压气体测试的经济性。

实施例4：

以公称直径为600 mm，壁厚为24.61 mm，长度为1000 mm的钢管为例，管材的内径 为560.38 mm。计算得到待测试管材试样内部总的容积

为246.6 L。为了降低管材内部的 气体打压容积，通过在管材内部放置内置圆柱块和圆柱块套管的组合体。通过查阅，得到气 压测试试验所用压缩机标准工况下的打压流量

为1 m³/min。该管材气压测试试验测试工 况下管材内气体温度

为25℃（298.15 K），管材内气体压力

为10 MPa，根据管材气压测 试试验要求，管材内部压力波动最高不超过的临界值

为0.5 MPa。该试验打压系统的滞 后时间为2 s。由此可以计算得到，为了避免测试过程中压缩机打压产生的管材压力波动超 过0.5 MPa，可以加入的内置圆柱块1和圆柱块套管9的组合体的体积不能超过：

由此计算得到在该案例的测试条件和要求下，可以加入待测试管材内部的内置圆柱块1和圆柱块套管9的组合体的体积最大为239.9 L。若内置圆柱块1和圆柱块套管9的组合体的体积超过该上限值，将会导致测试管材3内部的气体打压容积4太小，采用该压缩机加载时管材内部的压力很容易超过11.5 MPa的上限，导致测试结果不准确。

实施例5：

以公称直径为600 mm，壁厚为24.61 mm，长度为1000 mm的钢管为例，管材的内径为560.38 mm。单独采用外径为450 mm的内置圆柱块，内置圆柱块与管材内壁面之间还存在约55 mm的间隙，只能将管材内部的气体打压容积由246.6 L减小为87.6 L，变为原来的35.5%，无法有效减小管材内部的气体打压容积。

因此，如图3所示，在内置圆柱块1外侧增加多个圆柱块套管9。分别增加一个内径455 mm、外径500 mm的圆柱块套管，以及一个内径505 mm、外径550 mm的圆柱块套管。将该内置圆柱块和圆柱块套管组合体放入管材内部后，管材内部的气体打压容积由246.6 L减小为12.6 L，变为原来的5.1%。

可见，采用本发明中的管材高压气体测试的装置，通过将不同直径规格的圆柱块套管依次嵌套在内置圆柱块外侧，组合得到不同的体积。在保证组合体能够置入管材内部的前提下，可以使得组合体的直径尽量大，以充分减小待测试管材内部的气体打压容积，能够满足不同管径的管材测试需求。

实施例6：

以公称直径为600 mm，壁厚为24.61 mm，长度为1500 mm的钢管为例，管材的内径为560.38 mm。通过实施例3中的内径455 mm、外径500 mm的圆柱块套管，以及内径505 mm、外径550 mm的圆柱块套管和内置圆柱块组合，可以使得组合体的直径尽量大，以充分减小待测试管材内部的气体打压容积。由于所采用的内置圆柱块和圆柱块套管的长度均为1000mm，所得到的组合体无法在轴向长度方向充分减小管材内部径向的气体打压容积。

因此，本发明中的管材高压气体测试的装置中，设置了不同长度规格的内置圆柱块，且每一个直径规格的圆柱块套管，也都设置了不同的长度规格。如图4，内置圆柱块和圆柱块套管均设置有1000mm、500mm、300 mm等长度规格，通过相互组合可以得到1500mm、1300mm、800 mm等不同长度的组合体。对于本实施例中长度1500 mm的钢管，采用长度1000mm和500 mm的内置圆柱块连接，外层嵌套长度1000mm和500 mm的圆柱块套管，最终可以得到轴向长度为1500 mm的组合体，由此能够充分减小管材内部轴向的气体打压容积。

可见，本发明中的管材高压气体测试的装置中，设置多个直径相同或不同的内置圆柱块，且每一个直径的圆柱块套管都设置有多个不同长度的圆柱块套管，不同长度的内置圆柱块和圆柱块套管组合得到不同长度的圆柱块组合体，在保证组合体能够置入管材内部的前提下，可以使得组合体的轴向长度尽量大，以充分减小待测试管材内部的气体打压容积，能够满足不同管径的管材测试需求。

实施例7：

本发明中的管材高压气体测试的装置中，内置圆柱块承受较高的外压作用，为了防止内置圆柱块在外压作用下的失稳变形，可以将内置圆柱块设置成如图5（a）所示的实心结构。

实心结构的内置圆柱块适用于小管径的管材测试。对于大管径的管材，内置圆柱块的直径也需要随之增加，这会导致实心结构的内置圆柱块质量显著增加，制备圆柱块的耗材增加，且测试过程中安装也不方便。这时需要采用空心结构的内置圆柱块，为了避免空心结构的内置圆柱块在外压下的变形与失稳，需要采用大壁厚空心结构的内置圆柱块，如图5（b）所示。

为了进一步降低内置圆柱块的质量，可以减小内置圆柱块筒体部分的壁厚，内置圆柱块轴向端部的壁厚依然较大。为了避免空心结构的内置圆柱块筒体部分在外压下的变形与失稳，需要在内置圆柱块内部设置环向加强筋11，如图6（a）所示。环向加强筋可以采用图6（b）所示的片状结构，也可以采用图6（c）所示的杆状结构。

进一步地，可以同时减小内置圆柱块筒体和轴向端部的壁厚，为了避免空心结构的内置圆柱块筒体部分在外压下的变形与失稳，在内置圆柱块内部设置环向加强筋11和轴向加强筋12，如图7（a）、图7（b）所示。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“竖直”、“水平”、“顶”、“上”、“下”、“底”“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固持”、“嵌套”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种管道气压测试装置，用于对待测试管材（3）进行高压气体测试，其特征在于，所述气压测试装置包括：

储气装置，其用于储存测试气体；

密封接头（5、6），其设置于所述待测试管材（3）两端，用于对所述待测试管材（3）进行密封，其中至少一个密封接头（5、6）上设置有通气孔；

输气管路（8），其一端连接所述储气装置，另一端经过所述密封接头的所述通气孔连通所述待测试管材（3）的内部，用于向所述待测试管材（3）通入测试气体；

压力传感器，其用于检测所述待测试管材（3）内部的压力；

还包括圆柱块（1），所述圆柱块（1）的外径小于所述待测试管材（3）的内径，用于设置在所述待测试管材（3）内，减少气压测试时向所述待测试管材（3）内部通入的气体质量；

为避免所述待测试管材（3）内部产生过大的压力偏差与波动，所述圆柱块（1）的体积具有上限，该上限值为：

其中，

为圆柱块（1）的体积上限值，单位为L；

为待测试管材（3）内部总的容积，单位为L；

为压缩机标况下的流量，单位为L/s；

为标况压力，单位为MPa；

为标况温度，单位为K；

为测试工况温度，单位为K；

为打压系统的滞后时间，其为从管材内的压力达到预设的测试工况压力

至压缩机停止打压之间的这段时间，单位为s；

为根据具体测试需求确定的管材内部压力波动最高值，其为压缩机打压产生的管材内部压力最高值减去测试工况压力值

，单位为MPa。

2.如权利要求1所述的管道气压测试装置，其特征在于，还包括圆柱块套管（9），所述圆柱块套管（9）可一层或多层的嵌套在所述圆柱块（1）外侧，并置于所述待测试管材（3）内部；此时所述圆柱块（1）和圆柱块套管（9）的组合体的体积具有上限值，所述

为圆柱块（1）和圆柱块套管（9）的组合体的体积上限值。

3.如权利要求1或2所述的管道气压测试装置，其特征在于，所述圆柱块（1）具有多个不同的直径规格，所述圆柱块（1）可由多个相同直径规格的圆柱块相互连接而成，组合得到不同长度的圆柱块，满足不同长度的管材测试需求。

4.如权利要求2所述的管道气压测试装置，其特征在于，所述圆柱块套管（9）具有多个不同的直径规格，所述圆柱块套管（9）可由多个相同直径规格的圆柱块套管相互连接而成，组合得到不同长度的圆柱块套管；不同直径规格的圆柱块套管（9）可以依次嵌套在所述圆柱块（1）外侧，组合得到不同外径尺寸的组合体，满足不同管径的管材测试需求。

5.如权利要求1或2所述的管道气压测试装置，其特征在于，还包含垫块（2），垫块（2）位于所述圆柱块（1）或所述圆柱块套管（9）与所述待测试管材（3）之间。

6.如权利要求1或2所述的管道气压测试装置，其特征在于，所述圆柱块（1）为实心或空心圆柱体结构。

7.如权利要求6所述的管道气压测试装置，其特征在于，所述空心圆柱体结构内部设置有加强筋。

8.一种利用权利要求1-7中任一项的管道气压测试装置进行管道气压测试的方法，包括以下步骤：

步骤1：计算圆柱块（1）或圆柱块（1）和圆柱块套管（9）的组合体的体积上限值：

其中，

为圆柱块（1）或圆柱块（1）和圆柱块套管（9）的组合体的体积上限值，单位为L；

为待测试管材（3）内部总的容积，单位为L；

为压缩机标况下的流量，单位为L/s；

为标况压力，单位为MPa；

为标况温度，单位为K；

为测试工况温度，单位为K；

为打压系统的滞后时间，其为从管材内的压力达到预设的测试工况压力

至压缩机停止打压之间的这段时间，单位为s；

为根据具体测试需求确定的管材内部压力波动最高值，其为压缩机打压产生的管材内部压力最高值减去测试工况压力值

，单位为MPa；

步骤2：根据上述体积上限值，选取确定所述圆柱块（1）或圆柱块（1）和圆柱块套管（9）的组合体，所述圆柱块（1）的轴向总长度小于等于待测试管材（3）的轴向长度，所述圆柱块（1）由一个圆柱块组成，或由多个相同直径的圆柱块组合连接而成；

步骤3：将上述确定的圆柱块（1）或圆柱块（1）和圆柱块套管（9）的组合体放置于待测试管材（3）内部，安装所述待测试管材（3）两端的密封接头（5、6）；

步骤4：向待测试管材（3）中吹扫待测试气体，排尽管材中的空气；

步骤5：向待测试管材（3）通入待测试气体，并加压至预设压力，开始测试。

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