■黃金洲 方亮 中國(guó)石化集團(tuán)江漢油建公司湖北潛江433123

輸氣管線氮?dú)庵脫Q分析

■黃金洲 方亮 中國(guó)石化集團(tuán)江漢油建公司湖北潛江433123

以重慶市西彭至永川天然氣輸氣管線三標(biāo)段工程全程氮?dú)庵脫Q為例，對(duì)從如何選擇置換方式、氮?dú)庵脫Q設(shè)備的選擇、置換對(duì)氮?dú)獾囊蠹暗獨(dú)饬康挠?jì)算、氮?dú)庵脫Q過(guò)程等幾個(gè)方面進(jìn)行分析，對(duì)輸氣管線如何進(jìn)行氮?dú)庵脫Q進(jìn)行分析總結(jié)。

天然氣管道氮?dú)庵脫Q

1 概述

近幾年我國(guó)天然氣行業(yè)迅猛發(fā)展，各種輸氣管道建設(shè)力度也在加強(qiáng)，同時(shí)由于天然氣本身性質(zhì)的特殊性（天然氣在空氣中濃度為5～15%的范圍時(shí)，遇明火、高溫等情況即可發(fā)生爆炸，這個(gè)濃度范圍為天然氣的爆炸極限），所以確保天然氣管道安全投產(chǎn)運(yùn)行十分重要。對(duì)于新建、需檢修、以及要廢棄的管道或設(shè)備，在投運(yùn)、檢修或廢棄以前必須進(jìn)行氮?dú)庵脫Q工作，即先將氮?dú)庾⑷牍芫€，用氮?dú)庾鳛樘烊粴馀c空氣間的隔離介質(zhì)（投產(chǎn)時(shí)氮?dú)馔苿?dòng)空氣或檢修時(shí)用氮?dú)馔苿?dòng)天然氣進(jìn)行管道線路置換，從而使天然氣管道達(dá)到順利投產(chǎn)條件或檢修時(shí)能達(dá)到動(dòng)火施工的要求）。

重慶市西彭至永川天然氣輸氣管線工程三標(biāo)段工程是重慶市為滿足永川、壁山、江津和西彭等地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要而建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目。施工前期因清管站材料未按時(shí)到位，導(dǎo)致清管站建設(shè)滯后。為了保證管線能按施工節(jié)點(diǎn)通氣，采取了用臨時(shí)管線連接的方法將清管站隔離（清管站建在三標(biāo)管線中間位置），以達(dá)到能臨時(shí)通氣的條件；清管站建成具備投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)條件后，再將清管站接入到線路中來(lái)。由于管線只是在兩端（相距約25.4km）各有一個(gè)放空點(diǎn)，因距離較遠(yuǎn)且管線順著山勢(shì)起伏，管道內(nèi)的天然氣無(wú)法順利排出只能采用氣體置換的方式將天然氣含量降到安全線以下時(shí)進(jìn)行動(dòng)火施工。

2 置換方式的選擇

2.1 管線氣體置換法主要分直接置換法和間接置換法兩大類

2.1.1 直接置換法

直接置換法（用空氣作為介質(zhì)進(jìn)行置換）的混合段是天然氣與空氣的混合氣體，這是極易發(fā)生事故的一段，而該混合段的存在是必然的、不可避免的。在混合段中，只要有明火、或者是碰撞產(chǎn)生靜電火花、或者是獲得一定的能量，就會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。在置換過(guò)程中，管道內(nèi)不會(huì)有明火，同時(shí)環(huán)境溫度或管道溫度都不會(huì)很高，不會(huì)提供足夠的能量，唯一不安全的因素就是碰撞及靜電火花。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)含有水分和雜質(zhì)的高壓氣體在管道中高速流動(dòng)時(shí)，易發(fā)生摩擦和碰撞，特別是當(dāng)它們從開(kāi)口部位噴出時(shí)，與管口壁發(fā)生摩擦產(chǎn)生靜電。氣體靜電包括氣體本身帶電和相關(guān)裝置帶電。由于天然氣管道在設(shè)計(jì)施工中，做了涂層防腐，其接地電阻很大，幾乎是絕緣的。在天然氣在管道中高速流動(dòng)的情況下，由于摩擦和沖撞產(chǎn)生的靜電不易及時(shí)導(dǎo)出，靜電積聚可能產(chǎn)生高達(dá)數(shù)千伏的電壓，產(chǎn)生管道帶電現(xiàn)象，尤以高分子材料的管道表面電位升高最顯著。當(dāng)其泄放的能量達(dá)到一定程度時(shí)，則可能導(dǎo)致天然氣與空氣混合物的燃燒和爆炸。由于可天然氣體的最小著火能量是很小的，積聚起來(lái)的靜電能量很容易達(dá)到該值。因此，我們?cè)谥苯又脫Q的過(guò)程中，一定要掌握好天然氣的置換壓力和天然氣的流速，防止靜電產(chǎn)生，杜絕事故發(fā)生。直接置換法的特點(diǎn)是：置換方法及過(guò)程簡(jiǎn)單，置換技術(shù)操作要求較高，安全性較差；但是置換時(shí)間相應(yīng)地短，置換費(fèi)用較低。

2.1.2 間接置換法

間接置換法中混合段是中性介質(zhì)（在置換過(guò)程中，選擇的中間介質(zhì)是不可燃燒的，同時(shí)也是不可助燃的N2、煙氣或水蒸氣，從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性方面考慮，一般選擇的是N2）和天然氣混合氣體，是比較安全的。間接置換法（在本章論述的就是氮?dú)庵脫Q法）特點(diǎn)是：置換方法及過(guò)程復(fù)雜．置換時(shí)的技術(shù)操作要求不太高，安全性較高；但置換時(shí)間較長(zhǎng)，置換費(fèi)用較高。

從以上分析可以看出直接置換法適用于管徑較小(DN＜200mm)，管道長(zhǎng)度較短的天燃?xì)夤芫€，而西永管線本次需置換的管段為φ406×7.9管線8.1km、φ323.9×6.4管線15.5km（中間用大小頭過(guò)渡），因此從安全方面考慮，本次置換采用間接置換法即氮?dú)庵脫Q法。

2.2 天然氣管道氮?dú)庵脫Q的方法

天然氣管道氮?dú)庵脫Q的方法也分為2種，氮?dú)馊€置換方式和隔離置換方式（內(nèi)加分隔器）。

2.2.1 全線置換方式

一般適用于管線投產(chǎn)時(shí)間不確定、管線空置時(shí)間較長(zhǎng)或地形復(fù)雜，地勢(shì)高低交錯(cuò)，且彎頭較多的天然氣長(zhǎng)輸管道；

2.2.2 隔離置換（內(nèi)加分隔器）方式

適用于地形簡(jiǎn)單，地勢(shì)平坦，且彎頭較少的天然氣管道。

從兩種氮?dú)庵脫Q方式適用的范圍及西永管線本次置換工作的實(shí)際情況，本次氮?dú)庵脫Q采用全線置換方式。

3 氮?dú)庵脫Q設(shè)備的選擇

目前氮?dú)庵脫Q設(shè)備常采用的是液氮罐車：通過(guò)對(duì)液氮加熱汽化進(jìn)行氮?dú)獾闹脫Q工作；另外還有車載氮?dú)馍a(chǎn)設(shè)備，設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)直接將生產(chǎn)的氮?dú)庾⑷牍艿馈?/p>

西永管道工程考慮到置換工藝的簡(jiǎn)單、方便及經(jīng)濟(jì)性，選擇了液氮罐車，氮?dú)夤捃囎畲筝敵龅獨(dú)饽芰?00m3／h。

4 置換對(duì)氮?dú)獾囊蠹暗獨(dú)饬康挠?jì)算

4.1 對(duì)氮?dú)獾囊?/p>

長(zhǎng)輸天然氣管道置換對(duì)氮?dú)獾囊螅?/p>

(1)氮?dú)獬隹跍囟缺仨毟哂?℃，因?yàn)橐旱蜻^(guò)低溫度的氮?dú)膺M(jìn)入管道后，一方面會(huì)影響管材的低溫強(qiáng)度(低溫脆性)，另一方面低溫易使閥門(mén)等設(shè)備的密封泄露。因此，氮?dú)膺M(jìn)入管道的溫度不能低于5℃，最好控制在5～25℃。

本次氮?dú)庵脫Q選用采用注氮車裝的液氮，溫度較低，需對(duì)液氮進(jìn)行加熱(使用氮?dú)庹舭l(fā)器)，氮?dú)庹舭l(fā)器選擇小了易造成出氣溫度過(guò)低甚至過(guò)液的危險(xiǎn)；選擇大了浪費(fèi)和受到場(chǎng)地的限制，可以使氮?dú)膺M(jìn)入輸氣管道之前溫度控制在5～15℃之間，以保證管道材質(zhì)不受損壞。

(2)注到管道里氮?dú)庵械暮趿恳陀?%。

4.2 氮?dú)饬康挠?jì)算。

根據(jù)理論工式，對(duì)于全線氮?dú)庵脫Q所需氮?dú)饬?，其最小理論用量?/p>

V=7.85×10-4D2L

式中：v為全線氮?dú)庵脫Q氮?dú)獾淖钚±碚撚昧浚琺3；D為置換管段的管徑，mm；L為置換管段的長(zhǎng)度，km．

全程置換工藝的注氮量為所要置換管段的全部管容和站場(chǎng)相關(guān)部分的管道容積，同時(shí)還要考慮部分混氣段的放空量和灌充壓力。而管道氮?dú)庵脫Q混氣長(zhǎng)度的影響因素主要有介質(zhì)流動(dòng)速度、管徑和管線長(zhǎng)度。隨著速度、管徑和管線長(zhǎng)度增大，混氣長(zhǎng)度也逐漸增大，混氣長(zhǎng)度與管徑成正比、與管線長(zhǎng)度的二分之一次方成正比。根據(jù)以前氮?dú)庵脫Q工作的經(jīng)驗(yàn)，氮?dú)鈱?shí)際用量應(yīng)為最小理論用量的1.5～2.0倍，本次需置換為保險(xiǎn)起見(jiàn)，選用2倍值。

若采用液氮時(shí)，1t液氮轉(zhuǎn)化為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、5℃狀態(tài)下的氮?dú)怏w積為808m3。即比容μ=0.808m／kg?？紤]液氮在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和注氮中的損耗，集氣站、閥室置換和吹掃耗氣量等因素，再結(jié)合已有注氮槽車的噸位，最后確定置換過(guò)程中注液氮總量。

西永管線本次需置換的管段管段為φ406×7.9管線8.1km、φ323.9×6.4管線15.5km，管線總?cè)莘e為2145m3，共需用氮?dú)饬考s為4300m3（指常壓常溫下），即5.4t液氮。

5 氮?dú)庵脫Q速度和注氮時(shí)間及注氮壓力的確定

為了減少在氮?dú)庵脫Q過(guò)程中氮?dú)夂吞烊粴猓諝猓┑幕鞖饬?，縮短必要的置換時(shí)間，并確定注氮設(shè)備的配備參數(shù)，需要對(duì)氮?dú)庵脫Q速度和注氮速度進(jìn)行計(jì)算。

5.1 氮?dú)庵脫Q推進(jìn)速度的選取原則

采用氮?dú)馔瓶諝膺M(jìn)行置換，置換速度是一個(gè)比較重要的參數(shù)，選取氮?dú)馔七M(jìn)速度的主要因素：

(1)確?；鞖饬孔钌伲鶕?jù)資料，無(wú)量綱理查德系數(shù)(R#)是判定兩種氣體介質(zhì)是否存在分層現(xiàn)象的一種方法，其計(jì)算公式為：

R#=gl×d/up2;gl=g×△ρ/ρ

式中：g——重力加速度，g=9.81m／s2；

△ρ——不同氣體密度差值，△ρ=│ρa(bǔ)-ρb│，kg／m3；

P——兩種氣體密度算術(shù)平均值，ρa(bǔ)、ρb——兩種氣體密度，kg／m3，在常溫下，其中氮?dú)饷芏圈補(bǔ)=1.2504kg／m3（液氮純度在99.95%以上，且其他腐蝕性組分符合相應(yīng)的氮?dú)鈽?biāo)準(zhǔn)要求)，空氣密度ρb=1.293kg／m3；

L——中間換算參數(shù)；

d——管道內(nèi)徑，m；

uP——平均速度，m／s。

根據(jù)資料顯示，理查德系數(shù)(R#)在1～5對(duì)應(yīng)的混氣量是可接受的，速度越大，理查德系數(shù)R#越小，出現(xiàn)分層的可能性越小。為保證混氣量最少，取R#=1，即對(duì)氮?dú)?天然氣的平均推進(jìn)速度控制在2.07m/s最合適。

(2)確保合理置換時(shí)間。從工程進(jìn)度考慮，在不超過(guò)《天然氣管道運(yùn)行規(guī)范》(sY／T5922—2003)規(guī)范規(guī)定的天然氣流速≤5m/s條件下，在保證實(shí)際作業(yè)可行的情況時(shí)，氮?dú)馔七M(jìn)速度越快越好，用于置換的時(shí)間越短越好。

(3)考慮注氮設(shè)備的供氣能力。選擇置換過(guò)程速度，需考慮注氮設(shè)備的供氣能力，現(xiàn)場(chǎng)配備的注氮設(shè)備能力最大輸出氮?dú)饽芰?00m3／h。根據(jù)氮?dú)廨敵瞿芰τ?jì)算:φ406管線中的平均推進(jìn)速度為1.41m／s;在φ323.9管線中的氮?dú)馔七M(jìn)速度為2.19m／s。

從上述分析中，我們確定此次氮?dú)庵脫Q在φ406管線中的平均推進(jìn)速度為1.4m／s；在φ323.9管線中的氮?dú)馄骄七M(jìn)速度為2.0m／s（通過(guò)控制氮?dú)廨斎肓縼?lái)調(diào)節(jié)氮?dú)馔七M(jìn)速度）。5.2注氮時(shí)間的確定

為了確定施工工期，有必要對(duì)氮?dú)獾闹脫Q時(shí)間進(jìn)行估算。根據(jù)氮?dú)馄骄七M(jìn)速度的推導(dǎo)，得到西永三標(biāo)置換工作約需用3.8h。

5.3 注氮壓力的確定

從置換口注入氮?dú)?，注氮?dú)鈮毫σ话憧刂圃?.1～0.3MPa，注氮壓力過(guò)大、過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致混氣段長(zhǎng)度會(huì)增加。

6 置換的檢測(cè)方法

檢測(cè)點(diǎn)一般選擇在壓力表的取樣口，檢測(cè)儀器一般為氧含量檢測(cè)儀和可燃?xì)怏w分析儀。

在進(jìn)行氮?dú)庵脫Q空氣時(shí)，檢測(cè)方法是在置換末端進(jìn)行氧含量檢測(cè)。在推進(jìn)置換中，當(dāng)氧含量檢測(cè)儀檢測(cè)到的氧含量由21%下降時(shí)，表示空氣和氮?dú)饣旌隙蔚絹?lái)；氧含量降低到2%以下時(shí)表示氮?dú)舛蔚絹?lái)，氮?dú)庵脫Q合格，此時(shí)可關(guān)閉進(jìn)氣和放空閥。

本次置換工作采用氮?dú)庵脫Q天然氣，檢測(cè)方法是先根據(jù)氮?dú)獾钠骄七M(jìn)速度和置換點(diǎn)的距離，估算出到達(dá)末端檢測(cè)點(diǎn)的大致時(shí)間，然后提前1～2h用可燃?xì)怏w分析儀進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)的時(shí)間間隔開(kāi)始為20min，然后不斷縮短，最后為5min。當(dāng)檢測(cè)到氮?dú)庵刑烊粴庑∮?%（閃爆下限的20%）時(shí)，表示置換完成。

7 氮?dú)庵脫Q過(guò)程

(1)注氮地點(diǎn)的選擇

從經(jīng)濟(jì)上來(lái)考慮，因此應(yīng)盡可能減少注氮點(diǎn)數(shù)量，本次全線只選擇一個(gè)注氮口，地點(diǎn)選擇在西彭閥室（首站位置），氮?dú)忭槡饬鞣较蜻M(jìn)行置換。

(2)根據(jù)計(jì)算出的氮?dú)庵脫Q時(shí)間安排具體施工時(shí)間

根據(jù)氮?dú)獾牧魉?，?jì)算出氮?dú)庵撂烊細(xì)饣鞖舛螝忸^到達(dá)閥室的預(yù)計(jì)時(shí)間，方便操作人員按時(shí)在閥室進(jìn)行氣體檢測(cè)等操作。

西永三標(biāo)管道工程于2009年12月23日18時(shí)開(kāi)始氮?dú)庵脫Q，氮?dú)庵量諝饣鞖舛螝忸^到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間為22時(shí)10分。

(3)氮?dú)庵脫Q操作方法

將注氮車連接首站管道，注氮過(guò)程中，在下游閥室進(jìn)行引氣放空。

根據(jù)測(cè)算氮?dú)馀c天然氣混氣頭到達(dá)閥室的時(shí)間，提前在閥室用用可燃?xì)怏w分析儀進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)的時(shí)間間隔開(kāi)始為20min，然后不斷縮短，最后為5min。當(dāng)檢測(cè)到氮?dú)庵刑烊粴庑∮?%（閃爆下限的20%）時(shí)，表示置換完成。

8 結(jié)論

本文以重慶市西彭至永川天然氣輸氣管線三標(biāo)段工程全程氮?dú)庵脫Q為例，對(duì)天然氣管線從如何選擇置換方式、氮?dú)庵脫Q設(shè)備的選擇、置換對(duì)氮?dú)獾囊蠹暗獨(dú)饬康挠?jì)算、氮?dú)庵脫Q過(guò)程等幾個(gè)方面進(jìn)行分析、討論，總結(jié)出如下幾條經(jīng)驗(yàn)以供參考：

(1)從實(shí)際情況出發(fā)，根據(jù)不同的情況選擇最佳的氮?dú)庵脫Q方法；

(2)置換前要確保符合置換所必須具備的條件；

(3)置換前粗略確定所需氮?dú)饬?，避免浪費(fèi)或出現(xiàn)不足的情況；

(4)置換時(shí)合理控制注氮溫度、壓力和管道內(nèi)氣體流速，盡量減小混氣段，減少氮?dú)獾膿p失。

book=73,ebook=29

TU741

B

1672-9323（2010）03-0073-03

2010-04-21）