王子維 安萬蘭 陳宇 趙璟龍 王趙巖 林書璜

摘 ?要：天然氣管道切改換管施工是一種常見的管道施工作業(yè)，換管前的天然氣吹掃置換是必不可少的一項安全保障措施。實際操作中一般采用純度較高的液氮作為惰性置換氣體，但在冬季施工中液氮的汽化溫度問題給置換帶來了困難。根據(jù)自制液氮升溫裝置在天然氣管道置換作業(yè)應(yīng)用實例，表明該裝置解決了冬季液氮置換中其汽化溫度問題，可確保冬季管道切改換管施工作業(yè)安全。

關(guān)鍵詞：天然氣管道;切改換管施工;吹掃置換;液氮;汽化溫度

冀東油田高廟219干氣管線（全長20.2公里）、老爺廟聯(lián)合站—集輸干線閥室219聯(lián)絡(luò)線（全長6.3公里）、高廟273濕氣管線（全長20.16公里），因建設(shè)期標(biāo)準(zhǔn)低造成管道跨越段和桁架焊接，致使該段管道的保護(hù)電流流失，出現(xiàn)保護(hù)電位不達(dá)標(biāo)的情況，且焊點處外腐蝕嚴(yán)重，有必要進(jìn)行切改換管作業(yè)，施工前需用氮氣吹掃和置換管內(nèi)介質(zhì)，以保證后續(xù)作業(yè)安全?？紤]到氮氣純度低，采用純度較高的液氮作為置換氣體。

1.天然氣與液氮

1.1天然氣

天然氣主要成分為烷烴，密度為0.7174 kg/m3、比重約0.65，比空氣輕，不溶于水，易燃易爆，燃點為650 ℃，爆炸極限（V%）為5%～15%。

油田的天然氣按照來源分為伴生氣和氣田氣，按照加工處理與否分為干氣和濕氣。

天然氣在兩種情況下不會燃燒爆炸。其一，在空氣中的濃度小于某一臨界值并且熱損失大于氧化產(chǎn)生的熱量;其二，其濃度雖然超過臨界值，但是沒有氧氣存在。為此，在役管道作業(yè)前必須采用不能參與燃燒且具有很強穩(wěn)定性的惰性氣體進(jìn)行置換。氮氣成本相對較低，但純度低，故考慮采用液態(tài)氮，以自然汽化注氮方法進(jìn)行管道置換作業(yè)。

1.2液氮

氮氣不活潑，不支持燃燒。工業(yè)液氮由空氣分餾而得，無腐蝕，不可燃。常壓下液氮汽化溫度為-196 ℃，1m3液氮可以膨脹至696 m3純氣態(tài)氮（21℃）。液氮在汽化過程中需要吸收大量的熱量，通過蒸發(fā)器吸收空氣中的熱量使液氮汽化，液氮自然吸熱汽化后注入管道進(jìn)行置換作業(yè)。

2.吹掃置換作業(yè)

2.1 基本情況

計劃對高廟219干氣管道、高廟273濕氣管道、老爺廟聯(lián)合站—集輸干線閥室219聯(lián)絡(luò)線輸氣管道進(jìn)行切改換管，吹掃置換作業(yè)總管容約2 000 m?。吹掃置換的氮氣用量按管容積的1.5倍（經(jīng)驗估值）計算，至少需要氮氣3 000 m?。1t液氮可轉(zhuǎn)化為氮氣約800 m?（1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、5℃），故預(yù)定10噸液氮車入場作業(yè)。

2.2 置換和液氮汽化過程中的問題

置換作業(yè)時間一般為12月中旬，環(huán)境溫度-10℃左右。液氮通過蒸發(fā)器汽化后的溫度接近環(huán)境溫度，容易導(dǎo)致液氮汽化器管束外結(jié)霜，進(jìn)入管道的液氮將不能完全轉(zhuǎn)化為氣體，加之主體管道的材質(zhì)為普通的20#碳鋼，未完全汽化的液氮進(jìn)入主管道，可能導(dǎo)致注入口管道在低溫環(huán)境下開裂，造成液氮大量泄露和管道內(nèi)天然氣泄露，易發(fā)生安全事故。另外，按照現(xiàn)場液氮車液位計推算，液氮轉(zhuǎn)化為氮氣僅240～280 m?/h，以此計完成20 km的管線置換至少需要6～7 h，置換速度僅0.7～0.8 m/s。置換速度過慢還會導(dǎo)致管道內(nèi)天然氣和氮氣混合時間延長，不能被氮氣完全置換，大大增加了后期管道施工作業(yè)中著火爆炸風(fēng)險。

3.液氮升溫裝置

3.1 自制液氮升溫裝置

在冬季液氮汽化溫度與汽化量達(dá)不到要求的情況下，決定自制升溫裝置，在原有空氣蒸發(fā)器出口加裝換熱裝置，換熱裝置熱源由場站內(nèi)采暖水提供。以此提高氮氣進(jìn)入管線的溫度，相應(yīng)增加氮氣量，加快置換速度，達(dá)到快速合格置換目的。以高廟273濕氣管線為例，擬將置換速度達(dá)到3～5 m/s、液氮汽化量達(dá)到600 m?/h。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，沸點-195.8 ℃液氮的汽化熱為2.7928 kJ/mol，液氮密度約為808 kg/m?，液氮汽化所需熱量為：808÷28×1000×2.7928=80592.23 kJ/m?;1 t液氮轉(zhuǎn)化為800 m?氮氣（1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、5℃），且汽化速度達(dá)到600 m?/h，則吸熱量為：600÷800÷1000÷808×80592.23=74807.14 kJ/h。

換熱面積F由式（1）確定：

（1）

式中F為換熱面積，m2;Q為換熱量，kJ;k為污垢系數(shù)（取值0.85）;K為鋼材導(dǎo)熱系數(shù)，20 ℃取值14.7 W/（m·℃）;Tr為采暖水平均溫度，℃;△t為氮氣平均溫度，℃。

液氮從罐車經(jīng)過空氣蒸發(fā)器時已經(jīng)進(jìn)行了一次換熱，經(jīng)過升溫裝置時吸收熱量按60%計，則有效換熱面積F有= 74807×60%÷0.85÷14.7÷3600×4.7≈4.7 m2。

據(jù)此，選用DN273、DN50管材，鋼板，現(xiàn)場焊接制作升溫裝置。

根據(jù)式（2）：

（2）

式中S為傳熱面積（S≈F），m2;D為管徑，mm;L為管長度，m;n為管束數(shù)量。

DN50管材每根長度均為6 m，計算所需管束量為：n=F/ DL=4.70÷（3.14×0.05×6）≈5 根。現(xiàn)場選用5根DN50鋼管在φ273 mm管材內(nèi)往復(fù)連接，組成升溫裝置管程。

3.2升溫裝置應(yīng)用效果

在施工現(xiàn)場液氮增加升溫裝置后的作業(yè)流程中，高廟219干氣、高廟273濕氣、老爺廟聯(lián)合站—集輸干線閥室219聯(lián)絡(luò)線在停輸、氮氣吹掃置換過程中，均使用了該升溫裝置。液氮從蒸發(fā)器出口通過DN50鋼管（管程）與站內(nèi)熱水進(jìn)行換熱，殼程進(jìn)水溫度45℃，回水溫度35℃，氮氣進(jìn)入管道溫度為36～40 ℃，液氮汽化量達(dá)到600 m?/h以上，置換速度達(dá)到3～5 m/s，三條輸氣管線總置換時間由原來的15 h（氮氣總用量為3000m?，汽化量200 m?/h）實際縮短到5.8 h（汽化量600 m?/h）。三條輸氣管線在氮氣吹掃置換后經(jīng)檢測合格，有效確保了施工進(jìn)度，提高了管線切改換管作業(yè)安全系數(shù)。

4.結(jié)束語

施工作業(yè)通過加裝簡易升溫裝置使液氮汽化量達(dá)到了施工技術(shù)要求，同時提高了汽化后的氮氣溫度。簡易升溫裝置利用常見管材焊接制作，簡單、便捷、成本較低。用于置換作業(yè)過程，提高了置換效率，同時為后續(xù)換管施工作業(yè)提供了安全保障，實際使用效果良好，可推薦應(yīng)用于冬季切改換管置換作業(yè)中。

參考文獻(xiàn)

[1] ?梁平.天然氣操作技術(shù)與安全管理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2] ?楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.