輸氣管線氮氣置換分析

■黃金洲 方亮 中國石化集團江漢油建公司湖北潛江433123

輸氣管線氮氣置換分析

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以重慶市西彭至永川天然氣輸氣管線三標段工程全程氮氣置換為例，對從如何選擇置換方式、氮氣置換設備的選擇、置換對氮氣的要求及氮氣量的計算、氮氣置換過程等幾個方面進行分析，對輸氣管線如何進行氮氣置換進行分析總結。

天然氣管道氮氣置換

1 概述

近幾年我國天然氣行業迅猛發展，各種輸氣管道建設力度也在加強，同時由于天然氣本身性質的特殊性（天然氣在空氣中濃度為5～15%的范圍時，遇明火、高溫等情況即可發生爆炸，這個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運行十分重要。對于新建、需檢修、以及要廢棄的管道或設備，在投運、檢修或廢棄以前必須進行氮氣置換工作，即先將氮氣注入管線，用氮氣作為天然氣與空氣間的隔離介質（投產時氮氣推動空氣或檢修時用氮氣推動天然氣進行管道線路置換，從而使天然氣管道達到順利投產條件或檢修時能達到動火施工的要求）。

重慶市西彭至永川天然氣輸氣管線工程三標段工程是重慶市為滿足永川、壁山、江津和西彭等地區經濟發展的需要而建設的重點項目。施工前期因清管站材料未按時到位，導致清管站建設滯后。為了保證管線能按施工節點通氣，采取了用臨時管線連接的方法將清管站隔離（清管站建在三標管線中間位置），以達到能臨時通氣的條件；清管站建成具備投產運營條件后，再將清管站接入到線路中來。由于管線只是在兩端（相距約25.4km）各有一個放空點，因距離較遠且管線順著山勢起伏，管道內的天然氣無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進行動火施工。

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（用空氣作為介質進行置換）的混合段是天然氣與空氣的混合氣體，這是極易發生事故的一段，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、或者是碰撞產生靜電火花、或者是獲得一定的能量，就會發生燃燒或爆炸。在置換過程中，管道內不會有明火，同時環境溫度或管道溫度都不會很高，不會提供足夠的能量，唯一不安全的因素就是碰撞及靜電火花。一般來說，當含有水分和雜質的高壓氣體在管道中高速流動時，易發生摩擦和碰撞，特別是當它們從開口部位噴出時，與管口壁發生摩擦產生靜電。氣體靜電包括氣體本身帶電和相關裝置帶電。由于天然氣管道在設計施工中，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的情況下，由于摩擦和沖撞產生的靜電不易及時導出，靜電積聚可能產生高達數千伏的電壓，產生管道帶電現象，尤以高分子材料的管道表面電位升高最顯著。當其泄放的能量達到一定程度時，則可能導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，積聚起來的靜電能量很容易達到該值。因此，我們在直接置換的過程中，一定要掌握好天然氣的置換壓力和天然氣的流速，防止靜電產生，杜絕事故發生。直接置換法的特點是：置換方法及過程簡單，置換技術操作要求較高，安全性較差；但是置換時間相應地短，置換費用較低。

2.1.2 間接置換法

間接置換法中混合段是中性介質（在置換過程中，選擇的中間介質是不可燃燒的，同時也是不可助燃的N2、煙氣或水蒸氣，從實用性和經濟性方面考慮，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氣置換法）特點是：置換方法及過程復雜．置換時的技術操作要求不太高，安全性較高；但置換時間較長，置換費用較高。

從以上分析可以看出直接置換法適用于管徑較小(DN＜200mm)，管道長度較短的天燃氣管線，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（中間用大小頭過渡），因此從安全方面考慮，本次置換采用間接置換法即氮氣置換法。

2.2 天然氣管道氮氣置換的方法

天然氣管道氮氣置換的方法也分為2種，氮氣全線置換方式和隔離置換方式（內加分隔器）。

2.2.1 全線置換方式

一般適用于管線投產時間不確定、管線空置時間較長或地形復雜，地勢高低交錯，且彎頭較多的天然氣長輸管道；

2.2.2 隔離置換（內加分隔器）方式

適用于地形簡單，地勢平坦，且彎頭較少的天然氣管道。

從兩種氮氣置換方式適用的范圍及西永管線本次置換工作的實際情況，本次氮氣置換采用全線置換方式。

3 氮氣置換設備的選擇

目前氮氣置換設備常采用的是液氮罐車：通過對液氮加熱汽化進行氮氣的置換工作；另外還有車載氮氣生產設備，設備在現場直接將生產的氮氣注入管道。

西永管道工程考慮到置換工藝的簡單、方便及經濟性，選擇了液氮罐車，氮氣罐車最大輸出氮氣能力為600m3／h。

4 置換對氮氣的要求及氮氣量的計算

4.1 對氮氣的要求

長輸天然氣管道置換對氮氣的要求：

(1)氮氣出口溫度必須高于5℃，因為液氮或過低溫度的氮氣進入管道后，一方面會影響管材的低溫強度(低溫脆性)，另一方面低溫易使閥門等設備的密封泄露。因此，氮氣進入管道的溫度不能低于5℃，最好控制在5～25℃。

本次氮氣置換選用采用注氮車裝的液氮，溫度較低，需對液氮進行加熱(使用氮氣蒸發器)，氮氣蒸發器選擇小了易造成出氣溫度過低甚至過液的危險；選擇大了浪費和受到場地的限制，可以使氮氣進入輸氣管道之前溫度控制在5～15℃之間，以保證管道材質不受損壞。

(2)注到管道里氮氣中的含氧量要低于2%。

4.2 氮氣量的計算。

根據理論工式，對于全線氮氣置換所需氮氣量，其最小理論用量為

V=7.85×10-4D2L

式中：v為全線氮氣置換氮氣的最小理論用量，m3；D為置換管段的管徑，mm；L為置換管段的長度，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相關部分的管道容積，同時還要考慮部分混氣段的放空量和灌充壓力。而管道氮氣置換混氣長度的影響因素主要有介質流動速度、管徑和管線長度。隨著速度、管徑和管線長度增大，混氣長度也逐漸增大，混氣長度與管徑成正比、與管線長度的二分之一次方成正比。根據以前氮氣置換工作的經驗，氮氣實際用量應為最小理論用量的1.5～2.0倍，本次需置換為保險起見，選用2倍值。

若采用液氮時，1t液氮轉化為1個標準大氣壓、5℃狀態下的氮氣體積為808m3。即比容μ=0.808m／kg。考慮液氮在儲存、運輸和注氮中的損耗，集氣站、閥室置換和吹掃耗氣量等因素，再結合已有注氮槽車的噸位，最后確定置換過程中注液氮總量。

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，管線總容積為2145m3，共需用氮氣量約為4300m3（指常壓常溫下），即5.4t液氮。

5 氮氣置換速度和注氮時間及注氮壓力的確定

為了減少在氮氣置換過程中氮氣和天然氣（空氣）的混氣量，縮短必要的置換時間，并確定注氮設備的配備參數，需要對氮氣置換速度和注氮速度進行計算。

5.1 氮氣置換推進速度的選取原則

采用氮氣推空氣進行置換，置換速度是一個比較重要的參數，選取氮氣推進速度的主要因素：

(1)確保混氣量最少，根據資料，無量綱理查德系數(R#)是判定兩種氣體介質是否存在分層現象的一種方法，其計算公式為：

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-ρb│，kg／m3；

P——兩種氣體密度算術平均值，ρa、ρb——兩種氣體密度，kg／m3，在常溫下，其中氮氣密度ρa=1.2504kg／m3（液氮純度在99.95%以上，且其他腐蝕性組分符合相應的氮氣標準要求)，空氣密度ρb=1.293kg／m3；

L——中間換算參數；

d——管道內徑，m；

uP——平均速度，m／s。

根據資料顯示，理查德系數(R#)在1～5對應的混氣量是可接受的，速度越大，理查德系數R#越小，出現分層的可能性越小。為保證混氣量最少，取R#=1，即對氮氣-天然氣的平均推進速度控制在2.07m/s最合適。

(2)確保合理置換時間。從工程進度考慮，在不超過《天然氣管道運行規范》(sY／T5922—2003)規范規定的天然氣流速≤5m/s條件下，在保證實際作業可行的情況時，氮氣推進速度越快越好，用于置換的時間越短越好。

(3)考慮注氮設備的供氣能力。選擇置換過程速度，需考慮注氮設備的供氣能力，現場配備的注氮設備能力最大輸出氮氣能力為600m3／h。根據氮氣輸出能力計算:φ406管線中的平均推進速度為1.41m／s;在φ323.9管線中的氮氣推進速度為2.19m／s。

從上述分析中，我們確定此次氮氣置換在φ406管線中的平均推進速度為1.4m／s；在φ323.9管線中的氮氣平均推進速度為2.0m／s（通過控制氮氣輸入量來調節氮氣推進速度）。5.2注氮時間的確定

為了確定施工工期，有必要對氮氣的置換時間進行估算。根據氮氣平均推進速度的推導，得到西永三標置換工作約需用3.8h。

5.3 注氮壓力的確定

從置換口注入氮氣，注氮氣壓力一般控制在0.1～0.3MPa，注氮壓力過大、過小都會導致混氣段長度會增加。

6 置換的檢測方法

檢測點一般選擇在壓力表的取樣口，檢測儀器一般為氧含量檢測儀和可燃氣體分析儀。

在進行氮氣置換空氣時，檢測方法是在置換末端進行氧含量檢測。在推進置換中，當氧含量檢測儀檢測到的氧含量由21%下降時，表示空氣和氮氣混合段到來；氧含量降低到2%以下時表示氮氣段到來，氮氣置換合格，此時可關閉進氣和放空閥。

本次置換工作采用氮氣置換天然氣，檢測方法是先根據氮氣的平均推進速度和置換點的距離，估算出到達末端檢測點的大致時間，然后提前1～2h用可燃氣體分析儀進行檢測。檢測的時間間隔開始為20min，然后不斷縮短，最后為5min。當檢測到氮氣中天然氣小于1%（閃爆下限的20%）時，表示置換完成。

7 氮氣置換過程

(1)注氮地點的選擇

從經濟上來考慮，因此應盡可能減少注氮點數量，本次全線只選擇一個注氮口，地點選擇在西彭閥室（首站位置），氮氣順氣流方向進行置換。

(2)根據計算出的氮氣置換時間安排具體施工時間

根據氮氣的流速，計算出氮氣至天燃氣混氣段氣頭到達閥室的預計時間，方便操作人員按時在閥室進行氣體檢測等操作。

西永三標管道工程于2009年12月23日18時開始氮氣置換，氮氣至空氣混氣段氣頭到達終點的時間為22時10分。

(3)氮氣置換操作方法

將注氮車連接首站管道，注氮過程中，在下游閥室進行引氣放空。

根據測算氮氣與天然氣混氣頭到達閥室的時間，提前在閥室用用可燃氣體分析儀進行檢測。檢測的時間間隔開始為20min，然后不斷縮短，最后為5min。當檢測到氮氣中天然氣小于1%（閃爆下限的20%）時，表示置換完成。

8 結論

本文以重慶市西彭至永川天然氣輸氣管線三標段工程全程氮氣置換為例，對天然氣管線從如何選擇置換方式、氮氣置換設備的選擇、置換對氮氣的要求及氮氣量的計算、氮氣置換過程等幾個方面進行分析、討論，總結出如下幾條經驗以供參考：

(1)從實際情況出發，根據不同的情況選擇最佳的氮氣置換方法；

(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氣量，避免浪費或出現不足的情況；

(4)置換時合理控制注氮溫度、壓力和管道內氣體流速，盡量減小混氣段，減少氮氣的損失。

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2010-04-21）