小管徑天然氣管道封堵動火作業新技術

李浩玉，王喜娟，王春艷

（中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

小管徑天然氣管道封堵動火作業新技術

李浩玉，王喜娟，王春艷

（中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

氮氣置換動火技術因操作規程標準和指標控制嚴格、安全等級極高，常用于氣田管道動火作業，但投運后的天然氣管道中除含大量甲烷外還含少量凝析油和游離水，導致氮氣置換動火作業存在困難，管道內無法置換干凈的凝析油因揮發導致置換作業周期延長、成本增加。通過將研制成功的天然氣管道新型封堵劑 （固水乳化劑）及小管徑冷凍封堵工藝和設備，與氣田現用置換動火技術結合，有效地縮短小管徑天然氣管道置換動火作業周期，降低作業成本，確保氮氣置換動火作業更經濟、更安全、更實用。

天然氣管道；小管徑；氮氣置換；動火作業；凝析油；固水乳化劑

0 引言

天然氣管道運行中，內部含大量甲烷，該化合物無色、無味、易燃、易爆，爆炸極限5%～15%。國內外氣田為確保天然氣管道動火作業安全可靠，常選用置換動火技術、微正壓不置換動火技術、安全封堵動火技術等，其中氮氣置換動火技術因具有技術操作規程標準、指標控制嚴格、安全等級極高等優點被廣泛應用。但在實際置換動火作業中，原來置換合格的天然氣管道因內部存在的凝析油揮發導致動火焊接作業中變為置換條件不合格，需停止焊接重啟氮氣置換，直至條件合格后方可繼續動火，這就延長了動火作業周期，增加了動火作業成本。

現有安全封堵動火技術是當動火點遠離閥門時，為有效減少油氣泄漏、確保動火環境安全而采用的管道內局部封堵動火的技術。該技術可截斷管道內的油氣流，把帶油動火變成無油動火，常用于站場改線、管道交錯走向不明等情況。

安全封堵動火技術有不同的分類方法：一是按物理機械手段分為懸掛式封堵動火、桶式封堵動火、折疊式封堵動火等；二是按管道內介質是否流動分為停輸封堵動火和不停輸封堵動火；三是按照封堵形態分為囊式封堵動火、盤式封堵動火、筒式封堵動火、黃油墻封堵動火和冷凍封堵動火。目前現有此類封堵動火技術最高承壓0.2～0.8 MPa，結合天然氣管道內因凝析油揮發致使動火管道壓力增高的現狀，需研發承壓更高的管道封堵劑，以確保置換動火更安全、經濟、實用。

1 小管徑天然氣管道封堵動火新技術

針對天然氣管道氮氣置換動火過程中因內部無法置換干凈的凝析油揮發導致作業周期延長、成本增加的弊端，特研制出適用于氣田含凝析油管道的新型封堵劑及小管徑冷凍封堵工藝和設備。

1.1 封堵劑性能試驗

在氣田管道封堵作業時，考慮管道傾斜、水流動性較大等情況，向管道內注水實現冷凍封堵的困難較大，因此需要研制一種固水乳化劑來實現管道冷凍封堵。

用高壓氮氣瓶 （壓力16 MPa）出口的壓力控制閥給填充封堵劑的密閉工作筒加壓，驗證封堵劑的承壓、耐壓及解壓等性能，工作筒選用D 60～114mm等四種規格管子。封堵劑試驗見圖1。

1.1.1 固水乳化劑的性能

根據定性試驗結論，固水乳化劑應有較強的保水性，冷凍后有良好的強度和密封性，解凍后能恢復原來的膏狀體且易溶于水。通過了解化學試劑性質和大量室內試驗，最終選取的材料是：滑石粉、乳膠粉、水等。此固水乳化劑承壓＞2.5 MPa，耐壓時間＞3 h（若保持封堵劑的冷凍環境，則承壓和耐壓時間可任意延長），加熱后易破碎 （或溶解），殘渣能夠在分離器分離出，不影響管道正常運行。

1.1.2 固水乳化劑的解凍時間

通過性能試驗來確定固水乳化劑解凍所需時間。采用D 114 mm×12 mm、D 89 mm×10 mm、D 76 mm×9 mm、D 60 mm×8 mm的四種規格天然氣管作為工作筒，分別取800、500、300、200 mL的固水乳化劑，將其冷凍固化后在不同的溫度下解凍，統計解凍時間，見表1。

表1 不同劑量固水乳化劑的解凍時間/min

試驗數據線性擬合公式如下：

（1） 800 mL： y=-1.010 7 x+141.32

（2） 500 mL： y=-0.803 6 x+112.54

（3） 300 mL： y=-0.739 3 x+97.75

（4） 200 mL： y=-0.785 7 x+97.714

式中： x為加熱溫度，y為解凍時間。應用以上擬合公式可以對固水乳化劑的解凍時間做小范圍的估計，具有一定參考價值。

1.2 封堵工藝試驗

1.2.1 封堵工藝操作步驟

有吹掃冷流體封堵和包裹低溫介質封堵兩套封堵工藝，其操作步驟如下。

1.2.1.1 吹掃冷流體封堵工藝

該工藝是用冷流體 （如液態二氧化碳等）吹管道外壁來實現固水乳化劑冷凍封堵的工藝，可通過以下冷凍設備來實現，見圖2。

操作步驟如下：

（1）測算出管道焊接熱影響區長度L，組裝可拆分攜帶的推塞17、推桿15、手柄16，將配制好的固水乳化劑10和兩側的可溶性支紙板9依次放入管道內，并用推塞17推入距管道焊接切口8的2 L處。

（2）將保溫夾套3包裹在管道1內填充固水乳化劑對應的外壁位置處，注意用扎帶2捆扎保溫夾套兩端，在保溫夾套與輸氣管道之間留有一定的換熱間隙。

（3）用導氣管12將冷流體瓶13和馬牙氣嘴11連接起來，用導氣管7接于馬牙氣嘴6上，導氣管7另一端接入焊接切口8處，將冷氣導入管道中提高冷凍效率，打開冷流體瓶氣閥，導入冷流體，合理控制冷流體出口的流量調節閥，確保冷卻溫度不低于管材的適用溫度。

（4）當固水乳化劑變成固體時，將導氣管7從焊接切口處的一端移出，檢測可燃氣濃度，合格后實施安全隔離、動火焊接等作業，同時確保動火焊接時繼續向保溫夾套3與管道1間通入一定量的冷流體，維持固水乳化劑冰凍的狀態。

（5）動火焊接完畢后，向保溫夾套3與管道1間通入熱介質 （如熱水），或用加熱帶纏繞于管道冷凍部位，使固水乳化劑解凍恢復原膏狀體，待管道運行時在分離器中分離出。

1.2.1.2 包裹低溫介質封堵工藝

這是在保溫夾套與管道間裹上低溫介質 （如干冰）來實現固水乳化劑冷凍封堵的工藝，冷凍設備和第一套方案相同，但保溫夾套與管道間不是通入冷流體，而是包裹低溫介質干冰來實現冷凍，部分設備見圖3。

操作步驟與上述吹掃冷流體封堵工藝除了步驟（2）、（3） 外基本相同， 步驟 （2）、（3） 更替為： 在保溫夾套3內填充適量的低溫介質干冰，確保冷卻溫度不低于管材的適用溫度；后將其包裹在管道1內填充固水乳化劑對應的外壁位置，注意用扎帶2捆扎保溫夾套兩端。

1.2.2 管道焊接熱影響區的確定

管道動火作業時常采用氬弧焊和電焊，焊接瞬時溫度1 500～3 000℃，在焊接熱循環的作用下，熱影響區的組織分布是不均勻的，熔合區和過熱區將出現嚴重的晶粒粗化，是整個焊接接頭的薄弱地帶。管道焊接熱影響區示意見圖4。

用ANSYS計算分析軟件模擬管道焊接熱影響區。模擬時設定筒體材料為20#碳素鋼，焊縫材料假定與母材相同，筒體外徑60 mm，內徑52 mm，壁厚4 mm，長度250 mm，同時按標準設定焊接條件：電流250A，焊接電壓24 V，焊接速度1.5 m/h，輸入熱能效率0.76，設定單道焊、環向焊縫。分析模型見圖5（a），為簡化模型，除了環向焊縫處加以1 500℃的溫度，其他全部按夏季現場環境溫度40℃加邊界條件，則可將瞬態分析轉化為穩態分析，此穩態也是一個極限狀態，可得管道焊接熱影響區的最大范圍。結果見圖5（b）。

由圖5（b）可看出：在極限狀態下管道焊接熱影響區沿軸向很小，僅為200 mm。

再依次對D 60 mm×8 mm、D 76 mm×9 mm、D 89 mm×10 mm、D 114 mm×12 mm等四種規格的小管徑采氣管道進行上述分析，最終確定管道的焊接熱影響區為200 mm。

1.2.3 管材的適用溫度

氣田管道常采用20#鋼，化學成分及含量為：C（0.17%～0.24%）、Si（0.17%～0.37%）、 Mn（0.35%～0.65%）、 S （≤0.035%）、 P （≤0.035%）、Cr（≤0.25%）、 Ni（≤0.25%）。 GB 50316-2008《工業金屬管道設計規范》中關于20＃鋼的中低壓管道，其適用溫度為-20～350℃。所以在固水乳化劑的冷凍封堵工藝中，冷卻溫度不能低于-20℃。

1.3 綜合試驗

用不同規格的氣田管道做工作體來驗證固水乳化劑的冷凍封堵性能。

1.3.1 D 60 mm×8 mm管道的吹掃冷流體封堵

（1）試驗物品：固水乳化劑、保溫夾套、冷流體 （液態 CO2）。

（2）試驗步驟：先測算出該管道焊接熱影響區L為200 mm，然后按文中吹掃冷流體封堵工藝步驟進行試驗，現場試驗見圖6。

（3）試驗結果：在冷凍過程中記錄液態CO2瓶壓力、減壓閥出口壓力、冷凍夾套內的溫度及封堵壓力，統計結果見表2。

表2 D 60 mm×8 mm管道吹掃冷流體封堵試驗記錄

將試驗數據在坐標軸中描出，進行擬合處理，見圖7。在固水乳化劑冷凍后，將減壓閥壓力（封堵壓力）調至2.5 MPa，保溫夾套內溫度維持在0℃以下，恒溫，則在超過1 h時仍可完全實現封堵壓力2.5 MPa；液態CO2消耗量為1.5瓶，約7.5 kg。

1.3.2 D 76 mm×9 mm管道的吹掃冷流體封堵

（1）試驗物品：固水乳化劑、保溫夾套、冷流體 （液態 CO2）。

（2）試驗步驟：先測算出該管道焊接熱影響區L為200 mm，然后按文中吹掃冷流體封堵工藝步驟進行試驗。

（3）試驗結果：在冷凍過程中記錄下液態CO2瓶壓力、減壓閥出口壓力、冷凍夾套內溫度及封堵壓力，結果見表3。

將試驗數據在坐標軸中描出，進行擬合處理，見圖8。在固水乳化劑冷凍后，將減壓閥壓力 （封堵壓力）調至2.5MPa、保溫夾套內溫度維持在0℃以下、且恒溫，則在超過1h時仍可完全實現封堵壓力2.5MPa；液態CO2消耗量為3.5瓶，約17.5kg。1.3.3 D 89 mm×10 mm管道的包裹低溫介質封堵

表3 D 76 mm×9 mm管道吹掃冷流體封堵試驗過程記錄

（1）試驗物品：固水乳化劑、保溫夾套、低溫介質 （干冰）。

（2）試驗步驟：先測算出該管道焊接熱影響區L為200 mm，然后按文中包裹低溫介質封堵工藝步驟進行試驗，現場試驗見圖9。

（3）試驗結果：在冷凍過程中記錄下冷凍夾套內的溫度及封堵壓力，統計結果見表4。

將表4試驗數據在坐標軸中描出，進行擬合處理，見圖10。

表4 D 89 mm×10 mm管道吹掃冷流體封堵試驗記錄

在固水乳化劑冷凍后，將減壓閥壓力 （封堵壓力）調至2.5 MPa、保溫夾套內溫度維持在-40℃以下，則在4.3h時仍可完全實現封堵壓力2.5 MPa，干冰消耗量為2kg。

1.3.4 D 114 mm×12 mm管道的包裹低溫介質封堵

（1）試驗物品：固水乳化劑、保溫夾套、低溫介質 （干冰）。

（2）試驗步驟：先測算出該管道焊接熱影響區L為200 mm，再按文中包裹低溫介質封堵工藝步驟進行試驗。

（3）試驗結果：在冷凍過程中，記錄下冷凍夾套內的溫度及封堵壓力，統計結果見表5。

將試驗數據在坐標軸中描出，進行擬合處理，見圖11。

在固水乳化劑冷凍后，將減壓閥壓力 （封堵壓力）調至2.5 MPa、保溫夾套內溫度維持在-40℃以下，則在超過5.3 h時仍可完全實現封堵壓力2.5 MPa；干冰消耗量2kg。

表5 D 114 mm×12 mm管道吹掃冷流體封堵試驗記錄

1.4 試驗結果

（1）成功研制管道封堵劑——固水乳化劑，能在冰凍狀態下實現2.5 MPa的封堵壓力，且封堵時間在1～4.5 h，確保在氣田含凝析油系統動火焊接時完全隔離管道內油氣流，同時加熱后易破碎 （或溶解），殘渣能夠在分離器分離出，不影響管道正常運行。

（2）確定了冷凍封堵技術為吹掃冷流體封堵技術。從對管材應力影響角度分析，吹掃冷流體封堵技術的冷卻溫度-13～-1℃，包裹低溫介質封堵技術的冷卻溫度-62～-39℃，而氣田管道常用的20#鋼適用溫度-20℃～350℃；從冷卻溫度的控制方面分析，吹掃冷流體封堵技術的冷卻溫度可通過冷流體出口的流量調節閥精確控制，而包裹低溫介質封堵技術的冷卻溫度只能通過保溫夾套內干冰存儲量來控制，無法精確調控。

2 吹掃冷流體封堵技術的現場應用步驟

（1）確定控制閥門，截斷動火管道的上下游，并放空管道。

（2）確定氮氣注入口和排放口，從動火管道的一端開始用氮氣置換管道內的天然氣，同時多處設立可燃氣濃度檢測點，當檢測到可燃氣濃度低于爆炸下限的20%時置換合格。

（3）用絕緣物卡開動火管段上下游，用機械切割管道的動火部位。

（4）為防止隨時間推移已置換合格的動火管道因內部凝析油的揮發造成置換不合格，從而阻止動火作業進行的情況發生，特在動火部位的上下兩端約管道焊接熱影響區2倍的位置處，各填充本項目研制的管道封堵劑，應用吹掃冷流體封堵技術對動火部位的上下游實施冷凍封堵。

（5）管道動火完成后，應用吹掃熱流體封堵技術對封堵劑進行解凍。

（6）選擇氮氣注入口，從動火管道的一端開始用氮氣置換管道內的混合氣體，同時多處設立可燃氣濃度檢測點，當檢測氧氣濃度低于5%時置換合格。

（7）按照操作規程投運管道。

3 結束語

天然氣管道新型封堵劑及小管徑冷凍封堵工藝和設備，實現了小管徑天然氣管道在動火焊接時完全隔離管道內油氣流，消除了管道內無法置換干凈的凝析油對動火作業的安全隱患，且封堵承壓＞2.5 MPa，耐壓時間＞3 h。

新型封堵劑適用于任何管徑的含凝析油管道，封堵工藝和設備僅適用于D≤114 mm的小管徑管道。需進一步開展大管徑管道封堵工藝試驗，必要時完善封堵劑。

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New Hot Work Technique for Small Diameter Gas Pipeline Blockage

LI Hao-yu（No.2 Gas Extraction Factory of PetroChina Changqing Oilfield Co.,Ltd.,Yulin 719000,China）,WANG Xi-juan,WANG Chun-yan

Nitrogen replacement technique is widely used in the hot work of gas pipelines because of its standard operating procedures,strict control specifications and high safety level.However,after putting a gas pipeline into operation，there is a small amount of condensate oil and free water in addition to large amounts of methane in the pipeline,which could lead to difficulty for the hot work with nitrogen replacement.Condensate oil in the pipeline can’t be replaced completely and residual condensate oil will volatilize leading to replacement operation period extended and cost increased.By combining the use of the developed new blockage agent （water fixation emulsifier） and the process and equipment for freeze coagulation blockage of small diameter pipeline with the available replacement technique for hot work,the operational period and cost of hot work for small diameter pipeline will decreased effectively and the hot work will be more economical,safer and more practical.

natural gas pipeline;small pipe diameter;nitrogen replacement;hot work;condensate oil;water fixation emulsifier;small diameter

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.014

李浩玉 （1975-），男，甘肅鎮原人，工程師，2002年畢業于西安石油大學，從事天然氣開采集輸工作。

2011-01-13