長輸天然氣管道中的“冰堵”

■ 王保登 王保群

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長輸天然氣管道中的“冰堵”

■ 王保登 王保群

近幾年，西氣東輸二線、大沈線、冀寧線、秦沈線、忠武線等天然氣管道均發(fā)生過冰堵問題，給天然氣管道的正常生產(chǎn)造成較大影響。筆者對冰堵原因和形成條件進行分析，對常見冰堵情景進行分類，對易堵管段提出相應預防措施，并總結(jié)常見冰堵事故有效治理經(jīng)驗。

冰堵形成的原因

發(fā)生冰堵的根本原因是管道內(nèi)部有水存在——液態(tài)的或氣態(tài)的。液態(tài)水一般因管道投產(chǎn)前干燥不徹底而存留下來，溫度較低時結(jié)冰，造成管道冰堵；氣態(tài)水一般因含量過高而在一定溫度和壓力條件下析出液態(tài)水，進而在一定條件下生產(chǎn)天然氣水合物。前者一般發(fā)生在管道投產(chǎn)初期，并且地形起伏較大、彎頭彎管較多的管道較易發(fā)生；后者一般發(fā)生在管道運行過程中，由于天然氣中水含量過高而引起。

冰堵形成的條件

天然氣水合物是一種由水和甲烷、乙烷等小分子氣體在一定條件下形成的固態(tài)結(jié)晶，外觀像碎冰，點火即燃，又稱“可燃冰”。其形成條件包括組分條件、熱力條件和促生條件：組分條件，即硫化氫、二氧化碳及小分子烴類組成的氣體分子和天然氣在一定條件下析出的液態(tài)水；熱力條件，即足夠高的壓力和足夠低的溫度；促生條件，即天然氣在紊流狀態(tài)下或有晶體微粒存在。

冰堵有哪幾種類型

天然氣管道冰堵一般發(fā)生在冬季。總結(jié)近幾年國內(nèi)管道發(fā)生的冰堵現(xiàn)象，冰堵情景可分為以下幾種：

投產(chǎn)干燥不徹底引起的冰堵

天然氣管道在焊接完成后，為檢驗焊接質(zhì)量、密封性和承壓能力，需對管道試壓。目前管道試壓多采用水試壓方法，盡管試壓過后要進行清掃、干燥處理，但是低洼處、彎頭、彎管等特殊地段管內(nèi)難免存有少量殘留水，投產(chǎn)初期溫度較低時易造成冰堵，影響站內(nèi)閥門、調(diào)壓裝置等設(shè)備的正常運行，影響向下游用戶分輸供氣。大連-沈陽天然氣管道在2011年底投產(chǎn)之后，管道沿線營口、沈陽等分輸站場以及與其相連的秦沈天然氣管道沿線盤錦、錦州等分輸站場均多次發(fā)生冰堵現(xiàn)象，給管道正常運行造成較大影響。

干線管道清管作業(yè)引起的冰堵

管道運行初期，為進一步清除管道內(nèi)殘留的雜質(zhì)和水分，需進行清管作業(yè)。在清管器運動過程中，由于前后壓差的存在，清管球射流孔會產(chǎn)生節(jié)流效應，溫度隨之降低，天然氣水露點較高時析出水分，并在一定條件下形成天然氣水合物，進而造成冰堵，增加清管作業(yè)的難度和風險。2010年5月27日西氣東輸二線清管作業(yè)時，張掖-永昌段以及古浪壓氣站附近56#-59#閥室之間地勢起伏大，地溫變化快，多次發(fā)生冰堵。

站場節(jié)流引起的冰堵

當天然氣流經(jīng)過濾分離器、調(diào)壓撬、孔板流量計等裝置時，引起天然氣節(jié)流，由于焦耳-湯姆森效應的存在，天然氣溫度隨之降低，天然氣水露點較高時會析出水分，形成水合物，進而產(chǎn)生冰堵。若冰堵發(fā)生在過濾分離器，會造成濾芯堵塞，進而引發(fā)濾芯的變形和損壞；若發(fā)生在調(diào)壓撬，會造成管內(nèi)流通面積減小，甚至全部堵塞，進而影響向下游用戶平穩(wěn)供氣；若發(fā)生在流量計處，會影響流量計的精準度；若發(fā)生在閥門引壓管處，會引起控制單元無法準確檢測信號，造成閥門誤關(guān)斷。2010年11月27日，澀寧蘭天然氣管道蘭州末站各分輸支路均發(fā)生冰堵；2011年1月1日西氣東輸二線黃陂站調(diào)壓管路發(fā)生冰堵；2011年4月27日，西氣東輸二線紅柳壓氣站臥式分離器發(fā)生冰堵。

轉(zhuǎn)供不合格氣源引起的冰堵化學抑制劑法

國內(nèi)忠武線、陜京線系統(tǒng)、冀寧線、永唐秦等天然氣管道在西氣東輸二線投產(chǎn)之前，由于氣源水露點較低，運行較為平穩(wěn)，很少出現(xiàn)冰堵現(xiàn)象。自從西氣東輸二線投產(chǎn)，以上各管道氣源開始混有水露點較高的中亞天然氣，沿線多數(shù)站場冰堵問題較為嚴重，給管道正常運行造成較大影響。

冰堵的預防措施

嚴格控制氣源質(zhì)量

預防天然氣冰堵最為根本有效的方法是降低天然氣水露點，控制氣源質(zhì)量。天然氣進入干線管道之前，先經(jīng)處理廠干燥處理，常用干燥方法有液體吸附法和固體吸附法兩種，前者是利用甘醇等具有良好親水性的吸附劑進行脫水，降低天然氣水露點；后者是利用硅膠、活性炭、分子篩以及氧化鋁等較強吸附能力的吸附劑進行脫水，使天然氣水露點達到相關(guān)要求。

做好投產(chǎn)前的管道干燥

為清除管道水試壓產(chǎn)生的殘留水，試壓完畢后需進行干燥處理。常用管道干燥方法包括干空氣干燥法、真空干燥法以及干燥劑干燥法。其中，干空氣干燥法具有干燥時間較短、工藝簡單、成本較低、干燥材料來源較廣等優(yōu)點，是目前國內(nèi)使用較為廣泛的干燥方法；真空干燥法具有可靠性較高、不會產(chǎn)生廢棄物、符合站場HSE相關(guān)要求等優(yōu)點，但成本相對較高；干燥劑干燥法在實際使用過程中，一般采用選擇較為便宜的甲醇作為干燥劑。在實際工程中，常結(jié)合管道干線走向復雜、站場內(nèi)部工藝管道規(guī)格較多、工期較緊等特點，選擇多種方法共同完成管道干燥任務。

提高天然氣溫度

為防止天然氣水合物的形成，用加熱爐對天然氣加熱或在調(diào)壓撬、氣液聯(lián)動閥引壓管等易堵管段安裝電伴熱帶，使氣體溫度保持在水露點以上。目前，國內(nèi)多數(shù)站場常采用該方法，效果較為明顯。

為避免天然氣水合物的產(chǎn)生，可向管道中注入一定量的化學抑制劑，改變水和烴分子之間的熱力學平衡條件，達到保持天然氣流動的目的。該方法也是一種常見的解堵方法。

其他措施

為降低冰堵發(fā)生的概率，管道投產(chǎn)初期，可對站內(nèi)調(diào)壓撬、放空立管、閥門、過濾分離器、計量撬、排污罐等設(shè)備多次排污，將管道和設(shè)備內(nèi)積液排出，并及時更換過濾分離器濾芯。條件允許的情況下，也可適當提高分輸支線管道運行壓力，縮小分輸調(diào)壓撬前后壓差，減少溫度降低幅度，盡量避免冰堵發(fā)生。

冰堵發(fā)生后怎么治理

干線清管解堵方法

對于干線管道清管出現(xiàn)的冰堵問題，較為常用的方法是將冰堵段兩端閥室閥門關(guān)閉，并適當放空降壓，天然氣水合物將隨著壓力的降低快速分解，從而達到解除冰堵的目的。也可配合使用蒸汽車向管道外壁噴射高溫蒸汽，對冰堵管道進行充分加熱，加速天然氣水合物的分解。該方法在西氣東輸二線清管作業(yè)時曾使用。

調(diào)壓閥解堵方法

對于站場調(diào)壓閥之后出現(xiàn)冰堵時，可注入適量甲醇等防凍劑，利用其良好的親水性吸收天然氣中的水分，降低含水量，進而降低天然氣水露點而快速將水合物分解，達到解堵目的。該方法在大沈天然氣管道投產(chǎn)初期被沿線多個站場采用。

站內(nèi)局部管段解堵方法

站內(nèi)局部管段出現(xiàn)冰堵時，可利用加熱設(shè)備對天然氣進行加熱，提高天然氣溫度，使天然氣水合物快速分解。加熱設(shè)備一般有電加熱器和水套爐兩種，加熱功率較小時常采用電加熱器，加熱功率較大時常采用水套爐。

分輸管路解堵方法

天然氣管道站內(nèi)分輸管路冰堵時，可切換至備用管路，并在發(fā)生冰堵管段纏繞大功率電伴熱帶，對管道進行加熱，使水合物快速分解。也可臨時采用調(diào)壓閥上游球閥節(jié)流的措施，減小調(diào)壓閥前后壓差來降低節(jié)流效應，達到解堵目的。

壓氣站場解堵方法

對于聯(lián)絡(luò)壓氣站或者分輸壓氣站，站內(nèi)發(fā)生冰堵時，可采用調(diào)節(jié)工藝流程，利用壓縮機出口的高溫天然氣反吹冰堵段，加速水合物分解。西二線紅柳壓氣站出現(xiàn)冰堵時，利用摻混西一線壓縮機出口端高溫氣的方法對冰堵段管道進行解堵。

分離器、排污管解堵方法

天然氣管道站內(nèi)分離器、匯管排污管線出現(xiàn)冰堵時，可采取在線排污的方式解決冰堵問題，也可切換至備用分離器，待冰堵解除后恢復。

引壓管解堵方法

天然氣管道站內(nèi)調(diào)壓閥引壓管或指揮器出現(xiàn)冰堵時，由于其管徑較小，產(chǎn)生水合物不會太多，可采取較為簡單有效的熱水噴淋法，向引壓管或指揮器上直接澆注開水。該方法較為簡單易行，效果較為明顯。