自制液氮升溫裝置在冬季天然氣管道置換作業中的應用

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，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。根據自制液氮升溫裝置在天然氣管道置換作業應用實例，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安全。

關鍵詞：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）、老爺廟聯合站—集輸干線閥室219聯絡線（全長6.3公里）、高廟273濕氣管線（全長20.16公里），因建設期標準低造成管道跨越段和桁架焊接，致使該段管道的保護電流流失，出現保護電位不達標的情況，且焊點處外腐蝕嚴重，有必要進行切改換管作業，施工前需用氮氣吹掃和置換管內介質，以保證后續作業安全。考慮到氮氣純度低，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，在役管道作業前必須采用不能參與燃燒且具有很強穩定性的惰性氣體進行置換。氮氣成本相對較低，但純度低，故考慮采用液態氮，以自然汽化注氮方法進行管道置換作業。

1.2液氮

氮氣不活潑，不支持燃燒。工業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純氣態氮（21℃）。液氮在汽化過程中需要吸收大量的熱量，通過蒸發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行置換作業。

2.吹掃置換作業

2.1 基本情況

計劃對高廟219干氣管道、高廟273濕氣管道、老爺廟聯合站—集輸干線閥室219聯絡線輸氣管道進行切改換管，吹掃置換作業總管容約2 000 m?。吹掃置換的氮氣用量按管容積的1.5倍（經驗估值）計算，至少需要氮氣3 000 m?。1t液氮可轉化為氮氣約800 m?（1個標準大氣壓、5℃），故預定10噸液氮車入場作業。

2.2 置換和液氮汽化過程中的問題

置換作業時間一般為12月中旬，環境溫度-10℃左右。液氮通過蒸發器汽化后的溫度接近環境溫度，容易導致液氮汽化器管束外結霜，進入管道的液氮將不能完全轉化為氣體，加之主體管道的材質為普通的20#碳鋼，未完全汽化的液氮進入主管道，可能導致注入口管道在低溫環境下開裂，造成液氮大量泄露和管道內天然氣泄露，易發生安全事故。另外，按照現場液氮車液位計推算，液氮轉化為氮氣僅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致管道內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中著火爆炸風險。

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不到要求的情況下，決定自制升溫裝置，在原有空氣蒸發器出口加裝換熱裝置，換熱裝置熱源由場站內采暖水提供。以此提高氮氣進入管線的溫度，相應增加氮氣量，加快置換速度，達到快速合格置換目的。以高廟273濕氣管線為例，擬將置換速度達到3～5 m/s、液氮汽化量達到600 m?/h。在標準大氣壓下，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液氮轉化為800 m?氮氣（1個標準大氣壓、5℃），且汽化速度達到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（取值0.85）;K為鋼材導熱系數，20 ℃取值14.7 W/（m·℃）;Tr為采暖水平均溫度，℃;△t為氮氣平均溫度，℃。

液氮從罐車經過空氣蒸發器時已經進行了一次換熱，經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。

據此，選用DN273、DN50管材，鋼板，現場焊接制作升溫裝置。

根據式（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。現場選用5根DN50鋼管在φ273 mm管材內往復連接，組成升溫裝置管程。

3.2升溫裝置應用效果

在施工現場液氮增加升溫裝置后的作業流程中，高廟219干氣、高廟273濕氣、老爺廟聯合站—集輸干線閥室219聯絡線在停輸、氮氣吹掃置換過程中，均使用了該升溫裝置。液氮從蒸發器出口通過DN50鋼管（管程）與站內熱水進行換熱，殼程進水溫度45℃，回水溫度35℃，氮氣進入管道溫度為36～40 ℃，液氮汽化量達到600 m?/h以上，置換速度達到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檢測合格，有效確保了施工進度，提高了管線切改換管作業安全系數。

4.結束語

施工作業通過加裝簡易升溫裝置使液氮汽化量達到了施工技術要求，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。用于置換作業過程，提高了置換效率，同時為后續換管施工作業提供了安全保障，實際使用效果良好，可推薦應用于冬季切改換管置換作業中。

參考文獻

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[2] ?楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006.