鋼制壓力管道系統吹掃質量控制

李 江

北京燕華工程建設有限公司 北京 102502

石油化工裝置在強度試驗合格后，氣體泄露性試驗前應進行管道系統吹掃，因為安裝完成的管道內不可避免地會存在油垢、鐵銹、泥沙、焊熘、焊渣等雜質，這些雜質的存在，使管道內的有效通過面積減小，影響輸送流體的品質，還容易造成設備的損壞。為了保證管道內部清潔無雜物，保證流體質量，使裝置一次開車成功，生產出合格的產品，石化裝置施工驗收規范已明確規定必須對管道系統進行吹掃。但是，現行施工規范僅給出一個固定的吹掃介質流速值，而施工現場管道系統千差萬別，吹掃質量的好壞與許多因素有關，如何達到規范中規定的流速值，一些做法缺乏理論依據，文中通過將實踐經驗與流體力學的基本理論相結合，對石化裝置管道系統的吹掃方法、步驟、儲氣壓力計算進行論述，以保證吹掃質量和效果。

1 吹掃方法

管道系統的吹掃方法有很多種，選擇合理、經濟有效的吹掃方法是保證吹掃質量的前提條件。首先要根據管徑的大小和管內介質要求，選取最合適、最經濟的吹掃介質，其次根據介質的不同，確定吹掃速度[1]。

（1）對于公稱直徑大于600mm 的管道，宜用人工清掃；公稱直徑小于600mm 的液體管道宜采用水清洗，氣體管道宜采用空氣吹掃，因為輸送氣體介質的管道系統不一定能承受液體和管道自重的負荷。

（2）蒸汽管道應以蒸汽吹掃，吹掃過程也是投汽試運行的試驗過程。非熱力管道因為設計未考慮熱脹冷縮，不得采用蒸汽吹掃。

（3）有特殊要求的管道應按設計要求的方法進行清掃，如噴沙、脫脂、酸洗、鈍化等。

（4）對于管道系統中無控制閥門的管道，可以采用爆破法進行吹掃。目前管道系統吹掃時，在無特殊技術要求的情況下大多數選擇壓縮空氣進行，空氣吹掃在工業管道中使用最普遍，因為空氣吹掃簡單易行，容易操作，空氣來源容易，排放方便，目測吹掃質量時容易判斷，能夠吹除管道內因液壓試驗殘留的水跡，且冬季不用采取防凍措施。

2 吹掃流速

現行施工規范中對不同吹掃介質的最低吹掃速度提出了要求，如SH3501《石油化工有毒、可燃介質管道工程施工及驗收規范》中規定[1]：管道系統水沖洗時，宜采用最大流量，流速不得小于1.5m/ s；空氣吹掃流速不得小于20m/ s；蒸汽吹掃流速不得低于30m/ s。

根據流體力學知識，介質在管道內流動，將管道內的雜質帶出，主要與流體的流速、流體的流態有關。介質流動過程中與金屬表面充分地接觸，對金屬表面產生了切應力，隨著流速的提高，切力矩作用增強，將管道內部及附著在金屬表面上的雜質剝離帶出。而流體的流動狀態有層流和湍流兩種，它不僅取決于流體的速度，而且還取決于流體粘度、密度和管道的幾何尺寸（如凸出物、縫隙以及突然改變流向的截面），不同的流動狀態有不同的運動規律，層流時，吹掃介質對管道內壁的剪切力?。煌牧鲿r，管道金屬表面與流體介質的接觸更加頻繁，增加了流體與金屬之間的剪切力，從而將金屬表面的雜質與金屬撕開，并沖走，達到吹掃的效果。所以，為達到好的吹掃效果提高傳質速率，管道吹掃過程中管道內的流體必須處于湍流狀態，因為湍流流動是由一系列各種尺度的隨機渦所組成的流動，在經過吹掃過程對管道的敲擊，使湍流狀態進一步形成大量的“漩渦”，不斷沖刷管道內壁，將管道內雜質帶出管道，以達到吹掃目的。

從流體力學中的雷諾試驗可知，隨著雷諾數（Re）的增長，流動將由層流狀態變為湍流狀態，不同的流動狀態形式與粘性系數（μ）、密度（ρ）、圓管的直徑（d）、管內平均流速（U）等有關，雷諾經過大量試驗得出下列公式[2]：

式中：Re——雷諾數（無量綱量）；

ρ——管內流體密度，空氣在20℃時的密度為1.2kg/ m3；

U——管內平均流速，m/ s；

D——管道直徑，m；

μ——粘性系數，kg/ ms；

γ——運動粘性系數，m2/ s。

其中壓力對同一流體的（γ）影響很小，而溫度對其影響很大，如水的粘性隨溫度的升高而減小；空氣的粘度隨溫度的升高而增大。水在20℃時運動粘性系數為1.01×10-6m2/ s，空氣在20℃時的運動粘性系數為1.5×10-5m2/ s 。

試驗指出，圓管中的流體流態有2 個不同的臨界點：上臨界Recr2=10000；下臨界Recr1=2000。

當Re≤2000 時，流態為層流；當2000＜Re≤10000時為過渡階段；Re＞10000 時為湍流。試驗指出，流體流動狀態處于過渡階段時，流動雖然呈層流狀態，但只要稍有擾動，流態就會轉化為湍流。在管道吹掃過程中，依據規范要求，管道之死角部位應受到頻繁的敲擊其流態必受擾動，層流狀態會喪失其原有的穩定，從而轉化為湍流。據此，可以認為在工業吹掃過程中，上臨界雷諾數Recr2的大小并沒有實際意義。應當把下臨界雷諾數Recr1作為判定流態的準則。所以在工業吹掃過程中可認定為：Re＞2000時為湍流；Re≤2000 為層流。

故在進行管道吹掃時，首先應判斷流體流動狀態然后再進行吹掃。壓縮空氣吹掃時流速為20m/ s，一般管徑能保證Re＞105使管內流體處于湍流狀態。但是目前施工規范僅對最低吹掃速度進行了規定，而吹掃速度的測量和控制對于現場施工來說相當不便，所以施工中必須采取一種直觀易行的方法，既要達到吹掃的目的，又要便于觀察操作。

3 空氣吹掃儲罐儲氣壓力的計算

目前該單位化工裝置的管線吹掃一般采用蓄壓法，即利用生產裝置的大型壓縮機和大型儲氣罐進行吹掃，首先吹凈儲罐的進氣管線，然后將壓縮空氣引入儲罐，用壓縮機對儲罐內的氣體進行加壓，達到一定壓力后再依次打開儲罐的附屬管線閥門，逐根吹掃與儲罐相連的管線，直至合格，然后將氣源引入下一臺設備，直至全部管線吹掃完成，并在吹掃過程中及時對儲罐進行加壓，但壓力值不得超過設備及管線的允許壓力。但是，儲罐內的儲氣壓力控制在多少，才能保證吹掃流速，目前沒有統一的說法，文中就根據伯努利定理和能量守恒原理，結合現場實例近似計算吹掃時儲氣壓力的最小值。

吹掃系統示意圖如圖1 所示。若管道主線長度為300m，閥門為閘閥，當時大地的大氣壓為P0=1.013×105Pa，溫度為20℃，儲罐容積V1為20m3，吹掃時管道內部的空氣流速為U，根據伯努利定理就可近似計算吹掃時儲罐儲氣壓力P1。

圖1 吹掃系統示意圖

3.1 判定流態

依據規范要求，若吹掃時管內風速U達到20m/ s，則其雷諾數為：

根據上文所述，雷諾數高于下臨界值Recr1值和上臨界Recr2值，其流態應為湍流。

3.2 管流阻力[3]

由于流體具有粘滯性，在流動中必然要克服阻力而消耗一定的能量。進一步說，流體沿流動方向向前流動，同時帶動管道內的雜質向前運動，其機械能是減小的，這部分被減小的機械能稱為沿程阻力損失Pf：

式中：d——管內徑，m；

λ——摩擦系數；f=Re；

L——吹掃管線總長度，m。

對于λ值，不同的流態有不同的確定方法，對于光滑管道可以采用經實驗得到的計算公式進行計算而得，對于粗糙管道，摩擦損失與壁面絕對粗糙度e有關。通過雷諾數Re及絕對粗糙度e可從莫迪圖中查出摩擦系數λ，也可以根據經驗公式計算得出λ。當Re≤2000 時，流態為層流，光滑管道與粗糙管道的摩擦系數相同，λ值的計算公式如下：

當介質流態為湍流時，λ值的計算較為復雜，為此，莫迪（L.F.Moody）用實際的商品管道進行了實驗,得出了適用于整個湍流狀態的經驗公式:

△e——管道內壁的當量粗糙度，m；

d——管道內徑，m。

對于商品管道而言，由于管壁不同弧段的粗糙度是不同的，所以必須對粗糙度進行修正，既引進當量粗糙度的概念。當量粗糙度的實際意義在于把整個直管段內壁的粗糙度視同一致，這樣就無須對每一管段、每一不同弧度的λ值進行多步的復雜的計算，簡化了計算過程，在實際的管道吹掃過程中，這一點是至關重要的。不同類型的、新舊程度不同的管道內壁的當量粗糙度不同，不同管道的當量粗糙度△e值如表1 所示。

表1 不同管道的當量粗糙度△e 值

由流體力學資料查得新無縫鋼管當量粗糙度為0.014，故此線的λ值為：

所以沿程阻力損失Pf：

代入數據，得：Pf=0.028×(300÷0.1)×1.2×(202)÷2=20160pa。

3.3 局部阻力損失[3]

在石化裝置管道系統中存在若干管道組成件，當流體流經閥門、三通、大小頭、彎頭時，由于管道內邊界形狀的突然變化，形成錐擴管段或錐形收縮管段（如圖2 和圖3），流態也就隨之發生急劇的變化，而且會產生旋渦，會引起機械能轉化為熱能，從而導致機械能損失，這種損失稱為局部阻力損失Pj：

圖2 錐擴管段示意圖

圖3 錐形收縮管段示意圖

式中：ξ——局部損失系數。

（1）彎頭、三通、閘閥等部件的局部損失系數ξ 可按表2 確定。

表2 彎頭、三通、閘閥的局部損失系數一覽表

（2）錐擴管段示意圖如圖2 所示。錐擴管段ξ的計算如下：

（3）錐形收縮管段示意圖如圖3 所示。錐形收縮段計算如下：

（4）局部阻力損失的計算：

閥門全開狀態：ξ1=0.2

90°彎頭：ξ2=0.75

儲罐與主管線連接處的局部阻力損失系數為ξ3=0.5，

代入數據，得：

3.4 儲罐內儲氣壓力計算

根據伯努利定理得到：

式中：U1——儲罐內空氣流速，m/ s；

ΣPf——直管段沿程阻力損失之和，Pa；

ΣPj——局部阻力損失之和，Pa。

在實際情況中，儲罐內的空氣流速將是非常緩慢的。因為空氣易于壓縮，且吹掃所用儲罐體積應遠大于被吹掃管線的體積（這樣方可保證充足的氣量），所以說即使被吹掃管道空氣流速達到20m/ s 以上時，這一時刻所流出氣體的摩爾數相對于整個大體積儲罐中所儲氣量來說，也僅是很小的一部分。進一步說，大量氣體在儲罐內的流速是極其緩慢的，據此，在實際情況中，儲罐內的流速可近似認為U1=0m/ s（工程計算當中，近似計算方法經常被采用），這樣可計算出儲罐儲氣壓力值P2（為了與式（1）當中考慮U1不為0 時的儲罐儲氣壓力值P1進行區別比較，將儲罐內空氣流速U1=0m/ s 時的儲氣壓值定義為P2）將會略高于P1，儲罐內儲氣壓升高，對于管道吹掃反而有利，這樣，儲罐內儲氣壓值P2可計算如下：

代入數據，得：P2=101300+1.2×202÷2+20160+528=122228≈1.23×105Pa。

計算出的壓力值將會略高于儲罐中的實際壓力，而儲罐中儲氣壓力越高，對管道吹掃反而更有利，所以，工程施工中可以按式（12）進行計算儲罐壓力。只有當儲罐內儲氣壓力達到計算值以上時，方可滿足吹掃流速的要求，因此，管道吹掃時，只需觀察儲罐壓力表讀數，即可確定管內風速是否滿足規范中規定的20m/ s 要求[4]。尤其是在連續吹掃的最末時間段，應著重注意壓力表的讀數。所以，對于不同規格的管道系統吹掃時，控制儲罐壓力一般在6×105Pa 以上,完全可以滿足吹掃速度要求。

事實上，儲氣罐壓力僅達到以上數值還不夠，因為連續吹掃時間要求在5min 以上，吹掃較長管段時，需要的排氣量較大。每次吹掃從排放口排出的氣體流量為：

式中：V——排放氣體的體積，m3；

A——排放口截面積，m2；

t——每次排放時間，s。

吹掃時每次排放時間很短，速度固定，當排放管截面積較大時，排放量就大，所以，為保證有充足的氣源，管道吹掃時除了要保證壓力外，還應保證有足夠的儲氣量，選用大容積儲罐，以保證每次排放時間內的流速。

4 施工中的錯誤做法

管道系統吹掃施工中，當吹掃的管子管徑較大，以往工程中曾有人將大管子末端焊一盲板封口，并在盲板下端平齊下緣處開一小孔，以2＂或3＂管加長并加閥門控制，以此方法進行吹掃，這樣小管末端流速可達20m/ s，似乎滿足要求，但這種做法是錯誤的，錯誤施工圖例如圖4 所示。分析如下：

圖4 錯誤施工圖例（單位：mm）

由于大小管段單位時間內氣體總流量相同，故：

式中：U1——大管內風速，m/ s；

U2——小管內風速，m/ s；

A1——大管內橫截面積，m2；

A2——大管內橫截面積，m2。

簡化可得：U1=U2×A2/A1（設U2=20m/ s）

若大管為φ530mm×10mm，小管為φ89mm×4.5mm，經計算可知U1=0.49m/ s＜20m/ s，并不滿足要求。而《工業金屬管道工程施工及驗收規范》（GB50235-2019）和《石油化工劇毒、可燃介質管道工程施工及驗收規范》（SH3501-2021）施工驗收規范，有關吹掃風速的概念都明確要求最大管徑處的吹掃風速不得小于20m/ s，這樣方可保證大管徑管段吹掃干凈。

5 管道系統吹掃時應遵循的基本原則[5]

（1）設備、閥門、儀表件前應設置吹掃排放口，難以吹掃干凈的管段、急轉彎、排空、倒淋等處也應設置吹掃排放口；

（2）吹掃的順序應按主管、支管、疏排管依次進行；吹掃主管時，應關閉各支管閥門；支管吹掃應先從介質前進方向的第一支管開始依次進行；

（3）吹掃時應不斷地敲打管道，對焊縫、死角、彎頭和管底等部位易重點敲打，但不得損壞管子。不銹鋼管道應用木錘或銅錘敲打。

（4）吹掃前應編寫吹掃方案，劃分吹掃系統，一次吹掃管道不宜過長，以保證壓力和流速；

（5）吹掃可以采用推進式的方法進行，吹掃完成的管道與未吹掃管道應嚴格切斷；

（6）吹掃排放時應迅速打開控制閥門，短時間內排放后迅速關閉，保證有充足的流量和適當的壓力；

（7）吹掃管道系統中流體經過而未作為控制點的閥門必須處于全開狀態，否則雜質易堵塞在閥門處。

6 管道系統吹掃檢查方法及合格標準

（1）水沖洗質量應目測出口的水色和透明度與入口處一致為合格；

（2）空氣吹掃時，當目測排氣口處無煙塵時，在排氣口處用白布或涂有白漆的靶板檢查，以5min 內白布或靶板上無鐵銹、塵土、水分和其他雜物為合格；

（3）蒸汽吹掃時應采用鋁質或銅質靶板檢查，應連續吹掃15min，檢查靶板上的痕跡，符合標準要求為合格；

（4）油沖洗管道時，首先目測濾網上的污物，再分析油的成分，最后觀察濾網器上的壓差值。

（5）酸洗、鈍化管道用蘭點法進行檢查。

7 結論

（1）管道系統吹掃時風速是否滿足要求，可按上述方法計算儲氣壓力，通過控制壓力來保證流速。一般可控制儲罐壓力在6×105Pa 以上，即可保證流速，此法已在多次施工中采用，效果很好。

（2）若管道系統中存在變徑，則應根據管道長短，以管道系統中直徑較大的管徑為準，計算儲氣壓力，保證大管徑處的風速達到20m/ s，而施工規范中未明確做出規定。

（3）應用伯努利方程計算儲氣壓過程中即使其雷諾數處于上下臨界數之間的過渡階段，也不可認為是層流，頻繁的敲擊會改變流態。

（4）管道吹掃過程中雷諾數小于下臨界點（2000）的情況絕不可能存在。由雷諾數表達公式可分析得知：只有管徑很小、流速很低、粘度很大的流體才有可能出現低速流層，而吹掃中流速要求很高，空氣粘度較小，所以低速層流不可能在管道吹掃中出現，即可斷定：管道吹掃過程中，空氣流態必為湍流。