输气管线氮气置换分析.docx

输气管线氮气置换分析 黄金洲 方 亮中国石化集团江汉油建公司 湖北潜江 433123摘 要以重庆市西彭至永川天然气输气管线三标段工程全程氮气置换为例，对从如何选择置换方式、氮气置换设备的选择、置换对氮气的要求及氮气量的计算、氮气置换过程等几个方面进行分析，对输气管线如何进行氮气置换进行分 析总结。关键词天然气管道氮气置换文献标识码 B中图分类号 T U 741文章编号 1672- 9323（2010）03- 0073- 031 概述近几年我国天然气行业迅猛发展，各种输气管道建设力度 也在加强，同时由于天然气本身性质的特殊性（天然气在空气中 浓度为 515%的范围时，遇明火、高温等情况即可发生爆炸，这 个浓度范围为天然气的爆炸极限），所以确保天然气管道安全投 产运行十分重要。对于新建、需检修、以及要废弃的管道或设备， 在投运、检修或废弃以前必须进行氮气置换工作，即先将氮气注 入管线，用氮气作为天然气与空气间的隔离介质（投产时氮气推 动空气或检修时用氮气推动天然气进行管道线路置换，从而使天 然气管道达到顺利投产条件或检修时能达到动火施工的要求）。重庆市西彭至永川天然气输气管线工程三标段工程是重庆 市为满足永川、壁山、江津和西彭等地区经济发展的需要而建设 的重点项目。施工前期因清管站材料未按时到位，导致清管站建 设滞后。为了保证管线能按施工节点通气，采取了用临时管线连 接的方法将清管站隔离（清管站建在三标管线中间位置），以达 到能临时通气的条件；清管站建成具备投产运营条件后，再将清 管站接入到线路中来。由于管线只是在两端（相距约 25. 4k m）各 有一个放空点，因距离较远且管线顺着山势起伏，管道内的天然 气无法顺利排出只能采用气体置换的方式将天然气含量降到安 全线以下时进行动火施工。2 置换方式的选择2. 1 管线气体置换法主要分直接置换法和间接置换法两大类2. 1. 1 直接置换法 直接置换法（用空气作为介质进行置换）的混合段是天然气与空气的混合气体，这是极易发生事故的一段，而该混合段的存 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 产生静电火花、或者是获得一定的能量，就会发生燃烧或爆炸。 在置换过程中，管道内不会有明火，同时环境温度或管道温度都不会很高，不会提供足够的能量，唯一不安全的因素就是碰撞及静电火花。一般来说，当含有水分和杂质的高压气体在管道中高 速流动时，易发生摩擦和碰撞，特别是当它们从开口部位喷出 时，与管口壁发生摩擦产生静电。气体静电包括气体本身带电和 相关装置带电。由于天然气管道在设计施工中，做了涂层防腐， 其接地电阻很大，几乎是绝缘的。在天然气在管道中高速流动的 情况下，由于摩擦和冲撞产生的静电不易及时导出，静电积聚可 能产生高达数千伏的电压，产生管道带电现象，尤以高分子材料 的管道表面电位升高最显著。当其泄放的能量达到一定程度时， 则可能导致天然气与空气混合物的燃烧和爆炸。由于可天然气 体的最小着火能量是很小的，积聚起来的静电能量很容易达到 该值。因此，我们在直接置换的过程中，一定要掌握好天然气的 置换压力和天然气的流速，防止静电产生，杜绝事故发生。直接 置换法的特点是：置换方法及过程简单，置换技术操作要求较 高，安全性较差；但是置换时间相应地短，置换费用较低。2. 1. 2 间接置换法 间接置换法中混合段是中性介质（在置换过程中，选择的中间介质是不可燃烧的，同时也是不可助燃的 N2、烟气或水蒸气， 从实用性和经济性方面考虑，一般选择的是 N2）和天然气混合 气体，是比较安全的。间接置换法（在本章论述的就是氮气置换 法）特点是：置换方法及过程复杂置换时的技术操作要求不太 高，安全性较高；但置换时间较长，置换费用较高。从 以 上 分 析 可 以 看 出 直 接 置 换 法 适 用 于 管 径 较 小 (DN 200mm)，管道长度较短的天燃气管线，而西永管线本次需 置 换 的 管 段 为 406 7. 9 管 线 8. 1k m、323. 9 6. 4 管 线15. 5 k m（中间用大小头过渡），因此从安全方面考虑，本次置换 采用间接置换法即氮气置换法。2. 2 天然气管道氮气置换的方法73石油化工建设 10. 03工程技术E C Te chnology天然气管道氮气置换的方法也分为 2 种，氮气全线置换方式和隔离置换方式（内加分隔器）。2. 2. 1 全线置换方式 一般适用于管线投产时间不确定、管线空置时间较长或地形复杂，地势高低交错，且弯头较多的天然气长输管道；2. 2. 2 隔离置换（内加分隔器）方式 适用于地形简单，地势平坦，且弯头较少的天然气管道。 从两种氮气置换方式适用的范围及西永管线本次置换工作的实际情况，本次氮气置换采用全线置换方式。3 氮气置换设备的选择目前氮气置换设备常采用的是液氮罐车：通过对液氮加热 汽化进行氮气的置换工作；另外还有车载氮气生产设备，设备在 现场直接将生产的氮气注入管道。西永管道工程考虑到置换工艺的简单、方便及经济性，选择 了液氮罐车，氮气罐车最大输出氮气能力为 600 m3h 。4 置换对氮气的要求及氮气量的计算4. 1 对氮气的要求 长输天然气管道置换对氮气的要求：(1) 氮气出口温度必须高于 5，因为液氮或过低温度的氮 气进入管道后，一方面会影响管材的低温强度(低温脆性)，另一 方面低温易使阀门等设备的密封泄露。因此，氮气进入管道的温 度不能低于 5 ，最好控制在 525。本次氮气置换选用采用注氮车装的液氮，温度较低，需对液 氮进行加热(使用氮气蒸发器)，氮气蒸发器选择小了易造成出气 温度过低甚至过液的危险；选择大了浪费和受到场地的限制，可 以使氮气进入输气管道之前温度控制在 515之间，以保证 管道材质不受损坏。(2) 注到管道里氮气中的含氧量要低于 2。4. 2 氮气量的计算。根据理论工式，对于全线氮气置换所需氮气量，其最小理论 用量为V= 7. 8510- 4D2L式中：v 为全线氮气置换氮气的最小理论用量，m3；D 为置 换管段的管径，mm；L 为置换管段的长度，k m全程置换工艺的注氮量为所要置换管段的全部管容和站场 相关部分的管道容积，同时还要考虑部分混气段的放空量和灌 充压力。而管道氮气置换混气长度的影响因素主要有介质流动 速度、管径和管线长度。随着速度、管径和管线长度增大，混气长 度也逐渐增大，混气长度与管径成正比、与管线长度的二分之一 次方成正比。根据以前氮气置换工作的经验，氮气实际用量应为 最小理论用量的 1. 52. 0 倍，本次需置换为保险起见，选用 2 倍值。若采用液氮时，1t 液氮转化为 1 个标准大气压、5状态下的 氮气体积为 808m3。即比容 = 0. 808mk g。考虑液氮在储存、运 输和注氮中的损耗，集气站、阀室置换和吹扫耗气量等因素，再结 合已有注氮槽车的吨位，最后确定置换过程中注液氮总量。西 永 管 线 本 次 需 置 换 的 管 段 管 段 为 406 7. 9 管 线8. 1k m、323. 96. 4 管线 15. 5 k m，管线总容积为 2145m3，共 需用氮气量约为 4300 m（3 指常压常温下），即 5. 4t 液氮。5 氮气置换速度和注氮时间及注氮压力的确定为了减少在氮气置换过程中氮气和天然气（空气）的混气量， 缩短必要的置换时间，并确定注氮设备的配备参数，需要对氮气 置换速度和注氮速度进行计算。5. 1 氮气置换推进速度的选取原则 采用氮气推空气进行置换，置换速度是一个比较重要的参数，选取氮气推进速度的主要因素：(1) 确保混气量最少，根据资料，无量纲理查德系数(R # )是判 定两种气体介质是否存在分层现象的一种方法，其计算公式为：2R # = gld/ up ; gl= g/ 式中：g重力加速度，g= 9. 81ms2；不同气体密度差值，= a- b，k gm3； P两种气体密度算术平均值，a、b两种气体密 度，k gm3，在常温下，其中氮气密度 a= 1. 2504 k gm（3 液氮 纯度在 99. 95以上，且其他腐蚀性组分符合相应的氮气标准要求)，空气密度 b = 1. 293 k gm3； L中间换算参数； d管道内径，m； uP平均速度，ms。根据资料显示，理查德系数(R # )在 15 对应的混气量是可接受的，速度越大，理查德系数 R # 越小，出现分层的可能性 越小。为保证混气量最少，取 R # = 1，即对氮气 - 天然气的平均 推进速度控制在 2. 07 m/ s 最合适。(2) 确保合理置换时间。从工程进度考虑，在不超过天然气 管道运行规范(sYT 59222003) 规范规定的天然气流速5m/ s 条件下 ，在保证实际作业可行的情况时，氮气推进速度越快越好，用于置换的时间越短越好。(3) 考虑注氮设备的供气能力。选择置换过程速度，需考虑 注氮设备的供气能力，现场配备的注氮设备能力最大输出氮气 能力为 600m3h 。根据氮气输出能力计算: 406 管线中的平均 推进速度为 1. 41ms; 在 323. 9 管线中的氮气推进速度为2. 19ms。从上述分析中，我们确定此次氮气置换在 406 管线中的 平均推进速度为 1. 4ms；在 323. 9 管线中的氮气平均推进 速度为 2. 0ms（通过控制氮气输入量来调节氮气推进速度）。5. 2 注氮时间的确定 为了确定施工工期，有必要对氮气的置换时间进行估算。根据氮气平均推进速度的推导，得到西永三标置换工作约需用3. 8h 。5. 3 注氮压力的确定从置换口注入氮气，注氮气压力一般控制在 0. 10. 3MPa， 注氮压力过大、过小都会导致混气段长度会增加。6 置换的检测方法74石油化工建设 10. 03检测点一般选择在压力表的取样口，检测仪器一般为氧含量检测仪和可燃气体分析仪。在进行氮气置换空气时，检测方法是在置换末端进行氧含 量检测。在推进置换中，当氧含量检测仪检测到的氧含量由 21 下降时，表示空气和氮气混合段到来；氧含量降低到 2以下时表 示氮气段到来，氮气置换合格 ，此时可关闭进气和放空阀。本次置换工作采用氮气置换天然气，检测方法是先根据氮 气的平均推进速度和置换点的距离，估算出到达末端检测点的 大致时间，然后提前 12h 用可燃气体分析仪进行检测。检测的 时间间隔开始为 20min，然后不断缩短，最后为 5min。当检测到 氮气中天然气小于 1（闪爆下限的 20）时，表示置换完成。7 氮气置换过程(1) 注氮地点的选择 从经济上来考虑，因此应尽可能减少注氮点数量，本次全线只选择一个注氮口，地点选择在西彭阀室（首站位置），氮气顺 气流方向进行置换。(2) 根据计算出的氮气置换时间安排具体施工时间 根据氮气的流速，计算出氮气至天燃气混气段气头到达阀室的预计时间，方便操作人员按时在阀室进行气体检测等操作。西永三标管道工程于 2009 年 12 月 23 日 18 时开始氮气置换，氮气至空气混气段气头到达终点的时间为 22 时 10 分。(3) 氮气置换操作方法 将注氮车连接首站管道，注氮过程中，在下游阀室进行引气放空。根据测算氮气与天然气混气头到达阀室的时间，提前在阀 室用用可燃气体分析仪进行检测。 检测的时间间隔开始为20min，然后不断缩短，最后为 5min。当检测到氮气中天然气小 于 1（闪爆下限的 20）时，表示置换完成。8 结论本文以重庆市西彭至永川天然气输气管线三标段工程全程 氮气置换为例，对天然气管线从如何选择置换方式、氮气置换设 备的选择、置换对氮气的要求及氮气量的计算、氮气置换过程等 几个方面进行分析、讨论，总结出如下几条经验以供参考：(1) 从实际情况出发，根据不同的情况选择最佳的氮气置换 方法；(2) 置换前要确保符合置换所必须具备的条件；(3) 置换前粗略确定所需氮气量，避免浪费或出现不足的情 况；(4) 置换时合理控制注氮温度、压力和管道内气体流速，尽量减小混气段，减少氮气的损失。（收稿日期：2010- 04- 21）!（上接 67 页）10600根据现场定10t 卷扬机吊装梁 支座梁56. 6m大板梁图 8 吊装梁受力分析图支座梁吊装梁40029510现场定1100支座梁吊装梁1400A- - A图 9 支座梁与吊装梁示意图剪力。抗剪强度验算：= VxS/ Ixt w= 71. 00（N）125（N） 吊装梁刚度验算： = + = 5GL4/ 384