输气管道氮气置换技术及工艺参数研究

康俊鹏，贺亚维

（1.陕西能源职业技术学院建筑工程学院，陕西咸阳712000；2.陕西能源职业技术学院资源与测绘工程学院，陕西 咸阳712000）

管道置换投产是输气管道施工的一项重要工序，同时也是保障输气管道安全生产的必要措施。一方面，输气管道建设项目竣工后，不可避免的会有铁锈、焊渣、粉尘甚至石块等固体杂质存在于管道内，在置换投产过程中，气流推动管内的杂质向前运动，由于与管道壁面的碰撞进而产生火花，此时管内若存在有爆炸性的气体（空气中天然气的浓度处于5%～15%），则会引发重大的生产事故；另一方面，输气管道系统沿线的各输气站、分输站及阀室在设备管段检修结束后也应进行置换作业，从而排除安全生产的事故隐患[1]。

1 输气管道气体置换方式

目前根据所使用的置换气体不同，输气管道置换投产可分为两大类，即天然气置换和氮气置换两种。氮气置换方案根据置换过程中是否添加隔离器又可分为氮气隔离置换和氮气不隔离置换两种方式。

1.1 天然气隔离置换

新建输气管道在建设竣工后，管道内存在有大量的焊渣、粉尘、固体杂质以及空气混合物，直接注入天然气置换而不添加隔离措施会使管道中存在有大量的爆炸性气体,这在置换投产过程中是极其危险的。在实际生产过程中，常采用给天然气和空气段之间添加隔离器的方法将空气和置换用天然气分隔成两个独立的空间，进而降低置换作业的危险性。其置换过程如图1所示。

尽管添加了隔离措施，但由于清管器在运行过程中，不可避免的与管壁产生摩擦，使清管器沿管道运行时存在有一定的阻力，造成清管器后端压力大于前端压力，后端的天然气不可避免的会流窜到清管器前端，从而造成爆炸性混合气体的累积，一旦遇到火花，将会造成安全生产事故的发生，因此该方法是不安全的。

图1 天然气隔离置换空气时管内状态

1.2 氮气隔离置换

SY/T6233—2002《天然气管道试运投产规范》规定，天然气管道投产时要采用惰性气体对输气站中的工艺管道和设备进行置换。目前工程上常用的是氮气隔离置换法，该方法是在两个隔离清管器中间注入一定量的氮气作为隔离气体，以隔离器后端的天然气作为推动力，从而完成整个输气管道系统的清管置换作业。相较于其他气体而选择氮气作为置换气体，一方面由于其易于获得、操作工艺简单且安全，另一方面高纯度的液氮（纯度高达99.95%）是极好的干燥剂，其汽化后水露点很低，通常用于管道水压试验后吸收管道中残存的水分，起到保持和提高管道干燥效果的作用。

氮气隔离置换法的置换过程如图2 所示，在首站发射两个中间填充有一定量氮气的清管球，在后端天然气的推动下，清管器沿着管道向前运动。通过在管道沿线各阀室和分输站检测管道中气体的浓度，同时记录清管器到达的时间，直至气体达到合格标准，则置换完成。

图2 氮气隔离置换空气时管内状态

该置换投产方案采用两个清管器中间的氮气置换了前端的空气，清管器后端的天然气又置换了氮气，从而达到了输气管道置换投产的目的，避免了空气和天然气的直接接触，降低了置换投产作业的风险。

1.3 氮气不隔离置换

由于氮气隔离置换采用双隔离器将管道中的气体分割成三个独立的空间，保证了置换投产的安全性，因此我国早期的输气管道置换投产大多采用氮气隔离置换的方案。但在实际置换投产过程中，清管器在管道中运行时受到管道高差、弯头、内焊缝的高低不平等多种因素的影响导致清管器在管道中的运行状况不容易控制，尤其对于地形起伏较大的地区，由于高差和管壁阻力的存在，常常会造成两个清管器碰撞，或者清管器停滞不前的状况，这对输气管道置换投产是极为不利的。因此近年来“气推气”的清管投产方式逐渐受到青睐。

“气推气”的置换投产方式即清管过程中不使用清管器进行隔离，空气、氮气、天然气直接接触混合进行清管投产作业，其投产过程如图3所示。首先保证在一定的温度压力下，在注气点向管道中注入一定量的氮气，然后通过阀门的关闭与开启，向管道中注入天然气，最后在管道沿线各输气站的采样点采用便携式可燃气体检测仪（0～100%）、便携式含氧分析仪（0～25%）进行气质检测，直到达到置换投产标准。实现了采用气推气的方式进行氮气置换空气、天然气置换管道中氮气的目的。

图3 氮气不隔离置换空气时管内状态

研究表明，在两种气体之间添加隔离器并不能有效地减少混气量，这是因为清管器在管道中长期运行使得清管球磨损严重，同时受运动阻力和高程差等因素的影响，清管器后端的压力高于前端，这样不可避免地会有清管器后端的气体流窜到前端从而造成混气段的形成，并且阻力越大、高程差越高且清管器磨损越严重，置换投产时的混气量越大。而对于“气推气”的置换投产方案来说，只要能够合理控制氮气和天然气的运行速度和压力，使其在管道内处于紊流状态，这样就会大大减少混气量，且操作工艺简单，易于控制。因此国外的输气管道置换投产广泛采用“气推气”的方式，而我国近年来新建的输气管道如涩宁兰、西气东输管线也在逐渐采用无清管器的置换投产方案。

2 置换投产工艺参数分析

输气管道置换投产时应注意尽可能的减少混气量和管道置换投产时间，因此应合理选择并确定注氮温度、注氮压力、氮气需用量、以及氮气置换速度等工艺参数。目前尚没有确定的计算公式，本文主要基于工程实际对置换投产工艺参数进行确定。

2.1 注氮温度

输气管道置换投产基本都采用液氮车提供可靠的氮气来源。由于液氮汽化时的温度较低，需要在汽化器中加热汽化后方能注入管道，否则低温环境一方面会影响管道的强度，甚至破坏管材，另一方面会使管道沿线的密封装置受冻收缩进而降低密封性能。另外，应根据注氮量和注氮速度合理选择汽化器的型号和数量，确保达到置换投产效果的同时尽量减少设备的投资。根据工程施工经验，注氮温度不应低于5 ℃，且宜控制在5～15 ℃。

2.2 注氮压力

在汽化器中经自然吸热过程汽化后的氮气从注氮口注入管道中，注氮压力不宜过大，以防加压的氮气与管道前端的空气由于扩散作用而相互混合，同时注氮压力的确定也应考虑氮气在管道流通时能够克服管壁和沿线阀门所造成的流动阻力的影响，一般来说注氮压力应控制在0.1～0.3 MPa。另外为了减少氮气与天然气的混气，天然气的注入压力应与注氮压力保持一致，且注入天然气应紧跟注氮结束之后。

2.3 氮气需用量

根据现场施工经验，输气管道置换投产的氮气需用量包括4 个部分：氮气的混气量、沿线各站场、阀门置换用氮气量、氮气段达到末站时的剩余量以及保险富余量。氮气的混气量包括注氮时的混气量和氮气段通过全线的混气量，这部分的氮气需用量占总氮量的20%左右。为了能够保证置换效果，当氮气段达到管线末端时应留有一定量的氮气富余量，这部分氮气量可以按照0.2 MPa（表压），5 ℃状态下氮气充满5 km管道的体积量进行计算。与此同时考虑到置换过程中的其他不确定因素，工程实际中通常会在以上三者氮气需用量之和的基础上添加一个保险富余量，可以按照三者之和的10%进行计算。

目前，对于氮气需用量的计算通常有两种方法：

（1）对于氮气全线置换管道来说，氮气的最小理论需用量可以按照下式进行计算[2]：

式中：V为置换用氮气最小理论需用量，m3；D为管道的管径，m；L为置换管线的长度，m。

在实际工程置换过程中，氮气的实际需用量为最小理论需用量的1.5～2.0倍。

（2）对氮气需用量的计算可采用充压系数法进行计算，即

式中：M为置换投产氮气的需用量，kg；K为充压系数，工程实际中一般按1.2 进行取值；V 为置换管道的容积，m3；μ 为氮气的比容，取 μ=0.808 m3/kg（1 kg的液氮在5 ℃一个标准大气压下转化为氮气的体积为0.808 m3）。

2.4 氮气置换速度

氮气置换速度是管道置换投产过程需要考虑的一个重要参数，置换速度的大小决定着氮气置换时的流动状态。采用氮气置换空气时，由于两者的密度不同，处于层流状态的氮气会以一个楔形的方式插入到前端的空气当中，随着置换过程的进行，楔形的长度会逐渐增加，且两者压差越大，混气量越大。研究表明采用氮气不隔离置换方法时，为了减小氮气与空气的混气量，应尽可能使气体处于紊流不分层的流动状态，因此这也是确定注氮速度考虑时的一个最主要的因素。除此之外，氮气置换速度的确定还应满足以下三个原则：

1）无量纲理查德系数R#

由于理查德系数R#是判断流体是否分层的一个重要指标，为了减少置换时的混气量，通过引入无量纲理查德系数R#，从而确保管道内气体处于紊流状态[3-4]。

式中：g 为重力加速度，取g=9.81 m/s2；Δρ 为两种气体的密度差，kg/m3，取为两种气体密度的平均值，kg/m3，取；d 为管道内径，m；ϑp为气体的平均速度，m/s。

由以上公式可知，无量纲理查德系数R#与气体流速成反比，气体的流速越大，R#越小。根据现场施工经验，当理查德系数R#处于1～5 时，管道的混气量是可以接受的，理查德系数R#越小，管道的混气量越小。因此注氮速度应按R#=1时进行取值。

2）合理的置换时间

在实际施工过程中，为了确保工程的施工进度，降低置换操作人员的劳动强度，在操作许可的情况下应尽可能的减小置换投产所用的时间。《天然气管道运行规范》（SY/T5922—2003）规范中规定，在保证管道内气体流速不大于5 m/s 的条件下尽可能减小置换投产的施工时间。

3）气源的供气能力

由以上分析可知，为了减少管道置换投产过程中的混气量，气体的流速应尽可能选取较大值。但在实际生产过程中，气体的流速还要受到气源生产能力的限制，置换投产所用的氮气大多都是液氮通过在汽化器中自然吸热汽化而来的，因此在确定氮气置换速度时，应充分考虑汽化器的数量和单台汽化器的额定供气能力。

3 结 论

（1）输气管道置换投产具有一定的危险性，在置换投产前应制定详细、周全的施工方案以及相应的现场应急抢险措施。

（2）管道的投产方案应根据管道的实际情况进行选择，当管道处于平坦地段且直管较多时，清管器在管内的运行工况良好，可以选用氮气隔离置换工艺进行置换投产；而当管道系统中的弯头较多且管道沿线高程起伏较大的情况下，添加清管器反而会使混气量增大，此时宜选用氮气不隔离置换工艺。

（3）管道投产过程中，应合理控制注氮压力、温度以及置换速度等工艺参数，在保证置换效果的同时尽可能减少氮气的使用量。根据前面分析，考虑到液氮汽化时的低温环境对管材产生的破坏，注氮温度控制在5～15 ℃；注氮压力应控制在0.1～0.3 MPa，注入天然气应紧跟在注氮结束之后，且两者压力应一致；氮气需用量的计算时，应考虑一定的保险富余量；在置换速度确定时，要综合考虑气源的生产能力和气体在管内的流态，流速的选择应在保证气体处于紊流状态的前提下尽可能的缩短施工周期。