浅谈环境因素及注氮工艺参数对管道氮气置换的影响趋势

赵飞 康涛（四川郝斯特油气技术有限公司，四川成都610041）

0 引言

近两年随着国内几大主要天然气管道（中缅天然气管道、西气东输一、二、三线）的焊口隐患排查和中俄东线北段的投产，管道氮气置换作业现场环境由南向北、至西向东，有高原、有山区也有平原。各现场亦是复杂多变。在环境因数不断地改变下，掌握环境因数改变对管道氮气置换氮气用量的影响趋势，能够更加准确地对现场作业的液氮备用量、置换参数的计算起到指导作用，避免氮气本用量不足或过量，既能保证现场施工的必要性和连续性，同时也能节约氮气成本和资源。

1 环境因数对管道氮气置换的影响趋势

1.1 环境的温度因数的对液氮用量影响趋势

标准状况下（温度为273.150K 和压强为101.325KPa）。液氮气化体积的换算（以理想气体作为计算，与实际存在少许误差，其目的是分析温度的影响趋势，指导现场作业施工）见表1所示。

表1 液氮常见参数换算表

由上述气体状态方程可以得出，在大气压力一定的情况下，随着环境温度t 不断变换，1 体积的液氮气化量V 也随之变化，变化趋势随着t增加，V也随之增加，反之亦然。这就对我们在不同环境温度下作业施工的液氮用量产生一定的影响，即环境温度t升高，液氮用量减少。这种影响在温差大、工程量大的工况下更加明显。气化量与环境温度对关系见图1所示。

图1

1.2 环境的大气压力因数的对液氮用量影响趋势

由式1可以得出当环境温度一定时，随着大气压力P降低，气化量V增加，即液氮用量减少。同时大气压P降低，一方面天然气放空时能够放的更加彻底，另一方面在氮气推动天然气（或空气）到大气所需要的背压也会相应减小，由于气体的压缩性很强，背压的减小能够很大程度上减少氮气的用量。相反如果当地大气压高，氮气推动天然气（或空气）到大气所需要的背压也会相增加，那施工所用的液氮也相应的有所增加。

影响大气压力的因数也是多种，而这些因数通过影响大气压力进而间接的影响着液氮用量：如海拔高度升高，气压P 降低，反之亦然；另外冬季高夏季低；湿度高，气压P低，反之亦然；

1.3 天气因数的对液氮用量影响趋势

天气不是直接影响氮气用量的环境因数，但是天气的阴晴直接影响的是大气压力的变化，继而通过大气压力的变化来影响氮气置换施工氮气的用量。阴雨天气大气压力低，而晴天大气压力高，因而晴天施工相较于阴雨天但其的使用量会更高。

2 注氮工艺参数对管道氮气置换的影响趋势

2.1 注氮速度对管道氮气置换液氮用量的影响趋势

通过氮气推天然气（不加任何隔离装置），氮气的注入速度是一个比较重要的参数，选取氮气注入速度的主要因数：

一是确保混气量最少。根据资料，无量纲理查德系数R#是判断两种气体是否存在分层的现象的一种方法，其计算公式为：

根据经验理，查德系数在1-5 对应的混气量是可以接受的，速度越大，理查德系数越小，出现分层的可能性就越小。

二是确保合理的置换时间。从《天然气管道运行规范》（SY/T5922-2012）,速度不超过5m/s；在保证实际作业可行的情况时，氮气注入越快越好。

三是考虑注氮设备的注入能力，选择置换速度，需考虑注氮设备的注入能力。

结合以上三点综合得出：在不超过5m/s 的情况下，以注氮设备的最大能力、最快速度注氮；这样产生的混气量最小，能够有效的节约液氮；相反如果注氮设备的注入能力有限，置换过程中产生的混气量就很大，使用的液氮量也会随之增加，那实际工程上就要准备充足的液氮富裕量；

3 结语

针对管道氮气置换环境因数的影响，通常是多种因数同时综合一起影响其现场施工，本文只是对每单一因数对氮气用量的影响趋势做了简单的分析。而在实际施工中其影响因数交叉影响，除了对单一因数的影响趋势进行分析外，还需根据现场环境将其众多因数进行综合分析，这样就能满足施工的质量和经济效益的最大化。

针对注氮速度等工艺参数对氮气置换的影响，从工程效率的角度考虑：在不超规范时，尽量以选取大排量注氮设备，以最快的速度注氮，既可以节约液氮资源，也可以缩短施工时间，这对类似抢险的置换任务十分重要。但从经济角度来考虑，通常大排量的注氮设备，费用相对较高，可能节约的液氮产生的费用根本不足以支付这种大排量注氮设备产生的费用。因而在注氮速度的选取时（其实就是注氮设备的选择），这就需要实际情况，进行综合考虑效率与经济效益取舍或结合，