钢制压力管道系统吹扫质量控制

2023-11-03李江

石油化工建设 2023年6期

李江

北京燕华工程建设有限公司北京 102502

石油化工装置在强度试验合格后，气体泄露性试验前应进行管道系统吹扫，因为安装完成的管道内不可避免地会存在油垢、铁锈、泥沙、焊熘、焊渣等杂质，这些杂质的存在，使管道内的有效通过面积减小，影响输送流体的品质，还容易造成设备的损坏。为了保证管道内部清洁无杂物，保证流体质量，使装置一次开车成功，生产出合格的产品，石化装置施工验收规范已明确规定必须对管道系统进行吹扫。但是，现行施工规范仅给出一个固定的吹扫介质流速值，而施工现场管道系统千差万别，吹扫质量的好坏与许多因素有关，如何达到规范中规定的流速值，一些做法缺乏理论依据，文中通过将实践经验与流体力学的基本理论相结合，对石化装置管道系统的吹扫方法、步骤、储气压力计算进行论述，以保证吹扫质量和效果。

1 吹扫方法

管道系统的吹扫方法有很多种，选择合理、经济有效的吹扫方法是保证吹扫质量的前提条件。首先要根据管径的大小和管内介质要求，选取最合适、最经济的吹扫介质，其次根据介质的不同，确定吹扫速度[1]。

（1）对于公称直径大于600mm 的管道，宜用人工清扫；公称直径小于600mm 的液体管道宜采用水清洗，气体管道宜采用空气吹扫，因为输送气体介质的管道系统不一定能承受液体和管道自重的负荷。

（2）蒸汽管道应以蒸汽吹扫，吹扫过程也是投汽试运行的试验过程。非热力管道因为设计未考虑热胀冷缩，不得采用蒸汽吹扫。

（3）有特殊要求的管道应按设计要求的方法进行清扫，如喷沙、脱脂、酸洗、钝化等。

（4）对于管道系统中无控制阀门的管道，可以采用爆破法进行吹扫。目前管道系统吹扫时，在无特殊技术要求的情况下大多数选择压缩空气进行，空气吹扫在工业管道中使用最普遍，因为空气吹扫简单易行，容易操作，空气来源容易，排放方便，目测吹扫质量时容易判断，能够吹除管道内因液压试验残留的水迹，且冬季不用采取防冻措施。

2 吹扫流速

现行施工规范中对不同吹扫介质的最低吹扫速度提出了要求，如SH3501《石油化工有毒、可燃介质管道工程施工及验收规范》中规定[1]：管道系统水冲洗时，宜采用最大流量，流速不得小于1.5m/ s；空气吹扫流速不得小于20m/ s；蒸汽吹扫流速不得低于30m/ s。

根据流体力学知识，介质在管道内流动，将管道内的杂质带出，主要与流体的流速、流体的流态有关。介质流动过程中与金属表面充分地接触，对金属表面产生了切应力，随着流速的提高，切力矩作用增强，将管道内部及附着在金属表面上的杂质剥离带出。而流体的流动状态有层流和湍流两种，它不仅取决于流体的速度，而且还取决于流体粘度、密度和管道的几何尺寸（如凸出物、缝隙以及突然改变流向的截面），不同的流动状态有不同的运动规律，层流时，吹扫介质对管道内壁的剪切力小；湍流时，管道金属表面与流体介质的接触更加频繁，增加了流体与金属之间的剪切力，从而将金属表面的杂质与金属撕开，并冲走，达到吹扫的效果。所以，为达到好的吹扫效果提高传质速率，管道吹扫过程中管道内的流体必须处于湍流状态，因为湍流流动是由一系列各种尺度的随机涡所组成的流动，在经过吹扫过程对管道的敲击，使湍流状态进一步形成大量的“漩涡”，不断冲刷管道内壁，将管道内杂质带出管道，以达到吹扫目的。

从流体力学中的雷诺试验可知，随着雷诺数（Re）的增长，流动将由层流状态变为湍流状态，不同的流动状态形式与粘性系数（μ）、密度（ρ）、圆管的直径（d）、管内平均流速（U）等有关，雷诺经过大量试验得出下列公式[2]：

式中：Re——雷诺数（无量纲量）；

ρ——管内流体密度，空气在20℃时的密度为1.2kg/ m3；

U——管内平均流速，m/ s；

D——管道直径，m；

μ——粘性系数，kg/ ms；

γ——运动粘性系数，m2/ s。

其中压力对同一流体的（γ）影响很小，而温度对其影响很大，如水的粘性随温度的升高而减小；空气的粘度随温度的升高而增大。水在20℃时运动粘性系数为1.01×10-6m2/ s，空气在20℃时的运动粘性系数为1.5×10-5m2/ s 。

试验指出，圆管中的流体流态有2 个不同的临界点：上临界Recr2=10000；下临界Recr1=2000。

当Re≤2000 时，流态为层流；当2000＜Re≤10000时为过渡阶段；Re＞10000 时为湍流。试验指出，流体流动状态处于过渡阶段时，流动虽然呈层流状态，但只要稍有扰动，流态就会转化为湍流。在管道吹扫过程中，依据规范要求，管道之死角部位应受到频繁的敲击其流态必受扰动，层流状态会丧失其原有的稳定，从而转化为湍流。据此，可以认为在工业吹扫过程中，上临界雷诺数Recr2的大小并没有实际意义。应当把下临界雷诺数Recr1作为判定流态的准则。所以在工业吹扫过程中可认定为：Re＞2000时为湍流；Re≤2000 为层流。

故在进行管道吹扫时，首先应判断流体流动状态然后再进行吹扫。压缩空气吹扫时流速为20m/ s，一般管径能保证Re＞105使管内流体处于湍流状态。但是目前施工规范仅对最低吹扫速度进行了规定，而吹扫速度的测量和控制对于现场施工来说相当不便，所以施工中必须采取一种直观易行的方法，既要达到吹扫的目的，又要便于观察操作。

3 空气吹扫储罐储气压力的计算

目前该单位化工装置的管线吹扫一般采用蓄压法，即利用生产装置的大型压缩机和大型储气罐进行吹扫，首先吹净储罐的进气管线，然后将压缩空气引入储罐，用压缩机对储罐内的气体进行加压，达到一定压力后再依次打开储罐的附属管线阀门，逐根吹扫与储罐相连的管线，直至合格，然后将气源引入下一台设备，直至全部管线吹扫完成，并在吹扫过程中及时对储罐进行加压，但压力值不得超过设备及管线的允许压力。但是，储罐内的储气压力控制在多少，才能保证吹扫流速，目前没有统一的说法，文中就根据伯努利定理和能量守恒原理，结合现场实例近似计算吹扫时储气压力的最小值。

吹扫系统示意图如图1 所示。若管道主线长度为300m，阀门为闸阀，当时大地的大气压为P0=1.013×105Pa，温度为20℃，储罐容积V1为20m3，吹扫时管道内部的空气流速为U，根据伯努利定理就可近似计算吹扫时储罐储气压力P1。

图1 吹扫系统示意图

3.1 判定流态

依据规范要求，若吹扫时管内风速U达到20m/ s，则其雷诺数为：

根据上文所述，雷诺数高于下临界值Recr1值和上临界Recr2值，其流态应为湍流。

3.2 管流阻力[3]

由于流体具有粘滞性，在流动中必然要克服阻力而消耗一定的能量。进一步说，流体沿流动方向向前流动，同时带动管道内的杂质向前运动，其机械能是减小的，这部分被减小的机械能称为沿程阻力损失Pf：

式中：d——管内径，m；

λ——摩擦系数；f=Re；

L——吹扫管线总长度，m。

对于λ值，不同的流态有不同的确定方法，对于光滑管道可以采用经实验得到的计算公式进行计算而得，对于粗糙管道，摩擦损失与壁面绝对粗糙度e有关。通过雷诺数Re及绝对粗糙度e可从莫迪图中查出摩擦系数λ，也可以根据经验公式计算得出λ。当Re≤2000 时，流态为层流，光滑管道与粗糙管道的摩擦系数相同，λ值的计算公式如下：

当介质流态为湍流时，λ值的计算较为复杂，为此，莫迪（L.F.Moody）用实际的商品管道进行了实验,得出了适用于整个湍流状态的经验公式:

△e——管道内壁的当量粗糙度，m；

d——管道内径，m。

对于商品管道而言，由于管壁不同弧段的粗糙度是不同的，所以必须对粗糙度进行修正，既引进当量粗糙度的概念。当量粗糙度的实际意义在于把整个直管段内壁的粗糙度视同一致，这样就无须对每一管段、每一不同弧度的λ值进行多步的复杂的计算，简化了计算过程，在实际的管道吹扫过程中，这一点是至关重要的。不同类型的、新旧程度不同的管道内壁的当量粗糙度不同，不同管道的当量粗糙度△e值如表1 所示。

表1 不同管道的当量粗糙度△e 值

由流体力学资料查得新无缝钢管当量粗糙度为0.014，故此线的λ值为：

所以沿程阻力损失Pf：

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

3.3 局部阻力损失[3]

在石化装置管道系统中存在若干管道组成件，当流体流经阀门、三通、大小头、弯头时，由于管道内边界形状的突然变化，形成锥扩管段或锥形收缩管段（如图2 和图3），流态也就随之发生急剧的变化，而且会产生旋涡，会引起机械能转化为热能，从而导致机械能损失，这种损失称为局部阻力损失Pj：

图2 锥扩管段示意图

图3 锥形收缩管段示意图

式中：ξ——局部损失系数。

（1）弯头、三通、闸阀等部件的局部损失系数ξ 可按表2 确定。

表2 弯头、三通、闸阀的局部损失系数一览表

（2）锥扩管段示意图如图2 所示。锥扩管段ξ的计算如下：

（3）锥形收缩管段示意图如图3 所示。锥形收缩段计算如下：

（4）局部阻力损失的计算：

阀门全开状态：ξ1=0.2

90°弯头：ξ2=0.75

储罐与主管线连接处的局部阻力损失系数为ξ3=0.5，

代入数据，得：

3.4 储罐内储气压力计算

根据伯努利定理得到：

式中：U1——储罐内空气流速，m/ s；

ΣPf——直管段沿程阻力损失之和，Pa；

ΣPj——局部阻力损失之和，Pa。

在实际情况中，储罐内的空气流速将是非常缓慢的。因为空气易于压缩，且吹扫所用储罐体积应远大于被吹扫管线的体积（这样方可保证充足的气量），所以说即使被吹扫管道空气流速达到20m/ s 以上时，这一时刻所流出气体的摩尔数相对于整个大体积储罐中所储气量来说，也仅是很小的一部分。进一步说，大量气体在储罐内的流速是极其缓慢的，据此，在实际情况中，储罐内的流速可近似认为U1=0m/ s（工程计算当中，近似计算方法经常被采用），这样可计算出储罐储气压力值P2（为了与式（1）当中考虑U1不为0 时的储罐储气压力值P1进行区别比较，将储罐内空气流速U1=0m/ s 时的储气压值定义为P2）将会略高于P1，储罐内储气压升高，对于管道吹扫反而有利，这样，储罐内储气压值P2可计算如下：

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

计算出的压力值将会略高于储罐中的实际压力，而储罐中储气压力越高，对管道吹扫反而更有利，所以，工程施工中可以按式（12）进行计算储罐压力。只有当储罐内储气压力达到计算值以上时，方可满足吹扫流速的要求，因此，管道吹扫时，只需观察储罐压力表读数，即可确定管内风速是否满足规范中规定的20m/ s 要求[4]。尤其是在连续吹扫的最末时间段，应着重注意压力表的读数。所以，对于不同规格的管道系统吹扫时，控制储罐压力一般在6×105Pa 以上,完全可以满足吹扫速度要求。

事实上，储气罐压力仅达到以上数值还不够，因为连续吹扫时间要求在5min 以上，吹扫较长管段时，需要的排气量较大。每次吹扫从排放口排出的气体流量为：

式中：V——排放气体的体积，m3；

A——排放口截面积，m2；

t——每次排放时间，s。

吹扫时每次排放时间很短，速度固定，当排放管截面积较大时，排放量就大，所以，为保证有充足的气源，管道吹扫时除了要保证压力外，还应保证有足够的储气量，选用大容积储罐，以保证每次排放时间内的流速。

4 施工中的错误做法

管道系统吹扫施工中，当吹扫的管子管径较大，以往工程中曾有人将大管子末端焊一盲板封口，并在盲板下端平齐下缘处开一小孔，以2＂或3＂管加长并加阀门控制，以此方法进行吹扫，这样小管末端流速可达20m/ s，似乎满足要求，但这种做法是错误的，错误施工图例如图4 所示。分析如下：

图4 错误施工图例（单位：mm）

由于大小管段单位时间内气体总流量相同，故：

式中：U1——大管内风速，m/ s；

U2——小管内风速，m/ s；

A1——大管内横截面积，m2；

A2——大管内横截面积，m2。

简化可得：U1=U2×A2/A1（设U2=20m/ s）

若大管为φ530mm×10mm，小管为φ89mm×4.5mm，经计算可知U1=0.49m/ s＜20m/ s，并不满足要求。而《工业金属管道工程施工及验收规范》（GB50235-2019）和《石油化工剧毒、可燃介质管道工程施工及验收规范》（SH3501-2021）施工验收规范，有关吹扫风速的概念都明确要求最大管径处的吹扫风速不得小于20m/ s，这样方可保证大管径管段吹扫干净。