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

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

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。

天然气管道氮气置换

1 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5～15%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25.4km）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φ406×7.9管线8.1km、φ323.9×6.4管线15.5km（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

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600m3／h。

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5～25℃。

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5～15℃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=7.85×10-4D2L

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，km．

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1.5～2.0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μ=0.808m／kg。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φ406×7.9管线8.1km、φ323.9×6.4管线15.5km，管线总容积为2145m3，共需用氮气量约为4300m3（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：

R#=gl×d/up2;gl=g×△ρ/ρ

式中：g——重力加速度，g=9.81m／s2；

△ρ——不同气体密度差值，△ρ=│ρa-ρb│，kg／m3；

P——两种气体密度算术平均值，ρa、ρb——两种气体密度，kg／m3，在常温下，其中氮气密度ρa=1.2504kg／m3（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ρb=1.293kg／m3；

L——中间换算参数；

d——管道内径，m；

uP——平均速度，m／s。

根据资料显示，理查德系数(R#)在1～5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2.07m/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》(sY／T5922—2003)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600m3／h。根据氮气输出能力计算:φ406管线中的平均推进速度为1.41m／s;在φ323.9管线中的氮气推进速度为2.19m／s。

从上述分析中，我们确定此次氮气置换在φ406管线中的平均推进速度为1.4m／s；在φ323.9管线中的氮气平均推进速度为2.0m／s（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0.1～0.3MPa，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

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1～2h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。

book=73,ebook=29

TU741

B

1672-9323（2010）03-0073-03

2010-04-21）