真空干燥技术在天然气站内管网中的应用

王晓峰 温晓勇 查广平 张晓鹏

1.西安长庆科技工程有限责任公司， 陕西 西安 710018;2.长庆油田分公司技术监测中心， 陕西 西安 710000



真空干燥技术在天然气站内管网中的应用

王晓峰1温晓勇1查广平1张晓鹏2

1.西安长庆科技工程有限责任公司， 陕西 西安 710018;2.长庆油田分公司技术监测中心， 陕西 西安 710000

为解决管网采用常规干空气干燥方法出现的管网盲端、死角干燥不彻底，干燥后露点多次反弹等问题，改进采用真空干燥技术。陕京管线榆林首站工程，工艺管网在吹扫后采用真空干燥技术取得良好效果，通过对参数整理并绘制干燥系统压力-时间曲线，结合操作过程对干燥效果进行分析，系统地阐述了真空干燥技术的干燥原理、施工流程、干燥效果及施工控制要点。为真空干燥技术在站场施工中的进一步推广应用提供参考。

天然气；场站；工艺管网；真空干燥

0 前言

陕京管线榆林首站工程位于陕西省榆林市，冬季最低气温-30 ℃。该站气源为中亚和苏里格气田来气，站内工艺管网流程复杂，盲端、死角多。如果水压试压完成后干燥不彻底，会加速管道内壁腐蚀[1]，冬季投产易形成管路冰堵、损伤阀门，严重时造成管道、法兰连接处涨裂[2]。为了保障站内管道干燥质量，确保运行安全，采用真空干燥技术对管网进行干燥。实践证明，经过干空气干燥并对露点检测合格的工艺管网，搁置数小时后露点超标，反复几次仍然超标，改用真空干燥技术再次干燥，数小时后露点基本没有变化。因此，对天然气站内工艺复杂的管网，采用真空干燥技术更具有优势、可靠性，前景更广。

1 干燥原理

真空干燥技术原理[3-5]，按照理想气体状态方程：

PV=m/MRT

(1)

式中：P为压强，Pa；V为气体体积，m3；m为物质的质量，g；M为气体的摩尔质量，g/mol；T为热力学温度，K；R为气体常数，J/(mol·K)，取8.314。

水的沸点随压力降低而降低，在压力很低的情况下，水可以在很低的温度下沸腾汽化，图1为水的蒸汽压-蒸汽量-温度曲线。真空干燥技术就是利用这一原理，在控制条件下不断地用真空泵从管道内往外抽真空，降低管道中的压力直至管壁温度下水的饱和蒸汽压，此时残留在管道内壁上的水沸腾而迅速汽化，汽化后的水蒸气随即被真空泵抽出。

图1 水的蒸汽压-蒸汽量-温度曲线

2 干燥特点

真空干燥技术成本低，无污染、干燥彻底、可靠性高，可使管道达到较低露点，不产生多余废物。特别在使用氮气扫线后，管内露点最低可达到-68 ℃。对于站场内工艺管线、汇管、装置，使用干空气干燥往往存在吹扫不到的死角，影响干燥效果，而真空干燥不存在干燥死角。

3 干燥流程

真空干燥技术的三个主要阶段，分别为降压(抽空)阶段、沸腾(蒸发)阶段、真空干燥阶段[6]，见图2。

图2 真空干燥技术三个主要阶段

3.1 第一阶段：降压(抽空)阶段

本阶段目的是除去大部分残留在管道中的水蒸气和空气，降低管内压力。在此期间，管内压力迅速降至管壁温度下水蒸气的饱和蒸汽压以下。

假设：不考虑水蒸发和水蒸气分压对压力的补充，管道与外界传热良好，视为等温过程。管内气体按照理想气体处理。根据PV=nRT,导出抽真空时间：

(2)

式中：t为理论抽真空时间，h；V为干燥管段的管容，m3；Q为真空泵排量，m3/h；p0为抽真空前管道内压力，kPa；p为对应露点的饱和蒸汽压，kPa。

3.2 第二阶段：沸腾(蒸发)阶段

重复抽真空和隔离过程，保持管道内压力为降压阶段末的压力值。

假设：忽略水汽蒸发降低对管内温度的影响，视为等温过程；管内压力始终保持在要求露点对应的饱和蒸汽压；本阶段符合理想气体状态方程。理论计算公式：

(3)

式中：T为理论蒸发时间，h；w为干燥管段的含水量，kg；ρ为管壁温度和蒸发压力下水蒸气的饱和密度，kg/m3；Q为真空泵排量，m3/h。

本阶段是真空干燥的主要过程，重复抽空，耗时很长。此过程中，随着管内压力低于饱和蒸汽压，残留在管道内壁上的水分开始大量蒸发。由于真空泵持续工作，管内压力不断降低，同时水分也不断蒸发以弥补压力损失。若管道残留水分不多，管道与周围热交换畅通，那么管内温度基本不变，管内压力可低于饱和蒸汽压。这一过程将持续到所有水分蒸发完为止。抽出产生的水蒸气，压缩后排入空气中，避免在真空泵或喷射器出口结冰。

3.3 第三阶段：真空干燥阶段

用真空泵将管道内压力降低到所需露点(干燥指标通常为-40 ℃)相对应的水蒸气饱和压力。将管道密封隔离，检测管道内压力。重复此过程，直到检测压力没有明显上升则干燥作业合格。

4 干燥检验

真空干燥检验通常有露点法、压力法、压力稳定法[7]。

4.1 露点法

露点法是在标准大气压下测量露点来判断干燥终点的方法。先将管道充满惰性气体(通常是氮气)直到管内压力达到0.11～0.13MPa，然后将其静置24～48h，再测量气体的露点。

4.2 压力法

压力法是要求管道的最终压力达到预定露点下的真空压力的方法，此压力应当比水的饱和蒸汽压低(如露点20 ℃，压力103.2Pa)。使用压力方法必须确保管道中没有结冰，结冰会导致完全错误的结果。

4.3 压力稳定法

隔离所干燥的管道并根据不同气温控制管内压力，如果压力不再变化，或者压力升降不超过某一程度(这可能是由于空气进入或气温升高造成的)，干燥工序即告完成。此种方法控制难度较大。

用氮气扫线后，继续抽真空并观察压力下降的变化曲线，如果曲线迅速下降且没有水平阶段，表明水分已完全除净，管道彻底干燥。

5 工程实例

陕京管线榆林首站工程，站内管网设计压力为10MPa,管径规格DN15～DN1 000，总管容约820m3,管网交错，设置低点排水点多，管网盲端、死角多，根据工艺特点和当时气候，采用真空干燥技术干燥。

5.1 干燥流程

工艺管网试压合格→干空气吹扫结束→布置真空干燥设备、连接、调试→连接仪器仪表→预干燥检查→减压→蒸发/排气→渗透试验/验收→干燥氮气吹扫填充(干燥结束)。

5.2 真空干燥

5.2.1 真空压力的确定

85国家高程基准以确定黄海高程水准点起算高程72.26m,实测榆林首站大地高程为1 187m，按照遗传算法大气压计算公式[8]：

p=101 300[1-(h/44 759)]5.303

(4)

计算得当地大气压力为88 621Pa。

本次系统管网真空干燥，按照规范要求露点为-40 ℃，查表“冰的饱和蒸汽压”得到-40 ℃水对应的饱和蒸汽压为12.85Pa，故真空干燥相对真空度为：

88 621-12.85=88 608.15Pa

(5)

即只要电接点真空表显示达到-0.088 6MPa，表明达到规范的露点-40 ℃要求。

5.2.2 干燥作业

干燥作业[9]：干燥设备选用两级降压抽真空设备，第一级选用水环真空泵，水环真空泵的极限绝对压力为3 300Pa(极限真空度可达-0.098MPa)；第二级选用罗茨泵，罗茨泵的极限绝对压力为0.6×10-2Pa。

过程控制：本次真空干燥，由于已进行干空气干燥作业，因此降压阶段可迅速完成，主要是排气抽空。真空干燥应缓慢进行，并作必要的间隔。降压阶段，每降压约0.03MPa，停泵1h，防止抽气速度过快管道内水分结冰。压力降到真空泵的极限压力后，每抽气10min，停泵30min，反复几次直到管道内露点稳定低于-40 ℃。

5.2.3 充氮气

待压力曲线达到预定露点压力后，压降平稳不再反弹，利用氮气进行扫线填充[10]，同时由于天然气管线在投产前必须采用氮气进行置换，这样可以将这两个工序同时完成，可以最大限度节约工程成本。

5.3 记录及分析

记录真空干燥系统压力随时间变化数据，见表1，其中当天晚上0:00至次日9:00停止干燥。真空干燥系统压力随时间变化曲线见图3。

表1 2010年真空干燥系统压力随时间变化数据

图3 真空干燥系统压力随时间变化曲线

5.4 检测结果

干燥后的管道内为干燥氮气。关闭真空泵连接阀，密封24h后，露点连续测量均在-40 ℃以下，干燥合格。

6 真空干燥影响因素及注意事项

6.1 影响因素

1)真空泵：选用合适功率的真空泵可保持较理想的抽真空速度。速度太慢，影响干燥速度；速度太快，会导致管道内壁结冰。

2)环境温度：管道所处的地层温度越高，越利于管内水分的蒸发，真空泵抽空工效越高，干燥效果越好。

3)管内温度：温度越高，水的饱和蒸汽压越高，水沸腾汽化所需的真空度越小，干燥过程也越易进行。

4)管道内水残留量：管道内的残留水量越少，干燥速度越快。

6.2 注意事项

1)干空气结合真空干燥在场站施工中的应用，必须在系统压力试验结束，低点排水完成后进行干空气干燥，并确保低点排水点密封性能良好。

2)保持蒸发压力，当露点温度在0 ℃以下时，减缓抽气速率，间歇抽空，增加热交换时间，以便管内的水蒸发吸收热量，通过控制真空装置的抽气速度，避免管道和相关管件结冰。

3)抽真空到蒸发压力达到露点-40 ℃，在此液化点压力下保持一定时间，以确定管道真空压力平衡稳定。如果压力有所回升，说明抽真空速率过快或管内残留水蒸气，此时应在压力稳定之后继续抽真空进行干燥。

4)干燥完成后注氮气填充，氮气进入管道温度不低于5 ℃，最终保持干燥管网处于微正压状态。

7 结论

通过在陕京管线榆林首站站内工艺管网系统真空干燥技术的应用，弥补了传统的干空气干燥方法中死角、盲端吹扫不到，干燥不彻底的弊端，有利于今后管道安全运行。真空干燥技术作为近几年新兴的干燥技术，在今后场站干燥施工中应用将更广泛。

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2015-08-03

王晓峰(1982-)，男，山西大同人，工程师，学士，主要从事油气田地面产建施工管理。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.002