王曉峰 溫曉勇 查廣平 張曉鵬

1.西安長慶科技工程有限責任公司， 陜西 西安 710018;2.長慶油田分公司技術監(jiān)測中心， 陜西 西安 710000

?

真空干燥技術在天然氣站內(nèi)管網(wǎng)中的應用

王曉峰1溫曉勇1查廣平1張曉鵬2

1.西安長慶科技工程有限責任公司， 陜西 西安 710018;2.長慶油田分公司技術監(jiān)測中心， 陜西 西安 710000

為解決管網(wǎng)采用常規(guī)干空氣干燥方法出現(xiàn)的管網(wǎng)盲端、死角干燥不徹底，干燥后露點多次反彈等問題，改進采用真空干燥技術。陜京管線榆林首站工程，工藝管網(wǎng)在吹掃后采用真空干燥技術取得良好效果，通過對參數(shù)整理并繪制干燥系統(tǒng)壓力-時間曲線，結合操作過程對干燥效果進行分析，系統(tǒng)地闡述了真空干燥技術的干燥原理、施工流程、干燥效果及施工控制要點。為真空干燥技術在站場施工中的進一步推廣應用提供參考。

天然氣；場站；工藝管網(wǎng)；真空干燥

0 前言

陜京管線榆林首站工程位于陜西省榆林市，冬季最低氣溫-30 ℃。該站氣源為中亞和蘇里格氣田來氣，站內(nèi)工藝管網(wǎng)流程復雜，盲端、死角多。如果水壓試壓完成后干燥不徹底，會加速管道內(nèi)壁腐蝕[1]，冬季投產(chǎn)易形成管路冰堵、損傷閥門，嚴重時造成管道、法蘭連接處漲裂[2]。為了保障站內(nèi)管道干燥質(zhì)量，確保運行安全，采用真空干燥技術對管網(wǎng)進行干燥。實踐證明，經(jīng)過干空氣干燥并對露點檢測合格的工藝管網(wǎng)，擱置數(shù)小時后露點超標，反復幾次仍然超標，改用真空干燥技術再次干燥，數(shù)小時后露點基本沒有變化。因此，對天然氣站內(nèi)工藝復雜的管網(wǎng)，采用真空干燥技術更具有優(yōu)勢、可靠性，前景更廣。

1 干燥原理

真空干燥技術原理[3-5]，按照理想氣體狀態(tài)方程：

PV=m/MRT

(1)

式中：P為壓強，Pa；V為氣體體積，m3；m為物質(zhì)的質(zhì)量，g；M為氣體的摩爾質(zhì)量，g/mol；T為熱力學溫度，K；R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)，取8.314。

水的沸點隨壓力降低而降低，在壓力很低的情況下，水可以在很低的溫度下沸騰汽化，圖1為水的蒸汽壓-蒸汽量-溫度曲線。真空干燥技術就是利用這一原理，在控制條件下不斷地用真空泵從管道內(nèi)往外抽真空，降低管道中的壓力直至管壁溫度下水的飽和蒸汽壓，此時殘留在管道內(nèi)壁上的水沸騰而迅速汽化，汽化后的水蒸氣隨即被真空泵抽出。

圖1 水的蒸汽壓-蒸汽量-溫度曲線

2 干燥特點

真空干燥技術成本低，無污染、干燥徹底、可靠性高，可使管道達到較低露點，不產(chǎn)生多余廢物。特別在使用氮氣掃線后，管內(nèi)露點最低可達到-68 ℃。對于站場內(nèi)工藝管線、匯管、裝置，使用干空氣干燥往往存在吹掃不到的死角，影響干燥效果，而真空干燥不存在干燥死角。

3 干燥流程

真空干燥技術的三個主要階段，分別為降壓(抽空)階段、沸騰(蒸發(fā))階段、真空干燥階段[6]，見圖2。

圖2 真空干燥技術三個主要階段

3.1 第一階段：降壓(抽空)階段

本階段目的是除去大部分殘留在管道中的水蒸氣和空氣，降低管內(nèi)壓力。在此期間，管內(nèi)壓力迅速降至管壁溫度下水蒸氣的飽和蒸汽壓以下。

假設：不考慮水蒸發(fā)和水蒸氣分壓對壓力的補充，管道與外界傳熱良好，視為等溫過程。管內(nèi)氣體按照理想氣體處理。根據(jù)PV=nRT,導出抽真空時間：

(2)

式中：t為理論抽真空時間，h；V為干燥管段的管容，m3；Q為真空泵排量，m3/h；p0為抽真空前管道內(nèi)壓力，kPa；p為對應露點的飽和蒸汽壓，kPa。

3.2 第二階段：沸騰(蒸發(fā))階段

重復抽真空和隔離過程，保持管道內(nèi)壓力為降壓階段末的壓力值。

假設：忽略水汽蒸發(fā)降低對管內(nèi)溫度的影響，視為等溫過程；管內(nèi)壓力始終保持在要求露點對應的飽和蒸汽壓；本階段符合理想氣體狀態(tài)方程。理論計算公式：

(3)

式中：T為理論蒸發(fā)時間，h；w為干燥管段的含水量，kg；ρ為管壁溫度和蒸發(fā)壓力下水蒸氣的飽和密度，kg/m3；Q為真空泵排量，m3/h。

本階段是真空干燥的主要過程，重復抽空，耗時很長。此過程中，隨著管內(nèi)壓力低于飽和蒸汽壓，殘留在管道內(nèi)壁上的水分開始大量蒸發(fā)。由于真空泵持續(xù)工作，管內(nèi)壓力不斷降低，同時水分也不斷蒸發(fā)以彌補壓力損失。若管道殘留水分不多，管道與周圍熱交換暢通，那么管內(nèi)溫度基本不變，管內(nèi)壓力可低于飽和蒸汽壓。這一過程將持續(xù)到所有水分蒸發(fā)完為止。抽出產(chǎn)生的水蒸氣，壓縮后排入空氣中，避免在真空泵或噴射器出口結冰。

3.3 第三階段：真空干燥階段

用真空泵將管道內(nèi)壓力降低到所需露點(干燥指標通常為-40 ℃)相對應的水蒸氣飽和壓力。將管道密封隔離，檢測管道內(nèi)壓力。重復此過程，直到檢測壓力沒有明顯上升則干燥作業(yè)合格。

4 干燥檢驗

真空干燥檢驗通常有露點法、壓力法、壓力穩(wěn)定法[7]。

4.1 露點法

露點法是在標準大氣壓下測量露點來判斷干燥終點的方法。先將管道充滿惰性氣體(通常是氮氣)直到管內(nèi)壓力達到0.11～0.13MPa，然后將其靜置24～48h，再測量氣體的露點。

4.2 壓力法

壓力法是要求管道的最終壓力達到預定露點下的真空壓力的方法，此壓力應當比水的飽和蒸汽壓低(如露點20 ℃，壓力103.2Pa)。使用壓力方法必須確保管道中沒有結冰，結冰會導致完全錯誤的結果。

4.3 壓力穩(wěn)定法

隔離所干燥的管道并根據(jù)不同氣溫控制管內(nèi)壓力，如果壓力不再變化，或者壓力升降不超過某一程度(這可能是由于空氣進入或氣溫升高造成的)，干燥工序即告完成。此種方法控制難度較大。

用氮氣掃線后，繼續(xù)抽真空并觀察壓力下降的變化曲線，如果曲線迅速下降且沒有水平階段，表明水分已完全除凈，管道徹底干燥。

5 工程實例

陜京管線榆林首站工程，站內(nèi)管網(wǎng)設計壓力為10MPa,管徑規(guī)格DN15～DN1 000，總管容約820m3,管網(wǎng)交錯，設置低點排水點多，管網(wǎng)盲端、死角多，根據(jù)工藝特點和當時氣候，采用真空干燥技術干燥。

5.1 干燥流程

工藝管網(wǎng)試壓合格→干空氣吹掃結束→布置真空干燥設備、連接、調(diào)試→連接儀器儀表→預干燥檢查→減壓→蒸發(fā)/排氣→滲透試驗/驗收→干燥氮氣吹掃填充(干燥結束)。

5.2 真空干燥

5.2.1 真空壓力的確定

85國家高程基準以確定黃海高程水準點起算高程72.26m,實測榆林首站大地高程為1 187m，按照遺傳算法大氣壓計算公式[8]：

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

(4)

計算得當?shù)卮髿鈮毫?8 621Pa。

本次系統(tǒng)管網(wǎng)真空干燥，按照規(guī)范要求露點為-40 ℃，查表“冰的飽和蒸汽壓”得到-40 ℃水對應的飽和蒸汽壓為12.85Pa，故真空干燥相對真空度為：

88 621-12.85=88 608.15Pa

(5)

即只要電接點真空表顯示達到-0.088 6MPa，表明達到規(guī)范的露點-40 ℃要求。

5.2.2 干燥作業(yè)

干燥作業(yè)[9]：干燥設備選用兩級降壓抽真空設備，第一級選用水環(huán)真空泵，水環(huán)真空泵的極限絕對壓力為3 300Pa(極限真空度可達-0.098MPa)；第二級選用羅茨泵，羅茨泵的極限絕對壓力為0.6×10-2Pa。

過程控制：本次真空干燥，由于已進行干空氣干燥作業(yè)，因此降壓階段可迅速完成，主要是排氣抽空。真空干燥應緩慢進行，并作必要的間隔。降壓階段，每降壓約0.03MPa，停泵1h，防止抽氣速度過快管道內(nèi)水分結冰。壓力降到真空泵的極限壓力后，每抽氣10min，停泵30min，反復幾次直到管道內(nèi)露點穩(wěn)定低于-40 ℃。

5.2.3 充氮氣

待壓力曲線達到預定露點壓力后，壓降平穩(wěn)不再反彈，利用氮氣進行掃線填充[10]，同時由于天然氣管線在投產(chǎn)前必須采用氮氣進行置換，這樣可以將這兩個工序同時完成，可以最大限度節(jié)約工程成本。

5.3 記錄及分析

記錄真空干燥系統(tǒng)壓力隨時間變化數(shù)據(jù)，見表1，其中當天晚上0:00至次日9:00停止干燥。真空干燥系統(tǒng)壓力隨時間變化曲線見圖3。

表1 2010年真空干燥系統(tǒng)壓力隨時間變化數(shù)據(jù)

圖3 真空干燥系統(tǒng)壓力隨時間變化曲線

5.4 檢測結果

干燥后的管道內(nèi)為干燥氮氣。關閉真空泵連接閥，密封24h后，露點連續(xù)測量均在-40 ℃以下，干燥合格。

6 真空干燥影響因素及注意事項

6.1 影響因素

1)真空泵：選用合適功率的真空泵可保持較理想的抽真空速度。速度太慢，影響干燥速度；速度太快，會導致管道內(nèi)壁結冰。

2)環(huán)境溫度：管道所處的地層溫度越高，越利于管內(nèi)水分的蒸發(fā)，真空泵抽空工效越高，干燥效果越好。

3)管內(nèi)溫度：溫度越高，水的飽和蒸汽壓越高，水沸騰汽化所需的真空度越小，干燥過程也越易進行。

4)管道內(nèi)水殘留量：管道內(nèi)的殘留水量越少，干燥速度越快。

6.2 注意事項

1)干空氣結合真空干燥在場站施工中的應用，必須在系統(tǒng)壓力試驗結束，低點排水完成后進行干空氣干燥，并確保低點排水點密封性能良好。

2)保持蒸發(fā)壓力，當露點溫度在0 ℃以下時，減緩抽氣速率，間歇抽空，增加熱交換時間，以便管內(nèi)的水蒸發(fā)吸收熱量，通過控制真空裝置的抽氣速度，避免管道和相關管件結冰。

3)抽真空到蒸發(fā)壓力達到露點-40 ℃，在此液化點壓力下保持一定時間，以確定管道真空壓力平衡穩(wěn)定。如果壓力有所回升，說明抽真空速率過快或管內(nèi)殘留水蒸氣，此時應在壓力穩(wěn)定之后繼續(xù)抽真空進行干燥。

4)干燥完成后注氮氣填充，氮氣進入管道溫度不低于5 ℃，最終保持干燥管網(wǎng)處于微正壓狀態(tài)。

7 結論

通過在陜京管線榆林首站站內(nèi)工藝管網(wǎng)系統(tǒng)真空干燥技術的應用，彌補了傳統(tǒng)的干空氣干燥方法中死角、盲端吹掃不到，干燥不徹底的弊端，有利于今后管道安全運行。真空干燥技術作為近幾年新興的干燥技術，在今后場站干燥施工中應用將更廣泛。

[1] 王海霞，陳保東，陳樹軍.輸氣管道中水合物的形成與預防[J].天然氣與石油，2006,24(1)：29-32.WangHaixia,ChenBaodong,ChenShujun.FormationandPreventionofHydrateinGasPipeline[J].NaturalGasandOil, 2006, 24 (1): 29-32.

[2] 胡德芬，徐 立，李祥斌，等.天然氣集輸管線冬季凍堵及措施分析[J].天然氣與石油，2009,27(1)：21-25.HuDefen,XuLi,LiXiangbin,etal.AnalysisonWinter

HydrateBlockinNaturalGasGatheringandTransportationPipelineandCountermeasureinFuture[J].NaturalGasandOil, 2009, 27 (1): 21-25

[3] 吳小平，蘇 欣，張 琳，等.天然氣管道干燥技術綜述[J].天然氣與石油，2006,24(4)：20-23.WuXiaoping,SuXin,ZhangLin,etal.OverviewonDryingTechnologyforNaturalGasPipeline[J].NaturalGasandOil, 2006, 24 (4): 20-23

[4] 田 杰.天然氣管道真空干燥技術的研究應用[J].焊管，2010，33(11):57-61.TianJie.ResearchonApplicationofVacuumDryingTechnologyforNaturalGasPipeline[J].WeldedPipeandTube, 2010, 33 (11): 57-61.

[5] 王 波，焦永濤.管道真空干燥技術簡介[J].清洗世界，2005,21(8)：30-32.WangBo,JiaoYongtao.BriefIntroductionofVacuumDryingTechnologyforPipeline[J].JournalofCleaningWorld, 2005, 21 (8): 30-32.

[6] 國家發(fā)展和改革委員會.天然氣輸送管道干燥施工技術規(guī)范：SY/T4114-2008[S].北京：石油工業(yè)出版社，2008：2-4.NationalDevelopmentandReformCommission.TechnicalSpecificationforDryingConstructionofGasTransmissionPipeline:SY/T4114-2008[S].Beijing:PetroleumIndustryPress, 2008: 2-4.

[7] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.石油天然氣站內(nèi)工藝管道工程施工規(guī)范：GB50540-2009[S].北京：中國計劃出版社，2012：40-42.MinistryofHousingandUrban-RuralDevelopmentofthePeople’sRepublicofChina,GeneralAdministrationofQualitySupervision,InspectionofQuarantineofthePeople’sRepublicofChina.CodeforConstructionofPipieProcessinOilandGasTransmissionPipelineStation:GB50540-2009 [S].Beijing:ChinaPlanningPress, 2012: 40-42.

[8] 王志軍，宋立軍.利用遺傳算法求大氣壓強精確公式[J].長春大學學報，2001,11(5)：31-33.WangZhijun,SongLijun.EvaluatingPreciseFormulaofatMosphericPressurebyUsingGeneticAlgorithms[J].JournalofChangchunUniversity, 2001, 11 (5)： 31-33.

[9] 潘向陽.輸氣管道真空干燥模型及設備選型研究[J].中國石油大學勝利學院學報，2010,24(1)：17-19.PanXiangyang.StudyonVacuumDryingModelandEquipmentSelectionofGasTransmissionPipeline[J].JournalofShengliCollegeChinaUniversityofPetroleum, 2010, 24 (1)： 17-19.

[10] 譚力文，敬加強，戴志向，等.天然氣管道氮氣置換技術研究[J].管道技術與設備，2010,(3)：25-28.TanLiwen,JingJiaqiang,DaiZhixiang,etal.StudyofNaturalGasPipelineReplacementTechnologybyNitrogenGas[J].JournalofPipelineTechniqueandEquipment, 2010, (3): 25-28.

2015-08-03

王曉峰(1982-)，男，山西大同人，工程師，學士，主要從事油氣田地面產(chǎn)建施工管理。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.002