熊毅，趙瀟，司偉平，于達(dá)

中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249

0 引言

隨著我國(guó)天然氣管道建設(shè)的迅速發(fā)展，天然氣管道事故也逐漸增多[1]。天然氣管道事故的應(yīng)急搶修是針對(duì)天然氣管道事故的特征采取相應(yīng)的技術(shù)方案，對(duì)事故進(jìn)行控制并恢復(fù)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，越來(lái)越受到天然氣輸運(yùn)企業(yè)的重視。

天然氣管道事故的應(yīng)急搶修一方面要求迅速控制事故現(xiàn)場(chǎng)，快速恢復(fù)天然氣管道正常運(yùn)行；另一方面又要求在應(yīng)急搶修過(guò)程中保證施工安全，避免引發(fā)次生事故[2]。因此，在目前的技術(shù)手段下，為了提高天然氣管道事故應(yīng)急搶修過(guò)程的安全性，對(duì)于停輸換管等搶修方案，在天然氣放空后進(jìn)行全管段氮?dú)庵脫Q成為一個(gè)重要的搶修流程，在川氣東送、西氣東輸?shù)裙艿赖牟糠謶?yīng)急搶修方案中得到應(yīng)用[3-4]。

目前，對(duì)氮?dú)庵脫Q工藝的研究主要集中在投產(chǎn)階段的氮?dú)庵脫Q[5-7]，對(duì)應(yīng)急搶修過(guò)程中的氮?dú)庵脫Q流程則主要依據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇。但是一方面，管道事故應(yīng)急搶修中的氮?dú)庵脫Q工藝不同于投產(chǎn)過(guò)程，有其獨(dú)有的規(guī)律與特征：(1)應(yīng)急搶修對(duì)施工時(shí)間有特殊要求，因此氮?dú)庵脫Q過(guò)程重點(diǎn)關(guān)注總置換時(shí)間；(2)應(yīng)急搶修中存在破損點(diǎn)，氮?dú)庵脫Q過(guò)程有2個(gè)出口，置換規(guī)律受破損口位置、大小等影響[5]。另一方面，施工經(jīng)驗(yàn)依據(jù)的是管道穩(wěn)態(tài)輸運(yùn)狀態(tài)下的靜態(tài)估算結(jié)果，而吳長(zhǎng)春的研究結(jié)果[8]表明，管道氣體輸送的靜態(tài)估算結(jié)果與動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程存在一定的偏差。

因此，本文基于SPS建立了有破損口的長(zhǎng)輸管道模型，通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬不同工藝條件、不同事故條件下的氮?dú)庵脫Q過(guò)程，研究應(yīng)急搶修過(guò)程中的氮?dú)庵脫Q時(shí)間規(guī)律，對(duì)應(yīng)急搶修過(guò)程中的氮?dú)庵脫Q工藝進(jìn)行優(yōu)選。

1 應(yīng)急搶修中氮?dú)庵脫QSPS模型建立

1.1 應(yīng)急搶修中氮?dú)庵脫Q流程及方案

天然氣管道事故應(yīng)急搶修過(guò)程中，首先將破損口前后2個(gè)閥室間的天然氣通過(guò)閥室放空立管放空至微正壓(0.05 MPa)，再通過(guò)閥室向管道內(nèi)注入氮?dú)膺M(jìn)行置換，應(yīng)保證管道內(nèi)天然氣含量低于2%。氮?dú)庵脫Q結(jié)束后，再在破損口附近進(jìn)行應(yīng)急搶修施工，可以保證現(xiàn)場(chǎng)施工安全。氮?dú)庵脫Q工藝(簡(jiǎn)稱(chēng)注氮工藝)根據(jù)其注氮口的數(shù)量可以分為單端注氮和雙端注氮。單端注氮工藝中，根據(jù)注氮端距離破損口的位置可以分為遠(yuǎn)端注氮和近端注氮。單/雙端注氮工藝流程如圖1和圖2所示。

單端注氮流程如圖1所示，以事故管道其中一端閥室作為注氮口，將氮?dú)庾⑷牍艿?，管道?nèi)的天然氣通過(guò)破損口及另一端閥室放空管排出，由此實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)的氮?dú)庵脫Q。當(dāng)破損口離注氮閥室較放空閥室遠(yuǎn)時(shí)，即L1＞L2，稱(chēng)為遠(yuǎn)端注氮；反之L1＜L2，則為近端注氮。

雙端注氮流程如圖2所示，以事故管道兩端的閥室作為注氮口，將氮?dú)庾⑷牍艿纼?nèi)，管道內(nèi)的天然氣通過(guò)破損口排出，實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)的氮?dú)庵脫Q。

1.2 應(yīng)急搶修中氮?dú)庵脫QSPS模型

根據(jù)SPS建模流程[9-11]，單端注氮SPS模型如圖3所示，整個(gè)管段設(shè)置閥室2座。由于在事故搶修工況下上下游管道均通過(guò)閥室截?cái)?，故在模擬氮?dú)庵脫Q過(guò)程時(shí)，上下游閥室通過(guò)截?cái)嚅y(B_JDF1、B_JDF2)截?cái)鄽庠催M(jìn)出。注氮閥室通過(guò)注氮管線模擬注入氮?dú)?，通過(guò)注氮口(E_N2_1)進(jìn)行流量和壓力控制。放空閥室通過(guò)放空管線模擬放空，放空口(E_FK)采用大氣壓力和聲速限制控制放空流量。通過(guò)控制模擬節(jié)流閥(MOOE_1)的開(kāi)度來(lái)模擬破損口當(dāng)量直徑，末端(E_P5)采用大氣壓力和聲速限制控制泄漏流量。

雙端注氮SPS模型如圖4所示。氮?dú)庵脫Q過(guò)程中注氮閥室上下游管線均通過(guò)截?cái)嚅y(B_JDF1、B_JDF2)截?cái)唷啥碎y室均通過(guò)注氮管線模擬注氮，通過(guò)注氮口(E_N2_1、E_N2_2)進(jìn)行流量和壓力控制。破損口通過(guò)控制模擬節(jié)流閥(MOOE_1)的開(kāi)度來(lái)模擬破損口當(dāng)量直徑，末端(E_P5)采用大氣壓力和聲速限制控制泄漏流量。

1.3 模型參數(shù)

(1)氣體計(jì)量基準(zhǔn)狀態(tài)：壓力0.103 25 MPa；溫度20 ℃；(2)管道無(wú)內(nèi)涂層，粗糙度30 μm；(3)放空及破損管道末端壓力控制為大氣壓，取0.103 25 MPa；(4)管道總傳熱系數(shù)取1.75 W/m2·℃；(5)天然氣干線管長(zhǎng)30 km；(6)天然氣干線管道管徑1016 mm(壁厚18 mm)；(7)放空管及注氮管管徑323.9 mm(壁厚6.5 mm)；(8)氮?dú)庵脫Q通過(guò)汽化器將液氮罐車(chē)中的液氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)庾⑷牍艿?，由于注氮工藝要求的限制，注氮速度小? m/s，注氮口壓力不超過(guò)0.3 MPa。

圖1 單端注氮流程圖Fig. 1 Single-end nitrogen injection process

圖2 雙端注氮流程圖Fig. 2 Double-end nitrogen injection process

圖3 單端注氮SPS模型Fig. 3 SPS model of single-end nitrogen injection

圖4 雙端注氮SPS模型Fig. 4 SPS model of double-end nitrogen injection

2 基于SPS模型的單/雙端注氮時(shí)間規(guī)律研究及工藝優(yōu)化

天然氣管道事故應(yīng)急搶修的氮?dú)庵脫Q中，單/雙端注氮工藝優(yōu)化的目標(biāo)是總注氮時(shí)間最短。通過(guò)SPS仿真，各注氮工藝的總注氮時(shí)間可以通過(guò)測(cè)量氮?dú)忾_(kāi)始注入時(shí)間與模擬管道內(nèi)天然氣完全被氮?dú)馊〈鷷r(shí)間的差值獲得。

2.1 單端注氮工藝遠(yuǎn)/近端注氮時(shí)間規(guī)律及工藝優(yōu)化

單端注氮工藝的關(guān)鍵問(wèn)題是選擇注氮口位置，即采用遠(yuǎn)端注氮或近端注氮。通過(guò)單端注氮SPS模型，對(duì)單端注氮過(guò)程進(jìn)行了仿真，固定破損口當(dāng)量直徑，改變破損口位置距注氮口的距離。以此來(lái)研究破損口位置與注氮口距離對(duì)總注氮時(shí)間的影響，結(jié)果如圖5所示。

在相同的破損口當(dāng)量直徑下，全管段完成氮?dú)庵脫Q的總注氮時(shí)間隨破損口與注氮閥室距離的增加而減少，因此，單端注氮時(shí)應(yīng)采取遠(yuǎn)端注氮工藝。

圖5 單端注氮破損口與注氮閥室距離—注氮時(shí)間關(guān)系圖Fig. 5 The injection time vs the distance between leak hole and injection valve in single-end nitrogen injection

但值得注意的是，氮?dú)馀c天然氣界面到達(dá)破損口所需時(shí)間隨破損口與注氮閥室距離的減小而減少。如果能利用通過(guò)破損口一段距離后的氮?dú)飧綦x管內(nèi)天然氣，選擇近端注氮的時(shí)間更短，且所消耗氮?dú)饬恳矊⒋蠓葴p小。但選用該方案必須確保隔離段氮?dú)忾L(zhǎng)度足夠保證施工期安全，具體隔離段長(zhǎng)度的要求需要進(jìn)一步的研究確定，暫不在本論文中討論。

2.2 單/雙端注氮工藝總注氮時(shí)間規(guī)律及工藝優(yōu)化

在單端注氮選擇遠(yuǎn)端注氮工藝的情況下，單端注氮工藝與雙端注氮工藝對(duì)總注氮時(shí)間的影響仍與破損口當(dāng)量直徑及位置相關(guān)，因此需要根據(jù)破損口當(dāng)量直徑及位置優(yōu)選單/雙端注氮工藝。

2.2.1 破損口當(dāng)量直徑對(duì)單/雙端注氮工藝總注氮時(shí)間的影響

基于SPS模型模擬計(jì)算，當(dāng)破損口位置固定，破損口直徑對(duì)單/雙端注氮工藝總注氮時(shí)間的影響如圖6所示，其中破損口與注氮閥室的距離在雙端注氮工藝中指的是破損口與遠(yuǎn)端注氮閥室間的距離。

由圖6可知，(1)當(dāng)破損口位置一定時(shí)，單端注氮工藝總注氮時(shí)間隨破損口當(dāng)量直徑的增大而增大，而雙端注氮工藝總注氮時(shí)間則隨破損口當(dāng)量直徑的增大而減少；(2)同一破損口位置下，單端注氮工藝總注氮時(shí)間曲線與雙端注氮工藝總注氮時(shí)間曲線存在交點(diǎn)(即臨界破損口當(dāng)量直徑)，當(dāng)破損口當(dāng)量直徑大于臨界直徑時(shí)，雙端注氮工藝總注氮時(shí)間較短，應(yīng)選擇雙端注氮工藝；反之，則應(yīng)選擇單端注氮工藝。

圖6 破損口當(dāng)量直徑-總注氮時(shí)間關(guān)系圖Fig. 6 The injection time vs the diameter of leak holes

2.2.2 破損口位置對(duì)單/雙端注氮工藝總注氮時(shí)間的影響

基于SPS模型模擬計(jì)算，當(dāng)破損口當(dāng)量直徑固定，破損口位置對(duì)單/雙端注氮工藝總注氮時(shí)間的影響如圖7所示，其中破損口與注氮閥室距離在雙端注氮工藝中指的是破損口與遠(yuǎn)端注氮閥室間的距離。

由圖7可知，當(dāng)破損口當(dāng)量直徑一定時(shí)，單端注氮工藝總注氮時(shí)間(遠(yuǎn)端注氮)隨破損口與注氮閥室距離的增大而減少，而雙端注氮工藝總注氮時(shí)間隨破損口與注氮閥室距離的增大而增大。因此存在一個(gè)臨界破損口位置，當(dāng)破損口與注氮閥室的距離大于臨界位置時(shí)單端注氮總注氮時(shí)間較短，應(yīng)選擇單端注氮工藝，否則應(yīng)該選擇雙端注氮工藝。

2.3 單/雙端注氮工藝優(yōu)化“轉(zhuǎn)換相圖”

通過(guò)分別研究破損口當(dāng)量直徑和破損口位置對(duì)總注氮時(shí)間的影響可知，單/雙端注氮方式的選擇存在臨界破損口當(dāng)量直徑和破損口位置。以臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的破損口當(dāng)量直徑與管徑的比值為縱坐標(biāo)，以破損口離注氮閥室的距離與兩端閥室距離的比值為橫坐標(biāo)，可得如圖8所示的單/雙端注氮工藝“轉(zhuǎn)換相圖”。由“轉(zhuǎn)換相圖”可知，存在一條臨界“轉(zhuǎn)變”線，破損口特征位于“轉(zhuǎn)變”線以上區(qū)域(A區(qū)域)時(shí)，選擇雙端注氮工藝；損口特征位于“轉(zhuǎn)變”線以下區(qū)域(B區(qū)域)時(shí)，則選擇單端注氮工藝。在B區(qū)域內(nèi)，還存在一個(gè)C區(qū)域，破損口當(dāng)量直徑與管徑比(破損口孔徑比)小于9.9%的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，無(wú)論破損口位于何處，破損口綜合特征均處于“轉(zhuǎn)變線”以下，即破損口孔徑比小于9.9%時(shí)，需選擇單端注氮工藝。在A區(qū)域內(nèi)，存在一個(gè)D區(qū)域，破損口孔徑比大于13.8%的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，無(wú)論破損口位于何處，破損口綜合特征均處于“轉(zhuǎn)變線”以上，即破損口孔徑比大于13.8%需選擇雙端注氮工藝。

通過(guò)該“轉(zhuǎn)變相圖”，工程技術(shù)人員可根據(jù)破損口綜合特征(破損口距注氮閥室距離、破損口孔徑比)查找相應(yīng)管道的經(jīng)驗(yàn)相圖選擇最優(yōu)注氮工藝，有助于工程技術(shù)人員在管道事故應(yīng)急搶修時(shí)快速優(yōu)選氮?dú)庵脫Q方案，提高氮?dú)庵脫Q環(huán)節(jié)的運(yùn)行質(zhì)量。

圖7 破損口與注氮閥室距離-總注氮時(shí)間關(guān)系圖Fig. 7 The injection time vs the distances between leak hole and injection valve

圖8 單/雙端注氮工藝“轉(zhuǎn)換相圖”Fig. 8 Transition phase diagram of single-end/double-end nitrogen injection process

3 結(jié)論

本文主要針對(duì)天然氣管道事故搶修中的氮?dú)庵脫Q工藝進(jìn)行SPS模擬仿真，研究破損口當(dāng)量直徑和破損口位置對(duì)單/雙端注氮工藝總注氮時(shí)間的影響，并提出優(yōu)化選擇單/雙端注氮工藝的方法。通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真，得出以下結(jié)論：

(1)單端注氮工藝中，破損口位置與注氮閥室間距離越遠(yuǎn)，其總注氮時(shí)間越短，單端注氮時(shí)應(yīng)采取遠(yuǎn)端注氮方式。

(2)雙端注氮工藝中，總注氮時(shí)間隨破損口當(dāng)量直徑的增大而減少，隨破損口位置與注氮閥室(較遠(yuǎn)端)距離的增加而增大，其與單端注氮工藝的注氮時(shí)間規(guī)律曲線存在交點(diǎn)。

(3)研究得到了單/雙端注氮工藝“轉(zhuǎn)換相圖”，當(dāng)破損口特征位于相圖A區(qū)域中時(shí)，選用雙端注氮工藝，位于B區(qū)域中時(shí)，則選用單端注氮工藝。當(dāng)破損口孔徑比小于9.9%時(shí)，需選擇單端注氮工藝；當(dāng)破損口孔徑比大于13.8%時(shí)，需選擇雙端注氮工藝。

在工程實(shí)際中，工程技術(shù)人員可根據(jù)破損口特征(破損口位置、破損口孔徑比)查找相應(yīng)管道的經(jīng)驗(yàn)相圖，選擇最優(yōu)注氮方案。有助于工程技術(shù)人員在管道事故應(yīng)急搶修時(shí)快速優(yōu)選氮?dú)庵脫Q方案，提高氮?dú)庵脫Q環(huán)節(jié)的運(yùn)行質(zhì)量。

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