康俊鵬，賀亞維

（1.陜西能源職業(yè)技術學院建筑工程學院，陜西咸陽712000；2.陜西能源職業(yè)技術學院資源與測繪工程學院，陜西 咸陽712000）

管道置換投產是輸氣管道施工的一項重要工序，同時也是保障輸氣管道安全生產的必要措施。一方面，輸氣管道建設項目竣工后，不可避免的會有鐵銹、焊渣、粉塵甚至石塊等固體雜質存在于管道內，在置換投產過程中，氣流推動管內的雜質向前運動，由于與管道壁面的碰撞進而產生火花，此時管內若存在有爆炸性的氣體（空氣中天然氣的濃度處于5%～15%），則會引發(fā)重大的生產事故；另一方面，輸氣管道系統(tǒng)沿線的各輸氣站、分輸站及閥室在設備管段檢修結束后也應進行置換作業(yè)，從而排除安全生產的事故隱患[1]。

1 輸氣管道氣體置換方式

目前根據(jù)所使用的置換氣體不同，輸氣管道置換投產可分為兩大類，即天然氣置換和氮氣置換兩種。氮氣置換方案根據(jù)置換過程中是否添加隔離器又可分為氮氣隔離置換和氮氣不隔離置換兩種方式。

1.1 天然氣隔離置換

新建輸氣管道在建設竣工后，管道內存在有大量的焊渣、粉塵、固體雜質以及空氣混合物，直接注入天然氣置換而不添加隔離措施會使管道中存在有大量的爆炸性氣體,這在置換投產過程中是極其危險的。在實際生產過程中，常采用給天然氣和空氣段之間添加隔離器的方法將空氣和置換用天然氣分隔成兩個獨立的空間，進而降低置換作業(yè)的危險性。其置換過程如圖1所示。

盡管添加了隔離措施，但由于清管器在運行過程中，不可避免的與管壁產生摩擦，使清管器沿管道運行時存在有一定的阻力，造成清管器后端壓力大于前端壓力，后端的天然氣不可避免的會流竄到清管器前端，從而造成爆炸性混合氣體的累積，一旦遇到火花，將會造成安全生產事故的發(fā)生，因此該方法是不安全的。

圖1 天然氣隔離置換空氣時管內狀態(tài)

1.2 氮氣隔離置換

SY/T6233—2002《天然氣管道試運投產規(guī)范》規(guī)定，天然氣管道投產時要采用惰性氣體對輸氣站中的工藝管道和設備進行置換。目前工程上常用的是氮氣隔離置換法，該方法是在兩個隔離清管器中間注入一定量的氮氣作為隔離氣體，以隔離器后端的天然氣作為推動力，從而完成整個輸氣管道系統(tǒng)的清管置換作業(yè)。相較于其他氣體而選擇氮氣作為置換氣體，一方面由于其易于獲得、操作工藝簡單且安全，另一方面高純度的液氮（純度高達99.95%）是極好的干燥劑，其汽化后水露點很低，通常用于管道水壓試驗后吸收管道中殘存的水分，起到保持和提高管道干燥效果的作用。

氮氣隔離置換法的置換過程如圖2 所示，在首站發(fā)射兩個中間填充有一定量氮氣的清管球，在后端天然氣的推動下，清管器沿著管道向前運動。通過在管道沿線各閥室和分輸站檢測管道中氣體的濃度，同時記錄清管器到達的時間，直至氣體達到合格標準，則置換完成。

圖2 氮氣隔離置換空氣時管內狀態(tài)

該置換投產方案采用兩個清管器中間的氮氣置換了前端的空氣，清管器后端的天然氣又置換了氮氣，從而達到了輸氣管道置換投產的目的，避免了空氣和天然氣的直接接觸，降低了置換投產作業(yè)的風險。

1.3 氮氣不隔離置換

由于氮氣隔離置換采用雙隔離器將管道中的氣體分割成三個獨立的空間，保證了置換投產的安全性，因此我國早期的輸氣管道置換投產大多采用氮氣隔離置換的方案。但在實際置換投產過程中，清管器在管道中運行時受到管道高差、彎頭、內焊縫的高低不平等多種因素的影響導致清管器在管道中的運行狀況不容易控制，尤其對于地形起伏較大的地區(qū)，由于高差和管壁阻力的存在，常常會造成兩個清管器碰撞，或者清管器停滯不前的狀況，這對輸氣管道置換投產是極為不利的。因此近年來“氣推氣”的清管投產方式逐漸受到青睞。

“氣推氣”的置換投產方式即清管過程中不使用清管器進行隔離，空氣、氮氣、天然氣直接接觸混合進行清管投產作業(yè)，其投產過程如圖3所示。首先保證在一定的溫度壓力下，在注氣點向管道中注入一定量的氮氣，然后通過閥門的關閉與開啟，向管道中注入天然氣，最后在管道沿線各輸氣站的采樣點采用便攜式可燃氣體檢測儀（0～100%）、便攜式含氧分析儀（0～25%）進行氣質檢測，直到達到置換投產標準。實現(xiàn)了采用氣推氣的方式進行氮氣置換空氣、天然氣置換管道中氮氣的目的。

圖3 氮氣不隔離置換空氣時管內狀態(tài)

研究表明，在兩種氣體之間添加隔離器并不能有效地減少混氣量，這是因為清管器在管道中長期運行使得清管球磨損嚴重，同時受運動阻力和高程差等因素的影響，清管器后端的壓力高于前端，這樣不可避免地會有清管器后端的氣體流竄到前端從而造成混氣段的形成，并且阻力越大、高程差越高且清管器磨損越嚴重，置換投產時的混氣量越大。而對于“氣推氣”的置換投產方案來說，只要能夠合理控制氮氣和天然氣的運行速度和壓力，使其在管道內處于紊流狀態(tài)，這樣就會大大減少混氣量，且操作工藝簡單，易于控制。因此國外的輸氣管道置換投產廣泛采用“氣推氣”的方式，而我國近年來新建的輸氣管道如澀寧蘭、西氣東輸管線也在逐漸采用無清管器的置換投產方案。

2 置換投產工藝參數(shù)分析

輸氣管道置換投產時應注意盡可能的減少混氣量和管道置換投產時間，因此應合理選擇并確定注氮溫度、注氮壓力、氮氣需用量、以及氮氣置換速度等工藝參數(shù)。目前尚沒有確定的計算公式，本文主要基于工程實際對置換投產工藝參數(shù)進行確定。

2.1 注氮溫度

輸氣管道置換投產基本都采用液氮車提供可靠的氮氣來源。由于液氮汽化時的溫度較低，需要在汽化器中加熱汽化后方能注入管道，否則低溫環(huán)境一方面會影響管道的強度，甚至破壞管材，另一方面會使管道沿線的密封裝置受凍收縮進而降低密封性能。另外，應根據(jù)注氮量和注氮速度合理選擇汽化器的型號和數(shù)量，確保達到置換投產效果的同時盡量減少設備的投資。根據(jù)工程施工經驗，注氮溫度不應低于5 ℃，且宜控制在5～15 ℃。

2.2 注氮壓力

在汽化器中經自然吸熱過程汽化后的氮氣從注氮口注入管道中，注氮壓力不宜過大，以防加壓的氮氣與管道前端的空氣由于擴散作用而相互混合，同時注氮壓力的確定也應考慮氮氣在管道流通時能夠克服管壁和沿線閥門所造成的流動阻力的影響，一般來說注氮壓力應控制在0.1～0.3 MPa。另外為了減少氮氣與天然氣的混氣，天然氣的注入壓力應與注氮壓力保持一致，且注入天然氣應緊跟注氮結束之后。

2.3 氮氣需用量

根據(jù)現(xiàn)場施工經驗，輸氣管道置換投產的氮氣需用量包括4 個部分：氮氣的混氣量、沿線各站場、閥門置換用氮氣量、氮氣段達到末站時的剩余量以及保險富余量。氮氣的混氣量包括注氮時的混氣量和氮氣段通過全線的混氣量，這部分的氮氣需用量占總氮量的20%左右。為了能夠保證置換效果，當?shù)獨舛芜_到管線末端時應留有一定量的氮氣富余量，這部分氮氣量可以按照0.2 MPa（表壓），5 ℃狀態(tài)下氮氣充滿5 km管道的體積量進行計算。與此同時考慮到置換過程中的其他不確定因素，工程實際中通常會在以上三者氮氣需用量之和的基礎上添加一個保險富余量，可以按照三者之和的10%進行計算。

目前，對于氮氣需用量的計算通常有兩種方法：

（1）對于氮氣全線置換管道來說，氮氣的最小理論需用量可以按照下式進行計算[2]：

式中：V為置換用氮氣最小理論需用量，m3；D為管道的管徑，m；L為置換管線的長度，m。

在實際工程置換過程中，氮氣的實際需用量為最小理論需用量的1.5～2.0倍。

（2）對氮氣需用量的計算可采用充壓系數(shù)法進行計算，即

式中：M為置換投產氮氣的需用量，kg；K為充壓系數(shù)，工程實際中一般按1.2 進行取值；V 為置換管道的容積，m3；μ 為氮氣的比容，取 μ=0.808 m3/kg（1 kg的液氮在5 ℃一個標準大氣壓下轉化為氮氣的體積為0.808 m3）。

2.4 氮氣置換速度

氮氣置換速度是管道置換投產過程需要考慮的一個重要參數(shù)，置換速度的大小決定著氮氣置換時的流動狀態(tài)。采用氮氣置換空氣時，由于兩者的密度不同，處于層流狀態(tài)的氮氣會以一個楔形的方式插入到前端的空氣當中，隨著置換過程的進行，楔形的長度會逐漸增加，且兩者壓差越大，混氣量越大。研究表明采用氮氣不隔離置換方法時，為了減小氮氣與空氣的混氣量，應盡可能使氣體處于紊流不分層的流動狀態(tài)，因此這也是確定注氮速度考慮時的一個最主要的因素。除此之外，氮氣置換速度的確定還應滿足以下三個原則：

1）無量綱理查德系數(shù)R#

由于理查德系數(shù)R#是判斷流體是否分層的一個重要指標，為了減少置換時的混氣量，通過引入無量綱理查德系數(shù)R#，從而確保管道內氣體處于紊流狀態(tài)[3-4]。

式中：g 為重力加速度，取g=9.81 m/s2；Δρ 為兩種氣體的密度差，kg/m3，取為兩種氣體密度的平均值，kg/m3，取；d 為管道內徑，m；?p為氣體的平均速度，m/s。

由以上公式可知，無量綱理查德系數(shù)R#與氣體流速成反比，氣體的流速越大，R#越小。根據(jù)現(xiàn)場施工經驗，當理查德系數(shù)R#處于1～5 時，管道的混氣量是可以接受的，理查德系數(shù)R#越小，管道的混氣量越小。因此注氮速度應按R#=1時進行取值。

2）合理的置換時間

在實際施工過程中，為了確保工程的施工進度，降低置換操作人員的勞動強度，在操作許可的情況下應盡可能的減小置換投產所用的時間?！短烊粴夤艿肋\行規(guī)范》（SY/T5922—2003）規(guī)范中規(guī)定，在保證管道內氣體流速不大于5 m/s 的條件下盡可能減小置換投產的施工時間。

3）氣源的供氣能力

由以上分析可知，為了減少管道置換投產過程中的混氣量，氣體的流速應盡可能選取較大值。但在實際生產過程中，氣體的流速還要受到氣源生產能力的限制，置換投產所用的氮氣大多都是液氮通過在汽化器中自然吸熱汽化而來的，因此在確定氮氣置換速度時，應充分考慮汽化器的數(shù)量和單臺汽化器的額定供氣能力。

3 結 論

（1）輸氣管道置換投產具有一定的危險性，在置換投產前應制定詳細、周全的施工方案以及相應的現(xiàn)場應急搶險措施。

（2）管道的投產方案應根據(jù)管道的實際情況進行選擇，當管道處于平坦地段且直管較多時，清管器在管內的運行工況良好，可以選用氮氣隔離置換工藝進行置換投產；而當管道系統(tǒng)中的彎頭較多且管道沿線高程起伏較大的情況下，添加清管器反而會使混氣量增大，此時宜選用氮氣不隔離置換工藝。

（3）管道投產過程中，應合理控制注氮壓力、溫度以及置換速度等工藝參數(shù)，在保證置換效果的同時盡可能減少氮氣的使用量。根據(jù)前面分析，考慮到液氮汽化時的低溫環(huán)境對管材產生的破壞，注氮溫度控制在5～15 ℃；注氮壓力應控制在0.1～0.3 MPa，注入天然氣應緊跟在注氮結束之后，且兩者壓力應一致；氮氣需用量的計算時，應考慮一定的保險富余量；在置換速度確定時，要綜合考慮氣源的生產能力和氣體在管內的流態(tài)，流速的選擇應在保證氣體處于紊流狀態(tài)的前提下盡可能的縮短施工周期。