天然氣長輸管道儲氣升壓平衡干燥工藝

安治國

（中國石油天然氣管道局國內(nèi)事業(yè)部，河北廊坊 065000）

0 引言

天然氣管道建設(shè)施工中，站間干燥作為施工的最后一道工序，其主要作用是清除試壓后管道內(nèi)的殘留水，這對于管道的安全投產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。如果管道內(nèi)存有積水，不僅使管道內(nèi)壁 （如焊道）產(chǎn)生腐蝕，還可能與所輸天然氣中的雜質(zhì) （如H2S、CO2）生成水合物，水合物越積越多，最終可能導(dǎo)致堵塞，影響管道的正常運(yùn)行，甚至造成管道癱瘓。

西氣東輸二線管道工程東段施工過程中，受多種因素的影響，管道安裝工期被多次壓縮，對關(guān)鍵線路關(guān)鍵工序產(chǎn)生很大影響。對于一些控制性工程，如隧道、定向鉆，受空間和地質(zhì)等不確定因素影響，難以采用增加人力、設(shè)備資源等趕工措施，使得管道干燥工序的施工時(shí)間沒有調(diào)整的空間。

經(jīng)過研究分析，決定采用以截?cái)嚅y室為節(jié)點(diǎn)，對未連通段兩端相鄰段先期分段干燥，然后利用截?cái)嚅y門關(guān)斷對已干燥完管段進(jìn)行儲氣升壓，待整體貫通后利用儲氣壓力對未干燥段進(jìn)行吹掃干燥，以達(dá)到露點(diǎn)要求的施工方法。該干燥工藝在西二線東段輸氣工程中進(jìn)行實(shí)施，既有效地保證了干燥質(zhì)量，又縮短了施工周期，保證了按期投產(chǎn)，取得了良好的實(shí)施效果。

1 儲氣升壓平衡干燥的基本原理

儲氣升壓干空氣干燥主要是利用低露點(diǎn)空氣對管道進(jìn)行低壓連續(xù)吹掃，使殘留在管道內(nèi)壁及低洼處的水以水蒸氣的形式進(jìn)入干空氣，并隨著干空氣排出的過程。管道內(nèi)水汽壓力與外部輸入干空氣的水汽壓力之間的差值越大、管道內(nèi)水氣化的動(dòng)力越大，氣化速度越快。進(jìn)入管道內(nèi)的干空氣的露點(diǎn)越低，則含水量也越低，管道內(nèi)干燥動(dòng)力越大。注入管內(nèi)的干空氣壓力越高、流量越大，干空氣在管道內(nèi)流動(dòng)速度越快，則管道干燥速度越快。干燥時(shí)間越長，干燥效果越好。

管道內(nèi)殘余水被干空氣干燥的過程是吸熱過程，熱源來自管道周圍的大地，通過管壁傳導(dǎo)，水分子獲得足夠熱量，轉(zhuǎn)化為分子動(dòng)能，在干空氣內(nèi)低壓水汽的壓力差值驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)入干空氣。因此，干燥的速度和質(zhì)量與干空氣的露點(diǎn)、流量有很大關(guān)系。

在西氣東輸二線管道工程中，管道干燥的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是管道末端出口處空氣露點(diǎn)不高于-20℃，注入干空氣的露點(diǎn)不高于-40℃。

2 儲氣升壓平衡干燥工藝的應(yīng)用

在西氣東輸二線東段工程江西段施工中，由于隧道、河流采用不同規(guī)格的管材，管道施工的工序安排也有不同，因此對管道的整體貫通產(chǎn)生很大影響，致使管道站間不能按期貫通，因工期緊迫，若等貫通后再進(jìn)行干燥則干燥周期根本無法保證。

針對不能實(shí)現(xiàn)正常站間貫通干燥的情況，決定將臨近的截?cái)嚅y室作為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行站間分段干燥，采用儲氣升壓平衡干燥工藝進(jìn)行干燥，以解決工期緊迫的問題。

在管道待干燥段無法正常貫通時(shí)，在相鄰具備條件的施工段先期進(jìn)行干燥，然后封存升壓，當(dāng)待干燥段貫通后再進(jìn)行平壓吹掃以達(dá)到露點(diǎn)要求；若因各種因素的影響，儲存壓力干空氣未能使待干燥段達(dá)到露點(diǎn)要求，或密閉封存檢驗(yàn)不達(dá)標(biāo)時(shí)，可啟動(dòng)干燥設(shè)備進(jìn)行短時(shí)間的補(bǔ)氣干燥，以迅速解決問題。儲氣段的壓力、長度可根據(jù)干燥設(shè)備的工作參數(shù)、待干燥段的長度和氣候環(huán)境等綜合因素進(jìn)行計(jì)算。

儲氣段與待干燥段均以閥室為分界點(diǎn)，選擇閥室的預(yù)留注氮點(diǎn)作為注氣點(diǎn)；如果臨近站場，則選擇站場內(nèi)某個(gè)閥門作為注氣點(diǎn)。選擇待干燥段下游的閥室放空管作為排氣點(diǎn)，因待干燥段已經(jīng)無法加泡沫球進(jìn)行干燥吹掃，則必須嚴(yán)格控制該段的深度掃水質(zhì)量，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)高于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)等級，并且儲氣段的儲氣量應(yīng)考慮干空氣與濕空氣混氣段造成的損失，應(yīng)在計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高儲氣量，根據(jù)工程實(shí)踐一般增加5%～8%。

3 儲氣升壓平衡干燥工藝應(yīng)用案例

在西氣東輸二線東段施工中，按照施工總體部署和施工技術(shù)規(guī)范要求，對吉安站 （以下簡稱A）和贛州站 （以下簡稱B）之間的管段進(jìn)行密閉干燥。但由于密嶺1#隧道和密嶺2#隧道因施工條件困難，無法按照正常工期達(dá)到貫通條件，達(dá)不到站間干燥的條件。

通過分析，可以將A和B之間的145#閥室（以下簡稱C）、146#閥室 （以下簡稱D）作為關(guān)斷節(jié)點(diǎn)，先對已經(jīng)連通站場和閥室間的管段A—C和B—D段進(jìn)行干燥，減少整體管段內(nèi)的殘余水量。

3.1 干燥區(qū)段劃分

A—B段干燥施工按照施工進(jìn)度分為3段：A—C、B—D和C—D，干燥分段如圖1所示。

（1）第一段 （A—C）。A—C段長度為91.3 km，線路施工按照工期節(jié)點(diǎn)完成，具備干燥施工條件。干燥施工結(jié)束后，關(guān)閉C閥室的截?cái)嚅y門?？紤]到A—C貫通段距離較長，將此段作為儲氣升壓段，待C—D貫通后，利用A—C干燥段儲備的干空氣進(jìn)行吹掃，達(dá)到干燥的目的。

（2）第二段 （B—D）。B—D段長度為50 km，具備干燥施工條件，干燥施工結(jié)束后，關(guān)閉D閥室截?cái)嘀鏖y。保留0.05～0.07 MPa微壓進(jìn)行密閉封存。

（3） 第三段（C—D）。C—D段長度為25.2 km，受2條隧道施工的影響，不能按照原計(jì)劃完工，且又為關(guān)鍵路徑，根據(jù)工期安排，只有1天的干燥時(shí)間。

待C—D段管道焊接完成，且當(dāng)A—B段完全貫通后，打開C閥室的截?cái)嚅y門，利用A—C段儲備的干空氣進(jìn)行吹掃。若A—C段儲備的干空氣量不夠，則可以繼續(xù)從外界充氣。

3.2 儲氣段充氣量的計(jì)算

3.2.1 計(jì)算依據(jù)

將A—C段作為主儲氣段 （管徑為1 219 mm，壁厚17.5 mm），B—D段作為備用儲氣段2、C—D段作為待干燥段。

根據(jù)干燥設(shè)備性能參數(shù)及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，干燥罐最大工作壓力為0.6 MPa，受設(shè)備性能降效及安全系數(shù)影響，儲氣段最高儲氣壓力可達(dá)到0.5 MPa，經(jīng)濟(jì)壓力為0.35 MPa。密嶺1#、2#隧道段共7 km未被干燥，其余18 km均進(jìn)行過干燥，但盲板打開后與大氣相連，進(jìn)行連頭時(shí)間約2天左右，被認(rèn)為失去了原干燥效果。雖干燥效果不好，但管道內(nèi)殘余水量明顯減少。

管道干燥露點(diǎn)按-20℃，設(shè)備提供干空氣露點(diǎn)為-40℃，地溫取平均溫度10℃，不考慮溫差影響。深度掃水后管道內(nèi)空氣質(zhì)量，按照無明水且空氣濕度達(dá)到飽和狀態(tài)為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 干燥前管道內(nèi)殘余含水量計(jì)算

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記錄，管道內(nèi)表面的水膜厚度一般為管道內(nèi)涂層的4～6倍，此處水膜厚度取0.05 mm，管道內(nèi)壁含水量計(jì)算公式為：

式中M0——干燥前管內(nèi)殘留水量/kg；

D——管道內(nèi)徑/m；

L——管道長度/m；

δ——管道內(nèi)表面水膜厚度/m；

ρ——水的密度，取1 000 kg/m3。

則C—D段干燥前管道內(nèi)含水量為：

3.2.3 干燥結(jié)束時(shí)管道內(nèi)存留水量計(jì)算

經(jīng)查表1可知，露點(diǎn)為-20℃時(shí)氣體的含水量為1.074 g/m3。

表1 大氣露點(diǎn)—含水量關(guān)系 （飽和空氣）（部分表格截?。?/p>

干燥結(jié)束后管道內(nèi)殘留水量計(jì)算公式為：

式中M1——干燥結(jié)束后管道內(nèi)殘留水量/kg；

H1——露點(diǎn)-20℃時(shí)干空氣的含水量/(g/m3)。

C—D段干燥后管道內(nèi)殘留水量為：

3.2.4 干空氣的干燥能力計(jì)算

式中H——干空氣干燥能力/（g/m3）；

HS——露點(diǎn)10℃時(shí)飽和空氣的含水量/（g/m3）；

H0——露點(diǎn)-40℃時(shí)干空氣含水量/（g/m3）；

計(jì)算得干空氣干燥能力為：

3.2.5 待干燥段需要干燥空氣總量計(jì)算

式中G0——干燥氣體總量/m3。

計(jì)算得C—D段需要干燥空氣總量為：

因無泡沫球隔離吸附，至少考慮2 km混氣段氣體體積G1，其計(jì)算公式為：

計(jì)算得

則C—D段需要儲氣的標(biāo)準(zhǔn)方量GT為：

3.2.6 儲氣段選擇及校核計(jì)算

當(dāng)氣體溫度T不變時(shí)，由氣體狀態(tài)方程可得：

式中P1——A—C段儲氣壓力/MPa；

V1——A—C段管容/m3；

P2——C—D段儲氣壓力/MPa；

V2——C—D段管容/m3。

P2取0.1 MPa

可得：

即儲氣段壓力為0.509 MPa。

根據(jù)干燥設(shè)備的性能參數(shù)，單獨(dú)選擇A—C段滿足儲氣要求。

根據(jù)上述計(jì)算方法，B—D段單獨(dú)儲氣壓力為0.93 MPa，也能夠滿足干燥要求；但干燥罐額定工作最大壓力為0.6 MPa，無法滿足要求，因而該段不能滿足單獨(dú)儲氣要求。

3.2.7 綜合經(jīng)濟(jì)性儲氣方式計(jì)算

在實(shí)際施工中，根據(jù)設(shè)備的性能，儲存壓力越高，升壓越慢，耗費(fèi)燃油越多，經(jīng)濟(jì)性越差。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)性測試，壓力升至0.35～0.4 MPa后，升壓緩慢，0.35～0.4 MPa為經(jīng)濟(jì)儲氣壓力，在客觀條件允許的情況下，可以按照經(jīng)濟(jì)壓力0.35 MPa測算，選取儲氣段長度。

由式 （6）、式 （7）得經(jīng)濟(jì)壓力下儲氣管道長度計(jì)算公式為：

即儲氣段理論長度為133 km。

因 A—C段長度 91.3 km，B—D段長度為50 km，兩段總長度為141.3 km，滿足經(jīng)濟(jì)壓力下的儲氣長度要求，故在實(shí)際施工中采用兩段聯(lián)合儲氣方式進(jìn)行干燥施工，如圖2所示。

在實(shí)際施工中，考慮干燥完成后，管道內(nèi)應(yīng)保持微正壓維持干燥質(zhì)量及減低溫度變化等綜合因素的影響，儲氣壓力按照0.35 MPa實(shí)施。待干燥段貫通后，首先釋放A—C段干燥空氣進(jìn)行吹掃，打開C閥室閥門平壓供氣，在D閥室由放空管進(jìn)行放空，平壓完成后，釋放B—D段干燥氣進(jìn)行吹掃，在D閥室由放空管進(jìn)行放空，并進(jìn)行露點(diǎn)檢測。

經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，儲氣升壓干燥工藝實(shí)施效果良好，施工數(shù)據(jù)基本與計(jì)算數(shù)據(jù)吻合，待干燥段干燥后露點(diǎn)值 達(dá)到-21.3℃，滿足管道干燥驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語

采用儲氣升壓平衡干燥工藝，在西二線東段施工工期緊的情況下有效地解決了線路安裝與干燥施工的矛盾，將站間干燥作業(yè)按照閥室間距為最小單元進(jìn)行分段，采取線路貫通一段，干燥施工一段，封閉一段，利用相鄰段儲氣升壓方式進(jìn)行干燥氣源儲備，保證貫通后短時(shí)間內(nèi)達(dá)到干燥要求，確保了管道按期投產(chǎn)。

儲氣升壓平衡干燥工藝充分采用時(shí)間統(tǒng)籌方法，與線路實(shí)施交叉施工，在保證干燥質(zhì)量的前提下，有效地縮短了投產(chǎn)關(guān)鍵工期，降低了投產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)，具有較高的使用和推廣價(jià)值。

[1]高發(fā)連.天然氣管道干燥施工方法[J].油氣儲運(yùn)，2004,（10）：43-45.

[2]李獻(xiàn)軍.西氣東輸管道試壓與干燥施工技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2004，30（01）:20-23.