真空干燥技術(shù)在天然氣站內(nèi)管網(wǎng)中的應(yīng)用

王曉峰 溫曉勇 查廣平 張曉鵬

1.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710018;2.長(zhǎng)慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心， 陜西 西安 710000

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真空干燥技術(shù)在天然氣站內(nèi)管網(wǎng)中的應(yīng)用

王曉峰1溫曉勇1查廣平1張曉鵬2

1.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710018;2.長(zhǎng)慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)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(diǎn)多次反彈等問(wèn)題，改進(jìn)采用真空干燥技術(shù)。陜京管線(xiàn)榆林首站工程，工藝管網(wǎng)在吹掃后采用真空干燥技術(shù)取得良好效果，通過(guò)對(duì)參數(shù)整理并繪制干燥系統(tǒng)壓力-時(shí)間曲線(xiàn)，結(jié)合操作過(guò)程對(duì)干燥效果進(jìn)行分析，系統(tǒng)地闡述了真空干燥技術(shù)的干燥原理、施工流程、干燥效果及施工控制要點(diǎn)。為真空干燥技術(shù)在站場(chǎng)施工中的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供參考。

天然氣；場(chǎng)站；工藝管網(wǎng)；真空干燥

0 前言

陜京管線(xiàn)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(lái)氣，站內(nèi)工藝管網(wǎng)流程復(fù)雜，盲端、死角多。如果水壓試壓完成后干燥不徹底，會(huì)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(mén)，嚴(yán)重時(shí)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(yùn)行安全，采用真空干燥技術(shù)對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行干燥。實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)干空氣干燥并對(duì)露點(diǎn)檢測(cè)合格的工藝管網(wǎng)，擱置數(shù)小時(shí)后露點(diǎn)超標(biāo)，反復(fù)幾次仍然超標(biāo)，改用真空干燥技術(shù)再次干燥，數(shù)小時(shí)后露點(diǎn)基本沒(méi)有變化。因此，對(duì)天然氣站內(nèi)工藝復(fù)雜的管網(wǎng)，采用真空干燥技術(shù)更具有優(yōu)勢(shì)、可靠性，前景更廣。

1 干燥原理

真空干燥技術(shù)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(qiáng)，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(xué)溫度，K；R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)，取8.314。

水的沸點(diǎn)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(xiàn)。真空干燥技術(shù)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(shí)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(xiàn)

2 干燥特點(diǎn)

真空干燥技術(shù)成本低，無(wú)污染、干燥徹底、可靠性高，可使管道達(dá)到較低露點(diǎn)，不產(chǎn)生多余廢物。特別在使用氮?dú)鈷呔€(xiàn)后，管內(nèi)露點(diǎn)最低可達(dá)到-68 ℃。對(duì)于站場(chǎng)內(nèi)工藝管線(xiàn)、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(shù)的三個(gè)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(jiàn)圖2。

圖2 真空干燥技術(shù)三個(gè)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(shè)：不考慮水蒸發(fā)和水蒸氣分壓對(duì)壓力的補(bǔ)充，管道與外界傳熱良好，視為等溫過(guò)程。管內(nèi)氣體按照理想氣體處理。根據(jù)PV=nRT,導(dǎo)出抽真空時(shí)間：

(2)

式中：t為理論抽真空時(shí)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(duì)應(yīng)露點(diǎn)的飽和蒸汽壓，kPa。

3.2 第二階段：沸騰(蒸發(fā))階段

重復(fù)抽真空和隔離過(guò)程，保持管道內(nèi)壓力為降壓階段末的壓力值。

假設(shè)：忽略水汽蒸發(fā)降低對(duì)管內(nèi)溫度的影響，視為等溫過(guò)程；管內(nèi)壓力始終保持在要求露點(diǎn)對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓；本階段符合理想氣體狀態(tài)方程。理論計(jì)算公式：

(3)

式中：T為理論蒸發(fā)時(shí)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(guò)程，重復(fù)抽空，耗時(shí)很長(zhǎng)。此過(guò)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(kāi)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(shí)水分也不斷蒸發(fā)以彌補(bǔ)壓力損失。若管道殘留水分不多，管道與周?chē)鸁峤粨Q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(guò)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(jié)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(diǎn)(干燥指標(biāo)通常為-40 ℃)相對(duì)應(yīng)的水蒸氣飽和壓力。將管道密封隔離，檢測(cè)管道內(nèi)壓力。重復(fù)此過(guò)程，直到檢測(cè)壓力沒(méi)有明顯上升則干燥作業(yè)合格。

4 干燥檢驗(yàn)

真空干燥檢驗(yàn)通常有露點(diǎn)法、壓力法、壓力穩(wěn)定法[7]。

4.1 露點(diǎn)法

露點(diǎn)法是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下測(cè)量露點(diǎn)來(lái)判斷干燥終點(diǎn)的方法。先將管道充滿(mǎn)惰性氣體(通常是氮?dú)?直到管內(nèi)壓力達(dá)到0.11～0.13MPa，然后將其靜置24～48h，再測(cè)量氣體的露點(diǎn)。

4.2 壓力法

壓力法是要求管道的最終壓力達(dá)到預(yù)定露點(diǎn)下的真空壓力的方法，此壓力應(yīng)當(dāng)比水的飽和蒸汽壓低(如露點(diǎn)20 ℃，壓力103.2Pa)。使用壓力方法必須確保管道中沒(méi)有結(jié)冰，結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致完全錯(cuò)誤的結(jié)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(guò)某一程度(這可能是由于空氣進(jìn)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?dú)鈷呔€(xiàn)后，繼續(xù)抽真空并觀察壓力下降的變化曲線(xiàn)，如果曲線(xiàn)迅速下降且沒(méi)有水平階段，表明水分已完全除凈，管道徹底干燥。

5 工程實(shí)例

陜京管線(xiàn)榆林首站工程，站內(nèi)管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力為10MPa,管徑規(guī)格DN15～DN1 000，總管容約820m3,管網(wǎng)交錯(cuò)，設(shè)置低點(diǎn)排水點(diǎn)多，管網(wǎng)盲端、死角多，根據(jù)工藝特點(diǎn)和當(dāng)時(shí)氣候，采用真空干燥技術(shù)干燥。

5.1 干燥流程

工藝管網(wǎng)試壓合格→干空氣吹掃結(jié)束→布置真空干燥設(shè)備、連接、調(diào)試→連接儀器儀表→預(yù)干燥檢查→減壓→蒸發(fā)/排氣→滲透試驗(yàn)/驗(yàn)收→干燥氮?dú)獯祾咛畛?干燥結(jié)束)。

5.2 真空干燥

5.2.1 真空壓力的確定

85國(guó)家高程基準(zhǔn)以確定黃海高程水準(zhǔn)點(diǎn)起算高程72.26m,實(shí)測(cè)榆林首站大地高程為1 187m，按照遺傳算法大氣壓計(jì)算公式[8]：

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

(4)

計(jì)算得當(dāng)?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(diǎn)為-40 ℃，查表“冰的飽和蒸汽壓”得到-40 ℃水對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓為12.85Pa，故真空干燥相對(duì)真空度為：

88 621-12.85=88 608.15Pa

(5)

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

5.2.2 干燥作業(yè)

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

過(guò)程控制：本次真空干燥，由于已進(jìn)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(yīng)緩慢進(jìn)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(guò)快管道內(nèi)水分結(jié)冰。壓力降到真空泵的極限壓力后，每抽氣10min，停泵30min，反復(fù)幾次直到管道內(nèi)露點(diǎn)穩(wěn)定低于-40 ℃。

5.2.3 充氮?dú)?/p>

待壓力曲線(xiàn)達(dá)到預(yù)定露點(diǎn)壓力后，壓降平穩(wěn)不再反彈，利用氮?dú)膺M(jìn)行掃線(xiàn)填充[10]，同時(shí)由于天然氣管線(xiàn)在投產(chǎn)前必須采用氮?dú)膺M(jìn)行置換，這樣可以將這兩個(gè)工序同時(shí)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(shí)間變化數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1，其中當(dāng)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(shí)間變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

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

圖3 真空干燥系統(tǒng)壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

5.4 檢測(cè)結(jié)果

干燥后的管道內(nèi)為干燥氮?dú)?。關(guān)閉真空泵連接閥，密封24h后，露點(diǎn)連續(xù)測(cè)量均在-40 ℃以下，干燥合格。

6 真空干燥影響因素及注意事項(xiàng)

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(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)壁結(jié)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(guò)程也越易進(jìn)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(xiàng)

1)干空氣結(jié)合真空干燥在場(chǎng)站施工中的應(yīng)用，必須在系統(tǒng)壓力試驗(yàn)結(jié)束，低點(diǎn)排水完成后進(jìn)行干空氣干燥，并確保低點(diǎn)排水點(diǎn)密封性能良好。

2)保持蒸發(fā)壓力，當(dāng)露點(diǎn)溫度在0 ℃以下時(shí)，減緩抽氣速率，間歇抽空，增加熱交換時(shí)間，以便管內(nèi)的水蒸發(fā)吸收熱量，通過(guò)控制真空裝置的抽氣速度，避免管道和相關(guān)管件結(jié)冰。

3)抽真空到蒸發(fā)壓力達(dá)到露點(diǎn)-40 ℃，在此液化點(diǎn)壓力下保持一定時(shí)間，以確定管道真空壓力平衡穩(wěn)定。如果壓力有所回升，說(shuō)明抽真空速率過(guò)快或管內(nèi)殘留水蒸氣，此時(shí)應(yīng)在壓力穩(wěn)定之后繼續(xù)抽真空進(jìn)行干燥。

4)干燥完成后注氮?dú)馓畛?，氮?dú)膺M(jìn)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(jié)論

通過(guò)在陜京管線(xiàn)榆林首站站內(nèi)工藝管網(wǎng)系統(tǒng)真空干燥技術(shù)的應(yīng)用，彌補(bǔ)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(yùn)行。真空干燥技術(shù)作為近幾年新興的干燥技術(shù)，在今后場(chǎng)站干燥施工中應(yīng)用將更廣泛。

[1] 王海霞，陳保東，陳樹(shù)軍.輸氣管道中水合物的形成與預(yù)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(xiàn)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(shù)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(shù)的研究應(yīng)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(shù)簡(jiǎn)介[J].清洗世界，2005,21(8)：30-32.WangBo,JiaoYongtao.BriefIntroductionofVacuumDryingTechnologyforPipeline[J].JournalofCleaningWorld, 2005, 21 (8): 30-32.

[6] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).天然氣輸送管道干燥施工技術(shù)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(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(guó)計(jì)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(qiáng)精確公式[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，2001,11(5)：31-33.WangZhijun,SongLijun.EvaluatingPreciseFormulaofatMosphericPressurebyUsingGeneticAlgorithms[J].JournalofChangchunUniversity, 2001, 11 (5)： 31-33.

[9] 潘向陽(yáng).輸氣管道真空干燥模型及設(shè)備選型研究[J].中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報(bào)，2010,24(1)：17-19.PanXiangyang.StudyonVacuumDryingModelandEquipmentSelectionofGasTransmissionPipeline[J].JournalofShengliCollegeChinaUniversityofPetroleum, 2010, 24 (1)： 17-19.

[10] 譚力文，敬加強(qiáng)，戴志向，等.天然氣管道氮?dú)庵脫Q技術(shù)研究[J].管道技術(shù)與設(shè)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(xué)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