長(zhǎng)輸天然氣管道冰堵治理與案例分析

王保群 趙永強(qiáng) 王小強(qiáng) 王志月 代運(yùn)鋒

（1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司西南管道分公司；

3.中國(guó)石油天然氣與管道分公司；4.中國(guó)石油西氣東輸管道公司；5.川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司）

近年來(lái)，西氣東輸管道二線、大-沈管道（大連—沈陽(yáng)）、冀-寧管道（安平—青山）、秦-沈管道（秦皇島—沈陽(yáng)）、忠-武管道（忠縣—武漢）等天然氣管道均發(fā)生過(guò)冰堵問(wèn)題，給管道的正常生產(chǎn)造成較大的影響。

1 冰堵成因及分類

1.1 冰堵成因

天然氣管道冰堵一般發(fā)生在冬季，冰堵產(chǎn)生的根本原因是管道內(nèi)部存在液態(tài)的或氣態(tài)的水。液態(tài)水一般因管道投產(chǎn)前干燥不徹底而存留，溫度較低時(shí)結(jié)冰，造成管道冰堵；氣態(tài)水一般在一定含量、一定溫度和壓力下析出液態(tài)水，并在一定條件下生成天然氣水合物，進(jìn)而結(jié)成冰堵。前者一般發(fā)生在管道投產(chǎn)初期，并且，地形起伏較大、彎頭及彎管較多的管段較易發(fā)生；后者一般在管道運(yùn)行過(guò)程中，由于天然氣中水含量過(guò)高而引起。

天然氣水合物是一種由水和甲烷、乙烷等小分子氣體在一定條件下形成的固態(tài)結(jié)晶，外觀像碎冰，點(diǎn)火即燃，又稱“可燃冰”。其形成條件包括組分條件、熱力條件和促生條件，其中，組分條件是存在硫化氫、二氧化碳及小分子烴類組成的氣體分子和天然氣在一定條件下析出的液態(tài)水；熱力條件是具有足夠高的壓力和足夠低的溫度；促生條件是天然氣在紊流狀態(tài)下或有晶體微粒存在。

1.2 冰堵類型

天然氣管道主要包括干線管道和站場(chǎng)，兩者均有可能發(fā)生冰堵。冰堵情景主要有4種。

1.2.1 投產(chǎn)干燥不徹底引起的冰堵

天然氣管道在焊接完成后，為檢驗(yàn)焊接質(zhì)量、密封性和承壓能力，需要對(duì)管道進(jìn)行試壓。目前，管道試壓多采用水壓試驗(yàn)。盡管試壓完成后均要進(jìn)行清掃及干燥處理，但是，在低洼處、彎頭、彎管等特殊地段，管道內(nèi)難免存有少量殘留水，投產(chǎn)初期溫度較低時(shí)易造成冰堵，影響站內(nèi)閥門、調(diào)壓裝置等設(shè)備的正常運(yùn)行，影響向下游用戶分輸供氣。大-沈管道在2011年底投產(chǎn)后，管道沿線營(yíng)口、沈陽(yáng)等分輸站場(chǎng)及與其相連的秦-沈管道沿線盤錦、錦州等分輸站場(chǎng)均多次發(fā)生冰堵現(xiàn)象［1］，給管道正常運(yùn)行造成較大影響。

1.2.2 干線管道清管作業(yè)引起的冰堵

管道運(yùn)行初期，為進(jìn)一步清除管道內(nèi)殘留的雜質(zhì)和水分，需進(jìn)行清管作業(yè)。在清管器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于前后壓差的存在，清管球射流孔會(huì)產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，溫度隨之降低，天然氣水露點(diǎn)較高時(shí)析出水分，并在一定條件下形成天然氣水合物，進(jìn)而造成冰堵，增加了清管作業(yè)的難度和風(fēng)險(xiǎn)。2010年5月27日，西氣東輸管道二線清管作業(yè)時(shí)，張掖—永昌段及古浪壓氣站附近 56#～59#閥室之間地勢(shì)起伏大、地溫變化快，多次發(fā)生冰堵［2］。

1.2.3 站場(chǎng)節(jié)流引起的冰堵

當(dāng)天然氣流經(jīng)過(guò)濾分離器、調(diào)壓橇、孔板流量計(jì)等裝置時(shí)，會(huì)引起天然氣節(jié)流，由于焦耳-湯姆森效應(yīng)的存在，天然氣溫度隨之降低，當(dāng)天然氣水露點(diǎn)較高時(shí)會(huì)析出水分，形成水合物，進(jìn)而產(chǎn)生冰堵。若冰堵發(fā)生在過(guò)濾分離器，會(huì)造成濾芯堵塞，進(jìn)而引發(fā)濾芯的變形和損壞；若發(fā)生在調(diào)壓橇，會(huì)造成管內(nèi)流通面積減小，甚至全部堵塞，進(jìn)而影響向下游用戶平穩(wěn)供氣；若發(fā)生在流量計(jì)處，會(huì)影響流量計(jì)的精準(zhǔn)度；若發(fā)生在閥門引壓管處，會(huì)引起控制單元無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)信號(hào)，造成閥門誤操作。2010年11月27日，澀-寧-蘭天然氣管道（澀北—西寧—蘭州）蘭州末站各分輸支路均發(fā)生冰堵［3］；2011年1月 1日，西氣東輸管道二線黃陂站調(diào)壓管路發(fā)生冰堵；2011年4月27日，西氣東輸管道二線紅柳壓氣站臥式分離器發(fā)生冰堵［4］。

1.2.4 輸送露點(diǎn)較高氣源引起的冰堵

我國(guó)忠-武管道、陜-京管道系統(tǒng)（陜西—北京）、冀-寧管道、永-唐-秦管道（永清—唐山—秦皇島）等天然氣管道在西氣東輸管道二線投產(chǎn)之前，由于氣源水露點(diǎn)較低，運(yùn)行較為平穩(wěn)，很少出現(xiàn)冰堵現(xiàn)象。西氣東輸管道二線投產(chǎn)后，由于這些管道的氣源混有水露點(diǎn)較高的中亞天然氣，沿線多數(shù)站場(chǎng)冰堵問(wèn)題較為嚴(yán)重［5］，給管道正常運(yùn)行造成較大影響。

2 冰堵預(yù)防措施

2.1 嚴(yán)格控制氣源質(zhì)量

預(yù)防天然氣冰堵最根本、有效的方法是降低天然氣水露點(diǎn)，控制氣源質(zhì)量。天然氣進(jìn)入干線管道之前，先經(jīng)處理廠干燥處理，常用的干燥方法有液體吸附法和固體吸附法2種。液體吸附法是利用甘醇等具有良好親水性的吸附劑進(jìn)行脫水，以降低天然氣水露點(diǎn)；固體吸附法是利用硅膠、活性炭、分子篩及氧化鋁等具有較強(qiáng)吸附能力的吸附劑進(jìn)行脫水，使天然氣水露點(diǎn)達(dá)到相關(guān)要求。

我國(guó)典型管道對(duì)應(yīng)氣源的水露點(diǎn)：根據(jù)相關(guān)協(xié)議，中亞天然氣管道（中亞—中國(guó)）氣源水露點(diǎn)要求冬季在 7.0MPa壓力下不高于-7℃，根據(jù) GB/T 22634—2008《天然氣水含量與水露點(diǎn)之間的換算》附錄 E換算方法［6］，折算其對(duì)應(yīng)的水含量為67.3mg/m3；中緬天然氣管道（緬甸—中國(guó)）氣源水露點(diǎn)要求在10.0MPa壓力下不高于-5℃，折算水含量為63.5mg/m3；中俄東線天然氣管道（黑河—上海）氣源水露點(diǎn)要求冬季在 4.0MPa壓力下不高于-20℃，折算水含量為36.8mg/m3；西氣東輸管道一線氣源水露點(diǎn)在6.0MPa壓力下不高于-14℃，折算水含量為 40.5mg/m3；陜-京系統(tǒng)管道氣源水露點(diǎn)在5.4MPa壓力下不高于-13℃，折算水含量為51mg/m3；川氣東送管道（普光氣田—上海）氣源水露點(diǎn)在6.7MPa壓力下不高于-15℃，折算水含量為40.1mg/m3。

再根據(jù)水含量折算各管道氣源在不同壓力條件下對(duì)應(yīng)的水露點(diǎn)，具體見表 1。由表 1可以看出，中俄東線天然氣管道氣源水露點(diǎn)條件最好，中亞天然氣管道氣源質(zhì)量最差。

表1 典型管道氣源水含量和各壓力條件下對(duì)應(yīng)的水露點(diǎn)

2.2 做好投產(chǎn)前的管道干燥

為清除管道水壓試驗(yàn)產(chǎn)生的殘留水，試壓完畢后需進(jìn)行干燥處理。常用的管道干燥方法包括干空氣干燥法、真空干燥法及干燥劑干燥法［7］。在實(shí)際工程中，常由于管道干線走向復(fù)雜、站場(chǎng)內(nèi)部工藝管道規(guī)格較多、工期較緊等特點(diǎn)，選擇多種方法共同完成管道干燥任務(wù)。

2.2.1 干空氣干燥法

包括通球法和干燥空氣吹掃法2種施工方式。該方法具有干燥時(shí)間較短、工藝簡(jiǎn)單、成本較低、干燥材料來(lái)源較廣等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)目前使用較為廣泛的干燥方法。

2.2.2 真空干燥法

利用真空泵對(duì)管道內(nèi)氣體進(jìn)行抽吸，使管內(nèi)氣體壓力降低，管道內(nèi)壁上的水分沸騰汽化后被抽出。該方法具有可靠性較高、不會(huì)產(chǎn)生廢棄物、符合站場(chǎng)HSE相關(guān)要求等優(yōu)點(diǎn)，但是，成本相對(duì)較高。

2.2.3 干燥劑干燥法

該方法通常采用甲醇、乙二醇或三甘醇等干燥劑與水以任意比例互溶，使水的蒸汽壓大大降低，從而達(dá)到干燥管道的目的，部分殘留在管道中的干燥劑同時(shí)又能夠抑制天然氣水合物的形成。

2.3 提高天然氣溫度

為防止天然氣水合物的形成，用加熱爐對(duì)天然氣加熱或在調(diào)壓橇、氣液聯(lián)動(dòng)閥引壓管等易堵管段安裝電伴熱帶，使氣體溫度保持在水露點(diǎn)以上。目前，我國(guó)多數(shù)站場(chǎng)常采用該方法，效果較為明顯。

2.4 化學(xué)抑制劑法

為避免天然氣水合物的產(chǎn)生，可向管道中注入一定量的化學(xué)抑制劑，改變水和烴分子之間的熱力學(xué)平衡條件，達(dá)到保持天然氣流動(dòng)的目的。該方法也是一種常見的解堵方法。

2.5 其他方法

為降低冰堵發(fā)生的概率，管道投產(chǎn)初期，可對(duì)站內(nèi)調(diào)壓橇、放空立管、閥門、過(guò)濾分離器、計(jì)量橇、排污罐等設(shè)備多次排污，將管道和設(shè)備內(nèi)積液排出，并及時(shí)更換過(guò)濾分離器濾芯。若條件允許，也可適當(dāng)提高分輸支線管道運(yùn)行壓力，縮小分輸調(diào)壓橇前后壓差，減少溫度降低幅度，盡量避免冰堵發(fā)生。

3 冰堵治理方法

目前，管道干線和站場(chǎng)發(fā)生冰堵時(shí)，常用的解除冰堵方法有放空降壓法、注醇法、對(duì)天然氣加熱法等。

3.1 干線清管解堵

對(duì)于干線管道清管出現(xiàn)的冰堵問(wèn)題，較為常用的方法是將冰堵段兩端閥室閥門關(guān)閉，并適當(dāng)放空降壓，天然氣水合物將隨著壓力的降低快速分解，從而達(dá)到解除冰堵的目的。也可配合使用蒸汽車向管道外壁噴射高溫蒸汽，對(duì)冰堵管道進(jìn)行充分加熱，加速天然氣水合物的分解。該方法在西氣東輸管道二線清管作業(yè)時(shí)得到使用。

3.2 調(diào)壓閥解堵

對(duì)于站場(chǎng)調(diào)壓閥之后出現(xiàn)冰堵時(shí)，可注入適量甲醇等防凍劑，利用其良好的親水性吸收天然氣中的水分，降低水含量，進(jìn)而降低天然氣水露點(diǎn)而快速將水合物分解，達(dá)到解堵目的。該方法在大-沈管道投產(chǎn)初期被沿線多個(gè)站場(chǎng)采用。

3.3 站內(nèi)局部管段解堵

站場(chǎng)內(nèi)局部管段出現(xiàn)冰堵時(shí)，可利用加熱設(shè)備對(duì)天然氣進(jìn)行加熱，提高天然氣溫度，使天然氣水合物快速分解。加熱設(shè)備一般有電加熱器和水套爐2種，加熱功率較小時(shí)常采用電加熱器，加熱功率較大時(shí)常采用水套爐。

3.4 分輸管路解堵

站場(chǎng)內(nèi)分輸管路冰堵時(shí)，可切換至備用管路，并在發(fā)生冰堵管段纏繞大功率電伴熱帶，對(duì)管道進(jìn)行加熱，使水合物快速分解。也可臨時(shí)采用調(diào)壓閥上游球閥節(jié)流的措施，減小調(diào)壓閥前后壓差來(lái)降低節(jié)流效應(yīng)，達(dá)到解堵目的。

3.5 壓氣站場(chǎng)解堵

對(duì)于聯(lián)絡(luò)壓氣站或分輸壓氣站，站內(nèi)發(fā)生冰堵時(shí)，可采用調(diào)節(jié)工藝流程，利用壓縮機(jī)出口的高溫天然氣反吹冰堵段，加速水合物分解。西氣東輸管道二線紅柳壓氣站出現(xiàn)冰堵時(shí)，利用摻混西氣東輸管道一線壓縮機(jī)出口端高溫氣的方法對(duì)冰堵段管道進(jìn)行解堵。

3.6 分離器、排污管解堵

站內(nèi)分離器、匯管排污管道出現(xiàn)冰堵時(shí)，可采用在線排污的方式解決冰堵問(wèn)題，也可切換至備用分離器，待冰堵解除后恢復(fù)。

3.7 引壓管解堵

站內(nèi)調(diào)壓閥引壓管或指揮器出現(xiàn)冰堵時(shí)，由于其管徑較小，產(chǎn)生水合物不會(huì)太多，可采取較為簡(jiǎn)單有效的熱水噴淋法，向引壓管或指揮器上直接澆注開水。該方法較為簡(jiǎn)單易行，效果較為明顯。

4 典型案例分析

近年來(lái)，我國(guó)西氣東輸管道二線、冀-寧管道、忠-武管道、中緬天然氣管道境內(nèi)段均有冰堵事故發(fā)生，針對(duì)不同的情景，選用了合適的解堵方法，均取得良好效果。

4.1 西氣東輸管道二線干線清管冰堵

2009年12月，西氣東輸管道二線西段投產(chǎn)后，半年之內(nèi)，沿線管道和站場(chǎng)發(fā)生約50處冰堵，對(duì)管道正常生產(chǎn)影響較大。2010年5月26日，運(yùn)行單位對(duì)西氣東輸管道二線進(jìn)行清管作業(yè)，由于管道沿線甘肅段走向曲折、地形復(fù)雜、地溫變化較大等各種原因，清管過(guò)程中張掖—永昌段及古浪壓氣站之后的 56#～59#閥室之間多次發(fā)生冰堵，給清管作業(yè)造成了較大困擾。

其主要原因：一是，管道沿線地勢(shì)起伏較大，山丹壓氣站附近高程近2 600m，之后約100km處降至1 600m，隨后又升高至2 200m，地溫變化較大；二是，由于清管器射流孔和泄流孔的存在，清管過(guò)程中會(huì)在清管器前后形成一定的節(jié)流效應(yīng)，使得天然氣溫度降低形成天然氣水合物，特別是清管器受阻時(shí)更為嚴(yán)重；三是，管道投產(chǎn)前干燥不徹底，管內(nèi)含有液態(tài)水，清管期間在永昌壓氣站排出天然氣水合物多達(dá)3.3m3。

運(yùn)行單位采取了對(duì)冰堵段兩端閥室放空降壓、挖開管道用蒸汽吹掃冰堵處及搭建保溫棚等多種解堵措施，才完成了本次清管任務(wù)。

4.2 中緬天然氣管道投產(chǎn)初期自用氣橇冰堵

中緬天然氣管道境內(nèi)段投產(chǎn)初期，多數(shù)站場(chǎng)存在自用氣橇冰堵問(wèn)題，導(dǎo)致安全閥自動(dòng)關(guān)閉和自動(dòng)放空，特別是夜間溫度較低時(shí)更為頻繁，造成天然氣放空浪費(fèi)，并給正常生活用氣造成了較大影響。

其原因主要由于管道投產(chǎn)前干燥不徹底，管道內(nèi)含有殘留水。2013年8月初投產(chǎn)期間，該管道保山站排出約30m3的水，其余站場(chǎng)、閥室放空作業(yè)時(shí)，放空管也存在混有水柱的氣體，說(shuō)明該管道投產(chǎn)前的干燥不徹底。2014年2月，瑞麗首站8.2MPa壓力下水露點(diǎn)值介于-17～-13℃，能夠滿足相關(guān)協(xié)議氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而下游祿豐分輸站水露點(diǎn)明顯升高，7.1MPa壓力下水露點(diǎn)值介于-4.6～3.2℃，說(shuō)明管道投產(chǎn)之后一段時(shí)間內(nèi)，管道內(nèi)仍存有液態(tài)水，導(dǎo)致下游管道內(nèi)天然氣水露點(diǎn)升高。

另外，自用氣橇前后壓力從約8.0MPa一次性降至0.4MPa，壓降較大，按5℃/MPa計(jì)算，溫度降低約38℃，也是產(chǎn)生冰堵的主要原因之一。

針對(duì)自用氣橇冰堵的問(wèn)題，投產(chǎn)初期，各站采用夜間停止用氣、熱水噴淋及增設(shè)電加熱器等多種措施，后來(lái)通過(guò)協(xié)調(diào)自用氣橇供貨商對(duì)各站設(shè)備采取更換電阻絲、增大加熱負(fù)荷的方式，徹底解決了冰堵問(wèn)題。

4.3 中亞管道氣源露點(diǎn)較高對(duì)我國(guó)其他管道的影響

陜-京管道系統(tǒng)、冀-寧管道、永-唐-秦管道、忠-武管道等天然氣管道在引進(jìn)中亞氣之前，天然氣水露點(diǎn)一直較低，運(yùn)行較為平穩(wěn)。中亞天然氣自2009年底引進(jìn)我國(guó)并進(jìn)入上述管道之后，2010年冬季氣溫較低時(shí)，沿線多數(shù)站場(chǎng)發(fā)生了較為嚴(yán)重的冰堵現(xiàn)象，給管道運(yùn)行造成較大影響。

其主要原因?yàn)橹衼喬烊粴鈿赓|(zhì)水露點(diǎn)較高。根據(jù)霍爾果斯首站水露點(diǎn)測(cè)量值，2010年冬季，霍爾果斯首站天然氣水露點(diǎn)值為 4～11℃，交氣壓力約為 7.8MPa，水露點(diǎn)取平均值 7.5℃時(shí)，折算水含量為164.5mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相關(guān)協(xié)議規(guī)定值67.3mg/m3。但是，冬季寒冷季節(jié)我國(guó)天然氣正處于用氣緊張狀態(tài)，因此，無(wú)法大幅度壓減進(jìn)口氣量。

中亞天然氣管道天然氣水露點(diǎn)合同規(guī)定值與實(shí)際測(cè)量值對(duì)比情況見表2。

各站場(chǎng)冰堵事故初期，由于多數(shù)站場(chǎng)沒(méi)有預(yù)防措施和處理經(jīng)驗(yàn)，給正常生產(chǎn)造成較大影響。后來(lái)采取注醇法等臨時(shí)措施，并在相關(guān)站場(chǎng)增設(shè)加熱爐、電伴熱帶等加熱設(shè)備，才較好地解決了冰堵問(wèn)題。

5 建議

一是，嚴(yán)格控制進(jìn)口天然氣氣質(zhì)指標(biāo)，加大對(duì)露點(diǎn)較高氣的處罰力度。

隨著我國(guó)對(duì)清潔能源需求的快速增長(zhǎng)，進(jìn)口天然氣途經(jīng)將進(jìn)一步拓寬，對(duì)于今后的進(jìn)口天然氣管道，應(yīng)充分吸取中亞天然氣管道氣源露點(diǎn)較高的教訓(xùn)，在前期技術(shù)談判時(shí)，應(yīng)對(duì)天然氣水露點(diǎn)等氣質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制，并在對(duì)應(yīng)的商務(wù)條款中加大對(duì)露點(diǎn)較高氣源的處罰力度，以確保我國(guó)天然氣管網(wǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

二是，嚴(yán)格控制管道水壓試驗(yàn)后的干燥處理，最大限度地降低管內(nèi)殘留水。

我國(guó)近幾年管道出現(xiàn)的冰堵事件，多數(shù)發(fā)生在管道投產(chǎn)初期，主要原因是管道水壓試驗(yàn)后干燥不徹底。大-沈管道、中緬天然氣管道境內(nèi)段、西氣東輸管道二線西段投產(chǎn)初期均有發(fā)生。為防治和治理冰堵問(wèn)題，多數(shù)站場(chǎng)增設(shè)加熱爐、注醇裝置等相應(yīng)設(shè)施，不僅需要大量投資、增加運(yùn)行成本，還需對(duì)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行、維護(hù)和保養(yǎng)，增加了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作量。今后，新建的干線天然氣管道進(jìn)行干燥處理時(shí)，應(yīng)加大監(jiān)管力度，提高施工質(zhì)量，最大程度減少管內(nèi)殘留水。

三是，充分考慮新建管道對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的影響，并提出應(yīng)對(duì)措施。

隨著我國(guó)天然氣管道行業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)基干管網(wǎng)基本形成并逐步完善，新建干線天然氣管道應(yīng)納入對(duì)應(yīng)的管網(wǎng)系統(tǒng)整體進(jìn)行分析。充分借鑒西氣東輸管道二線露點(diǎn)較高氣源對(duì)冀-寧管道、忠-武管道等造成的嚴(yán)重冰堵事故影響，新建管道投產(chǎn)和運(yùn)行初期，應(yīng)充分考慮因管道干燥不徹底引起的水露點(diǎn)偏高等相關(guān)問(wèn)題對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的影響，并提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，確保管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

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