天然氣站場動火連頭危險源分析及關鍵技術應用

楊偉勝

江蘇環(huán)宇建設工程有限公司，中國·江蘇 蘇州 215699

天然氣；站場；動火連頭；危險源

1 引言

隨著天然氣使用量越來越大，城市燃氣管網(wǎng)建設日益完善。天然氣使用量快速增加，原來建設的分輸站、站場規(guī)模已無法滿足日益增長的供氣要求。因此需新建站場、擴建站場和對原站場改造，于是管道動火連頭就成了一個關鍵而充滿危險的工作。如何對動火連頭中可能形成的爆炸和火災的危險源進行合理分析，從而采取有效的技術措施，是動火連頭成敗的關鍵。

2 動火連頭危險源成因分類

管道動火連頭指在天然氣站場內(nèi)的各種輸氣管道上使用直接或間接的使用火焰切割、電弧焊接作業(yè)，以達到新舊管線、不同管網(wǎng)管線的工藝連接。主要包括天然氣站場內(nèi)已投產(chǎn)管道與新建管道、已投產(chǎn)的不同天然氣管道系統(tǒng)之間的動火切割、電弧焊接連接，以組成新工藝系統(tǒng)的施工。

因管道內(nèi)或管道系統(tǒng)內(nèi)存在天然氣，在動火連頭中可能會引起爆炸和火災，使施工過程中存在很大的危險，現(xiàn)把這種危險源分兩大類進行說明。

2.1 管道和系統(tǒng)中殘留天然氣

根據(jù)惰性氣體（一般均采用氮氣，以下簡稱為氮氣）置換的徹底程度將此類危險源分成以下3 種情況：

①能全方位置換：工藝系統(tǒng)簡單，管道和容器設備少，管道或容器內(nèi)的天然氣可以根據(jù)工藝流程進行全方位置換，其危險源僅為系統(tǒng)內(nèi)殘留的天然氣，在氮氣置換時，容易排除管道內(nèi)的天然氣，不留死角，施工風險較為可控。

②置換后仍留有死角：工藝流程相對復雜，管道支線和容器設備較多，在使用氮氣置換時也不可避免地留有死角，如惰性氣體的進氣點和出氣點不在動火連頭系統(tǒng)的最端點、管道系統(tǒng)中各類彎頭和配件較多、管道系統(tǒng)分支系統(tǒng)多，管道系統(tǒng)規(guī)格較多等。在這種情況下，動火連頭時有可能出現(xiàn)局部的悶爆、著火事故。危險源主要是殘留在工藝系統(tǒng)死角內(nèi)的天然氣。

③從其他系統(tǒng)竄入天然氣：動火連頭的工藝系統(tǒng)比較復雜，如放空、排污等管道動火連頭，動火工藝系統(tǒng)中與排污池、排污罐、高低壓放空有連通。這種情況下，即使動火連頭系統(tǒng)管道已完全進行了惰性氣體置換，也會因其它系統(tǒng)的天然氣竄入動火連頭系統(tǒng)，導致事故的發(fā)生；譬如因排污池內(nèi)天然氣殘液的揮發(fā)，天然氣竄入排污管，最后到動火連頭管道，這時排污池成為危險源；或者天然氣排放管如果連通火炬，因動火連頭過程中，管內(nèi)會吸入空氣，導致管道發(fā)生悶爆事故。所以此類動火連頭的危險源主要在于天然氣存在設備、設施。

2.2 與動火連頭系統(tǒng)相連的切斷閥門出現(xiàn)內(nèi)漏

這種危險源產(chǎn)生的原理比較簡單：閥門內(nèi)漏。即使動火連頭工藝系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)氮氣置換也達到了動火的要求，但因切斷閥的內(nèi)漏，天然氣不斷地滲漏入動火連頭系統(tǒng)中，造成事故的發(fā)生?，F(xiàn)在站場的切斷閥門基本上采用球閥，而大部分球閥存在不同程度的內(nèi)泄漏現(xiàn)象。這類因閥門內(nèi)漏引起的危險源是動火連頭中最常見，也最復雜。根據(jù)實際天然氣運行壓力、工藝流程、泄漏量的大小等情況，可分為以下幾種類型：

①具備上下游管道兩道以上閥門切斷；

②上下游管道只能作一次閥門切斷，切斷閥門關閉嚴密，經(jīng)測定沒有內(nèi)漏或幾乎沒有泄漏現(xiàn)象；

③上下游管道只能作一次閥門切斷，切斷閥門關閉后，經(jīng)測定仍有少量的泄漏現(xiàn)象；

④上下游管道只能作一次閥門切斷，切斷閥門關閉后，經(jīng)測定仍有較大量的泄漏現(xiàn)象。

3 危險源控制分析

針對上述提出的動火連頭危險源，分析其產(chǎn)生原因，從而采取有效的防范措施，以保證動火連頭的安全。

3.1 工藝系統(tǒng)殘留天然氣的危險源控制措施

3.1.1 氮氣置換措施

采用大排量的氮氣置換，大排量不但指置換氣體用量大，更指在瞬間充滿管道和容器截面的單位時間內(nèi)的體積大，這樣有利于將氮氣與天然氣在管道內(nèi)形成一道隔離層，減少天然氣和氮氣混和的體積，增強氮氣置換的效果，減少氮氣的使用總量，降低施工成本。

3.1.2 管道氮氣置換后不可避免留有死角的管道

①動火連頭的切割點并不位于死角處：在這種情形下，根據(jù)規(guī)定對焊接（或切割處）進行氣體檢測，并連續(xù)進行氮氣置換，如有條件時還可用擋板將動火系統(tǒng)與其他系統(tǒng)進行暫時性隔離，以抑制或減少焊接或切割處的天然氣濃度，同時加大氮氣置換的強度，進一步對系統(tǒng)內(nèi)的天然氣進行稀釋，一般來說，均能滿足動火連接的安全要求。

②切割點剛好位于死角處：在須動火切割點處將管道鉆出個可以進行檢測和通氣的孔（一般情況下孔大于φ10mm），然后用皮管通入氮氣進行置換，由于這類存在死角中天然氣殘余量一般不大，采用這種方法基本上能夠達到動火切割的作業(yè)要求。

3.2 閥門內(nèi)漏的危險控制

①全站天然氣放空：當本站場的下游用戶在施工作業(yè)段時不需要供氣（如下游用戶設備檢修等），或者站場與用戶之間的管道具有足夠的容積，管內(nèi)存氣能滿足下游用戶在規(guī)定時間內(nèi)的供應，或者采用預先適當增大管內(nèi)存氣的壓力，以提高管道存氣的儲量等技術手段，在保證不對下游用戶產(chǎn)生影響的前提下，對全站或局部系統(tǒng)進行停氣、放氣，再進行氮氣置換，即使切斷閥門有內(nèi)漏也不會有影響，從本質上保證了安全，這是最理想的狀態(tài)。

②具備上下游工藝系統(tǒng)有兩道以上閥門切斷：如果做不到全站或動火連頭所在的局部工藝系統(tǒng)放空，但具備上下游管道兩道以上閥門切斷的情況下，將兩道切閥門均關閉，將兩道閥之間的天然氣放空，減少最后一道切斷閥的前后壓力差（背壓），并注入一定壓力的氮氣，使兩道切斷閥之間形成一個隔離層，能夠有效地減少最后一道切斷閥的內(nèi)漏現(xiàn)象。

③如果受工藝條件的限制，無法做到有兩個切斷閥進行切斷，上下游管道只有一道閥門切斷，根據(jù)閥門內(nèi)漏量的大小，分為以下幾種。

第一，切斷閥門關閉嚴密或只有極微少的內(nèi)漏：那么做好系統(tǒng)氮氣置換、打開球閥的排污口等技術措施，完全能控制發(fā)生爆炸或火災的風險。

第二，切斷閥經(jīng)測定有少量的內(nèi)漏：那么除了做好上述的系統(tǒng)氮氣置換外，還需閥體密封面注脂、對閥腔不間斷氮氣置換、鉆孔測爆，能有效降低混合氣體中天然氣的濃度比例，達到動火作業(yè)的要求。

第三，切斷閥內(nèi)漏量較大：除上述的一些技術措施外，還要增加其他措施，如降低閥門兩側的壓力差、連續(xù)性的氮氣置換、在管內(nèi)打黃油墻、利用橡膠球隔離、盲板隔離等，使動火連接處的管道內(nèi)的天然氣濃度達到動火作業(yè)的要求。

第四，切斷閥的內(nèi)漏量很大：采取了相應的措施后，仍無法達到要求，那么只能進行冷切割、管內(nèi)打黃油墻、橡膠球隔離，采用帶壓開孔作業(yè)（此為另一門專項技術，不在本文討論范圍）或者等待時機進行停產(chǎn)、放氣后再進行施工。

4 動火連頭前的關鍵控制技術

根據(jù)以上對動火連頭危險源的分析，選擇合理的風險控制措施，這些措施必須由一些關鍵的技術作為支撐，下面對關鍵技術的應用作簡要的說明。

4.1 球閥內(nèi)漏量測定

球閥內(nèi)漏量的測定，是評估安全風險、選擇施工措施和建立動火連頭組織機構的前提條件，因此此項工作非常重要。

在測定球閥的泄漏量之前，要先了解一下一般球閥的內(nèi)部結構，主要了解排污口、排空口、注脂口、閥腔等。下圖將球閥的剖面和外表面的樣式說明進行簡要說明。

圖1 球閥的剖面

圖2 球閥的外表面

打開切斷閥的排污口（螺紋堵頭），再用氣體探測儀對準排污口進行檢測，如果檢測到的天然氣濃度小于爆炸極限下限的10%，則說明此閥基本無內(nèi)漏或者只有極輕微的內(nèi)漏；如果濃度穩(wěn)定在10～20%左右，說明閥門有輕微內(nèi)漏；如天然氣濃度穩(wěn)定在20～30%之間，說明閥門有較大內(nèi)漏，但不嚴重；如檢測到的天然氣濃度立即大于20%，并有急劇上升之勢，說明閥門內(nèi)漏現(xiàn)象嚴重。

對于內(nèi)漏嚴重的閥門，還必須測出具體的內(nèi)漏量數(shù)據(jù)，才能為動火連頭總體方案的選擇提供依據(jù)。測定方法說明如下：

①打開排污口，利用螺紋短節(jié)外接一個壓力表，同時記錄閥腔內(nèi)氣體的壓力至零達到主管線工作壓力（P）的時間（t）；

②根據(jù)切斷球閥的規(guī)格、型號，與相應供應商取得聯(lián)系，查詢球閥閥腔的體積；

③根據(jù)閥腔的體積（V）、工作壓力（P）以及記錄下的時間（t），計算單位時間內(nèi)閥門的泄漏量V1=PVt；

④計算動火連頭管道工藝系統(tǒng)的內(nèi)容積，預計完成的作業(yè)時間，計算出標況（標準大氣壓）下此管道工藝系統(tǒng)的容積（V2），來說明動火連頭的工藝系統(tǒng)對切斷閥泄漏的允許程序：

如果V2≥10V1，說明即使切斷閥泄漏嚴重，但對整個動火系統(tǒng)來說，卻是可以接受的，至少在作業(yè)時間內(nèi)，不會有爆炸的危險；

如果V2≤5V1，說明必須采用其他方法進行控制，減少風險。

閥門泄漏量的測定，需認真并多次校核，以保證所測定的數(shù)據(jù)準確性。

4.2 氮氣置換技術

4.2.1 氮氣置換合格標準

在天然氣站場動火連頭氮氣置換時，采用多臺測爆儀進行測爆，每臺測出管道內(nèi)天然氣濃度均低于最低爆炸極限的1/4，即每臺的測爆儀所測的值小于1.25%。有些天然氣公司對此值的要求更苛刻，如須低于最低爆炸極限1/5，才可進行切割作業(yè)，這樣安全系數(shù)更大。

4.2.2 置換方法的選擇

根據(jù)動火連頭工藝系統(tǒng)的體積，從而選擇不同的置換方法，通常置換方法分氮氣瓶和液氮置兩種。兩種方法的優(yōu)缺點比較如下表所示。

表1 氮氣瓶置換與液氮置換的比較

一般情況氮氣用量系數(shù)(ξ)為所需置換管道和容器內(nèi)容積的3～5 倍。

4.2.3 液氮置換進口管和需用量選擇

具體施工中，置換量較大或所置換的管道規(guī)格較大時，用液氮置換動火連頭工藝系統(tǒng)效果較好。可以根據(jù)需置換管道的規(guī)格（管內(nèi)徑φ1）計算出液氮出口管道的規(guī)格（（管內(nèi)徑φ2）。例如，需要置換氣體的規(guī)格為DN300，計算液氮的出口規(guī)格，計算如下：

①液氮氣化1m3液氮可汽化成氮氣808/28×22.4= 646.4 m3[1]；

②DN300 管道的截面積S1==3.14×(φ1)2/4=3.14×150×150=70650mm2；

即選用DN15 的管道就會滿足液氮置換的要求，同時根據(jù)液氮出口的流量來選擇合適的氣化器。

液氮的需用量m=V1×P×ξ/646.4×808 (在一個大氣壓，攝氏-195.8 度時，液氮的密度為0.8083 g/cm3=808.3 kg/m3)，ξ 取4；V1為動火系統(tǒng)的內(nèi)容積（m3），P 為置換后氮氣的壓力Kg/cm2。

4.2.4 普通氮氣瓶置換標準

氮氣瓶的容積為40L=0.04m3，標準氮氣瓶內(nèi)的理論壓力為15MPa，換算成標準壓大氣壓下的體積為V2=0.04×150=6m3；

需置換用氮氣的數(shù)量K=V1/V2×ξ×2（ξ 系數(shù)取5）。

4.3 球閥密封面注脂

當球閥出現(xiàn)部分內(nèi)漏現(xiàn)象時，可以擰開球閥的注脂口對球閥的密封面進行注脂，這是減少球閥內(nèi)漏最有效的方法之一，但要注脂過程中應注意以下幾點。

①注脂壓力：壓力過低，球閥密封漏或失效，如果注脂壓力過高，會造成注脂口堵塞，極端情況下會使密封內(nèi)脂類硬化或密封圈與閥球、閥板抱死。

②注脂時機：球閥注意時都處于開位狀態(tài)，注脂與動火連接間隔時間以24 小時左右為宜，注脂后不要重復開關閥門。

③注脂均勻：注脂時要注意出脂均勻的問題，從排污口出來的油均勻，說明注脂基本完成。

4.4 閥腔氮氣置換

這是最直接排除球閥的閥腔內(nèi)泄漏氣體或減少將泄漏的天然氣進入動火作業(yè)系統(tǒng)最有效的方法，操作方法也比較簡單，簡述如下。

①將球閥的一個排污口和一個排空口的盲堵頭拆卸下，將其中一個口作為氮氣的進口，另一個口作為置換氮頭的出口，并將置換后的氣體通過預制安裝好的臨時管道排到安全區(qū)域。

②選用的排污口和放空口宜成對角，有利于氮氣通過整個球閥的密封表面，更好地起到置換和對天然氣稀釋作用。

③施工前需擰開盲堵頭，測量球閥排污和排放口的大小、螺紋規(guī)格等，加工相同規(guī)格的接頭以便與球閥的接口配套連接。

4.5 黃油墻隔離

在有天然氣濃度大于安全標準的情況下，黃油墻是動火連頭點與泄漏天然氣最后一道隔離，直接影響到動火連頭是否成功；所以在一定前提的條件下，黃油墻隔離是非常有效的辦法，其前提條件包括：

①相關工藝流程中應設有過濾器，能夠在投產(chǎn)通氣過程將黃油墻（一般情況由滑石粉和黃油按一定的比例拌合而成）吹至過濾器，再通過排污系統(tǒng)帶到排污池，保證天然氣質量。

②動火連頭前的切割是因采用冷切割進行，只有將動火點部分管道冷切割后，才能進行黃油墻的砌筑作業(yè)。

③因砌筑黃油墻作業(yè)時間較長（包括制作、砌筑、密封、檢測等工序），除非因閥門的內(nèi)漏內(nèi)嚴重，氮氣置換已達不到動火基本條件的情況下，才能進行用黃油墻來密封泄漏的天然氣。

在砌筑黃油墻時，需要做好以下幾點：

①堆砌黃油墻要求由有經(jīng)驗的人員進行施工，要密實、搗緊、不得留有空隙，封堵好的管段不得錘擊，避免形成間隙，保證黃油泥具有足夠的強度。

②在黃油墻砌筑過程中，可以同時安裝引流管，其方向應遠離動火點，并與自然風向一致。

③黃油（鈣基黃油）和滑石粉按一定的比例進行拌合后，再根據(jù)實際的需要做成磚狀或其他形狀，關鍵是黃油與滑石粉的配比要適當，如過硬則不易粘合，造成封堵不嚴，投產(chǎn)后不易溶化或堵塞過濾器；如過軟，則使黃油墻強度不夠，容易坍塌而產(chǎn)生縫隙，造成封堵失敗。

4.6 切斷處管道降溫

當管道連接處與球閥的距離小于500mm 時，必須采取措施，給管道切割或焊接處降溫，以閥門受到溫度的影響。

一般情況下，距球閥焊接80mm 以外的任何點處的溫度均不能超過200℃。在火焰切斷或電弧焊接處使管道降溫的一般方法為濕布包裹在離焊接或切割處約100mm 地方，并一直保持濕潤，通過水汽蒸發(fā)，對管道切割處進行冷卻。

4.7 管道密封球隔離

管道密封球隔離即利用挖掘機等機械將過盈率約6%橡皮球塞進需要動火連接的密封的一端，這也是動火連頭中經(jīng)常采取的封堵辦法之一。它能夠對連頭點兩側的管內(nèi)泄漏氣體進行有效隔離，達到焊接作業(yè)的動火要求，但它必須有特定的工藝及作業(yè)環(huán)境的要求。

①動火連頭的前后段必須有收發(fā)球筒裝置：只有此系統(tǒng)上設有收發(fā)球筒設備，才能在焊接作業(yè)完畢后，通球清管，將密封球送到收球筒處，再將密封球取出。

②動火連頭點處有大型機械的作業(yè)空間：將過盈量約6%的橡膠皮塞到管道內(nèi)，必須依靠挖掘機等大型的施工機械，靠人力無法完成。

4.8 打眼測爆

即在需要進行動火切割的地方，用電動或手動的鉆頭（一般用手槍鉆），鉆出一個約Φ10 的探測孔，然后用可燃氣體探測儀對檢測管道內(nèi)的天然氣濃度。

這個技術是每處動火連頭必須做到，并且保證在同一處打孔、同一處檢測、同一處切割的“三同”，打孔時注意以下兩點。

①采用手槍鉆打孔時為避免局部高溫使管內(nèi)的天然氣生產(chǎn)爆炸或火災，采用一邊打孔一邊澆水，以避免局部高溫；不能一下子將管壁鉆透，預選計算鉆孔的深度，留約0.2～0.5mm厚度，最后用沖頭和錘子沖開剩下壁厚余量。

②采用這個方法還可以將加大探測孔的直徑，作業(yè)氮氣置換的一個進口，能有效地稀釋動火切割處的天然氣濃度。

4.9 管道冷切割

管道冷切割就是使用專用管道切割工具，不采用化學放熱的方式對管道進行切割的方法，不影響管道內(nèi)的介質。

冷切割的費用比較高，只有在切斷閥門嚴重泄漏，采用其他的措施后也達不到動火切割作業(yè)時，才采用此由專業(yè)的人員進行操作。近年來，這個切割辦法得到了長足的發(fā)展，冷切割樣式如下圖：

圖3 冷切割樣式

冷切割只是動火連頭的中的一道工序，主要防止切割時發(fā)生爆炸或火災。在切割后，需在管道內(nèi)再采用砌筑黃油墻密封、密封球隔離（或氣囊隔離）等措施，天然氣的濃度達到動火要求后，才能進行動火焊接作業(yè)。

4.10 優(yōu)化焊接措施

對天然氣改造站場的動火連頭來說動火時間越短越好，以減少對下游用戶的影響。對于施工質量來說，焊接是連頭非常重要的環(huán)節(jié)，站場內(nèi)的焊接方式要求主要包括：

①焊接質量好：焊接合格率高，減少返工機率。

②焊接速度快：以減少動火時間，降低施工風險。

通常采用的焊接技術為氬弧焊打底，半自動藥芯保護焊填充和蓋面，其優(yōu)缺點分析如下。

4.10.1 氬弧焊打底的優(yōu)點

①質量好：氬弧焊打底能是根部得到良好的熔透性，而且透度均勻，表面光滑、整齊。不存在一般焊條電弧焊時容易產(chǎn)生的焊瘤、未焊透和凹陷等缺陷。

②效率高：在管道的第一層焊接中，手工氬弧焊為連弧焊。而焊條電弧焊為斷弧焊，因此手工氬弧焊可提高效率2～4 倍。因不需要清理溶渣和修理焊道，則速度提高更快。在第二層電弧焊蓋面時，平滑整齊的氬弧焊打底層非常有利于電弧焊蓋面，能保證層間良好的熔合，尤其在小直徑管得焊接中，效率更顯著。

③變形?。簹寤『复虻讜r熱影響區(qū)要小得多，故焊接接頭變形量小，殘余應力也小。

4.10.2 半自動藥芯保護焊的優(yōu)點

①焊接速度快：焊接過程起弧和收弧接頭減少，降低缺陷產(chǎn)生的可能性，焊絲熔敷率高，藥皮脫渣性好，焊熱輸入高，生產(chǎn)效率約為焊條電弧焊的3～5 倍。

②焊縫成形美觀且合格率高，接頭力學性好。

焊接方式的優(yōu)化要充分考慮焊接工藝評定、管道規(guī)格、焊接機械、施工環(huán)境、可充許作業(yè)時間、作業(yè)人員焊接技能以及現(xiàn)場其他因素后，選擇最合適的方式。

5 結語

天然氣站場的動火連頭是一項技術性強、要求高、難度大、風險大的特殊作業(yè)。受工藝系統(tǒng)、切斷閥內(nèi)漏嚴重程度、用戶等各類因素的影響，通過充分的論證，以選擇最合理的方案，保證施工的安全、有效進行。