自制液氮升温装置在冬季天然气管道置换作业中的应用

王子维 安万兰 陈宇 赵璟龙 王赵岩 林书璜

摘  要：天然气管道切改换管施工是一种常见的管道施工作业，换管前的天然气吹扫置换是必不可少的一项安全保障措施。实际操作中一般采用纯度较高的液氮作为惰性置换气体，但在冬季施工中液氮的汽化温度问题给置换带来了困难。根据自制液氮升温装置在天然气管道置换作业应用实例，表明该装置解决了冬季液氮置换中其汽化温度问题，可确保冬季管道切改换管施工作业安全。

关键词：天然气管道;切改换管施工;吹扫置换;液氮;汽化温度

冀东油田高庙219干气管线（全长20.2公里）、老爷庙联合站—集输干线阀室219联络线（全长6.3公里）、高庙273湿气管线（全长20.16公里），因建设期标准低造成管道跨越段和桁架焊接，致使该段管道的保护电流流失，出现保护电位不达标的情况，且焊点处外腐蚀严重，有必要进行切改换管作业，施工前需用氮气吹扫和置换管内介质，以保证后续作业安全。考虑到氮气纯度低，采用纯度较高的液氮作为置换气体。

1.天然气与液氮

1.1天然气

天然气主要成分为烷烃，密度为0.7174 kg/m3、比重约0.65，比空气轻，不溶于水，易燃易爆，燃点为650 ℃，爆炸极限（V%）为5%～15%。

油田的天然气按照来源分为伴生气和气田气，按照加工处理与否分为干气和湿气。

天然气在两种情况下不会燃烧爆炸。其一，在空气中的浓度小于某一临界值并且热损失大于氧化产生的热量;其二，其浓度虽然超过临界值，但是没有氧气存在。为此，在役管道作业前必须采用不能参与燃烧且具有很强稳定性的惰性气体进行置换。氮气成本相对较低，但纯度低，故考虑采用液态氮，以自然汽化注氮方法进行管道置换作业。

1.2液氮

氮气不活泼，不支持燃烧。工业液氮由空气分馏而得，无腐蚀，不可燃。常压下液氮汽化温度为-196 ℃，1m3液氮可以膨胀至696 m3纯气态氮（21℃）。液氮在汽化过程中需要吸收大量的热量，通过蒸发器吸收空气中的热量使液氮汽化，液氮自然吸热汽化后注入管道进行置换作业。

2.吹扫置换作业

2.1 基本情况

计划对高庙219干气管道、高庙273湿气管道、老爷庙联合站—集输干线阀室219联络线输气管道进行切改换管，吹扫置换作业总管容约2 000 m?。吹扫置换的氮气用量按管容积的1.5倍（经验估值）计算，至少需要氮气3 000 m?。1t液氮可转化为氮气约800 m?（1个标准大气压、5℃），故预定10吨液氮车入场作业。

2.2 置换和液氮汽化过程中的问题

置换作业时间一般为12月中旬，环境温度-10℃左右。液氮通过蒸发器汽化后的温度接近环境温度，容易导致液氮汽化器管束外结霜，进入管道的液氮将不能完全转化为气体，加之主体管道的材质为普通的20#碳钢，未完全汽化的液氮进入主管道，可能导致注入口管道在低温环境下开裂，造成液氮大量泄露和管道内天然气泄露，易发生安全事故。另外，按照现场液氮车液位计推算，液氮轉化为氮气仅240～280 m?/h，以此计完成20 km的管线置换至少需要6～7 h，置换速度仅0.7～0.8 m/s。置换速度过慢还会导致管道内天然气和氮气混合时间延长，不能被氮气完全置换，大大增加了后期管道施工作业中着火爆炸风险。

3.液氮升温装置

3.1 自制液氮升温装置

在冬季液氮汽化温度与汽化量达不到要求的情况下，决定自制升温装置，在原有空气蒸发器出口加装换热装置，换热装置热源由场站内采暖水提供。以此提高氮气进入管线的温度，相应增加氮气量，加快置换速度，达到快速合格置换目的。以高庙273湿气管线为例，拟将置换速度达到3～5 m/s、液氮汽化量达到600 m?/h。在标准大气压下，沸点-195.8 ℃液氮的汽化热为2.7928 kJ/mol，液氮密度约为808 kg/m?，液氮汽化所需热量为：808÷28×1000×2.7928=80592.23 kJ/m?;1 t液氮转化为800 m?氮气（1个标准大气压、5℃），且汽化速度达到600 m?/h，则吸热量为：600÷800÷1000÷808×80592.23=74807.14 kJ/h。

换热面积F由式（1）确定：

（1）

式中F为换热面积，m2;Q为换热量，kJ;k为污垢系数（取值0.85）;K为钢材导热系数，20 ℃取值14.7 W/（m·℃）;Tr为采暖水平均温度，℃;△t为氮气平均温度，℃。

液氮从罐车经过空气蒸发器时已经进行了一次换热，经过升温装置时吸收热量按60%计，则有效换热面积F有= 74807×60%÷0.85÷14.7÷3600×4.7≈4.7 m2。

据此，选用DN273、DN50管材，钢板，现场焊接制作升温装置。

根据式（2）：

（2）

式中S为传热面积（S≈F），m2;D为管径，mm;L为管长度，m;n为管束数量。

DN50管材每根长度均为6 m，计算所需管束量为：n=F/ DL=4.70÷（3.14×0.05×6）≈5 根。现场选用5根DN50钢管在φ273 mm管材内往复连接，组成升温装置管程。

3.2升温装置应用效果

在施工现场液氮增加升温装置后的作业流程中，高庙219干气、高庙273湿气、老爷庙联合站—集输干线阀室219联络线在停输、氮气吹扫置换过程中，均使用了该升温装置。液氮从蒸发器出口通过DN50钢管（管程）与站内热水进行换热，壳程进水温度45℃，回水温度35℃，氮气进入管道温度为36～40 ℃，液氮汽化量达到600 m?/h以上，置换速度达到3～5 m/s，三条输气管线总置换时间由原来的15 h（氮气总用量为3000m?，汽化量200 m?/h）实际缩短到5.8 h（汽化量600 m?/h）。三条输气管线在氮气吹扫置换后经检测合格，有效确保了施工进度，提高了管线切改换管作业安全系数。

4.结束语

施工作业通过加装简易升温装置使液氮汽化量达到了施工技术要求，同时提高了汽化后的氮气温度。简易升温装置利用常见管材焊接制作，简单、便捷、成本较低。用于置换作业过程，提高了置换效率，同时为后续换管施工作业提供了安全保障，实际使用效果良好，可推荐应用于冬季切改换管置换作业中。

参考文献

[1]  梁平.天然气操作技术与安全管理[M].北京：化学工业出版社，2012.

[2]  杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006.