基于海洋工程中氮气置换混合气体分析研究

李建永 洪龙飞 许 军 崔德光 陈 娟

（1．海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2．深圳海洋工程技术服务有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

由于氮气稳定性高、价格低廉且容易获取，因此常被选为置换混合气体的中间介质。在工程实际应用中，现场施工团队凭借多年的经验，通常在管道中注入管道体积2倍到3倍的氮气量来进行混合气体置换。这些氮气足够将管道中的混合气体完全置换出来，使管道中的天然气避开爆炸极限。但是这种大量氮气的注入会导致人力、物力和时间成本的浪费，大幅提高了项目成本。

1 混合气体置换的运动形式

当氮气注入管道中时，其与管道中的混合气体融合，在融合的界面存在浓度差，这种浓度差会导致质量的不均匀扩散。质量的不均匀扩散分为涡流扩散、分子扩散和弥散。弥散是最激烈的运动方式，分子扩散是最温和的运动方式，弥散会比分子扩散大5个量级。由分子扩散和弥散共同作用所形成的混合称为层流。由分子扩散、弥散和涡流扩散共同作用形成的混合称为湍流。层流的运动方式使整个混合气体接触面加长，从而延长了混合气体置换完全的路程[2]。为了尽量缩短混合气体置换的管道段长度，该文均假设混合气体运动方式为湍流。

2 海洋工程案例介绍

2.1 工程项目

该文结合真实的工程实例，运用真实的工程数据和环境，通过设定模型、建立边界条件和计算方程，求解后得出了置换特定长度管道中的混合气体需要注入的氮气量，使管道中的混合气体量可以避开天然气的爆炸极限。该文基于我国南海某深海项目，根据该项目要求，管道中天然气含量达到98%以上才可以投产，这是达到氮气置换混合气体成功的标准。该文均假设混合气体为单一气体，即氧气。依据该标准，需要使管道中氧气的体积含量低于2%[3]。

该文涉及的南海深水项目位于我国南海北部的琼东南盆地，该区域水深1220m～1560m。根据该项目介绍，由海底生产系统将采集到的天然气通过管道输送至中心半潜平台，经过加工处理后由一根0.6m的外输海管输送到陆地接收站。该项目水下生产系统包括多个管汇和SCR立管，其中产生的凝析油通过水下管汇经SCR立管输送至中心半潜平台，处理后储存至该半潜平台的储罐中，将凝析油经油轮或者FPSO运走。

2.2 氮气置换混合气体的过程

2.2.1 清管器的介绍和选取

在进行海管氮气置换混合气体的过程中须用到清管器。在工程项目中清管器的主要作用是在海管中移动，清管器和管道之间存在良好的密封性能，通过海管中的生产物、中间介质或者气体等推动清管器顺着海管方向向前移动，带动管道中的气体、铁屑和杂质等顺着海管流出。整个清管器系统一般包括发球筒、收球筒、清管器以及其他附件等。其中清管器按照形状分为线型清管器和唇边清管器。按照使用功能分为清管球、泡沫清管器、机械清管器、测径清管器和智能清管器。清管球分为空心球和实心球两种。空心清管球上有注水排气单向阀，通过单向阀向空心清管球中注入液体介质使空心清管球发生体积变化，从而达到球体与管道密封的过盈量，一般过盈量为海管内径的2%～5%。泡沫清管球主要用于吸收管道内的剩余液体，发挥干燥的作用。机械清管球内壁可以配有钢刷或者刮板来增强清管效果。测径清管球可以测量海管的尺寸数据、椭圆度以及焊缝渗透性等海管的基础数据。智能清管球集多功能于一身，不仅能进行数据采集和海管基础尺寸测量，还能进行海管内蜡沉积、金属裂变和金属腐蚀等测量。在真实的海洋工程应用中，由于海底管道环境复杂，真实情况难以确定，海管预调试的过程时间长、复杂程度高，因此一般运用多个不同功能的清管器协调配合，在不同时间由发球筒发出不同类型的清管器，在这个过程中需要考虑发出清管器的种类和发出时机，以及该清管器与管道中的何种介质接触、管道中的干燥程度、压力和锈蚀程度等因素，谨慎选取合适的清管器进行发球，防止清管效果不理想甚至清管器卡塞在管道中导致更严重的后果。

清管器的选取需要考虑很多因素：1）须考虑清管器的工作环境。清管的介质会影响清管器的选取，当管道中生产物是天然气或者凝析气时，清管须考虑生产物气体的爆炸极限，应当将管道中的混合气体降低到生产气体爆炸极限之外；2）管道的影响因素。清管器在海管中向前推动介质运动，需要考虑管道的基础数据，包括但不限于管道的内径、管道的材质、管道的弯头、曲率和锈蚀等因素。当管道中的生产物是原油或凝析油时，液体生产物对管壁存在长时间的侵蚀，管壁会产生大量的锈蚀甚至锈块，导致局部管壁臂径发生明显变化，在这种工况下，可以考虑选取机械清管球内装钢刷或者直板来清除比较硬的固体杂质；3）清管过程的因素。在进行发球清管的过程中，需要考虑发球压力、管道内压力、清管球能承受的压力以及是否需要进行数据回传和记录等问题；4）清管的长度因素。如果进行长输管道的清管，一条海底管道长度可以达到300km以上，须考虑清管器是否具备良好的耐磨性和机械强度，能否满足长时间、长输管道的清管要求，能否确保其始终保持良好的密封效果。

综合考虑该项目的真实工况和清管器的选取因素，将磁力清管球作为清管工具。该磁力清管球结构简单、造价低、通过性高。球体整体由聚氨酯材料制成，可工作温度范围为-30℃～110℃，邵氏硬度为85HA，密封过盈量为3%，在管道内运行的压差为0.393MPa。通过磁力清管球可以将管道中的铁屑杂志吸附带走，且该类型清管球表面耐腐蚀，可以在多种介质环境下稳定运行，不会因为表面受到多种液体侵蚀而丧失密封性。

2.2.2 外输海管参数介绍

海管设计寿命为30年，海管总长度为94.646km，深水处海管外径为457mm，管壁厚25.4mm。浅水处海管外径为447.4mm，管壁厚20.6mm。该海管材质等级为API 5L×65 SAWL和API 5L× 65 SMLS。其他关键参数见表1。

表1 海管参数和排水参数表

2.2.3 预调试过程介绍

该文研究该项目中一条0.6m外输海管中的氮气置换混合气体的过程。在该0.6m外输海管氮气置换混合气体前需要做海底管道的预调试工作，氮气置换混合气体是预调试工作中的关键部分。首先在该管道中注入化学药剂和染色的海水，通过磁力清管球推动化学药剂和染色的海水在管道中向前流动来祛除管道中多余的铁屑等杂质。其次在管道中通入干净的饮用水，通过磁力清管球向前推动，祛除管道中的剩余铁屑等杂质以及第一次注入的剩余海水。通入干净的饮用水非常重要，需要彻底将管道中的海水排出管道，防止管道中剩余的海水侵蚀管道壁。为了达到良好的干燥效果，在管道中连续3次注入MEG（乙二醇）并且分别通过磁力清管球进行推动，通过3次MEG的冲刷，可以将管道中剩余的纯净饮用水彻底排出海管，达到干燥海管的目的。第4次需要注入染色的MEG，通过磁力清管球进行推动，方便显示该清管球的位置。然后注入一定量体积的氮气，通过磁力清管球的推动来进行惰化。经过一定量氮气的惰化后，海管中大量的气体杂质被排出海管。最后在管道中持续注入氮气，使管道中一系列的清管球持续被推动向前进行排水、干燥和惰化作业，直到整个管道中的所有清管球从出口排出，完成所有的预调试工作。

3 理论求解

3.1 管道模型的假设

设定管道内空气为单一气体即氧气。管道为长度94.646km、均质分布壁厚0.04m的空心柱状物。当注入氮气进行置换时，氧气与氮气混合后会发生传质现象[4]。由于该文为了简化建立模型且运动为湍流，速度在管径方向分布较为均匀，因此只考虑沿垂直管径截面方向上的运动。设定氮气进入管道与管道中的氧气刚接触后的极短距离为模型的初始入口，设定氮气与氧气在管道中充分混合后，氮气将氧气从管道中完全排出前的极短距离为模型的出口。只考虑管道径向截面垂直方向上的速度变化和浓度变化，不考虑其他方向上的浓度梯度和速度梯度。设定氮气为连续均匀从模型入口注入，氧气为连续均匀从模型出口排出。

3.2 管道模型的建立

由流体力学和工程热力得出基于该模型的一维偏微分方程，如公式（1）所示[5]。

式中：c为两种混合气体的质量浓度；t为氮气置换混合气体的时间；u为混合气体运动方向上的速度；x为氮气置换混合气体方向上运动的距离；k为气体分子扩散系数；L为氮气置换混合气体长度。

基于该文中的已给条件和假设，对该偏微分方程进行整理简化后得到公式（2）。

整理后的方程是在已知混合气体置换速度u和气体扩散系数k的条件下，可以求出在任意时刻和任意置换距离的气体质量浓度的误差补偿方程。基于已经给出的条件可知，求出扩散系数是求解方程的关键。

3.3 模型求解分析

根据上文所述，当求解上述误差补偿方程时，求解扩散系数是关键。但是在实际工程应用中没有规定具体方法求解该系数。根据传热学和工程热力学中求解对流扩散系数的方法，该文依次运用了Taylor扩散系数求解方法、Taylor-CW扩散系数求解方法和GRI扩散系数求解方法，并对比分析这3种求解方法得到的扩散系数，选取一种更适合实际工况且能够降低实际工程成本和时间的结果作为扩散系数。根据上文，因为层流工况会导致置换混合气体长度增加，所以当求解扩散系数时，均考虑在湍流工况下的扩散[5]。

方法一：Taylor 扩散系数及求解。

建立Taylor 湍流扩散方程，如公式（3）所示。

式中：k1为Taylor湍流扩散系数；d为管道直径；um为圆管截面的主体平均流速；Re为雷诺数（3×104≤Re≤106）。

由已知条件可知，d=0.4474m，um=2.5m/s，Re=82309.4189，代入公式可得公式（4）。

方法二：Taylor-CW湍流扩散系数及求解。

采用Taylor-CW湍流扩散系数建立Taylor-CW湍流扩散方程，如公式（5）所示。

式中：k2为Taylor-CW湍流扩散系数；f为摩擦因数；r为管道半径；um为圆管界面的主体平均流速。

由已知条件可得，f=0.01886，r=0.2031m，代入公式求得k2=0.498m2/s。

方法三：GRI湍流扩散系数及求解。

利用GRI湍流扩散系数进行求解，设置施密特数为1.0，对应Sc=1的曲线，建立GRI湍流扩散方程，如公式（6）所示。

式中：k3为GRI湍流扩散系数；Re为雷诺数（3×104≤Re≤106）；v为置换流速；d为管道直径。

由已知条件可得，Re=82309.4189，v=2.5m/s，d=0.4474m，代入公式求得k3=0.183m2/s。

3.4 结论

由上述计算分析得出，Taylor湍流系数法大于Taylor-CW湍流系数法大于GRI湍流系数法。根据公式（2）得到公式（7）。

式中：设Lm为混合气体置换长度，即x；L为管道长度。在工程实际应用中，为了实现混合气体置换长度最短的目标，根据公式可知，当扩散系数越小时，混合气体置换的长度越小[6]。经过对比3种求解扩散系数方法，最终选取GRI湍流扩散系数即k=0.183m2/s作为扩散系数。

根据实际工程要求，该项目要求混合气体中氧气浓度为2%、天然气浓度为98%才能符合混合气体置换天然气投产的要求。根据误差补偿系数和氧气浓度对照表（表2）可知，当氧气浓度为2%时，对应的误差补偿系数erf-1（2c-1）=1.452。将K=0.183 m2/s，L=94646m，D=0.4474m代入公式可得Lm=511.271m。由此可知氮气置换混合气体段长度为511.271m，通入氮气体积Vn如公式（8）所示。

表2 互补误差系数与浓度对应表

设定安全系数为1.3能够保证现实工程安全可靠，达到完全置换混合气体的效果。最终需要注入的氮气体积为Vn=66.255m3×1.3=86.1315m3。

4 总结

该文根据现实工程数据，研究分析了长输管道运输、管道混合气体置换投产、混合气体扩散的种类、管道预调试过程以及氮气置换混合气体长度计算等问题。除此之外，研究了氮气置换混合气体长度的影响因素，包括但不限于管道弯头数量、管道粗糙程度、注入氮气量以及氮气注入置换速度等，这些影响因素在该文中不做详细分析[6]。该文通过模拟真实工程实例，基于真实工程数据，可以精确计算实际工程中氮气置换混合气体的使用量，为很多海洋工程应用和海洋工程研究提供了一种计算参考方法。