小管徑天然氣管道封堵動(dòng)火作業(yè)新技術(shù)

李浩玉，王喜娟，王春艷

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

小管徑天然氣管道封堵動(dòng)火作業(yè)新技術(shù)

李浩玉，王喜娟，王春艷

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

氮?dú)庵脫Q動(dòng)火技術(shù)因操作規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)控制嚴(yán)格、安全等級(jí)極高，常用于氣田管道動(dòng)火作業(yè)，但投運(yùn)后的天然氣管道中除含大量甲烷外還含少量凝析油和游離水，導(dǎo)致氮?dú)庵脫Q動(dòng)火作業(yè)存在困難，管道內(nèi)無(wú)法置換干凈的凝析油因揮發(fā)導(dǎo)致置換作業(yè)周期延長(zhǎng)、成本增加。通過(guò)將研制成功的天然氣管道新型封堵劑 （固水乳化劑）及小管徑冷凍封堵工藝和設(shè)備，與氣田現(xiàn)用置換動(dòng)火技術(shù)結(jié)合，有效地縮短小管徑天然氣管道置換動(dòng)火作業(yè)周期，降低作業(yè)成本，確保氮?dú)庵脫Q動(dòng)火作業(yè)更經(jīng)濟(jì)、更安全、更實(shí)用。

天然氣管道；小管徑；氮?dú)庵脫Q；動(dòng)火作業(yè)；凝析油；固水乳化劑

0 引言

天然氣管道運(yùn)行中，內(nèi)部含大量甲烷，該化合物無(wú)色、無(wú)味、易燃、易爆，爆炸極限5%～15%。國(guó)內(nèi)外氣田為確保天然氣管道動(dòng)火作業(yè)安全可靠，常選用置換動(dòng)火技術(shù)、微正壓不置換動(dòng)火技術(shù)、安全封堵動(dòng)火技術(shù)等，其中氮?dú)庵脫Q動(dòng)火技術(shù)因具有技術(shù)操作規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)控制嚴(yán)格、安全等級(jí)極高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際置換動(dòng)火作業(yè)中，原來(lái)置換合格的天然氣管道因內(nèi)部存在的凝析油揮發(fā)導(dǎo)致動(dòng)火焊接作業(yè)中變?yōu)橹脫Q條件不合格，需停止焊接重啟氮?dú)庵脫Q，直至條件合格后方可繼續(xù)動(dòng)火，這就延長(zhǎng)了動(dòng)火作業(yè)周期，增加了動(dòng)火作業(yè)成本。

現(xiàn)有安全封堵動(dòng)火技術(shù)是當(dāng)動(dòng)火點(diǎn)遠(yuǎn)離閥門(mén)時(shí)，為有效減少油氣泄漏、確保動(dòng)火環(huán)境安全而采用的管道內(nèi)局部封堵動(dòng)火的技術(shù)。該技術(shù)可截?cái)喙艿纼?nèi)的油氣流，把帶油動(dòng)火變成無(wú)油動(dòng)火，常用于站場(chǎng)改線、管道交錯(cuò)走向不明等情況。

安全封堵動(dòng)火技術(shù)有不同的分類(lèi)方法：一是按物理機(jī)械手段分為懸掛式封堵動(dòng)火、桶式封堵動(dòng)火、折疊式封堵動(dòng)火等；二是按管道內(nèi)介質(zhì)是否流動(dòng)分為停輸封堵動(dòng)火和不停輸封堵動(dòng)火；三是按照封堵形態(tài)分為囊式封堵動(dòng)火、盤(pán)式封堵動(dòng)火、筒式封堵動(dòng)火、黃油墻封堵動(dòng)火和冷凍封堵動(dòng)火。目前現(xiàn)有此類(lèi)封堵動(dòng)火技術(shù)最高承壓0.2～0.8 MPa，結(jié)合天然氣管道內(nèi)因凝析油揮發(fā)致使動(dòng)火管道壓力增高的現(xiàn)狀，需研發(fā)承壓更高的管道封堵劑，以確保置換動(dòng)火更安全、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。

1 小管徑天然氣管道封堵動(dòng)火新技術(shù)

針對(duì)天然氣管道氮?dú)庵脫Q動(dòng)火過(guò)程中因內(nèi)部無(wú)法置換干凈的凝析油揮發(fā)導(dǎo)致作業(yè)周期延長(zhǎng)、成本增加的弊端，特研制出適用于氣田含凝析油管道的新型封堵劑及小管徑冷凍封堵工藝和設(shè)備。

1.1 封堵劑性能試驗(yàn)

在氣田管道封堵作業(yè)時(shí)，考慮管道傾斜、水流動(dòng)性較大等情況，向管道內(nèi)注水實(shí)現(xiàn)冷凍封堵的困難較大，因此需要研制一種固水乳化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)管道冷凍封堵。

用高壓氮?dú)馄?（壓力16 MPa）出口的壓力控制閥給填充封堵劑的密閉工作筒加壓，驗(yàn)證封堵劑的承壓、耐壓及解壓等性能，工作筒選用D 60～114mm等四種規(guī)格管子。封堵劑試驗(yàn)見(jiàn)圖1。

1.1.1 固水乳化劑的性能

根據(jù)定性試驗(yàn)結(jié)論，固水乳化劑應(yīng)有較強(qiáng)的保水性，冷凍后有良好的強(qiáng)度和密封性，解凍后能恢復(fù)原來(lái)的膏狀體且易溶于水。通過(guò)了解化學(xué)試劑性質(zhì)和大量室內(nèi)試驗(yàn)，最終選取的材料是：滑石粉、乳膠粉、水等。此固水乳化劑承壓＞2.5 MPa，耐壓時(shí)間＞3 h（若保持封堵劑的冷凍環(huán)境，則承壓和耐壓時(shí)間可任意延長(zhǎng)），加熱后易破碎 （或溶解），殘?jiān)軌蛟诜蛛x器分離出，不影響管道正常運(yùn)行。

1.1.2 固水乳化劑的解凍時(shí)間

通過(guò)性能試驗(yàn)來(lái)確定固水乳化劑解凍所需時(shí)間。采用D 114 mm×12 mm、D 89 mm×10 mm、D 76 mm×9 mm、D 60 mm×8 mm的四種規(guī)格天然氣管作為工作筒，分別取800、500、300、200 mL的固水乳化劑，將其冷凍固化后在不同的溫度下解凍，統(tǒng)計(jì)解凍時(shí)間，見(jiàn)表1。

表1 不同劑量固水乳化劑的解凍時(shí)間/min

試驗(yàn)數(shù)據(jù)線性擬合公式如下：

（1） 800 mL： y=-1.010 7 x+141.32

（2） 500 mL： y=-0.803 6 x+112.54

（3） 300 mL： y=-0.739 3 x+97.75

（4） 200 mL： y=-0.785 7 x+97.714

式中： x為加熱溫度，y為解凍時(shí)間。應(yīng)用以上擬合公式可以對(duì)固水乳化劑的解凍時(shí)間做小范圍的估計(jì)，具有一定參考價(jià)值。

1.2 封堵工藝試驗(yàn)

1.2.1 封堵工藝操作步驟

有吹掃冷流體封堵和包裹低溫介質(zhì)封堵兩套封堵工藝，其操作步驟如下。

1.2.1.1 吹掃冷流體封堵工藝

該工藝是用冷流體 （如液態(tài)二氧化碳等）吹管道外壁來(lái)實(shí)現(xiàn)固水乳化劑冷凍封堵的工藝，可通過(guò)以下冷凍設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖2。

操作步驟如下：

（1）測(cè)算出管道焊接熱影響區(qū)長(zhǎng)度L，組裝可拆分?jǐn)y帶的推塞17、推桿15、手柄16，將配制好的固水乳化劑10和兩側(cè)的可溶性支紙板9依次放入管道內(nèi)，并用推塞17推入距管道焊接切口8的2 L處。

（2）將保溫夾套3包裹在管道1內(nèi)填充固水乳化劑對(duì)應(yīng)的外壁位置處，注意用扎帶2捆扎保溫夾套兩端，在保溫夾套與輸氣管道之間留有一定的換熱間隙。

（3）用導(dǎo)氣管12將冷流體瓶13和馬牙氣嘴11連接起來(lái)，用導(dǎo)氣管7接于馬牙氣嘴6上，導(dǎo)氣管7另一端接入焊接切口8處，將冷氣導(dǎo)入管道中提高冷凍效率，打開(kāi)冷流體瓶氣閥，導(dǎo)入冷流體，合理控制冷流體出口的流量調(diào)節(jié)閥，確保冷卻溫度不低于管材的適用溫度。

（4）當(dāng)固水乳化劑變成固體時(shí)，將導(dǎo)氣管7從焊接切口處的一端移出，檢測(cè)可燃?xì)鉂舛?，合格后?shí)施安全隔離、動(dòng)火焊接等作業(yè)，同時(shí)確保動(dòng)火焊接時(shí)繼續(xù)向保溫夾套3與管道1間通入一定量的冷流體，維持固水乳化劑冰凍的狀態(tài)。

（5）動(dòng)火焊接完畢后，向保溫夾套3與管道1間通入熱介質(zhì) （如熱水），或用加熱帶纏繞于管道冷凍部位，使固水乳化劑解凍恢復(fù)原膏狀體，待管道運(yùn)行時(shí)在分離器中分離出。

1.2.1.2 包裹低溫介質(zhì)封堵工藝

這是在保溫夾套與管道間裹上低溫介質(zhì) （如干冰）來(lái)實(shí)現(xiàn)固水乳化劑冷凍封堵的工藝，冷凍設(shè)備和第一套方案相同，但保溫夾套與管道間不是通入冷流體，而是包裹低溫介質(zhì)干冰來(lái)實(shí)現(xiàn)冷凍，部分設(shè)備見(jiàn)圖3。

操作步驟與上述吹掃冷流體封堵工藝除了步驟（2）、（3） 外基本相同， 步驟 （2）、（3） 更替為： 在保溫夾套3內(nèi)填充適量的低溫介質(zhì)干冰，確保冷卻溫度不低于管材的適用溫度；后將其包裹在管道1內(nèi)填充固水乳化劑對(duì)應(yīng)的外壁位置，注意用扎帶2捆扎保溫夾套兩端。

1.2.2 管道焊接熱影響區(qū)的確定

管道動(dòng)火作業(yè)時(shí)常采用氬弧焊和電焊，焊接瞬時(shí)溫度1 500～3 000℃，在焊接熱循環(huán)的作用下，熱影響區(qū)的組織分布是不均勻的，熔合區(qū)和過(guò)熱區(qū)將出現(xiàn)嚴(yán)重的晶粒粗化，是整個(gè)焊接接頭的薄弱地帶。管道焊接熱影響區(qū)示意見(jiàn)圖4。

用ANSYS計(jì)算分析軟件模擬管道焊接熱影響區(qū)。模擬時(shí)設(shè)定筒體材料為20#碳素鋼，焊縫材料假定與母材相同，筒體外徑60 mm，內(nèi)徑52 mm，壁厚4 mm，長(zhǎng)度250 mm，同時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定焊接條件：電流250A，焊接電壓24 V，焊接速度1.5 m/h，輸入熱能效率0.76，設(shè)定單道焊、環(huán)向焊縫。分析模型見(jiàn)圖5（a），為簡(jiǎn)化模型，除了環(huán)向焊縫處加以1 500℃的溫度，其他全部按夏季現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度40℃加邊界條件，則可將瞬態(tài)分析轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)分析，此穩(wěn)態(tài)也是一個(gè)極限狀態(tài)，可得管道焊接熱影響區(qū)的最大范圍。結(jié)果見(jiàn)圖5（b）。

由圖5（b）可看出：在極限狀態(tài)下管道焊接熱影響區(qū)沿軸向很小，僅為200 mm。

再依次對(duì)D 60 mm×8 mm、D 76 mm×9 mm、D 89 mm×10 mm、D 114 mm×12 mm等四種規(guī)格的小管徑采氣管道進(jìn)行上述分析，最終確定管道的焊接熱影響區(qū)為200 mm。

1.2.3 管材的適用溫度

氣田管道常采用20#鋼，化學(xué)成分及含量為：C（0.17%～0.24%）、Si（0.17%～0.37%）、 Mn（0.35%～0.65%）、 S （≤0.035%）、 P （≤0.035%）、Cr（≤0.25%）、 Ni（≤0.25%）。 GB 50316-2008《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于20＃鋼的中低壓管道，其適用溫度為-20～350℃。所以在固水乳化劑的冷凍封堵工藝中，冷卻溫度不能低于-20℃。

1.3 綜合試驗(yàn)

用不同規(guī)格的氣田管道做工作體來(lái)驗(yàn)證固水乳化劑的冷凍封堵性能。

1.3.1 D 60 mm×8 mm管道的吹掃冷流體封堵

（1）試驗(yàn)物品：固水乳化劑、保溫夾套、冷流體 （液態(tài) CO2）。

（2）試驗(yàn)步驟：先測(cè)算出該管道焊接熱影響區(qū)L為200 mm，然后按文中吹掃冷流體封堵工藝步驟進(jìn)行試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)見(jiàn)圖6。

（3）試驗(yàn)結(jié)果：在冷凍過(guò)程中記錄液態(tài)CO2瓶壓力、減壓閥出口壓力、冷凍夾套內(nèi)的溫度及封堵壓力，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 D 60 mm×8 mm管道吹掃冷流體封堵試驗(yàn)記錄

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)軸中描出，進(jìn)行擬合處理，見(jiàn)圖7。在固水乳化劑冷凍后，將減壓閥壓力（封堵壓力）調(diào)至2.5 MPa，保溫夾套內(nèi)溫度維持在0℃以下，恒溫，則在超過(guò)1 h時(shí)仍可完全實(shí)現(xiàn)封堵壓力2.5 MPa；液態(tài)CO2消耗量為1.5瓶，約7.5 kg。

1.3.2 D 76 mm×9 mm管道的吹掃冷流體封堵

（1）試驗(yàn)物品：固水乳化劑、保溫夾套、冷流體 （液態(tài) CO2）。

（2）試驗(yàn)步驟：先測(cè)算出該管道焊接熱影響區(qū)L為200 mm，然后按文中吹掃冷流體封堵工藝步驟進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）試驗(yàn)結(jié)果：在冷凍過(guò)程中記錄下液態(tài)CO2瓶壓力、減壓閥出口壓力、冷凍夾套內(nèi)溫度及封堵壓力，結(jié)果見(jiàn)表3。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)軸中描出，進(jìn)行擬合處理，見(jiàn)圖8。在固水乳化劑冷凍后，將減壓閥壓力 （封堵壓力）調(diào)至2.5MPa、保溫夾套內(nèi)溫度維持在0℃以下、且恒溫，則在超過(guò)1h時(shí)仍可完全實(shí)現(xiàn)封堵壓力2.5MPa；液態(tài)CO2消耗量為3.5瓶，約17.5kg。1.3.3 D 89 mm×10 mm管道的包裹低溫介質(zhì)封堵

表3 D 76 mm×9 mm管道吹掃冷流體封堵試驗(yàn)過(guò)程記錄

（1）試驗(yàn)物品：固水乳化劑、保溫夾套、低溫介質(zhì) （干冰）。

（2）試驗(yàn)步驟：先測(cè)算出該管道焊接熱影響區(qū)L為200 mm，然后按文中包裹低溫介質(zhì)封堵工藝步驟進(jìn)行試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)見(jiàn)圖9。

（3）試驗(yàn)結(jié)果：在冷凍過(guò)程中記錄下冷凍夾套內(nèi)的溫度及封堵壓力，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

將表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)軸中描出，進(jìn)行擬合處理，見(jiàn)圖10。

表4 D 89 mm×10 mm管道吹掃冷流體封堵試驗(yàn)記錄

在固水乳化劑冷凍后，將減壓閥壓力 （封堵壓力）調(diào)至2.5 MPa、保溫夾套內(nèi)溫度維持在-40℃以下，則在4.3h時(shí)仍可完全實(shí)現(xiàn)封堵壓力2.5 MPa，干冰消耗量為2kg。

1.3.4 D 114 mm×12 mm管道的包裹低溫介質(zhì)封堵

（1）試驗(yàn)物品：固水乳化劑、保溫夾套、低溫介質(zhì) （干冰）。

（2）試驗(yàn)步驟：先測(cè)算出該管道焊接熱影響區(qū)L為200 mm，再按文中包裹低溫介質(zhì)封堵工藝步驟進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）試驗(yàn)結(jié)果：在冷凍過(guò)程中，記錄下冷凍夾套內(nèi)的溫度及封堵壓力，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)軸中描出，進(jìn)行擬合處理，見(jiàn)圖11。

在固水乳化劑冷凍后，將減壓閥壓力 （封堵壓力）調(diào)至2.5 MPa、保溫夾套內(nèi)溫度維持在-40℃以下，則在超過(guò)5.3 h時(shí)仍可完全實(shí)現(xiàn)封堵壓力2.5 MPa；干冰消耗量2kg。

表5 D 114 mm×12 mm管道吹掃冷流體封堵試驗(yàn)記錄

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

（1）成功研制管道封堵劑——固水乳化劑，能在冰凍狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)2.5 MPa的封堵壓力，且封堵時(shí)間在1～4.5 h，確保在氣田含凝析油系統(tǒng)動(dòng)火焊接時(shí)完全隔離管道內(nèi)油氣流，同時(shí)加熱后易破碎 （或溶解），殘?jiān)軌蛟诜蛛x器分離出，不影響管道正常運(yùn)行。

（2）確定了冷凍封堵技術(shù)為吹掃冷流體封堵技術(shù)。從對(duì)管材應(yīng)力影響角度分析，吹掃冷流體封堵技術(shù)的冷卻溫度-13～-1℃，包裹低溫介質(zhì)封堵技術(shù)的冷卻溫度-62～-39℃，而氣田管道常用的20#鋼適用溫度-20℃～350℃；從冷卻溫度的控制方面分析，吹掃冷流體封堵技術(shù)的冷卻溫度可通過(guò)冷流體出口的流量調(diào)節(jié)閥精確控制，而包裹低溫介質(zhì)封堵技術(shù)的冷卻溫度只能通過(guò)保溫夾套內(nèi)干冰存儲(chǔ)量來(lái)控制，無(wú)法精確調(diào)控。

2 吹掃冷流體封堵技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用步驟

（1）確定控制閥門(mén)，截?cái)鄤?dòng)火管道的上下游，并放空管道。

（2）確定氮?dú)庾⑷肟诤团欧趴冢瑥膭?dòng)火管道的一端開(kāi)始用氮?dú)庵脫Q管道內(nèi)的天然氣，同時(shí)多處設(shè)立可燃?xì)鉂舛葯z測(cè)點(diǎn)，當(dāng)檢測(cè)到可燃?xì)鉂舛鹊陀诒ㄏ孪薜?0%時(shí)置換合格。

（3）用絕緣物卡開(kāi)動(dòng)火管段上下游，用機(jī)械切割管道的動(dòng)火部位。

（4）為防止隨時(shí)間推移已置換合格的動(dòng)火管道因內(nèi)部凝析油的揮發(fā)造成置換不合格，從而阻止動(dòng)火作業(yè)進(jìn)行的情況發(fā)生，特在動(dòng)火部位的上下兩端約管道焊接熱影響區(qū)2倍的位置處，各填充本項(xiàng)目研制的管道封堵劑，應(yīng)用吹掃冷流體封堵技術(shù)對(duì)動(dòng)火部位的上下游實(shí)施冷凍封堵。

（5）管道動(dòng)火完成后，應(yīng)用吹掃熱流體封堵技術(shù)對(duì)封堵劑進(jìn)行解凍。

（6）選擇氮?dú)庾⑷肟冢瑥膭?dòng)火管道的一端開(kāi)始用氮?dú)庵脫Q管道內(nèi)的混合氣體，同時(shí)多處設(shè)立可燃?xì)鉂舛葯z測(cè)點(diǎn)，當(dāng)檢測(cè)氧氣濃度低于5%時(shí)置換合格。

（7）按照操作規(guī)程投運(yùn)管道。

3 結(jié)束語(yǔ)

天然氣管道新型封堵劑及小管徑冷凍封堵工藝和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了小管徑天然氣管道在動(dòng)火焊接時(shí)完全隔離管道內(nèi)油氣流，消除了管道內(nèi)無(wú)法置換干凈的凝析油對(duì)動(dòng)火作業(yè)的安全隱患，且封堵承壓＞2.5 MPa，耐壓時(shí)間＞3 h。

新型封堵劑適用于任何管徑的含凝析油管道，封堵工藝和設(shè)備僅適用于D≤114 mm的小管徑管道。需進(jìn)一步開(kāi)展大管徑管道封堵工藝試驗(yàn)，必要時(shí)完善封堵劑。

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New Hot Work Technique for Small Diameter Gas Pipeline Blockage

LI Hao-yu（No.2 Gas Extraction Factory of PetroChina Changqing Oilfield Co.,Ltd.,Yulin 719000,China）,WANG Xi-juan,WANG Chun-yan

Nitrogen replacement technique is widely used in the hot work of gas pipelines because of its standard operating procedures,strict control specifications and high safety level.However,after putting a gas pipeline into operation，there is a small amount of condensate oil and free water in addition to large amounts of methane in the pipeline,which could lead to difficulty for the hot work with nitrogen replacement.Condensate oil in the pipeline can’t be replaced completely and residual condensate oil will volatilize leading to replacement operation period extended and cost increased.By combining the use of the developed new blockage agent （water fixation emulsifier） and the process and equipment for freeze coagulation blockage of small diameter pipeline with the available replacement technique for hot work,the operational period and cost of hot work for small diameter pipeline will decreased effectively and the hot work will be more economical,safer and more practical.

natural gas pipeline;small pipe diameter;nitrogen replacement;hot work;condensate oil;water fixation emulsifier;small diameter

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.014

李浩玉 （1975-），男，甘肅鎮(zhèn)原人，工程師，2002年畢業(yè)于西安石油大學(xué)，從事天然氣開(kāi)采集輸工作。

2011-01-13