天然氣長輸管道儲氣升壓平衡干燥工藝

安治國

（中國石油天然氣管道局國內事業部，河北廊坊 065000）

0 引言

天然氣管道建設施工中，站間干燥作為施工的最后一道工序，其主要作用是清除試壓后管道內的殘留水，這對于管道的安全投產起著至關重要的作用。如果管道內存有積水，不僅使管道內壁 （如焊道）產生腐蝕，還可能與所輸天然氣中的雜質 （如H2S、CO2）生成水合物，水合物越積越多，最終可能導致堵塞，影響管道的正常運行，甚至造成管道癱瘓。

西氣東輸二線管道工程東段施工過程中，受多種因素的影響，管道安裝工期被多次壓縮，對關鍵線路關鍵工序產生很大影響。對于一些控制性工程，如隧道、定向鉆，受空間和地質等不確定因素影響，難以采用增加人力、設備資源等趕工措施，使得管道干燥工序的施工時間沒有調整的空間。

經過研究分析，決定采用以截斷閥室為節點，對未連通段兩端相鄰段先期分段干燥，然后利用截斷閥門關斷對已干燥完管段進行儲氣升壓，待整體貫通后利用儲氣壓力對未干燥段進行吹掃干燥，以達到露點要求的施工方法。該干燥工藝在西二線東段輸氣工程中進行實施，既有效地保證了干燥質量，又縮短了施工周期，保證了按期投產，取得了良好的實施效果。

1 儲氣升壓平衡干燥的基本原理

儲氣升壓干空氣干燥主要是利用低露點空氣對管道進行低壓連續吹掃，使殘留在管道內壁及低洼處的水以水蒸氣的形式進入干空氣，并隨著干空氣排出的過程。管道內水汽壓力與外部輸入干空氣的水汽壓力之間的差值越大、管道內水氣化的動力越大，氣化速度越快。進入管道內的干空氣的露點越低，則含水量也越低，管道內干燥動力越大。注入管內的干空氣壓力越高、流量越大，干空氣在管道內流動速度越快，則管道干燥速度越快。干燥時間越長，干燥效果越好。

管道內殘余水被干空氣干燥的過程是吸熱過程，熱源來自管道周圍的大地，通過管壁傳導，水分子獲得足夠熱量，轉化為分子動能，在干空氣內低壓水汽的壓力差值驅動下，進入干空氣。因此，干燥的速度和質量與干空氣的露點、流量有很大關系。

在西氣東輸二線管道工程中，管道干燥的驗收標準是管道末端出口處空氣露點不高于-20℃，注入干空氣的露點不高于-40℃。

2 儲氣升壓平衡干燥工藝的應用

在西氣東輸二線東段工程江西段施工中，由于隧道、河流采用不同規格的管材，管道施工的工序安排也有不同，因此對管道的整體貫通產生很大影響，致使管道站間不能按期貫通，因工期緊迫，若等貫通后再進行干燥則干燥周期根本無法保證。

針對不能實現正常站間貫通干燥的情況，決定將臨近的截斷閥室作為節點進行站間分段干燥，采用儲氣升壓平衡干燥工藝進行干燥，以解決工期緊迫的問題。

在管道待干燥段無法正常貫通時，在相鄰具備條件的施工段先期進行干燥，然后封存升壓，當待干燥段貫通后再進行平壓吹掃以達到露點要求；若因各種因素的影響，儲存壓力干空氣未能使待干燥段達到露點要求，或密閉封存檢驗不達標時，可啟動干燥設備進行短時間的補氣干燥，以迅速解決問題。儲氣段的壓力、長度可根據干燥設備的工作參數、待干燥段的長度和氣候環境等綜合因素進行計算。

儲氣段與待干燥段均以閥室為分界點，選擇閥室的預留注氮點作為注氣點；如果臨近站場，則選擇站場內某個閥門作為注氣點。選擇待干燥段下游的閥室放空管作為排氣點，因待干燥段已經無法加泡沫球進行干燥吹掃，則必須嚴格控制該段的深度掃水質量，驗收標準應高于規范標準一個等級，并且儲氣段的儲氣量應考慮干空氣與濕空氣混氣段造成的損失，應在計算結果基礎上，適當提高儲氣量，根據工程實踐一般增加5%～8%。

3 儲氣升壓平衡干燥工藝應用案例

在西氣東輸二線東段施工中，按照施工總體部署和施工技術規范要求，對吉安站 （以下簡稱A）和贛州站 （以下簡稱B）之間的管段進行密閉干燥。但由于密嶺1#隧道和密嶺2#隧道因施工條件困難，無法按照正常工期達到貫通條件，達不到站間干燥的條件。

通過分析，可以將A和B之間的145#閥室（以下簡稱C）、146#閥室 （以下簡稱D）作為關斷節點，先對已經連通站場和閥室間的管段A—C和B—D段進行干燥，減少整體管段內的殘余水量。

3.1 干燥區段劃分

A—B段干燥施工按照施工進度分為3段：A—C、B—D和C—D，干燥分段如圖1所示。

（1）第一段 （A—C）。A—C段長度為91.3 km，線路施工按照工期節點完成，具備干燥施工條件。干燥施工結束后，關閉C閥室的截斷閥門?？紤]到A—C貫通段距離較長，將此段作為儲氣升壓段，待C—D貫通后，利用A—C干燥段儲備的干空氣進行吹掃，達到干燥的目的。

（2）第二段 （B—D）。B—D段長度為50 km，具備干燥施工條件，干燥施工結束后，關閉D閥室截斷主閥。保留0.05～0.07 MPa微壓進行密閉封存。

（3） 第三段（C—D）。C—D段長度為25.2 km，受2條隧道施工的影響，不能按照原計劃完工，且又為關鍵路徑，根據工期安排，只有1天的干燥時間。

待C—D段管道焊接完成，且當A—B段完全貫通后，打開C閥室的截斷閥門，利用A—C段儲備的干空氣進行吹掃。若A—C段儲備的干空氣量不夠，則可以繼續從外界充氣。

3.2 儲氣段充氣量的計算

3.2.1 計算依據

將A—C段作為主儲氣段 （管徑為1 219 mm，壁厚17.5 mm），B—D段作為備用儲氣段2、C—D段作為待干燥段。

根據干燥設備性能參數及工程實踐經驗，干燥罐最大工作壓力為0.6 MPa，受設備性能降效及安全系數影響，儲氣段最高儲氣壓力可達到0.5 MPa，經濟壓力為0.35 MPa。密嶺1#、2#隧道段共7 km未被干燥，其余18 km均進行過干燥，但盲板打開后與大氣相連，進行連頭時間約2天左右，被認為失去了原干燥效果。雖干燥效果不好，但管道內殘余水量明顯減少。

管道干燥露點按-20℃，設備提供干空氣露點為-40℃，地溫取平均溫度10℃，不考慮溫差影響。深度掃水后管道內空氣質量，按照無明水且空氣濕度達到飽和狀態為計算標準。

3.2.2 干燥前管道內殘余含水量計算

根據相關文獻記錄，管道內表面的水膜厚度一般為管道內涂層的4～6倍，此處水膜厚度取0.05 mm，管道內壁含水量計算公式為：

式中M0——干燥前管內殘留水量/kg；

D——管道內徑/m；

L——管道長度/m；

δ——管道內表面水膜厚度/m；

ρ——水的密度，取1 000 kg/m3。

則C—D段干燥前管道內含水量為：

3.2.3 干燥結束時管道內存留水量計算

經查表1可知，露點為-20℃時氣體的含水量為1.074 g/m3。

表1 大氣露點—含水量關系 （飽和空氣）（部分表格截取）

干燥結束后管道內殘留水量計算公式為：

式中M1——干燥結束后管道內殘留水量/kg；

H1——露點-20℃時干空氣的含水量/(g/m3)。

C—D段干燥后管道內殘留水量為：

3.2.4 干空氣的干燥能力計算

式中H——干空氣干燥能力/（g/m3）；

HS——露點10℃時飽和空氣的含水量/（g/m3）；

H0——露點-40℃時干空氣含水量/（g/m3）；

計算得干空氣干燥能力為：

3.2.5 待干燥段需要干燥空氣總量計算

式中G0——干燥氣體總量/m3。

計算得C—D段需要干燥空氣總量為：

因無泡沫球隔離吸附，至少考慮2 km混氣段氣體體積G1，其計算公式為：

計算得

則C—D段需要儲氣的標準方量GT為：

3.2.6 儲氣段選擇及校核計算

當氣體溫度T不變時，由氣體狀態方程可得：

式中P1——A—C段儲氣壓力/MPa；

V1——A—C段管容/m3；

P2——C—D段儲氣壓力/MPa；

V2——C—D段管容/m3。

P2取0.1 MPa

可得：

即儲氣段壓力為0.509 MPa。

根據干燥設備的性能參數，單獨選擇A—C段滿足儲氣要求。

根據上述計算方法，B—D段單獨儲氣壓力為0.93 MPa，也能夠滿足干燥要求；但干燥罐額定工作最大壓力為0.6 MPa，無法滿足要求，因而該段不能滿足單獨儲氣要求。

3.2.7 綜合經濟性儲氣方式計算

在實際施工中，根據設備的性能，儲存壓力越高，升壓越慢，耗費燃油越多，經濟性越差。根據現場試驗性測試，壓力升至0.35～0.4 MPa后，升壓緩慢，0.35～0.4 MPa為經濟儲氣壓力，在客觀條件允許的情況下，可以按照經濟壓力0.35 MPa測算，選取儲氣段長度。

由式 （6）、式 （7）得經濟壓力下儲氣管道長度計算公式為：

即儲氣段理論長度為133 km。

因 A—C段長度 91.3 km，B—D段長度為50 km，兩段總長度為141.3 km，滿足經濟壓力下的儲氣長度要求，故在實際施工中采用兩段聯合儲氣方式進行干燥施工，如圖2所示。

在實際施工中，考慮干燥完成后，管道內應保持微正壓維持干燥質量及減低溫度變化等綜合因素的影響，儲氣壓力按照0.35 MPa實施。待干燥段貫通后，首先釋放A—C段干燥空氣進行吹掃，打開C閥室閥門平壓供氣，在D閥室由放空管進行放空，平壓完成后，釋放B—D段干燥氣進行吹掃，在D閥室由放空管進行放空，并進行露點檢測。

經實踐檢驗，儲氣升壓干燥工藝實施效果良好，施工數據基本與計算數據吻合，待干燥段干燥后露點值 達到-21.3℃，滿足管道干燥驗收標準要求。

4 結束語

采用儲氣升壓平衡干燥工藝，在西二線東段施工工期緊的情況下有效地解決了線路安裝與干燥施工的矛盾，將站間干燥作業按照閥室間距為最小單元進行分段，采取線路貫通一段，干燥施工一段，封閉一段，利用相鄰段儲氣升壓方式進行干燥氣源儲備，保證貫通后短時間內達到干燥要求，確保了管道按期投產。

儲氣升壓平衡干燥工藝充分采用時間統籌方法，與線路實施交叉施工，在保證干燥質量的前提下，有效地縮短了投產關鍵工期，降低了投產安全風險，具有較高的使用和推廣價值。

[1]高發連.天然氣管道干燥施工方法[J].油氣儲運，2004,（10）：43-45.

[2]李獻軍.西氣東輸管道試壓與干燥施工技術[J].石油工程建設，2004，30（01）:20-23.