淺談環境因素及注氮工藝參數對管道氮氣置換的影響趨勢

趙飛 康濤（四川郝斯特油氣技術有限公司，四川成都610041）

0 引言

近兩年隨著國內幾大主要天然氣管道（中緬天然氣管道、西氣東輸一、二、三線）的焊口隱患排查和中俄東線北段的投產，管道氮氣置換作業現場環境由南向北、至西向東，有高原、有山區也有平原。各現場亦是復雜多變。在環境因數不斷地改變下，掌握環境因數改變對管道氮氣置換氮氣用量的影響趨勢，能夠更加準確地對現場作業的液氮備用量、置換參數的計算起到指導作用，避免氮氣本用量不足或過量，既能保證現場施工的必要性和連續性，同時也能節約氮氣成本和資源。

1 環境因數對管道氮氣置換的影響趨勢

1.1 環境的溫度因數的對液氮用量影響趨勢

標準狀況下（溫度為273.150K 和壓強為101.325KPa）。液氮氣化體積的換算（以理想氣體作為計算，與實際存在少許誤差，其目的是分析溫度的影響趨勢，指導現場作業施工）見表1所示。

表1 液氮常見參數換算表

由上述氣體狀態方程可以得出，在大氣壓力一定的情況下，隨著環境溫度t 不斷變換，1 體積的液氮氣化量V 也隨之變化，變化趨勢隨著t增加，V也隨之增加，反之亦然。這就對我們在不同環境溫度下作業施工的液氮用量產生一定的影響，即環境溫度t升高，液氮用量減少。這種影響在溫差大、工程量大的工況下更加明顯。氣化量與環境溫度對關系見圖1所示。

圖1

1.2 環境的大氣壓力因數的對液氮用量影響趨勢

由式1可以得出當環境溫度一定時，隨著大氣壓力P降低，氣化量V增加，即液氮用量減少。同時大氣壓P降低，一方面天然氣放空時能夠放的更加徹底，另一方面在氮氣推動天然氣（或空氣）到大氣所需要的背壓也會相應減小，由于氣體的壓縮性很強，背壓的減小能夠很大程度上減少氮氣的用量。相反如果當地大氣壓高，氮氣推動天然氣（或空氣）到大氣所需要的背壓也會相增加，那施工所用的液氮也相應的有所增加。

影響大氣壓力的因數也是多種，而這些因數通過影響大氣壓力進而間接的影響著液氮用量：如海拔高度升高，氣壓P 降低，反之亦然；另外冬季高夏季低；濕度高，氣壓P低，反之亦然；

1.3 天氣因數的對液氮用量影響趨勢

天氣不是直接影響氮氣用量的環境因數，但是天氣的陰晴直接影響的是大氣壓力的變化，繼而通過大氣壓力的變化來影響氮氣置換施工氮氣的用量。陰雨天氣大氣壓力低，而晴天大氣壓力高，因而晴天施工相較于陰雨天但其的使用量會更高。

2 注氮工藝參數對管道氮氣置換的影響趨勢

2.1 注氮速度對管道氮氣置換液氮用量的影響趨勢

通過氮氣推天然氣（不加任何隔離裝置），氮氣的注入速度是一個比較重要的參數，選取氮氣注入速度的主要因數：

一是確保混氣量最少。根據資料，無量綱理查德系數R#是判斷兩種氣體是否存在分層的現象的一種方法，其計算公式為：

根據經驗理，查德系數在1-5 對應的混氣量是可以接受的，速度越大，理查德系數越小，出現分層的可能性就越小。

二是確保合理的置換時間。從《天然氣管道運行規范》（SY/T5922-2012）,速度不超過5m/s；在保證實際作業可行的情況時，氮氣注入越快越好。

三是考慮注氮設備的注入能力，選擇置換速度，需考慮注氮設備的注入能力。

結合以上三點綜合得出：在不超過5m/s 的情況下，以注氮設備的最大能力、最快速度注氮；這樣產生的混氣量最小，能夠有效的節約液氮；相反如果注氮設備的注入能力有限，置換過程中產生的混氣量就很大，使用的液氮量也會隨之增加，那實際工程上就要準備充足的液氮富裕量；

3 結語

針對管道氮氣置換環境因數的影響，通常是多種因數同時綜合一起影響其現場施工，本文只是對每單一因數對氮氣用量的影響趨勢做了簡單的分析。而在實際施工中其影響因數交叉影響，除了對單一因數的影響趨勢進行分析外，還需根據現場環境將其眾多因數進行綜合分析，這樣就能滿足施工的質量和經濟效益的最大化。

針對注氮速度等工藝參數對氮氣置換的影響，從工程效率的角度考慮：在不超規范時，盡量以選取大排量注氮設備，以最快的速度注氮，既可以節約液氮資源，也可以縮短施工時間，這對類似搶險的置換任務十分重要。但從經濟角度來考慮，通常大排量的注氮設備，費用相對較高，可能節約的液氮產生的費用根本不足以支付這種大排量注氮設備產生的費用。因而在注氮速度的選取時（其實就是注氮設備的選擇），這就需要實際情況，進行綜合考慮效率與經濟效益取舍或結合，