基于海洋工程中氮氣置換混合氣體分析研究

李建永 洪龍飛 許 軍 崔德光 陳 娟

（1．海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2．深圳海洋工程技術服務有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

由于氮氣穩定性高、價格低廉且容易獲取，因此常被選為置換混合氣體的中間介質。在工程實際應用中，現場施工團隊憑借多年的經驗，通常在管道中注入管道體積2倍到3倍的氮氣量來進行混合氣體置換。這些氮氣足夠將管道中的混合氣體完全置換出來，使管道中的天然氣避開爆炸極限。但是這種大量氮氣的注入會導致人力、物力和時間成本的浪費，大幅提高了項目成本。

1 混合氣體置換的運動形式

當氮氣注入管道中時，其與管道中的混合氣體融合，在融合的界面存在濃度差，這種濃度差會導致質量的不均勻擴散。質量的不均勻擴散分為渦流擴散、分子擴散和彌散。彌散是最激烈的運動方式，分子擴散是最溫和的運動方式，彌散會比分子擴散大5個量級。由分子擴散和彌散共同作用所形成的混合稱為層流。由分子擴散、彌散和渦流擴散共同作用形成的混合稱為湍流。層流的運動方式使整個混合氣體接觸面加長，從而延長了混合氣體置換完全的路程[2]。為了盡量縮短混合氣體置換的管道段長度，該文均假設混合氣體運動方式為湍流。

2 海洋工程案例介紹

2.1 工程項目

該文結合真實的工程實例，運用真實的工程數據和環境，通過設定模型、建立邊界條件和計算方程，求解后得出了置換特定長度管道中的混合氣體需要注入的氮氣量，使管道中的混合氣體量可以避開天然氣的爆炸極限。該文基于我國南海某深海項目，根據該項目要求，管道中天然氣含量達到98%以上才可以投產，這是達到氮氣置換混合氣體成功的標準。該文均假設混合氣體為單一氣體，即氧氣。依據該標準，需要使管道中氧氣的體積含量低于2%[3]。

該文涉及的南海深水項目位于我國南海北部的瓊東南盆地，該區域水深1220m～1560m。根據該項目介紹，由海底生產系統將采集到的天然氣通過管道輸送至中心半潛平臺，經過加工處理后由一根0.6m的外輸海管輸送到陸地接收站。該項目水下生產系統包括多個管匯和SCR立管，其中產生的凝析油通過水下管匯經SCR立管輸送至中心半潛平臺，處理后儲存至該半潛平臺的儲罐中，將凝析油經油輪或者FPSO運走。

2.2 氮氣置換混合氣體的過程

2.2.1 清管器的介紹和選取

在進行海管氮氣置換混合氣體的過程中須用到清管器。在工程項目中清管器的主要作用是在海管中移動，清管器和管道之間存在良好的密封性能，通過海管中的生產物、中間介質或者氣體等推動清管器順著海管方向向前移動，帶動管道中的氣體、鐵屑和雜質等順著海管流出。整個清管器系統一般包括發球筒、收球筒、清管器以及其他附件等。其中清管器按照形狀分為線型清管器和唇邊清管器。按照使用功能分為清管球、泡沫清管器、機械清管器、測徑清管器和智能清管器。清管球分為空心球和實心球兩種。空心清管球上有注水排氣單向閥，通過單向閥向空心清管球中注入液體介質使空心清管球發生體積變化，從而達到球體與管道密封的過盈量，一般過盈量為海管內徑的2%～5%。泡沫清管球主要用于吸收管道內的剩余液體，發揮干燥的作用。機械清管球內壁可以配有鋼刷或者刮板來增強清管效果。測徑清管球可以測量海管的尺寸數據、橢圓度以及焊縫滲透性等海管的基礎數據。智能清管球集多功能于一身，不僅能進行數據采集和海管基礎尺寸測量，還能進行海管內蠟沉積、金屬裂變和金屬腐蝕等測量。在真實的海洋工程應用中，由于海底管道環境復雜，真實情況難以確定，海管預調試的過程時間長、復雜程度高，因此一般運用多個不同功能的清管器協調配合，在不同時間由發球筒發出不同類型的清管器，在這個過程中需要考慮發出清管器的種類和發出時機，以及該清管器與管道中的何種介質接觸、管道中的干燥程度、壓力和銹蝕程度等因素，謹慎選取合適的清管器進行發球，防止清管效果不理想甚至清管器卡塞在管道中導致更嚴重的后果。

清管器的選取需要考慮很多因素：1）須考慮清管器的工作環境。清管的介質會影響清管器的選取，當管道中生產物是天然氣或者凝析氣時，清管須考慮生產物氣體的爆炸極限，應當將管道中的混合氣體降低到生產氣體爆炸極限之外；2）管道的影響因素。清管器在海管中向前推動介質運動，需要考慮管道的基礎數據，包括但不限于管道的內徑、管道的材質、管道的彎頭、曲率和銹蝕等因素。當管道中的生產物是原油或凝析油時，液體生產物對管壁存在長時間的侵蝕，管壁會產生大量的銹蝕甚至銹塊，導致局部管壁臂徑發生明顯變化，在這種工況下，可以考慮選取機械清管球內裝鋼刷或者直板來清除比較硬的固體雜質；3）清管過程的因素。在進行發球清管的過程中，需要考慮發球壓力、管道內壓力、清管球能承受的壓力以及是否需要進行數據回傳和記錄等問題；4）清管的長度因素。如果進行長輸管道的清管，一條海底管道長度可以達到300km以上，須考慮清管器是否具備良好的耐磨性和機械強度，能否滿足長時間、長輸管道的清管要求，能否確保其始終保持良好的密封效果。

綜合考慮該項目的真實工況和清管器的選取因素，將磁力清管球作為清管工具。該磁力清管球結構簡單、造價低、通過性高。球體整體由聚氨酯材料制成，可工作溫度范圍為-30℃～110℃，邵氏硬度為85HA，密封過盈量為3%，在管道內運行的壓差為0.393MPa。通過磁力清管球可以將管道中的鐵屑雜志吸附帶走，且該類型清管球表面耐腐蝕，可以在多種介質環境下穩定運行，不會因為表面受到多種液體侵蝕而喪失密封性。

2.2.2 外輸海管參數介紹

海管設計壽命為30年，海管總長度為94.646km，深水處海管外徑為457mm，管壁厚25.4mm。淺水處海管外徑為447.4mm，管壁厚20.6mm。該海管材質等級為API 5L×65 SAWL和API 5L× 65 SMLS。其他關鍵參數見表1。

表1 海管參數和排水參數表

2.2.3 預調試過程介紹

該文研究該項目中一條0.6m外輸海管中的氮氣置換混合氣體的過程。在該0.6m外輸海管氮氣置換混合氣體前需要做海底管道的預調試工作，氮氣置換混合氣體是預調試工作中的關鍵部分。首先在該管道中注入化學藥劑和染色的海水，通過磁力清管球推動化學藥劑和染色的海水在管道中向前流動來祛除管道中多余的鐵屑等雜質。其次在管道中通入干凈的飲用水，通過磁力清管球向前推動，祛除管道中的剩余鐵屑等雜質以及第一次注入的剩余海水。通入干凈的飲用水非常重要，需要徹底將管道中的海水排出管道，防止管道中剩余的海水侵蝕管道壁。為了達到良好的干燥效果，在管道中連續3次注入MEG（乙二醇）并且分別通過磁力清管球進行推動，通過3次MEG的沖刷，可以將管道中剩余的純凈飲用水徹底排出海管，達到干燥海管的目的。第4次需要注入染色的MEG，通過磁力清管球進行推動，方便顯示該清管球的位置。然后注入一定量體積的氮氣，通過磁力清管球的推動來進行惰化。經過一定量氮氣的惰化后，海管中大量的氣體雜質被排出海管。最后在管道中持續注入氮氣，使管道中一系列的清管球持續被推動向前進行排水、干燥和惰化作業，直到整個管道中的所有清管球從出口排出，完成所有的預調試工作。

3 理論求解

3.1 管道模型的假設

設定管道內空氣為單一氣體即氧氣。管道為長度94.646km、均質分布壁厚0.04m的空心柱狀物。當注入氮氣進行置換時，氧氣與氮氣混合后會發生傳質現象[4]。由于該文為了簡化建立模型且運動為湍流，速度在管徑方向分布較為均勻，因此只考慮沿垂直管徑截面方向上的運動。設定氮氣進入管道與管道中的氧氣剛接觸后的極短距離為模型的初始入口，設定氮氣與氧氣在管道中充分混合后，氮氣將氧氣從管道中完全排出前的極短距離為模型的出口。只考慮管道徑向截面垂直方向上的速度變化和濃度變化，不考慮其他方向上的濃度梯度和速度梯度。設定氮氣為連續均勻從模型入口注入，氧氣為連續均勻從模型出口排出。

3.2 管道模型的建立

由流體力學和工程熱力得出基于該模型的一維偏微分方程，如公式（1）所示[5]。

式中：c為兩種混合氣體的質量濃度；t為氮氣置換混合氣體的時間；u為混合氣體運動方向上的速度；x為氮氣置換混合氣體方向上運動的距離；k為氣體分子擴散系數；L為氮氣置換混合氣體長度。

基于該文中的已給條件和假設，對該偏微分方程進行整理簡化后得到公式（2）。

整理后的方程是在已知混合氣體置換速度u和氣體擴散系數k的條件下，可以求出在任意時刻和任意置換距離的氣體質量濃度的誤差補償方程。基于已經給出的條件可知，求出擴散系數是求解方程的關鍵。

3.3 模型求解分析

根據上文所述，當求解上述誤差補償方程時，求解擴散系數是關鍵。但是在實際工程應用中沒有規定具體方法求解該系數。根據傳熱學和工程熱力學中求解對流擴散系數的方法，該文依次運用了Taylor擴散系數求解方法、Taylor-CW擴散系數求解方法和GRI擴散系數求解方法，并對比分析這3種求解方法得到的擴散系數，選取一種更適合實際工況且能夠降低實際工程成本和時間的結果作為擴散系數。根據上文，因為層流工況會導致置換混合氣體長度增加，所以當求解擴散系數時，均考慮在湍流工況下的擴散[5]。

方法一：Taylor 擴散系數及求解。

建立Taylor 湍流擴散方程，如公式（3）所示。

式中：k1為Taylor湍流擴散系數；d為管道直徑；um為圓管截面的主體平均流速；Re為雷諾數（3×104≤Re≤106）。

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

方法二：Taylor-CW湍流擴散系數及求解。

采用Taylor-CW湍流擴散系數建立Taylor-CW湍流擴散方程，如公式（5）所示。

式中：k2為Taylor-CW湍流擴散系數；f為摩擦因數；r為管道半徑；um為圓管界面的主體平均流速。

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

方法三：GRI湍流擴散系數及求解。

利用GRI湍流擴散系數進行求解，設置施密特數為1.0，對應Sc=1的曲線，建立GRI湍流擴散方程，如公式（6）所示。

式中：k3為GRI湍流擴散系數；Re為雷諾數（3×104≤Re≤106）；v為置換流速；d為管道直徑。

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

3.4 結論

由上述計算分析得出，Taylor湍流系數法大于Taylor-CW湍流系數法大于GRI湍流系數法。根據公式（2）得到公式（7）。

式中：設Lm為混合氣體置換長度，即x；L為管道長度。在工程實際應用中，為了實現混合氣體置換長度最短的目標，根據公式可知，當擴散系數越小時，混合氣體置換的長度越小[6]。經過對比3種求解擴散系數方法，最終選取GRI湍流擴散系數即k=0.183m2/s作為擴散系數。

根據實際工程要求，該項目要求混合氣體中氧氣濃度為2%、天然氣濃度為98%才能符合混合氣體置換天然氣投產的要求。根據誤差補償系數和氧氣濃度對照表（表2）可知，當氧氣濃度為2%時，對應的誤差補償系數erf-1（2c-1）=1.452。將K=0.183 m2/s，L=94646m，D=0.4474m代入公式可得Lm=511.271m。由此可知氮氣置換混合氣體段長度為511.271m，通入氮氣體積Vn如公式（8）所示。

表2 互補誤差系數與濃度對應表

設定安全系數為1.3能夠保證現實工程安全可靠，達到完全置換混合氣體的效果。最終需要注入的氮氣體積為Vn=66.255m3×1.3=86.1315m3。

4 總結

該文根據現實工程數據，研究分析了長輸管道運輸、管道混合氣體置換投產、混合氣體擴散的種類、管道預調試過程以及氮氣置換混合氣體長度計算等問題。除此之外，研究了氮氣置換混合氣體長度的影響因素，包括但不限于管道彎頭數量、管道粗糙程度、注入氮氣量以及氮氣注入置換速度等，這些影響因素在該文中不做詳細分析[6]。該文通過模擬真實工程實例，基于真實工程數據，可以精確計算實際工程中氮氣置換混合氣體的使用量，為很多海洋工程應用和海洋工程研究提供了一種計算參考方法。