输气管线的投产

作者简介任增珺高级工程师、兰州输气管理处副处长先后在职工学院教学、管道局运销处任调度长、涩宁兰项目部副经理、兰州输气管理处副处长[e-mail]输气管线的投产一、管道的试压二、管道的干燥三、管道的置换输气管道投产的基本程序输气管道投产工作可分为分段通球扫线、测径、试压、干燥（采用水试压时需要干燥，用气试压一般可不用干燥，微量的水可以在管道投产后的运行阶段被天然气慢慢带出，不影响管道的安全运行，满足生产需要。）、全线通球扫线、置换投气几个阶段一、输气管道的试压1.水、空气试压的特点2．国内外规范对管道试压介质的规定3.管道气试压安全性的力学分析4.结论1.水、空气试压的特点试压分强度试压和严密性试压。强度试压是使管道内的压力升到一定的值（设计压力以上）以充分暴露管线的隐患和缺陷，严密性试压的目的是排除管道的可能漏气点。管道的强度试压可采用液体、气两种介质，气试压一般采用压缩空气，液体试压一般采用水。水试压安全性高，但输气管道用水试压后必须进行干燥处理，水试压需要合格的水源，且其后的干燥过程持续时间较长，干燥的费用也较高。用气试压的管道一般不需干燥（但在局部有水存在、空气湿度较大且对气质要求苛刻时可能也需要干燥，但即使如此也比用水试压的管道在时间、费用上节省了很多。），但用气试压，由于气体的高度可压缩性，气体会储存大量能量，在管线破裂处急速膨胀，形成冲击波，造成管道大面积撕裂的大事故，同时，气体急速逸出膨胀使破裂处温度下降，也造成对钢材韧性的不利影响使破裂扩展。管壁破裂向两侧扩展的速度大于气体介质泄露降压传递的速度，使管线的破损达到几公里或几十里，易造成人身伤亡事故。对管道的断裂国内外一般依据裂纹在钢管中的传播速度和钢管开裂后管中介质的减压波速度判断⑾。裂纹在钢管中的传播速度（Vm）大于钢管开裂后管中介质的减压波速度（Vd）时不能止裂，否则可以止裂。即Vm≥Vd不能止裂VmVd可以止裂裂纹扩展速度Vm与钢材性能有关。美国BMI对X60管材的估算结果为，Vm大体在450—900m/s之间变化，减压波的速度为声波在介质中的传播速度，而声波在液体中的传播速度均大于1000，在气体中的传播速度均在450以下，所以不能止裂。正因为气试压的危险性，所以国内外大多规范中规定在三、四级地区应采用水试压，有些规范也有在三、四级地区可采用空气试压的规定，但也是提倡优先采用水试压。但对于山地管道，若采用水试压，不可能将多个高点空气排尽，实际上也是气水混试。再者，其地形起伏较大，用水试压后需用清管器除水，阻力很大，要把低洼段的游离水排净几乎是不可的，且有游离水存在用任何干燥方法干燥管道都是非常困难的，这给日后天然气管道的运行带来很大的隐患，除了影响交气的气质外，还有可能造成干线及站内设备的冰堵，可能会严重影响下游用户的正常用气甚至停产。2．国内外规范对管道试压介质的规定国内外规范对各类地区采用的试压介质有不同的要求。GB50251-94《输气管道工程设计范》及SY/T0401-98《输油输气管道线路工程施工及验收规范》中规定，对于管道试压，在条件允许的情况下，应首选洁净水作为试压介质；位于一、二级地区的管段可采用空气或水作试压质；位于三、四级地区的管段及输气站内的工艺管道应采用洁净水作为试压介质。以上标准明确规定三、四级地区的管段应用水试压。试验压力值的规定：⑴一级地区不应小于设计压力的1.1倍；⑵二级地区不应小于设计压力的1.25倍；⑶三级地区不应小于设计压力的1.4倍；⑷四级地区不应小于设计压力的1.5倍。SY/T0466-97《天然气集输管道施工及验收规范》中11.0.6规定，强度试验介质以洁净水为宜，若水源困难或地形条件限制，亦可采用压缩空气为介质。而其适用范围为输气设计压力为1.6—70Mpa的天然气管道。虽然此标准针对天然气集输管道，但集输管道与长输管道并无本质的不同，而且70Mpa的压力远远高于长输天然气管道的工作压力，所以据此分析天然气管道存在采用空气试压的可行性。试压压力值的规定：以洁净水作为试验介质时，其强度试验的压力应为设计压力的1.5倍；以压缩空气为试验介质时，其强度试验的压力应为设计压力的1.25倍。SY/T6149-1995《天然气运行管线试压技术规范》中6.5规定，下列情况可采用空气作试压介质：⑴山区或丘陵地区；⑵试压管线周围的环境温度低于或等于4℃，或者在完成试压之前可能降到此温度；⑶取、排水困难的地区；⑷大型跨越。强度试验压力值不应小于最大操作压力的1.25倍此标准虽适用于已投入运行的天然气管线的试压，但用空气试压的最大危险是担心管线长距离撕裂造成事故，而已长期服役的管道其承压状况必然不及新建管道，气试压的危险性更高于新建管道，所以此标准对新建管道仍具参考性和可比性，因此新建管道在三、四级地区仍可考虑采用气体试压。美国ASMEB31.8—1989《输气和配气管道系统》中规定，位于1～2级地区的管线应采用空气试压至最大操作压力的1.25倍，或用静水压试验，试验压力至少为最大操作压力的1.25倍。位于3级或4级地区内的干线或总管，进行静水压试验至不低于最大操作压力的1.4倍。如果管线或总管首次试压时，存在下列一种或同时存在下列两种情况，则不适用本要求。⑴管子埋深处的地温为32F（0℃）或更低，或者在完成静压试验前将至此温度；⑵合乎质量的水量不敷所需。在此种情况下，可用空气试压至最大操作压力的1.1倍。美国的标准同样允许管道在三、四级地区可采用气试压。综合国内外的有关标准，可以得出结论：⑴水压试验比较安全，在条件允许的情况下，尽可能用液体（主要用水）作为介质进行强度试压；⑵一、二级地区可以用气体（主要用压缩空气）进行强度试压，但试验压力比液体试压时的压力值低。如果液体（水）试压条件不具备，三、四级地区也可考虑用气体介质（空气）试压，但试压压力应比液体（水）试压压力低。3.管道气试压安全性的力学分析用气试压主要是担心其安全性问题。安全性力学分析的内容包括管线极限承载能力预测、防止管线脆断的最低韧性要求以及管线能够止裂的最低韧性要求三部分。按照有关力学分析的结果，上述三个指标可以满足满足最高承压压力、防止发生脆断事故，满足止裂所需最小冲击韧性要求。也即，力学分析的结果气体试压是比较安全的。4.结论根据水、气试压的特点，由于水试压相对安全，输油管道应首选水试压，但对于输气管道，考虑到日后的生产运行，水试压会留下极大的后患。由于现在在管材、制管、焊接等方面水平的提高，环焊缝采用100%X射线无损检测，管道试压安全性大大提高，可以尽可能考虑气试压。但要针对本管道进行充分试验研究，确保有充分的试验及理论计算根据。考虑到气试压时裂纹扩展与止裂过程与水试压有很大不同，气试压时应采取必要的防护措施，设置安全隔离带。试压时采用分级升压方法，且在每一级压力下保持一定的稳压时间。二、输气管道的干燥１、输气管道除水干燥的必要性2、输气管道干燥的要求及标准3、管道除水干燥技术4.干空气吹扫干燥法在涩宁兰输气管道水试压段除水干燥中的应用１、输气管道除水干燥的必要性天然气管道内含水不仅会引发管道内壁和附属设备腐蚀，使所输产品受到污染，而且更严重的是天然气在一定温度和压力下还会和水结合形成水合物。水合物是一种貌似冰雪的白色笼形化合物，由液态水和烃气在一定温度和压力下反应生成。这种晶状物质可使管道的截面积变小，摩阻增加而引起输送效率下降。如果水合物大量形成，还可能造成管道堵塞而引发事故。特别是阀门、仪表管路系统等处更容易因水合物的形成而失灵。这将导致管道运行效率下降、运营成本增加，甚至对管道的安全平稳运行带来严重的危害。避免这些问题的根本途径是在管道水压试验结束后立即进行除水干燥，以彻底除去管道中的游离水及绝大部分水蒸气。2、输气管道干燥的要求及标准根据SY0401—98《输油输气管道线路工程施工及验收规范》要求，管道干燥结束时，“管内空气水露点比输送条件下的最低环境温度低5℃。”国外对新建管道的除水干燥步骤非常重视，要求也很高。有文献报道许多天然气管道公司甚至要求管道干燥后露点要达到-39℃以下，即含水0.11g/m3(标准状况下)以下。但在许多场合，低于-20℃也是常用的要求，因为国外最新研究证实，在管道干燥至-18℃以下时，管道内壁的腐蚀几乎已经停止；而且再经过投产引入天然气的过程进一步扫除残留的水蒸气，在输送条件下干燥残留的水蒸气已不足以造成析出液态水并进一步生成水合物。现在多数国外天然气管道公司将-20℃作为管道干燥的最终标准。我国的崖城13-1海底管道，要求真空干燥至露点-20℃。3、管道除水干燥技术3.1管道除水技术除水技术要点3.2管道干燥技术3.2.1真空干燥法3.2.2干空气吹扫干燥法3.2.3甲醇扫线干燥法3.1管道除水技术由于除水作业在管道中残留的游离水的多少会直接影响干燥的效果和时间，因此管道干燥不是独立的，而是应包括除水和干燥两个部分。管道除水是指水压试验后、干燥作业前进行清管扫线，以尽量除去管道中的游离水的过程。除水应达到的效果是管道中大部分水已被除掉，除个别的低洼段外，只在管壁上遗留一层薄薄的水膜。根据国外的经验，水膜的厚度一般在0.05~0.15mm之间，除水效果好的话，甚至能达到0.01mm。除水可用含多个清管器的“清管列车（pigtrain）”一次完成，也可多次发扫线清管器分步完成，采用哪种形式要视管道具体情况而定。对于分段干燥的陆上管道，一般采用多次发扫线清管器的方式进行。除水技术要点A、管道内壁的清洁度、粗糙度、弯头的数量和曲率是影响除水效果的内在因素；而清管器的密封性能是能否取得理想除水效果的外在因素，是关键。B、在除水作业时，清管器（列车）的前进速度要控制在一定范围之内。海底管道除水作业的经验，清管列车的速度都控制在0.6m/s以下。C、至于除水效果的判断方法，最常用的方法仍然是传统的目测法，法国燃气公司的做法是陆上输气管道干燥时，如果除水阶段某一个清管器接收后，清管器未推出明显水迹，而且清管器看起来很干燥，从此时算起24小时后再发一个同样类型的清管器，如果接收后此清管器状态和前一个没有明显差别，就可以认为管道中的游离水全部以水膜形式存在，除水可以结束，干燥可以开始。D、管道除水时，可使用皮碗式清管器、直板式清管器、涂有聚胺酯外皮的泡沫清管器等各种类型和材质的清管器。除水时可按管段长短分别单发清管器或发清管列车。3.2管道干燥技术目前常用的干燥技术主要有真空干燥法、干空气（或氮气等）吹扫干燥法、甲醇（或乙二醇等）扫线干燥法三类。三类方法各有优缺点，要根据具体情况进行选择。3.2.1真空干燥法水的沸点随压力的降低而降低，在压力很低的情况下，水可以在很低的温度下就沸腾而剧烈蒸发、汽化。真空干燥就是利用这一原理，不断地用真空泵从管道中往外抽气，降低管道中的压力直至达到管壁环境温度下的饱和蒸汽压（SVP），而使除水后残留在管道内壁上的水沸腾而迅速蒸发，以达到干燥的目的。3.2.1.1真空干燥工艺过程如图，真空干燥可分为三大部分初始抽气降压部分蒸发部分干燥/真空扫线部分干燥时间（天）压力（Mbar的对数坐标）大气压力真空干燥工艺3.2.1.2真空干燥技术的优缺点真空干燥的优点如下：a，可靠性高，管道中所有的水都可以除去；b，能达到很低的露点，在使用氮气扫线时最低能达到-68℃；c，设备占地小；d，在管道的一端作业，这对于海底管道和多汇管的难以用其他方法干燥的管道非常有利；e，不会产生明显的废物；f，进度易于预测。真空干燥技术的缺点主要有：a，干燥的同时不能清洁管道；b，持续的时间很长。3.2.2干空气吹扫干燥法干空气吹扫干燥的原理很简单，低露点的空气进入管道后会促使残留在管壁上的水蒸发，湿气由空气流带走，这样源源不断地输入干空气并监测管道出口的空气湿度（或露点），直到其小于预定的值，表明管道已经干燥。另一种判断干燥的方法是同时监测入口和出口的露点，当二者相等时，表明管道已干燥。3.2.2.1干空气制取工艺