浅析输气海管一次性完成排水惰化干燥工艺技术0621Word下载.docx
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km
外径
mm
壁厚
内径
管容
m3
设计压力Mpa
工作温度
℃
A平台～C平台
98
323.9
14.3
295.3
6708.46
10.8
64
B平台～A平台
58
12.7
298.5
4056.83
5.8
65
2.1A平台至C平台长输天然气输送管道初步分析
A平台到C平台湿气输送管网，结构如图2所示。
该管网干线和支线的倾角均为正向（入口低、出口高，倾角大于0），中间没有高点，管道在98公里范围内高程变化为12.5米，属于微倾角管道，参见图3。
图2A平台～C平台湿气管网的结构图
图3A平台～C平台输气管道剖面
根据A平台～C平台输气管道纵断面高程差，初步设计通球方向C平台～A平台反方向通球，从高点向低点通球，排水效果会更好。
2.2B平台至A平台长输天然气输送管道初步分析[3]
B平台到A平台的输送干气管道，结构如图4所示。
管道起点为正倾角，在距起点4.6公里处有一个高点，高点后至15.6公里处管道为负倾角，该高点在35.6公里范围内的起伏高程差仅为0.5米，属于微弱高点，此后管道又转为正倾角，在全线58公里范围内高程变化仅为1.0米，属于极微小倾角管道。
该管道干燥作业的难点是制定合理的方案达到输送干气的施工标准。
图4B平台～A平台输气管道结构图
根据B平台～A平台输气管道纵断面高程差看出，全线58公里范围内高程变化仅为1.0米，属于极微小倾角管道，确认管道没有单流阀的情况下，可以实施正反向通球作业。
通过对两条管道基础条件的初步分析，两条管道的通球原设计方案：
A平台～C平台98公里输气管道清管、惰化时，作业起始点从C平台向A平台作业。
B平台～A平台58公里输气管道清管、惰化时，作业起始点从B平台向A平台作业[3]，原作业方案见图6。
图6原设计方案作业示意图
此方案存在的问题：
Ø
作业周期长，作业程序复杂；
制氮设备运转周期长，租赁费用增加；
作业设备需要动复原两次，增加作业成本。
3.海管排水、惰化、干燥方案的优化及工艺描述
3.1长输天然气海管排水、惰化、干燥合格指标：
[4]
输气管道干燥合格指标：
干空气从管道的一端注入管道，从另一端每隔半小时检测一次出口空气的水露点，当连续三次水露点低于-20℃为干燥合格；
输气管道惰化合格指标：
氮气从管道的一端注入管道，从另一端每隔十五分钟检测一次出口气体含氧量，当连续两次含氧量小于5％即为合格。
3.2作业方案优化简述
为减少作业时间，降低作业成本，对方案进行优化整合，选择把通球、惰化设备放置在重要节点A平台进行作业。
通过分析、计算后实现输气海管一次性完成排水、惰化、干燥作业。
优化后的方案见图7。
图7方案优化后作业示意图
此方案的特点：
作业程序简化，大大缩短了作业时间，提前了管道的投运时间；
减少设备的动复原及设备的运行时间，降低了作业成本。
利用高压干燥氮设备作为高压氮气动力，推动4个直板式清管球组成清管列车清管，在第一个和第二个清管球之间加入一定量的淡水用来置换海水，合理控制通球塔里，每个清管球需要隔开一定距离，防止清管球追尾造成阻力过大。
管道出口陆续收到清管球后，测量管道出口的氧气含量及水露点输至，直至达标。
从而实现输气海管一次性完成排水、惰化、干燥作业。
图8（输气海管一次性完成排水、惰化、干燥的程序简图）
4.相关的计算结果
4.1淡水加注量的计算
加淡水的目的是使用淡水溶解管壁上残留的盐分，防止此后盐对管壁造成严重腐蚀。
置换排水过程中，假设第一个隔离球漏失淡水严重，或隔离失效的情况下，海水与淡水混合段的对称浓度为99％～1％，为彻底置换完海水，所用的淡水量要大于混水段中的淡水的量。
清管最小速度0.5m/s是一个普遍使用的标准。
当清管器的速度小于0.5m/s的时候，清管器的运动将不稳定，出现“走走停停”的现象，清管器后部的气体很容易窜漏到清管器前部，导致清管速度降低，以及淡水段中淡水的漏失。
4.1.1混水段长度计算（引用的那本文献，标出来）
混水段长度计算公式为：
[2]
（1）
其中：
——浑水段长度，m；
——层流修正系数，本管道计算中取1.3；
——系数，本管道计算中取1.65；
——管道直径，m；
——管道长度，m；
——浑水段雷诺数。
（2）
——密度，kg/m³
；
——管径，m；
——速度，m/s；
（0.5米/秒）
——粘度，pa.s
计算时假设隔离海水/淡水的清管器失效，此时海水与淡水直接接触，根据管道的长度，直径，水的密度，粘度，排水的速度，使用公式可以直接计算出混水段的长度，从而可以计算出混水量。
图9淡水置换过程中淡水、海水混合量变化图
通过上表的计算结果得出，A平台～C平台输气管道作业时，需加淡水量最少为14.89立方，才能完全置换出管道的海水。
B平台～A平台输气管道作业时，需加淡水量最少为11.71立方，才能完全置换出管道的海水。
4.2作业时管道入口压力与完成时间的计算
充气排水计算过程的目的是根据排水的速度（0.5m/s）计算出管道的入口压力，计算时速度u，管道的长度L，管道内径d是固定的。
排水时间计算：
（3）
水排量计算：
（4）
气体量（Nm³
）计算：
（5）
为管道入口压力（MPa）；
为大气压（0.1MPa）；
为环境温度（K）；
为标准温度293.15K。
管道入口压力计算：
在排水过程中管道的出口压力为大气压，管道入口压力分成四部分计算。
水段的摩阻压降，气段的摩阻压降，清管器自身的冲压降，出口段立管中水的静压力。
（6）
摩阻压力计算公式为：
（7）
——摩阻系数，为雷诺数Re的函数，不同范围的Re对应不同的
计算公式，比较复杂；
此处不累述；
为液体密度；
为截止运行速度；
为管道长度；
为管道直径。
清管器自身的压降
为定值为0.3MPa；
立管中水柱的静压；
为重力加速度（9.8）；
为海管立管高度。
排水过程中，清管列车的前部是海水，后部是压缩空气。
由于清管器运动速度确定，故可以计算出不同的时刻清管器所在的位置以及水段的长度（
）。
根据水段的长度可以计算出水段、气体段的摩阻压降，进而计算出管道的入口压力。
清管器刚进入到入口段立管底部时入口压力最大，清管器达到出口立管底部时入口压力最小。
4.2.1B平台～A平台输气管道控制注气压力的计算
表5B平台～A平台输气管道注气排水阶段运行参数
管道名称
速度
m/s
用时h
流量
m³
/h
气体流量Nm³
管道入口压力MPa
最大
最小
B～A
0.5
32.22
126.0
1305
807
1.04
0.64
1
16.11
252.0
5119
1621
2.03
图10B平台～A平台输气管道气推水0.5m/s速度下管道沿线压力曲线图
通过以上计算结果得出：
B平台～A平台输气管道进行注气通球作业时，通球速度在0.5m/s时，注气压力控制在0.64Mpa～1.04Mpa。
此时需要的注气流量为：
807Nm³
/h～1305Nm³
/h。
4.2.2A平台～C平台输气管道控制注气压力的计算
表7A平台～C平台输气管道注气排水阶段运行参数
BZ13-1～QK18-1
54.44
122.2
1616
785
1.35
27.22
244.4
7420
1580
3.04
图11A平台～C平台输气管道注气推水0.5m/s速度下管道沿线压力
通过以上计算结果得出：
A平台～C平台输气管道进行注气通球作业时，通球速度在0.5m/s时，注气压力控制在0.64Mpa～1.35Mpa。
785Nm³
/h～1616Nm³
5.现场作业总结
5.1现场作业总结
根据方案优化的计算结果。
现场详细作业程序如下：
（1）做好通球的应急预案，应对作业时出现的异常情况发生。
本次作业B、C平台都具备向海管反向输送海水的能力[5]。
（2）管道投放起一个直板清管球，作用是隔离海水及淡水。
启动高压制氮设备，开始注气通球，B平台～A平台输气管道进行注气通球作业时，注气压力控制在0.64Mpa～1.04Mpa，见表6。
A平台～C平台输气管道进行注气通球作业时，注气压力控制在0.64Mpa～1.35Mpa，见表7。
（3）第一个球走出约1小时后停止充气。
海管泄压（加注淡水压力超过海管压力，可以不泄压），向海管加注淡水。
A平台～C平台输气管道作业时，需加淡水量最少为14.89立方（见表4），才能完全置换出管道的海水。
B平台～A平台输气管道作业时，需加淡水量最少为11.71立方（见表4），才能完全置换出管道的海水。
（4）放入第二个直板清管球，作用是隔离淡水及氮气。
启动高压制氮设备，继续注气通球，通球压力控制先前的压力。
（5）充压1小时后，放入第三直板清管球，一小时后放入第四个直板清管球。
作用是彻底清除管道里的游离水。
开始连续注气通球。
（6）管道出口陆续收到球后，注意观察第四球的表面含水情况。
如果第四个球表面有水迹现象，可以选择发一个高密度吸水泡沫球做最后的管道吸水作业。
（7）清管球全部收球完毕，开始测海管出口的含氧量，含氧量直至低于5%，开始测海管出口气体的水露点，直至-20度为合格。
此时，输气管道一次性完成排水、惰化、干燥工作结束。
6.结论及建议
通过以上计算、统计分析，得出如下结论及建议：
1、此方案经过多方面优化整合，选择把高压制氮设备放在两条海管的重要节点A平台进行作业，对两条海管进行不间断连续作业，减少了设备的动复原费用，提高了作业效率。
2、使用高压制氮设备对长输天然气海管投运前一次性完成排水、惰化、干燥工作，既节省了费用又缩短了作业时间，同时高压制氮设备可以为新项目的全系统行进气密实验及惰化作业。
3、选用直板球为海管通球前，必须确认管道测量球（图13）全程通球完工后方能执行，避免出现卡球现象[5]。
4、通球过程中，通球压力尽量保持压力平稳，避免清管列车在管道里面撞车，增加通球难度和风险。
5、对管道进行反向通球作业时，确认管道上是否有单流阀及管道末端发球装置是否具备收球能力。
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