上海液化天然氣有限責(zé)任公司 張晉瑋 金 罕

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

上海 LNG項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐擴(kuò)建工程的管道包括工藝管道(氣化器、高壓泵、丙烷以及工藝總管)、公用工程管道(氮?dú)釭NI、儀表風(fēng)IA、工廠風(fēng)PA、工廠水PW)、消防水管道和給排水管道。為了確保新增設(shè)施正常投產(chǎn)和生產(chǎn)的安全穩(wěn)定，所有新建管道的安裝和檢驗(yàn)必須嚴(yán)格滿足設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。其中工藝管道(LNG、NG、LPR、GPR)和公用工程管道(GNI、IA)都對(duì)管道的清潔度和露點(diǎn)提出了明確要求，要求管道空氣吹掃靶板檢查合格，管道內(nèi)露點(diǎn)低于－40℃[1]。

工藝管道的干燥一直是施工過(guò)程中的難點(diǎn)。對(duì)于LNG管道來(lái)說(shuō)，其中介質(zhì)溫度達(dá)到－160℃，管道內(nèi)存在水會(huì)結(jié)冰；在高壓下氣態(tài)天然氣與水會(huì)形成水合物，造成管道堵塞；管道內(nèi)的液態(tài)水還可能與天然氣中的少量酸性氣體生成酸性物質(zhì)，引起管道腐蝕。因此在進(jìn)料投產(chǎn)前必須將天然氣或 LNG管道內(nèi)水分清除干凈，否則對(duì)于生產(chǎn)穩(wěn)定和管道安全都會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響[2]。

目前國(guó)內(nèi)外天然氣管道的干燥方法主要有干燥劑法、流動(dòng)氣體蒸發(fā)法和真空干燥法等，幾種方法在干燥成本、時(shí)間、效果以及應(yīng)用范圍上各有優(yōu)劣[3]。上海LNG項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐擴(kuò)建工程在施工階段綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)條件、成本和時(shí)間等因素后，最后選取目前應(yīng)用最為成熟廣泛的流動(dòng)氣體蒸發(fā)法中的干空氣干燥法。對(duì)于管徑大于4英寸(1英寸＝25.4 mm)的管道采取爆破吹掃，優(yōu)勢(shì)在于爆破瞬間管道內(nèi)外會(huì)形成一個(gè)較大的壓差，系統(tǒng)中的壓縮空氣迅速膨脹從爆破口以極高的速度噴出，同時(shí)管道內(nèi)雜質(zhì)和游離水在爆破引起的震動(dòng)作用和高速氣流的沖擊下也隨之排出，能夠加快清潔和干燥速度[4]。

根據(jù)擴(kuò)建工程進(jìn)度節(jié)點(diǎn)要求，氣化設(shè)施管道和LNG儲(chǔ)罐管道的干燥工期大約都是20 d。內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要進(jìn)行干燥的管道數(shù)量較多，同時(shí)還要與管道保冷等其他作業(yè)穿插進(jìn)行，因此工作量很大，工期較為緊張，必須經(jīng)過(guò)周密的計(jì)劃和安排才能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。

2 實(shí)施方案

本工程管道干燥根據(jù)管道特點(diǎn)靈活采用了爆破吹掃、間歇吹掃和連續(xù)吹掃的方式。通過(guò)低點(diǎn)的導(dǎo)淋口、排污口將水壓試驗(yàn)過(guò)程中的水排出。大于4英寸的管道在爆破吹掃結(jié)束后再進(jìn)行連續(xù)吹掃，通過(guò)爆破將管道內(nèi)的主要水分排出，殘留的水分通過(guò)連續(xù)吹掃加快管道內(nèi)水分蒸發(fā)的方式帶出。爆破吹掃流程如圖1所示。

管徑小于4英寸的管道結(jié)合使用連續(xù)吹掃和間歇吹掃。管道吹掃按照先高后低、先主管后支管的原則。管道清潔吹掃為連續(xù)不間斷作業(yè)，主管吹掃時(shí)，關(guān)閉支管上的閥門(mén)。主管吹掃合格后，依次控制各支管上進(jìn)出氣口的閥門(mén)吹掃相應(yīng)的支管線。吹掃過(guò)程中在排氣口設(shè)置涂白漆的木制靶板檢驗(yàn)，吹掃5 min后靶板上無(wú)鐵銹、塵土、水分及其他雜物為合格[5]。現(xiàn)場(chǎng)利用1臺(tái)規(guī)格為20 m3/min的空壓機(jī)產(chǎn)生的干空氣進(jìn)行吹掃，空壓機(jī)入口帶有干燥過(guò)濾設(shè)備，確保所使用的空氣在潔凈度和干燥度上都滿足要求。管道系統(tǒng)的干燥度通過(guò)露點(diǎn)儀檢測(cè)管道出氣口處的水露點(diǎn)溫度來(lái)確定；當(dāng)出口處的露點(diǎn)降到－40℃以下時(shí)，停止吹掃，將管道密閉保持4 h，如密閉試驗(yàn)后露點(diǎn)溫度升高不超過(guò) 3 K且不高于－40℃，則認(rèn)為該管道露點(diǎn)合格，干燥完成。

在管道干燥過(guò)程中，部分管道僅通過(guò)單純的吹掃無(wú)法將水分徹底除去，還必須采取一些專(zhuān)門(mén)措施，以實(shí)現(xiàn)在有限時(shí)間內(nèi)將這些管道中的水除凈、露點(diǎn)檢測(cè)符合要求的目標(biāo)。

2.1 閥門(mén)阻礙影響爆破吹掃

IFV 14英寸管道干燥示意如圖2所示。中間介質(zhì)氣化器(IFV)出口14英寸管道吹掃時(shí)氣流方向與運(yùn)行時(shí)天然氣流向相反，爆破口為豎直向上的法蘭口。由于管道中有止回閥，在該處氣流只能由止回閥的1英寸旁路通過(guò)，而止回閥前由于未設(shè)低點(diǎn)排液，導(dǎo)致止回閥前至爆破口的一段管道底部積水無(wú)法通過(guò)吹掃帶出。管道爆破結(jié)束后連續(xù)吹掃2 d管道內(nèi)露點(diǎn)仍未出現(xiàn)下降。經(jīng)分析討論后采取從爆破口往管道內(nèi)放入吸水材料，將管道內(nèi)積水吸出的方法。利用此方法嘗試數(shù)次后基本將這部分殘留的水分吸收，之后連續(xù)吹掃一段時(shí)間管道內(nèi)的露點(diǎn)符合要求。

圖2 IFV 14英寸管道干燥示意

高壓泵出口8英寸LNG管道設(shè)有兩個(gè)止回閥：沿著管道流向第一個(gè)為旋啟式止回閥，第二個(gè)為軸流式止回閥，兩個(gè)止回閥間未設(shè)低點(diǎn)排液。在水壓試驗(yàn)后兩個(gè)止回閥之間殘留了一些積水。由于軸流式止回閥的構(gòu)造特點(diǎn)，其底部略高于管道底部，導(dǎo)致在管道下部形成了一個(gè)水坑，其中的積水很難通過(guò)吹掃帶出。經(jīng)過(guò)分析并論證相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)后，決定在靠近軸流式止回閥的管道底部低點(diǎn)切割一個(gè)小洞將水排出，之后以小洞作為排氣口連續(xù)吹掃一段時(shí)間。在管道內(nèi)水分排凈后以黃金焊口的形式將該處修補(bǔ)復(fù)原，大大加快了管道的干燥速度。

2.2 管道布置影響爆破吹掃

本工程中管廊管道與接收站內(nèi)其他管道相比長(zhǎng)度更長(zhǎng)，達(dá)300 m以上；管徑更大，最大達(dá)46英寸；而且中間部分沒(méi)有法蘭口，只能從管道末端進(jìn)行吹掃。這些因素增加了管道干燥的難度。在吹掃界外管廊管道時(shí)，大多采用爆破吹掃的方法，爆破的瞬間管道會(huì)受到相當(dāng)大的反作用力，尤其在吹掃46英寸卸料管道和24英寸低壓外輸管道時(shí)。因此在施工前需要專(zhuān)門(mén)對(duì)管道進(jìn)行加固，作用力大小可按照式(1)進(jìn)行計(jì)算：

式中：F——管線受到的反作用力，方向與氣體流動(dòng)方向相反，N；

S——爆破口面積，m2；

p1——管道內(nèi)爆破時(shí)的壓力，Pa；

p0——大氣壓，取101 325 Pa。

根據(jù)計(jì)算得到不同爆破口尺寸在各個(gè)壓力下爆破時(shí)管道所受到的反作用力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 1。由表1可以看出當(dāng)爆破口尺寸大于8英寸，反作用力急劇增大，風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增加。從現(xiàn)場(chǎng)施工安全角度考慮，再結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)管徑為 24英寸和46英寸的管道，使用經(jīng)過(guò)特殊加工的8英寸變徑爆破口。

表1 不同工況下管道爆破時(shí)所受的反作用力 kN

管道爆破吹掃的效果是由爆破時(shí)氣體流動(dòng)速度決定的，氣體流速可由式(2)和(3)計(jì)算得出[5]：

式中：v——爆破口處氣體流速，m/s；

k——?dú)怏w絕熱指數(shù)，取1.33；

p1——管道內(nèi)爆破時(shí)的壓力，Pa；

ρ——干空氣密度，kg/m3；

t——環(huán)境溫度，℃。

不同爆破壓力下不同管徑管道使用8英寸爆破口時(shí)，計(jì)算得出該爆破口的氣體流速，見(jiàn)表2。

表2 使用8英寸爆破口不同工況下的管口氣體流速m/s

可見(jiàn)隨著爆破壓力增加，氣體流速增加幅度減緩。當(dāng)爆破壓力超過(guò)0.3 MPa時(shí)，氣體流速增長(zhǎng)變得非常緩慢。氣體流速與管道各個(gè)部位的關(guān)系見(jiàn)圖3。由圖 3可以看出，進(jìn)氣端氣體流速最小，出氣端氣體流速最大。GB 50235—2010《業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》中要求管內(nèi)氣體流速不得小于20 m/s，指的是管道內(nèi)氣體的平均流速，以此推算，爆破出氣口氣體流速最低要達(dá)到40 m/s，對(duì)選擇爆破吹掃管線的長(zhǎng)度具有重要的指導(dǎo)意義。因此，大尺寸管道在此條件下很難達(dá)到規(guī)范中所推薦的吹掃標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 氣體流速與管道各個(gè)部位的關(guān)系

本工程46英寸和24英寸管道吹掃如圖4、圖5所示?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中對(duì)這兩根管道爆破吹掃一段時(shí)間后，管道內(nèi)氣體的露點(diǎn)未出現(xiàn)明顯下降。經(jīng)過(guò)分析討論，決定根據(jù)實(shí)際情況靈活采取應(yīng)對(duì)措施。

圖4 46英寸管道吹掃示意

圖5 24英寸管道吹掃示意

對(duì)于 46英寸管道，由于在新老管道鑲接口處有一段向上的直管，爆破時(shí)底部的水很可能無(wú)法帶出，因此在現(xiàn)場(chǎng)將鑲接口螺栓松動(dòng)，并把新管子一端稍微抬高，使管道法蘭和插板之間產(chǎn)生一點(diǎn)縫隙，此時(shí)會(huì)有大量積水從中流出。但是將此處水排出并繼續(xù)吹掃數(shù)天后，管道內(nèi)氣體露點(diǎn)仍未見(jiàn)下降，由此確定該管道內(nèi)還有積水，分析后判斷存在積水可能性最大的地方是彎頭處。在充分考慮安全風(fēng)險(xiǎn)后，安排工人從末端管口處進(jìn)入管道，發(fā)現(xiàn)在彎頭處確實(shí)存有積水，將水清除后再吹掃一段時(shí)間，管道內(nèi)氣體露點(diǎn)即降至設(shè)計(jì)要求以下。

24英寸低壓外輸管道爆破吹掃作業(yè)中也發(fā)生管道內(nèi)氣體露點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間不見(jiàn)下降的現(xiàn)象，分析后判斷積水主要存在于上管廊豎直管道之前的部分。由于此段管道較長(zhǎng)且中間未設(shè)置低點(diǎn)排液，因此只能在管道中段進(jìn)行切割。切割后發(fā)現(xiàn)上管廊管道的彎頭處確實(shí)有很多積水，清除此段積水后使用黃金焊口將管道恢復(fù)，再吹掃一段時(shí)間，最后管道內(nèi)氣體露點(diǎn)符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

在常規(guī)爆破吹掃的基礎(chǔ)上，結(jié)合吸水材料除水、人工清理和管道底部切割除水等方法，上海LNG項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐擴(kuò)建工程的管道吹掃干燥工作得以在規(guī)定工期內(nèi)完成。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)問(wèn)題的原因及所采取的解決措施，對(duì)管道安裝和干燥工作得出以下結(jié)論和改進(jìn)建議。

(1) 通過(guò)工程中的常規(guī)操作，先使用爆破吹掃將管道內(nèi)大量的水分、雜質(zhì)等清除干凈，再利用連續(xù)或間歇性吹掃使管道內(nèi)氣體露點(diǎn)降至滿足設(shè)計(jì)要求。用此方法干燥，所需時(shí)間通常與該段管道容積正相關(guān)。如若采用此常規(guī)方法對(duì)管道干燥效果不佳，則需要采取特殊措施。

(2) 對(duì)于直徑超過(guò)DN600的大尺寸管道，規(guī)范推薦采用人工清理。因此，對(duì)此類(lèi)管道從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始就應(yīng)考慮實(shí)施人工清理，并為人員進(jìn)入管道內(nèi)部清理創(chuàng)造條件。

(3) 管道上安裝的閥門(mén)會(huì)對(duì)管道的吹掃干燥產(chǎn)生一定的影響。部分止回閥會(huì)阻礙爆破吹掃的效果，而部分閥門(mén)在試壓試驗(yàn)后閥桿、閥腔內(nèi)的積水不容易徹底清除，因此在安裝進(jìn)行時(shí)要合理規(guī)劃，如若條件允許，建議部分閥門(mén)不參與水壓試驗(yàn)。

(4) 根據(jù)管道干燥吹掃中的經(jīng)驗(yàn)，爆破吹掃后在彎頭處較易產(chǎn)生積水，主要原因還是由于彎頭處容易產(chǎn)生氣流死角，爆破吹掃時(shí)此處氣體流速較低，積水很難被徹底帶出。管道末端和豎直立管前端也容易產(chǎn)生積水，如果爆破后管道內(nèi)空氣露點(diǎn)仍然難以下降，應(yīng)重點(diǎn)考慮這幾個(gè)地方。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在需要的地方設(shè)置低點(diǎn)排液，并且合理預(yù)留一些黃金焊口作為爆破口，以利于管道干燥。