李 江

北京燕華工程建設(shè)有限公司 北京 102502

石油化工裝置在強度試驗合格后，氣體泄露性試驗前應(yīng)進行管道系統(tǒng)吹掃，因為安裝完成的管道內(nèi)不可避免地會存在油垢、鐵銹、泥沙、焊熘、焊渣等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的存在，使管道內(nèi)的有效通過面積減小，影響輸送流體的品質(zhì)，還容易造成設(shè)備的損壞。為了保證管道內(nèi)部清潔無雜物，保證流體質(zhì)量，使裝置一次開車成功，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，石化裝置施工驗收規(guī)范已明確規(guī)定必須對管道系統(tǒng)進行吹掃。但是，現(xiàn)行施工規(guī)范僅給出一個固定的吹掃介質(zhì)流速值，而施工現(xiàn)場管道系統(tǒng)千差萬別，吹掃質(zhì)量的好壞與許多因素有關(guān)，如何達到規(guī)范中規(guī)定的流速值，一些做法缺乏理論依據(jù)，文中通過將實踐經(jīng)驗與流體力學(xué)的基本理論相結(jié)合，對石化裝置管道系統(tǒng)的吹掃方法、步驟、儲氣壓力計算進行論述，以保證吹掃質(zhì)量和效果。

1 吹掃方法

管道系統(tǒng)的吹掃方法有很多種，選擇合理、經(jīng)濟有效的吹掃方法是保證吹掃質(zhì)量的前提條件。首先要根據(jù)管徑的大小和管內(nèi)介質(zhì)要求，選取最合適、最經(jīng)濟的吹掃介質(zhì)，其次根據(jù)介質(zhì)的不同，確定吹掃速度[1]。

（1）對于公稱直徑大于600mm 的管道，宜用人工清掃；公稱直徑小于600mm 的液體管道宜采用水清洗，氣體管道宜采用空氣吹掃，因為輸送氣體介質(zhì)的管道系統(tǒng)不一定能承受液體和管道自重的負荷。

（2）蒸汽管道應(yīng)以蒸汽吹掃，吹掃過程也是投汽試運行的試驗過程。非熱力管道因為設(shè)計未考慮熱脹冷縮，不得采用蒸汽吹掃。

（3）有特殊要求的管道應(yīng)按設(shè)計要求的方法進行清掃，如噴沙、脫脂、酸洗、鈍化等。

（4）對于管道系統(tǒng)中無控制閥門的管道，可以采用爆破法進行吹掃。目前管道系統(tǒng)吹掃時，在無特殊技術(shù)要求的情況下大多數(shù)選擇壓縮空氣進行，空氣吹掃在工業(yè)管道中使用最普遍，因為空氣吹掃簡單易行，容易操作，空氣來源容易，排放方便，目測吹掃質(zhì)量時容易判斷，能夠吹除管道內(nèi)因液壓試驗殘留的水跡，且冬季不用采取防凍措施。

2 吹掃流速

現(xiàn)行施工規(guī)范中對不同吹掃介質(zhì)的最低吹掃速度提出了要求，如SH3501《石油化工有毒、可燃介質(zhì)管道工程施工及驗收規(guī)范》中規(guī)定[1]：管道系統(tǒng)水沖洗時，宜采用最大流量，流速不得小于1.5m/ s；空氣吹掃流速不得小于20m/ s；蒸汽吹掃流速不得低于30m/ s。

根據(jù)流體力學(xué)知識，介質(zhì)在管道內(nèi)流動，將管道內(nèi)的雜質(zhì)帶出，主要與流體的流速、流體的流態(tài)有關(guān)。介質(zhì)流動過程中與金屬表面充分地接觸，對金屬表面產(chǎn)生了切應(yīng)力，隨著流速的提高，切力矩作用增強，將管道內(nèi)部及附著在金屬表面上的雜質(zhì)剝離帶出。而流體的流動狀態(tài)有層流和湍流兩種，它不僅取決于流體的速度，而且還取決于流體粘度、密度和管道的幾何尺寸（如凸出物、縫隙以及突然改變流向的截面），不同的流動狀態(tài)有不同的運動規(guī)律，層流時，吹掃介質(zhì)對管道內(nèi)壁的剪切力小；湍流時，管道金屬表面與流體介質(zhì)的接觸更加頻繁，增加了流體與金屬之間的剪切力，從而將金屬表面的雜質(zhì)與金屬撕開，并沖走，達到吹掃的效果。所以，為達到好的吹掃效果提高傳質(zhì)速率，管道吹掃過程中管道內(nèi)的流體必須處于湍流狀態(tài)，因為湍流流動是由一系列各種尺度的隨機渦所組成的流動，在經(jīng)過吹掃過程對管道的敲擊，使湍流狀態(tài)進一步形成大量的“漩渦”，不斷沖刷管道內(nèi)壁，將管道內(nèi)雜質(zhì)帶出管道，以達到吹掃目的。

從流體力學(xué)中的雷諾試驗可知，隨著雷諾數(shù)（Re）的增長，流動將由層流狀態(tài)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)，不同的流動狀態(tài)形式與粘性系數(shù)（μ）、密度（ρ）、圓管的直徑（d）、管內(nèi)平均流速（U）等有關(guān)，雷諾經(jīng)過大量試驗得出下列公式[2]：

式中：Re——雷諾數(shù)（無量綱量）；

ρ——管內(nèi)流體密度，空氣在20℃時的密度為1.2kg/ m3；

U——管內(nèi)平均流速，m/ s；

D——管道直徑，m；

μ——粘性系數(shù)，kg/ ms；

γ——運動粘性系數(shù)，m2/ s。

其中壓力對同一流體的（γ）影響很小，而溫度對其影響很大，如水的粘性隨溫度的升高而減?。豢諝獾恼扯入S溫度的升高而增大。水在20℃時運動粘性系數(shù)為1.01×10-6m2/ s，空氣在20℃時的運動粘性系數(shù)為1.5×10-5m2/ s 。

試驗指出，圓管中的流體流態(tài)有2 個不同的臨界點：上臨界Recr2=10000；下臨界Recr1=2000。

當Re≤2000 時，流態(tài)為層流；當2000＜Re≤10000時為過渡階段；Re＞10000 時為湍流。試驗指出，流體流動狀態(tài)處于過渡階段時，流動雖然呈層流狀態(tài)，但只要稍有擾動，流態(tài)就會轉(zhuǎn)化為湍流。在管道吹掃過程中，依據(jù)規(guī)范要求，管道之死角部位應(yīng)受到頻繁的敲擊其流態(tài)必受擾動，層流狀態(tài)會喪失其原有的穩(wěn)定，從而轉(zhuǎn)化為湍流。據(jù)此，可以認為在工業(yè)吹掃過程中，上臨界雷諾數(shù)Recr2的大小并沒有實際意義。應(yīng)當把下臨界雷諾數(shù)Recr1作為判定流態(tài)的準則。所以在工業(yè)吹掃過程中可認定為：Re＞2000時為湍流；Re≤2000 為層流。

故在進行管道吹掃時，首先應(yīng)判斷流體流動狀態(tài)然后再進行吹掃。壓縮空氣吹掃時流速為20m/ s，一般管徑能保證Re＞105使管內(nèi)流體處于湍流狀態(tài)。但是目前施工規(guī)范僅對最低吹掃速度進行了規(guī)定，而吹掃速度的測量和控制對于現(xiàn)場施工來說相當不便，所以施工中必須采取一種直觀易行的方法，既要達到吹掃的目的，又要便于觀察操作。

3 空氣吹掃儲罐儲氣壓力的計算

目前該單位化工裝置的管線吹掃一般采用蓄壓法，即利用生產(chǎn)裝置的大型壓縮機和大型儲氣罐進行吹掃，首先吹凈儲罐的進氣管線，然后將壓縮空氣引入儲罐，用壓縮機對儲罐內(nèi)的氣體進行加壓，達到一定壓力后再依次打開儲罐的附屬管線閥門，逐根吹掃與儲罐相連的管線，直至合格，然后將氣源引入下一臺設(shè)備，直至全部管線吹掃完成，并在吹掃過程中及時對儲罐進行加壓，但壓力值不得超過設(shè)備及管線的允許壓力。但是，儲罐內(nèi)的儲氣壓力控制在多少，才能保證吹掃流速，目前沒有統(tǒng)一的說法，文中就根據(jù)伯努利定理和能量守恒原理，結(jié)合現(xiàn)場實例近似計算吹掃時儲氣壓力的最小值。

吹掃系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。若管道主線長度為300m，閥門為閘閥，當時大地的大氣壓為P0=1.013×105Pa，溫度為20℃，儲罐容積V1為20m3，吹掃時管道內(nèi)部的空氣流速為U，根據(jù)伯努利定理就可近似計算吹掃時儲罐儲氣壓力P1。

圖1 吹掃系統(tǒng)示意圖

3.1 判定流態(tài)

依據(jù)規(guī)范要求，若吹掃時管內(nèi)風(fēng)速U達到20m/ s，則其雷諾數(shù)為：

根據(jù)上文所述，雷諾數(shù)高于下臨界值Recr1值和上臨界Recr2值，其流態(tài)應(yīng)為湍流。

3.2 管流阻力[3]

由于流體具有粘滯性，在流動中必然要克服阻力而消耗一定的能量。進一步說，流體沿流動方向向前流動，同時帶動管道內(nèi)的雜質(zhì)向前運動，其機械能是減小的，這部分被減小的機械能稱為沿程阻力損失Pf：

式中：d——管內(nèi)徑，m；

λ——摩擦系數(shù)；f=Re；

L——吹掃管線總長度，m。

對于λ值，不同的流態(tài)有不同的確定方法，對于光滑管道可以采用經(jīng)實驗得到的計算公式進行計算而得，對于粗糙管道，摩擦損失與壁面絕對粗糙度e有關(guān)。通過雷諾數(shù)Re及絕對粗糙度e可從莫迪圖中查出摩擦系數(shù)λ，也可以根據(jù)經(jīng)驗公式計算得出λ。當Re≤2000 時，流態(tài)為層流，光滑管道與粗糙管道的摩擦系數(shù)相同，λ值的計算公式如下：

當介質(zhì)流態(tài)為湍流時，λ值的計算較為復(fù)雜，為此，莫迪（L.F.Moody）用實際的商品管道進行了實驗,得出了適用于整個湍流狀態(tài)的經(jīng)驗公式:

△e——管道內(nèi)壁的當量粗糙度，m；

d——管道內(nèi)徑，m。

對于商品管道而言，由于管壁不同弧段的粗糙度是不同的，所以必須對粗糙度進行修正，既引進當量粗糙度的概念。當量粗糙度的實際意義在于把整個直管段內(nèi)壁的粗糙度視同一致，這樣就無須對每一管段、每一不同弧度的λ值進行多步的復(fù)雜的計算，簡化了計算過程，在實際的管道吹掃過程中，這一點是至關(guān)重要的。不同類型的、新舊程度不同的管道內(nèi)壁的當量粗糙度不同，不同管道的當量粗糙度△e值如表1 所示。

表1 不同管道的當量粗糙度△e 值

由流體力學(xué)資料查得新無縫鋼管當量粗糙度為0.014，故此線的λ值為：

所以沿程阻力損失Pf：

代入數(shù)據(jù)，得：Pf=0.028×(300÷0.1)×1.2×(202)÷2=20160pa。

3.3 局部阻力損失[3]

在石化裝置管道系統(tǒng)中存在若干管道組成件，當流體流經(jīng)閥門、三通、大小頭、彎頭時，由于管道內(nèi)邊界形狀的突然變化，形成錐擴管段或錐形收縮管段（如圖2 和圖3），流態(tài)也就隨之發(fā)生急劇的變化，而且會產(chǎn)生旋渦，會引起機械能轉(zhuǎn)化為熱能，從而導(dǎo)致機械能損失，這種損失稱為局部阻力損失Pj：

圖2 錐擴管段示意圖

圖3 錐形收縮管段示意圖

式中：ξ——局部損失系數(shù)。

（1）彎頭、三通、閘閥等部件的局部損失系數(shù)ξ 可按表2 確定。

表2 彎頭、三通、閘閥的局部損失系數(shù)一覽表

（2）錐擴管段示意圖如圖2 所示。錐擴管段ξ的計算如下：

（3）錐形收縮管段示意圖如圖3 所示。錐形收縮段計算如下：

（4）局部阻力損失的計算：

閥門全開狀態(tài)：ξ1=0.2

90°彎頭：ξ2=0.75

儲罐與主管線連接處的局部阻力損失系數(shù)為ξ3=0.5，

代入數(shù)據(jù)，得：

3.4 儲罐內(nèi)儲氣壓力計算

根據(jù)伯努利定理得到：

式中：U1——儲罐內(nèi)空氣流速，m/ s；

ΣPf——直管段沿程阻力損失之和，Pa；

ΣPj——局部阻力損失之和，Pa。

在實際情況中，儲罐內(nèi)的空氣流速將是非常緩慢的。因為空氣易于壓縮，且吹掃所用儲罐體積應(yīng)遠大于被吹掃管線的體積（這樣方可保證充足的氣量），所以說即使被吹掃管道空氣流速達到20m/ s 以上時，這一時刻所流出氣體的摩爾數(shù)相對于整個大體積儲罐中所儲氣量來說，也僅是很小的一部分。進一步說，大量氣體在儲罐內(nèi)的流速是極其緩慢的，據(jù)此，在實際情況中，儲罐內(nèi)的流速可近似認為U1=0m/ s（工程計算當中，近似計算方法經(jīng)常被采用），這樣可計算出儲罐儲氣壓力值P2（為了與式（1）當中考慮U1不為0 時的儲罐儲氣壓力值P1進行區(qū)別比較，將儲罐內(nèi)空氣流速U1=0m/ s 時的儲氣壓值定義為P2）將會略高于P1，儲罐內(nèi)儲氣壓升高，對于管道吹掃反而有利，這樣，儲罐內(nèi)儲氣壓值P2可計算如下：

代入數(shù)據(jù)，得：P2=101300+1.2×202÷2+20160+528=122228≈1.23×105Pa。

計算出的壓力值將會略高于儲罐中的實際壓力，而儲罐中儲氣壓力越高，對管道吹掃反而更有利，所以，工程施工中可以按式（12）進行計算儲罐壓力。只有當儲罐內(nèi)儲氣壓力達到計算值以上時，方可滿足吹掃流速的要求，因此，管道吹掃時，只需觀察儲罐壓力表讀數(shù)，即可確定管內(nèi)風(fēng)速是否滿足規(guī)范中規(guī)定的20m/ s 要求[4]。尤其是在連續(xù)吹掃的最末時間段，應(yīng)著重注意壓力表的讀數(shù)。所以，對于不同規(guī)格的管道系統(tǒng)吹掃時，控制儲罐壓力一般在6×105Pa 以上,完全可以滿足吹掃速度要求。

事實上，儲氣罐壓力僅達到以上數(shù)值還不夠，因為連續(xù)吹掃時間要求在5min 以上，吹掃較長管段時，需要的排氣量較大。每次吹掃從排放口排出的氣體流量為：

式中：V——排放氣體的體積，m3；

A——排放口截面積，m2；

t——每次排放時間，s。

吹掃時每次排放時間很短，速度固定，當排放管截面積較大時，排放量就大，所以，為保證有充足的氣源，管道吹掃時除了要保證壓力外，還應(yīng)保證有足夠的儲氣量，選用大容積儲罐，以保證每次排放時間內(nèi)的流速。

4 施工中的錯誤做法

管道系統(tǒng)吹掃施工中，當吹掃的管子管徑較大，以往工程中曾有人將大管子末端焊一盲板封口，并在盲板下端平齊下緣處開一小孔，以2＂或3＂管加長并加閥門控制，以此方法進行吹掃，這樣小管末端流速可達20m/ s，似乎滿足要求，但這種做法是錯誤的，錯誤施工圖例如圖4 所示。分析如下：

圖4 錯誤施工圖例（單位：mm）

由于大小管段單位時間內(nèi)氣體總流量相同，故：

式中：U1——大管內(nèi)風(fēng)速，m/ s；

U2——小管內(nèi)風(fēng)速，m/ s；

A1——大管內(nèi)橫截面積，m2；

A2——大管內(nèi)橫截面積，m2。

簡化可得：U1=U2×A2/A1（設(shè)U2=20m/ s）

若大管為φ530mm×10mm，小管為φ89mm×4.5mm，經(jīng)計算可知U1=0.49m/ s＜20m/ s，并不滿足要求。而《工業(yè)金屬管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50235-2019）和《石油化工劇毒、可燃介質(zhì)管道工程施工及驗收規(guī)范》（SH3501-2021）施工驗收規(guī)范，有關(guān)吹掃風(fēng)速的概念都明確要求最大管徑處的吹掃風(fēng)速不得小于20m/ s，這樣方可保證大管徑管段吹掃干凈。

5 管道系統(tǒng)吹掃時應(yīng)遵循的基本原則[5]

（1）設(shè)備、閥門、儀表件前應(yīng)設(shè)置吹掃排放口，難以吹掃干凈的管段、急轉(zhuǎn)彎、排空、倒淋等處也應(yīng)設(shè)置吹掃排放口；

（2）吹掃的順序應(yīng)按主管、支管、疏排管依次進行；吹掃主管時，應(yīng)關(guān)閉各支管閥門；支管吹掃應(yīng)先從介質(zhì)前進方向的第一支管開始依次進行；

（3）吹掃時應(yīng)不斷地敲打管道，對焊縫、死角、彎頭和管底等部位易重點敲打，但不得損壞管子。不銹鋼管道應(yīng)用木錘或銅錘敲打。

（4）吹掃前應(yīng)編寫吹掃方案，劃分吹掃系統(tǒng)，一次吹掃管道不宜過長，以保證壓力和流速；

（5）吹掃可以采用推進式的方法進行，吹掃完成的管道與未吹掃管道應(yīng)嚴格切斷；

（6）吹掃排放時應(yīng)迅速打開控制閥門，短時間內(nèi)排放后迅速關(guān)閉，保證有充足的流量和適當?shù)膲毫Γ?/p>

（7）吹掃管道系統(tǒng)中流體經(jīng)過而未作為控制點的閥門必須處于全開狀態(tài)，否則雜質(zhì)易堵塞在閥門處。

6 管道系統(tǒng)吹掃檢查方法及合格標準

（1）水沖洗質(zhì)量應(yīng)目測出口的水色和透明度與入口處一致為合格；

（2）空氣吹掃時，當目測排氣口處無煙塵時，在排氣口處用白布或涂有白漆的靶板檢查，以5min 內(nèi)白布或靶板上無鐵銹、塵土、水分和其他雜物為合格；

（3）蒸汽吹掃時應(yīng)采用鋁質(zhì)或銅質(zhì)靶板檢查，應(yīng)連續(xù)吹掃15min，檢查靶板上的痕跡，符合標準要求為合格；

（4）油沖洗管道時，首先目測濾網(wǎng)上的污物，再分析油的成分，最后觀察濾網(wǎng)器上的壓差值。

（5）酸洗、鈍化管道用蘭點法進行檢查。

7 結(jié)論

（1）管道系統(tǒng)吹掃時風(fēng)速是否滿足要求，可按上述方法計算儲氣壓力，通過控制壓力來保證流速。一般可控制儲罐壓力在6×105Pa 以上，即可保證流速，此法已在多次施工中采用，效果很好。

（2）若管道系統(tǒng)中存在變徑，則應(yīng)根據(jù)管道長短，以管道系統(tǒng)中直徑較大的管徑為準，計算儲氣壓力，保證大管徑處的風(fēng)速達到20m/ s，而施工規(guī)范中未明確做出規(guī)定。

（3）應(yīng)用伯努利方程計算儲氣壓過程中即使其雷諾數(shù)處于上下臨界數(shù)之間的過渡階段，也不可認為是層流，頻繁的敲擊會改變流態(tài)。

（4）管道吹掃過程中雷諾數(shù)小于下臨界點（2000）的情況絕不可能存在。由雷諾數(shù)表達公式可分析得知：只有管徑很小、流速很低、粘度很大的流體才有可能出現(xiàn)低速流層，而吹掃中流速要求很高，空氣粘度較小，所以低速層流不可能在管道吹掃中出現(xiàn)，即可斷定：管道吹掃過程中，空氣流態(tài)必為湍流。