小管徑天然氣管道局部冷凍封堵技術(shù)

摘 要

摘要：小管徑天然氣管道實(shí)施管壁開孔局部封堵，存在動火操作復(fù)雜、置換作業(yè)時間長、費(fèi)用高和安全隱患大的問題。為此，基于將管道中流體冷凍以承受壓力，從而起到隔離作用的原理，提出
摘要：小管徑天然氣管道實(shí)施管壁開孔局部封堵，存在動火操作復(fù)雜、置換作業(yè)時間長、費(fèi)用高和安全隱患大的問題。為此，基于將管道中流體冷凍以承受壓力，從而起到隔離作用的原理，提出了小管徑天然氣管道局部冷凍封堵技術(shù)，并進(jìn)行了局部冷凍封堵機(jī)理試驗(yàn)、固水乳化劑的研制及性能測試、局部冷凍封堵室內(nèi)試驗(yàn)和含凝析油管道動火試驗(yàn)等。結(jié)果表明，局部冷凍封堵技術(shù)承壓能力可以提高至2.5MPa，適用于小管徑天然氣管道的封堵，能夠有效隔離管內(nèi)的油氣，不需要長時間置換掃線，封堵介質(zhì)解凍后易清除，提高了施工后恢復(fù)輸氣的安全性，操作方便快捷，對管道安全動火具有重要意義。
關(guān)鍵詞：天然氣管道；冷凍封堵；局部封堵；安全動火；隔離油氣；固水乳化劑
    在天然氣管道運(yùn)行中，由于受磨損、腐蝕、宏觀地貌及流程改造等因素的影響，時常會出現(xiàn)天然氣管道需要搶修、改線作業(yè)等問題[1]。小管徑天然氣(含凝析油)管道的搶修、改線作業(yè)，通常采用無火花切割設(shè)備切斷管道，更換或添加結(jié)構(gòu)物(如三通等)后采用焊接方式連接管道[2]。
    為了防止焊接過程發(fā)生失火等事故，通常在焊接前采用氮?dú)庵脫Q等技術(shù)較為徹底地置換出管道內(nèi)的天然氣與凝析油[3]，當(dāng)檢測到管道內(nèi)的油氣組分含量低于動火要求指標(biāo)后，再實(shí)施焊接[4]。這種技術(shù)置換需求設(shè)備較多，施工時間長，費(fèi)用也高，同時由于管道內(nèi)殘存油氣，環(huán)境溫度及焊接溫度等引起的變化都可能使焊接施工作業(yè)存在安全隱患[5]。
   為了降低安全施工對置換工藝的要求，節(jié)約置換時間與費(fèi)用，已經(jīng)開發(fā)出了管道封堵劑，且已較廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)場的封堵作業(yè)，取得了較好的效果[6]。但目前化學(xué)封堵技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的封堵壓力較低，僅為0.1MPa以內(nèi)，而且承壓時間較短。為了實(shí)現(xiàn)小管徑天然氣管道無火花切割后不置換或盡可能短時間置換，減少作業(yè)時間與費(fèi)用，確保動火作業(yè)安全[7～8]，急需研究開發(fā)一種小管徑天然氣管道的局部封堵技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)提高局部封堵段承壓能力，使焊接作業(yè)結(jié)束后即可適時恢復(fù)通氣，且封堵介質(zhì)不會影響管道的正常輸氣與下游設(shè)備的正常工作。為此，研究開發(fā)出一種適用于小管徑天然氣(含凝析油)管道的局部冷凍封堵技術(shù)，封堵壓力可以超過2.5MPa。
1 局部冷凍封堵機(jī)理試驗(yàn)
管道局部封堵的原理是通過向管道中放入具有一定強(qiáng)度的封堵物，利用其與管道壁面之間的摩擦力或結(jié)合力來實(shí)現(xiàn)局部封堵，皮囊封堵與機(jī)械封堵均屬于這一范疇。局部冷凍封堵通常是將管道中可凍結(jié)的流體冷凍，通過冷凍段來承受壓力，起到隔離的作用。小管徑天然氣管道要采用冷凍封堵，必須先注入可凍結(jié)流體(常用的可凍結(jié)流體是水)，再進(jìn)行冷凍。為了驗(yàn)證水變成冰后自身的承壓能力以及與管壁的結(jié)合力能否承受較高的氣壓，筆者在Φ60mm×8mm的試驗(yàn)管道內(nèi)密封一段長100mm水柱，將試驗(yàn)管道放于冰柜中進(jìn)行冷凍，使水凍成冰，再在室溫(15℃)下加氣壓，進(jìn)行局部冷凍封堵模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。
 

    由表1可以看出，被冷凍的試驗(yàn)管道在沒有維持熱量平衡的情況下可以承受較高壓力(2MPa)。因此水由液態(tài)變成固態(tài)以后，與試驗(yàn)管道壁面的結(jié)合力及自身強(qiáng)度足以承受2MPa以上氣壓，說明冷凍封堵方案可以實(shí)施。
2 固水乳化劑的研制及性能測試
2.1 固水乳化劑的研制
    現(xiàn)場封堵作業(yè)時，由于管道施工環(huán)境的特殊性(水平管、傾斜管等)，向管道內(nèi)注水并快速實(shí)現(xiàn)冰凍存在較大的困難，不便于工程實(shí)施，因此需要研制一種固水乳化劑。
    固水乳化劑應(yīng)該具有較強(qiáng)保水性的特點(diǎn)，冷凍后應(yīng)具有良好的密封性和強(qiáng)度，解凍后能恢復(fù)原來的膏狀體且易被清除。通過對保濕劑、交聯(lián)體性能的系統(tǒng)分析研究，成功研制了一種固水乳化劑。
2.2 固水乳化劑性能測試
    對固水乳化劑的保水性、冷凍后的質(zhì)密性、解凍后是否能恢復(fù)原來的膏狀體及其解凍時間進(jìn)行了性能測試。
分別取固水乳化劑800mL、500mL、300mL、200mL，將它們冷凍固化后，看其是否產(chǎn)生裂紋；在不同的溫度下解凍，獲取解凍時間。試驗(yàn)結(jié)果見表2和圖1。試驗(yàn)結(jié)果表明固水乳化劑解凍后恢復(fù)成原來的膏狀，且具有良好的質(zhì)密性。
 

3 局部冷凍封堵室內(nèi)試驗(yàn)
3.1 局部冷凍工藝設(shè)計
    在現(xiàn)場施工中，需要一套冷凍裝置將注入管道的固水乳化劑冷凍，該裝置應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：①能夠使冷凍部分的管道溫度驟降，足夠使管道內(nèi)部的固水乳化劑冷凍；②能夠維持熱量平衡，在焊接過程中使固水乳化劑保持固態(tài)，承受氣壓，有效隔離油氣；③相關(guān)附件能使整個冷凍工藝操作方便，快捷。
基于以上思路，可以設(shè)計一種保溫套固定在管道外，在保溫套與管道之間裹上低溫介質(zhì)，通過保溫維持熱量平衡，在焊接過程中使固水乳化劑保持固態(tài)(圖2)。固水乳化劑通過與管道內(nèi)徑相配合的推塞注入管道中同時完成固水乳化劑定位。
 

3.2 冷凍封堵承壓時間試驗(yàn)
    固水乳化劑維持固態(tài)的時間必須大于管道焊接施工作業(yè)時間，這樣才能保證整個動火過程的安全，為此，進(jìn)行了冷凍封堵承壓時間試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境溫度為13℃，加載氣壓為2.5MPa，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
 

    由試驗(yàn)結(jié)果可知：利用保溫夾套將冷凍介質(zhì)與外界環(huán)境隔離，有效降低了冷凍介質(zhì)與外部環(huán)境的熱交換；管道內(nèi)的固水乳化劑冷凍后，實(shí)驗(yàn)管道在承受氣壓2.5MPa的情況下，維持氣壓不降的時間約為5h，遠(yuǎn)大于Φ89mm×10mm、Φ114mm×12mm管道的圓周焊接時間，可以用于工程施工。
4 含凝析油管道動火試驗(yàn)
    含凝析油管道實(shí)際動火過程中，凝析油揮發(fā)較快，焊接時產(chǎn)生的余熱及環(huán)境溫度的改變對固水乳化劑維持固態(tài)也有一定影響，因此進(jìn)行含凝析油管道的動火試驗(yàn)。選取1根9m長的Φ60mm×8mm輸氣管道，一端用封頭密封，在密封段內(nèi)注入足夠量的凝析油；在管道開口端注入固水乳化劑，采用上述局部冷凍工藝?yán)鋬龉趟榛瘎?，采用空氣壓縮機(jī)加壓，試驗(yàn)環(huán)境溫度為2℃，檢測密封段與焊接段凝析油含量，動火示意圖見圖4，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
 

    由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在承受氣壓2.5MPa的情況下，密封管段凝析油體積分?jǐn)?shù)為0.81%，已超過凝析油的爆炸下限0.6%，檢測得知封堵段后焊接端口的凝析油氣含量為0，說明固水乳化劑冷凍后能夠完全隔離油氣，在不采取置換掃線的情況下，能夠?yàn)閯踊鹱鳂I(yè)提供安全保障；解凍后的固水乳化劑恢復(fù)原來的膏狀，易溶于水，結(jié)束焊接施工作業(yè)恢復(fù)輸氣后由氣流攜帶進(jìn)入下游管道，在集氣站分離器中沉積，由分離器排污管線排出。
5 結(jié)束語
   試驗(yàn)研究表明局部冷凍封堵技術(shù)可成功應(yīng)用于小管徑天然氣管道的局部冷凍封堵，對隔離管內(nèi)油氣是行之有效的。局部冷凍封堵技術(shù)的作業(yè)管道承壓能力可超過2.5MPa，明顯優(yōu)于現(xiàn)有管道局部化學(xué)封堵技術(shù)，承壓時間完全滿足管道焊接的要求，施工方便快捷，安全可靠，可實(shí)現(xiàn)不置換動火的技術(shù)需求。焊接施工完成后，當(dāng)固水乳化劑的溫度高于0℃，固水乳化劑即恢復(fù)原來狀態(tài)，待天然氣管道恢復(fù)輸氣時隨天然氣一起排出。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：梁政1 蘭洪強(qiáng)1 李蓮明2 鄧雄1 1.石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)；2.中國石油長慶油田公司采氣二廠)