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天然气长输管道干燥选择的依据

侯立津、杨凯歌

中国石油天然气管道第二工程有限公司

摘要：天然气长输管道进行水试压，会对管道造成多方面的伤害，管道投产前必须进行干燥处理。干燥主要有三大类，常用的方法是采用干燥空气的干燥法，可以通过计算比较不同条件下管道的干燥特性，从而在满足干燥时间要求和经济的条件下选择最佳方案。

关键词：天然气长输管道    水试压   干燥    水膜    干燥露点

1.天然气长输管道干燥的必要性

为了排除天然气长输管道的隐患和缺陷，投产前必须进行试压。试压包括强度试验和严密性试验。由于气体压缩性大，能储存巨大的能量，在管道出现裂纹的情况下可能导致裂纹失稳甚至爆炸，因而用气体试压有很大的风险，几乎不被采用。世界各国的规范一般推荐水作为试压介质。然而试压后在管壁残留的水膜以及地势低洼地段的积水会对管道造成多方面的危害：

1.1管道中的液态水会造成管道内部腐蚀。由于天然气中含有少量酸性气体，比如H2S，CO2等，在有水的条件下会生成酸性物质，腐蚀管道，从而影响管道系统使用寿命。

1.2管道中的液态水是形成天然气水合物的必要条件之一。天然气水合物，俗称“可燃冰”，可用通式CnH2n·XH2O。天然气水合物一旦形成，会减少管道的流通面积，产生节流，加速水合物的进一步形成，造成管道、阀门和一些设备的堵塞，严重影响管道的安全运行。

1.3管道中的液态水的存在会降低天然气的输送能力，造成管道输送能力的下降。

1.4管道中的液态水，还会增加天然气的含水量，导致供气品质降低，影响

正是由于长输管道中液态水的危害性极大，在管道投产前必须进行除水、干燥处理。

2.天然气长输管道干燥方法

目前天然气长输管道干燥方法很多，主要有三大类1）干燥剂法；2）流动气体蒸发法，其中又可分为天然气干燥法、氮气干燥法、干空气干燥法等；3）真空干燥法。由于经济性、技术可行性和安全性等各方面的考虑，这些方法中存在这样或那样的不足，较为常用的是干空气干燥法，其原理是利用露点低于-40oC的、流动的干空气带走管道内残留的水分来达到干燥的目的。理论上水在管道中的越是均匀分布，干燥空气与水接触面具越大，干燥的时间相对就越短。而管道内的湿度与管道内壁水膜的厚度以及低洼地段含水量有很大关系，鉴于此管道内壁初湿度约低，干燥的时间就越短。

3.干燥时间预测

美国的Gary A.LaCasse等采用了一种简明方法计算干燥时间，详见下表：

表1 干燥时间的计算

该计算方法基于如下假设：

3.1干空气和湿空气的性质符合理想气体定律；

3.2管道内壁的温度等于环境温度（地温）；

3.3管道内壁上的水膜厚度是均匀的；

3.4管道中空气的饱和露点温度等于环境温度（地温）；

3.5由于水分蒸发引起的管道内壁温度的降低对干燥时间的影响忽略不计。

4.几个重要参数

4.1 水膜厚度δ

计算式中水膜厚度δ是一个重要参数，直接关系到干燥效率。水膜厚度 是指管道水压试验放水后，采用清管器除水、泡沫清管器擦拭后，理想状态将水均匀铺摊在管道内壁上形成的水膜厚度。据国外文献介绍，水膜厚度与管道内壁的粗糙度大致相当，新建管道内壁的粗糙度一般在50～150 μm 之间，有内涂层的管道内壁粗糙度不高于10～30 μm。另外，管道内壁越光滑、清管器的密封性能越好，水膜厚度就越小，根据国外文献资料和国内输气管道干燥的经验数据,除水后擦拭质量好的情况下，水膜厚度是粗糙度的1～3 倍。

考虑管壁水膜由嵌入水和吸附水两部分组成，即δ= 0. 5 μ+ a  (μ—表面粗糙度；a —吸附水厚度) 。吸附水厚度a 值与内环焊缝余高、清管器种类质量及除水擦拭效果、管道内壁表面粗糙度、管道内水的性质、地温、管道高差等多个因素相关。例如，西气东输管道，在现有清管方法和装备的基础上，泡沫清管器在50 km 以上运行一次增重1. 5 kg 时可以开始干燥，此时的平原地带、山区地带水膜厚度分别为40～60μm、50～80μm。

4.2 饱和空气的含水量HS

在干燥过程中,管道出口的空气是饱和的,饱和空气的含水量越高,单位体积的空气带出水分的量越大,干燥的时间越短。饱和空气的含水量HS与温度和压力有关,温度越高,压力越低,饱和空气的含水量越大。露点对应含水量计算,即计算饱和空气的含水量H。单位体积饱和空气中的水蒸气的质量,称为饱和空气的含水量。因此,使用低压的(接近大气压) 、热的(温度一般为40℃～50℃) 干空气效果最佳,但温度不能太高,否则管道前部热的饱和空气会在管道后部冷却,使一部分水分冷凝。用于空气干燥天然气管道是传热、传质同时进行的复杂过程,其动力来源于空气与湿空气之间水蒸气含量的差值,差值越大,干空气吸湿的速度越快,干燥也越快。因此,在实际干燥过程中,影响饱和空气含水量

HS的是管道所处的地温,地温越高,干燥时间越短。

露点对应空气含水量试验数据见下表：

绘成曲线如下图所示：

目前采用先进的露点仪可方便、准确、快捷地测出管道出口处露点，然而知道露点后如何获得相应的含水量才是整个干燥过程的重点。由于已知多个露点的含水量，所以可以采用“插值法”拟合上述含水量与露点的曲线，从而较为准确的获得管道出口处的含水量。

考虑到已知数据较多，即，插值节点较多，计算量增大，为避免在区间上进行高次插值所造成的龙格现象，所以这里采用分段线性插值的方法。

龙格现象

将插值区间若干插值区间，[tn,tn+1]  (n=1…18)，则在插值区间内的线性插值多项式为：   (n=1…18)

如当管口露点t=48℃时，则该露点位于区间[50,45],代入上式

    因此，当干燥空气做为干燥介质进行干燥时，干燥的时间如果要越短，则应尽可能采用干的热空气，在尽量小的压力下体现最大的流体量。

5.总结

虽然天然气长输管道的干燥方法有很多种，且每种干燥方法各有优劣。但经过西气东输一线、西气东输二线及国内多年来众多长输管道的施工，国内天然气长输管道经过多年的施工已经积累的丰富的干燥经验，但在干燥方案的选择上往往还是沿袭过往的经验，存在很大的疏漏。因此经过一系列的插值公式进行对比后可以发现，在满足干燥时间要求和经济的条件下，可以通过科学的运算方法在插值公式和试验数据曲线的共同配合下做出最佳方案选择，最终达到科学干燥的目的。

参考文献：

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