燃气管道氮气置换施工工法
江苏天力建设有限公司
1前言
燃气管道安装完成以后，应进行强度试验、严密性试验、清管和干燥。对于没有立即投入运行的管道，为防止外界湿气重新进入管道，以保证管道处于良好的待用状态，应在管道内注入氮气，即用高纯度的氮气将管道内的空气置换掉，并且要求管道内的氮气压力为微正压。氮气是一种无色无味气体，常温下无化学活性，不会与其它物质化合。燃气管道在投运前用氮气置换空气，主要基于两个因素：1）直接用天然气置换空气危险性较大；2）管道内充满氮气，则管道不易氧化，即起到了保护管道的作用。
我公司依据多年来多项工程的氮气置换施工工艺，制订本施工工法。
2工法特点
2.1 确定氮气→清管球→空气的置换工艺。
2.2 确定氮气置换的工艺参数。（需用氮气总量；注入氮气的温度、压力；氮气置换的速度；）
2.3 确定氮气置换的合格指标。
2.4 置换效果好。
2.5 可操作性强。
2.6 安全，无环境影响。
3适用范围
本工法适用于需用氮气置换的各类压力管道（GA类、GB类、GC类）和各种材质的管道（金属类、非金属类）。
4置换原理
利用带有压力的氮气推动海绵清管球，海绵清管球再推动管内空气，海绵清管球抵至被置换管道的末端，即置换基本完成。
5施工工艺流程及操作要点
5.1氮气置换工艺流程
图1 氮气置换工艺流程图
氮气置换可以有两种方式：1）气推气；2）气推球，球推气。我们认为，对于新建较长距离、具有收、发球装置、经过清管和干燥的燃气管道，适合采用第二种置换方式，即气推球，球推气。其优点是高效、直观、节能，缺点是需用氮气压力较大。
5.2 氮气置换的工艺参数
5.2.1注入氮气的温度、压力
1）注入氮气的温度
注入氮气的温度不宜过低。过低的温度一方面会影响管材的低温强度（低温脆性），另一方面易使阀门等设备的密封产生泄漏。因此，进入管道的氮气温度不得低于5℃，宜控制在5～20℃。
2）注入氮气的压力
兼顾推动海绵清管球和管道内应保持微正压，该压力值取0.15～0.2MPa （表压）。
5.2.2需用氮气总量：
1）氮气的比容（μ）
按照克拉伯龙方程式：P M=ρRT
即
式中：ρ表示密度
P表示压强 P=0.15MPa
M表示分子量，氮气的分子量为28.0134
R气体常数=8.314帕·米 3 / 摩尔·k
T表示绝对温度=273.15+5=278.15k
通常以充氮后的表压0.15 MPa（温度以5℃）来计算，则此时的氮气密度为：
ρN2=PM/RT=150000×28.0134÷（8.314×278.15）=1.817 kg / m3
考虑到置换过程的气体混合、排放、体积误差等因素，取损耗系数为1.3，
则有：
1000 kg ÷（1.817×1.3）kg / m3≈ 400 m3
即：在此工况下的氮气比容μ=400 m3/吨液氮
2）需用液氮总量
Q = V/μ
式中：V为被置换管道的总容积；
Q为液氮的吨位。
例：靖江新建燃气管道，DN400，L：25km，置换需用氮气量计算：
Q = V/μ= 0.22×3.14×25000÷400 = 7.85（吨液氮）≈8（吨液氮）
5.2.3氮气置换的速度及控制方法
置换速度不宜太快，太快则易导致液氮未完全汽化而使得氮气的温度过低，（严重时可使汽化器至输氮连接管道全部结霜。）通常以汽化器的1/2
散热盘管有结霜层为宜。置换速度同时应与汽化器的功率匹配。一般以1.2～1.5吨液氮/小时为宜。其控制方法：调整V1开度以控制液氮汽化速度，调整V2开度以控制置换速度。
5.2.4氮气置换的合格指标
1）合格指标：末端排放口含氧量≤2%；
2）检测仪器：便携式含氧量测试仪（应在鉴定合格有效期内）；
3）检测频次和判别：连续3次、每次间隔5分钟，均低于2%为合格。4）管内压力：为保证微正压，取P（N2） = 0.15MPa
5.3操作过程和操作要点（本节需补照片）
5.3.1 编制置换施工方案，报请业主和监理审批；
5.3.2 按图1接好置换管道和仪表，将海绵清管球放入发球装置，被置换管道上的阀门均置于开启状态，检查无误；
5.3.3 检查液氮槽车状况；
5.3.4 打开槽车泄放阀和阀门V1，观察汽化器的状况，用点温计测量汽化器出口及V2两端的温度大于5℃；
图红外线点温仪检测温度
5.3.5 打开阀门V2，开始注氮，观察发球装置温度计T1，不得小于5℃，以V1和V2的开度调整之；
图向管道内注入氮气
5.3.6 全线巡检；
5.3.7 待到预计置换时间，观察P1和P2具有压力，打开末端收球装置的排放口阀门V3，用便携式含氧量测试仪检测，直至达标：连续3次、每次间隔
5min,含氧量≤2%；保证管内压力为微正压：P1、P2为0.15MPa；
图末端气体含氧量测定
5.3.8 关闭收球装置前主阀门，从收球装置中取出海绵清管球；
5.3.9 清场，拆除置换设施；
做好置换记录；
5.4 劳动力组织
6材料和设备
7质量控制
7.1 执行规范和标准
1）《输气管道工程设计规范》 GB 50251—2003
2）《油气长输管道工程施工及验收规范》 GB 50369—2006
3）《城镇燃气设施运行、维护和抢修安全技术规程》CJJ 51—2006
7.2 置换前管道应进行干燥工序，而且达到干燥的质量标准；
7.3 置换中必须控制注入的氮气温度不能小于5℃；
7.4 置换后必须保证合格指标：含氧量不能大于2%；
8安全措施
8.1 由于本工序的施工工况相对较平稳，压力较低（P = 0.15MPa），介质氮气为无毒无害，唯一需当心的是液氮至汽化器的管路为低温状态，严禁人体皮肤直接与其接触，以防冻伤；
8.2 《液氮槽车—汽化器—氮气注入管路—发球装置》作为警戒区，非作业人员不得进入；
8.3 置换期间加强全线巡检，如有意外情况及时报告；
9环保措施
9.1尽量减少氮气和空气的混合；
9.2控制排放和检测的时间，以减少排放量；
