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： PM=ρRT 即
ρ=PM/RT 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：
ρN=PM/RT=150000×28.0134÷（8.314×278.15）=1.817 kg / m
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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；
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