典型長(zhǎng)輸天然氣管道冰堵案例分析研究

于忠寧 武思雨 任 遠(yuǎn) 蔡 亮 劉海龍 劉 成

（1. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司沈陽(yáng)輸油氣分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110031；2. 國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司北方管道公司建設(shè)項(xiàng)目管理中心，河北 廊坊 065000；3. 中油國(guó)際管道公司，北京 100029；4. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；5. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司秦皇島輸油氣分公司，河北 秦皇島 066000；6. 江蘇省泰州市油恒油氣工程服務(wù)有限公司，江蘇 泰州 225300）

0 引言

冰堵是輸氣管道運(yùn)行中常見(jiàn)問(wèn)題，西氣東輸二線、忠武線和大沈線發(fā)生過(guò)冰堵。冰堵造成管道干線和站場(chǎng)設(shè)備堵塞，嚴(yán)重影響管道安全運(yùn)行。輸氣管道冰堵與設(shè)施工質(zhì)量、操作維護(hù)和氣質(zhì)質(zhì)量相關(guān)[1]，我國(guó)輸氣管道冰堵較多發(fā)生在投產(chǎn)初期，原因是管道干燥不徹底存在積液。分析了我國(guó)輸氣管道冰堵的機(jī)理、原因和類型。結(jié)合西氣東輸二線、中緬管道、中亞管道等典型輸氣管道冰堵案例，闡述了抑制劑、加熱、伴熱、調(diào)壓、吹掃等措施的應(yīng)用條件和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可為其他輸氣管道冰堵預(yù)防和解除提供借鑒。

1 天然氣管道冰堵機(jī)理原因分析

天然氣管道冰堵根本原因是管道內(nèi)存在液態(tài)或氣態(tài)水。液態(tài)水指試驗(yàn)殘留水在管道低點(diǎn)聚集，或者管道投產(chǎn)前干燥不徹底留在管內(nèi)。氣態(tài)水指天然氣含水量過(guò)高在一定溫度和壓力下析出液態(tài)水。壓力和溫度是形成水合物的決定性因素。水合物生成壓力范圍廣，在3～10MPa之間。管道運(yùn)行壓力越高，水合物形成溫度越高。天然氣-水二相體系存在臨界平衡溫度，低于該溫度即形成水合物。管道處于紊流脈動(dòng)或劇烈擾動(dòng)（彎管、閥門(mén)和上坡段造成氣體流速脈動(dòng)）。存在結(jié)晶核心水合物更易生長(zhǎng)（天然氣處理不合格存在粉塵）。

2 天然氣管道冰堵類型分析

輸氣管道冰堵通常發(fā)生在投產(chǎn)初期、清管作業(yè)或者站場(chǎng)調(diào)壓分輸作業(yè)，管道干線和站場(chǎng)均可能發(fā)生冰堵，特別是管道彎頭、孔板和管壁粗糙位置。

2.1 管道投產(chǎn)前干燥不徹底造成冰堵

管道投產(chǎn)前依次進(jìn)行試壓、清管和干燥，因客觀原因管道施工殘留水普遍。投產(chǎn)后在地形起伏大、彎頭彎管管段易發(fā)生冰堵。

2.2 管道清管作業(yè)引起冰堵

為提高輸送效率，清除雜質(zhì)和水分，輸氣管道定期進(jìn)行清管作業(yè)。清管器運(yùn)行存在前后壓差，在射流孔產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，溫度降低，如天然氣水露點(diǎn)較高析出水分，在特定條件下形成水合物造成冰堵。冰堵是輸氣管道清管的重要風(fēng)險(xiǎn)因素。2010年5月西氣東輸二線清管發(fā)生多次冰堵，原因是張掖-永昌段56～59#閥室地形高差起伏大、地溫變化頻繁所致。

2.3 站場(chǎng)調(diào)壓節(jié)流引起冰堵

天然氣經(jīng)過(guò)濾分離器、調(diào)壓撬和流量計(jì)產(chǎn)生焦耳-湯姆遜節(jié)流效應(yīng)，溫度降低，天然氣水露點(diǎn)較高析出水分，形成水合物產(chǎn)生冰堵。輸氣站冰堵可能造成分離器和調(diào)壓撬堵塞，影響分輸和下游用戶供氣。2010年澀寧蘭管道蘭州站分輸支線發(fā)生冰堵；2011年1月西氣東輸二線黃陂站調(diào)壓管路冰堵；2011年4月西氣東輸二線紅柳站臥式分離器冰堵。

2.4 天然氣水露點(diǎn)偏高引起冰堵

天然氣水露點(diǎn)表征飽和水汽含量，是管輸商品天然氣的重要指標(biāo)參數(shù)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定二類天然氣水露點(diǎn)應(yīng)比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5℃。管道運(yùn)行壓力升高，水露點(diǎn)也會(huì)升高。從西氣東輸二線投產(chǎn)，接收中亞天然氣水露點(diǎn)較高、普遍不達(dá)標(biāo)，管道運(yùn)行壓力8MPa下水露點(diǎn)為-5.9℃，管道沿線站場(chǎng)冰堵嚴(yán)重。

3 天然氣管道冰堵防治措施

3.1 控制氣源質(zhì)量

預(yù)防輸氣管道冰堵最根本方法是降低天然氣水露點(diǎn)，保證氣質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。天然氣進(jìn)入長(zhǎng)輸管道前進(jìn)行干燥處理，可采用液體吸附法和固體吸附法。

3.2 嚴(yán)格管道投產(chǎn)前干燥處理

常用干燥方法包括干空氣法、真空法和干燥劑法，實(shí)際可選用多種方法完成管道干燥。

3.3 化學(xué)抑制劑

輸氣管道注入一定量化學(xué)抑制劑，吸收氣體中水分，降低水露點(diǎn)，降低水合物形成溫度，保持天然氣正常流動(dòng)。常用抑制劑是甲醇，易氣化且與天然氣均勻混合，但甲醇具有毒性。管道干線注醇裝置選擇在出站閥壓力表接口處。其他化學(xué)抑制劑包括乙醇、乙二醇、三甘醇等。乙二醇成本低，大沈管道在松嵐站、沈陽(yáng)分輸站、沈陽(yáng)末站注入乙二醇。

3.4 提高輸送溫度

采用電加熱器、水套爐，提高管道輸送溫度，保證調(diào)節(jié)節(jié)流后天然氣溫度仍高于水合物生成溫度。加熱裝置功率以調(diào)壓后天然氣溫度達(dá)到5℃。電加熱器、水套爐屬于高耗能設(shè)備，考慮經(jīng)濟(jì)因素，加熱功率低于300kW選擇電加熱器；高于300kW選擇水套爐。

3.5 輸氣站設(shè)備電伴熱

在輸氣站分離器、調(diào)壓橇/調(diào)節(jié)閥、氣液聯(lián)動(dòng)閥引壓管等位置纏繞電伴熱帶，采用安全保溫材料，在一定程度上緩解冰堵。該方法對(duì)輸氣量較大的分離器、調(diào)壓撬作用不大。電伴熱帶功率選擇30～60w/m。大沈輸氣管道在較細(xì)工藝管道上包覆電伴熱帶。

3.6 減少分輸調(diào)壓閥壓差

輸氣站分輸調(diào)壓閥是軸流式結(jié)構(gòu)，如形成水合物，很快堵塞流量調(diào)節(jié)孔眼，節(jié)流效應(yīng)增大，溫度持續(xù)下降，進(jìn)一步加劇冰堵直至完全堵塞。天然氣節(jié)流壓差每降低1MPa，溫度降低約5℃。為減少調(diào)節(jié)閥前后壓差，在不超過(guò)調(diào)壓閥后管道運(yùn)行壓力前提下，適當(dāng)提高分輸站調(diào)壓閥后運(yùn)行壓力，同時(shí)加大向下游的分輸供氣量，并保證管道干線有充足管存量。

3.7 降壓放空解堵

輸氣管道干線發(fā)生冰堵預(yù)警，可采取降壓放空應(yīng)急解堵措施，關(guān)閉堵塞管段上下游閥室，在截?cái)嚅y室放空管處放空，放空過(guò)程中控制壓差，對(duì)堵塞管段進(jìn)行高溫蒸汽吹掃，一般降壓放空后壓差不高于1MPa，輸氣管道冰堵情況可以得到有效緩解。

4 天然氣管道冰堵典型案例

針對(duì)輸氣管道干線冰堵、輸氣站調(diào)壓分輸冰堵和水露點(diǎn)偏高冰堵，介紹了解堵技術(shù)和處置過(guò)程，可為其他輸氣管道冰堵處置提供借鑒。

4.1 西氣東輸二線干線清管冰堵

2010年5月西氣東輸二線清管作業(yè)，張掖-永昌段56～59#閥室發(fā)生冰堵。分析原因?yàn)楦拭C段地形、地溫變化大，山丹站高程2600m，管段后100km降至1600m。選定兩直四碟型皮碗結(jié)構(gòu)清管器，由于清管器泄流孔節(jié)流效應(yīng)，天然氣管道溫度降低形成水合物。管道投產(chǎn)前干燥不徹底，殘留液態(tài)水，清管期間永昌輸氣站排污高達(dá)3.3m3。解堵措施為針對(duì)發(fā)生冰堵管段兩端截?cái)嚅y室放空、降壓，開(kāi)挖堵塞管段，上方搭建保溫棚，用高溫密閉蒸汽吹掃冰堵位置等，成功處理清管作業(yè)堵球問(wèn)題。

4.2 中緬管道輸氣站調(diào)壓撬冰堵

中緬管道投產(chǎn)初期多個(gè)站場(chǎng)發(fā)生自用氣調(diào)壓撬冰堵。分析原因?yàn)楣艿劳懂a(chǎn)前干燥不徹底，殘留液態(tài)水，導(dǎo)致下游管道天然氣水露點(diǎn)升高，瑞麗首站8.2MPa壓力下水露點(diǎn)在-17℃～-13℃，下游祿豐站7.1MPa壓力下水露點(diǎn)升高至-4.6℃～3.2℃。自用氣調(diào)壓撬節(jié)流壓降很大，從8MPa降至0.4MPa，溫降幅度約38℃。解堵措施為采用夜間停止用氣、熱水噴淋及安裝電加熱器等措施，調(diào)壓撬更換電阻絲、增大熱負(fù)荷方式解決冰堵問(wèn)題。

4.3 中亞管道氣源水露點(diǎn)偏高產(chǎn)生冰堵

中亞天然氣從2009年進(jìn)入我國(guó)，陜京線、冀寧線、忠武線發(fā)生多次冰堵。分析原因?yàn)橹衼喬烊粴馑饵c(diǎn)較高，2010年霍爾果斯首站交接壓力7.8MPa下，天然氣水露點(diǎn)在4℃～11℃，遠(yuǎn)高于協(xié)議規(guī)定值-7℃～-5.9℃。解堵措施為管道設(shè)計(jì)未考慮專門(mén)處置措施裝，后期采取注醇法，在重點(diǎn)站場(chǎng)設(shè)置加熱爐、電伴熱帶等加熱設(shè)備，初步解決冰堵問(wèn)題。

5 建議

（1）商務(wù)談判嚴(yán)格控制進(jìn)口天然氣氣質(zhì)指標(biāo)，探討建立水露點(diǎn)超限值的協(xié)商和處理機(jī)制；

（2）管道建設(shè)階段最大限度降低留積水，解決生成水合物和發(fā)生冰堵的基本條件；

（3）管道投產(chǎn)階段輸氣站分離器、調(diào)壓撬、放空立管、閥門(mén)、排污罐及工藝管道進(jìn)行多次吹掃、排污，將管道和設(shè)備中積液排凈；

（4）合理安排管存量和用戶需求，優(yōu)化管道運(yùn)行壓力和分輸站控制壓力，適當(dāng)提高分輸管道運(yùn)行壓力，減少分輸調(diào)壓撬前后壓差，降低天然氣節(jié)流溫降幅度。