长距离天然气管道干空气干燥技术现状与展望

葛 华，李开鸿，王垒超，陈 莎，徐 强，李自力

(1.国家管网集团西南管道有限责任公司，四川成都 610400;2.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东青岛 266580)

0 引言

天然气长输管道在投产前需要进行水压试验，以检测管道的强度和完整性。水压试验结束后，管内大部分积水可以经过通球扫线程序扫出，但仍有小部分积水残留在管内。这部分残留水主要来自于地势低洼地段的积水以及附着在管壁的水膜，很难通过简单的通球方式清除，并且会对管道造成很大危害[1-6]。首先，天然气中存在H2S、CO2等少量的酸性气体，这些物质会与管道中的残余水反应生成酸性物质，加速管道和设备的腐蚀，影响管道的使用寿命及其可靠性[7-8]。其次，管道内的残余水在合适的温度、压力、气体饱和度等条件下会与天然气形成固态结晶水合物，引起管道或仪表阀门等设备的堵塞，严重影响管道的安全运行[9-13]。再者，天然气中含水量的增加会显著降低天然气的品质，影响下游用户的正常使用。最后，管道中的液态水和水蒸气的存在会造成管道输送能力的下降[14]。综上所述，残留积水对天然气长输管道有极大的危害性。因此，在管道正式投入运行前，必须进行干燥处理，以保证天然气长输管道的长期、安全、稳定运行。

目前，常用的管道干燥技术有3种：干燥剂法、真空干燥法以及流动气体蒸发法[15]。干燥剂法一般使用甲醇、乙二醇或三甘醇等吸水性很强的醇类物质作为干燥剂，而醇类物质能够与水发生任意比例的互溶，以此实现管道的吸水干燥。但是由于醇类物质易燃，因此该方法对安全性要求很高[16]。真空干燥法主要是通过真空泵减小管内压力，使得管内的水分沸腾汽化，以实现去除自由水的目的。利比亚管道工程中曾应用过该方法，结果表明该方法用于长输管道的耗时远大于干空气干燥法[17]，因此该方法更适用于站场管道的干燥。流动气体蒸发法根据不同的气体类型可以分为干空气干燥法、氮气干燥法和天然气干燥法[16]。由于干空气干燥法技术要求低、干燥速度快，可配合泡沫清管器、空压机和空气干燥机等辅助设备缩短干燥时间，因此得到了广泛应用。

本文首先介绍了干空气干燥管道的流程和原理，然后重点分析了多种因素对管道干燥效果的影响，介绍了相关的干燥模型和现场应用情况，最后提出目前研究中存在的问题，并展望新的研究方向。

1 干空气干燥管道的流程和原理

图1为干空气干燥的整个流程。压缩过的空气经空冷器冷却，在缓冲/分液罐分离出大部分水分，然后进入干空气撬的入口过滤器进行进一步的除水除油，之后进入A干燥器。在A干燥器中，空气中的水分被碳分子筛吸附，空气变为低露点的干空气。出A干燥器后，干空气分为两路：大部分干空气经出口过滤器过滤后进入用户，另外一部分会进入B干燥器，带走饱和碳分子筛中的水分，实现B干燥器的再生。再生后的B干燥器开始吸附，使得AB干燥器能交替生产出低露点的干空气。

图1 干空气干燥的流程

干空气法干燥管道的动力来自于干空气和湿空气中水汽含量的不同。水汽含量差异越大，干空气的吸湿率越高，干燥过程越快。在干燥过程中，管道内会发生复杂的传热传质过程，其总的露点变化如图2所示[18]。A～D段的露点变化曲线对应初步干燥过程。由于该过程为瞬态传热、传质过程，管道内的液态水较多，干空气很容易达到饱和状态，因此露点降较慢。进行初步干燥时，采用露点为-40 ℃的干空气对管道进行吹扫，吹扫过程中，间歇性发送泡沫清管器以达到摊开液态水的目的。由于管道中的空气水分含量与干空气的水分含量存在差值，在向管道中鼓入低露点空气时，水分会被瞬间吸附到干气流中。水分含量差越大，管道干燥速度越快[19]。当管内无明水且管道终点的露点达到0 ℃时，初步干燥停止。

图2 干空气干燥过程的露点变化曲线图

D～F段的露点变化曲线对应深度干燥阶段。由于管道内积存的液态水大多已被带出，干空气与管壁上的水膜进行传质、传热后不再饱和，因此继续用干空气吹扫，能迅速地降低管道内气体的露点。进行深度干燥时，采用露点为-40 ℃的干空气对管道进行持续吹扫，直至管道出口干空气露点低于-20 ℃。随后继续吹扫直至管道后端的湿空气完全被干空气置换排出。深度干燥过程中是否通泡沫清管器依据现场实际情况而定。

F～G段的露点变化曲线对应吸水过程。这是因为管道内的某些地段还存在少量的液态水，例如管壁上的水膜。这些液态水会蒸发并补充到管道内空间，导致露点重新上升。在吸水过程后，需要重新进行干空气的间隔吹扫，使露点低于-20 ℃，并完全清除管道内存在的液态水。

吹扫过程结束后，需要向管道内注入露点不低于-40 ℃、压力为50～70 kPa的微正压干空气，进行4 h的密闭观察，并在密闭结束后对管道末端的露点进行检测：如果露点升高不超过3 ℃且不高于-20 ℃则视为合格[20-24]。理想情况下，管道末端的空气露点可以在-40 ℃以下，但在实际施工中，露点只要达到-20 ℃即可，原因有两点：在管道投入使用前，管道内的空气会被干燥的氮气或天然气取代；即使不向管道内注入氮气或天然气密封，-20 ℃露点下空气含水量为0.885 3 g/m3，相当于管壁残余水分为1.3～2.1 mg/m2，这种程度的残余水分不会导致内壁被腐蚀。因此实际施工时露点达到-20 ℃即可。

2 干空气干燥影响因素分析

2.1 干空气的露点

饱和空气的含水量与温度、压力有关，温度越高、压力越低时，饱和空气的含水量就越大，单位体积的干空气可携带出的水分就越多。因此，工程上一般使用高温低压气体。干燥时间与干空气露点的关系曲线如图3所示。干空气露点越低时，所需干燥时间越短；但当露点低于-50 ℃时，干燥时间的斜率变化很小，表明干空气露点降低对加速管道干燥效率的能力越来越小[25-27]。工程应用时需要兼顾经济性，干空气的露点越低，其相应的制取费用就会越高，因此将露点控制在-40～-50 ℃最合适。此外，干空气的初始温度不能过高，否则管道前端过度吸收的水分会随着沿程温度的降低在管道后端析出，同时管道内壁和内涂层会因为高温而损坏，导致管壁粗糙度受到影响。

图3 干燥时间与干空气露点关系曲线

2.2 环境温度

杨宇等[18]发现：干空气干燥管道的时间随环境温度的增加而缩短，随水膜厚度的增加而增加；相比于环境温度升高引发的直接传质传热效应，间接的液膜分布及厚度改变而带来的影响可以忽略。干燥时间与环境温度的关系曲线如图4所示，随着环境温度的升高，干燥时间明显缩短。由于管道与外界环境存在传热现象，环境温度升高会导致管壁的温度上升，管道内壁的水分加速蒸发，液态水向干空气传质的潜力随之变大。同时，温度的升高会导致空气的饱和含水量提高，干空气的吸水能力变强，干燥效果变好[18,28]。因此，建议管道干燥的工作在夏季开展，以有效减少干燥时间，提高干燥效果。

图4 干燥时间与环境温度关系曲线

2.3 管道内的残留水量

管道内的残余水量分布与管道内壁的水膜厚度以及管道低洼处的存水量有关。此外，由于长输管道焊接时需要对管道末端进行倒角，导致管道焊缝内壁会缺失大约30 mm的保护层，使得该部分的粗糙度变大至约40 μm，影响了残余水量的分布。管道内残余水量取决于清管扫水质量：对于有内涂层的管道，管道内壁粗糙度降低，内嵌液膜及吸附态液膜的厚度随之减薄，管道内的残余水量较少；对于没有内涂层的管道，如果不考虑地形低洼处及焊缝处的残余水量，清管器扫水后管内残留水量相当于一层0.05～0.1 mm厚度的水膜[29]。残留水质量的计算公式如式(1)、式(2)所示：

(1)

Di=Dl-2T

(2)

式中：W为残留水质量，kg；Dl为管道内径，m；Di为管道内径减去水膜厚度，m；ρ为水的密度，kg/m3；T为管内壁水膜厚度，m；L为管段长度，m。

因此，干燥施工过程中应严格把控清管扫水质量，根据现场地形地势合理划分干燥管道分段长度，减少管道残余水量，提高干燥效率。

2.4 干空气的流量

干空气干燥时间与空气流速的关系曲线如图5所示。由图中可以看出，干空气的流量越大，其干燥时间越短。但是管道干燥是一个复杂的传热、传质过程，并非干空气的流量越大越好，流量过大反而会导致传质过程进行得不够完全，干空气还未饱和便已流出反应区。同时，干空气的流量过大会加速管内水分的蒸发，这将带走管道内的大量热量，使管道内的温度降低，空气的饱和水含量下降，管道干燥效果变差。此外，增加干空气的流量意味着需要更大压力的空压机以及更多制取干空气的设备，这将使干燥作业的成本增加。因此，干空气的流量需要控制在合适的范围内。根据现场经验，干空气的流速一般控制在2～5 m/s的范围内。以西气东输干线管道为例，直径为976 mm长输管道需要将干空气的流量控制在5 400～13 500 m3/h范围内。在实际操作中，须根据现场设备、时间要求等具体条件来决定流量的大小[30-31]。

图5 干空气干燥时间与干空气流量关系曲线

2.5 液态水的分布状态

A. Crivellini等[32]的研究表明：初始水层在管壁内的分布是不均匀的，70%的水聚集在底部形成分层水池，其余30%的水沿管壁形成薄膜。所有因粗糙度而嵌在壁面内的水，由于受到重力和管道粗糙度的影响，都具有0～3.5×10-2m/s的流动趋势。因此，初始水膜厚度均匀分布的假设不符合实际分布情况，以缓慢且不均匀的运动为特征的薄膜分布才符合实际分布情况。就实际施工经验来看：水在管道中分布越不均匀，水与干空气的交换面积就越小，干燥速度越慢，干燥时间越长[33]；水膜厚度越小越均匀，干燥速度就越快，干燥时间就越短。因此，干燥过程中可以间歇发送泡沫清管器，将积水推成均匀的薄膜，以增大与干空气的接触面积，提高干燥效果。以西气东输管道东段的干燥过程为例分析。由于地势起伏较大，水压试验后管线低洼处的积水并不能完全清除，中国石油天然气管道第四工程公司采用了泡沫管道器辅助干空气连续吹扫干燥工艺，同时采用“慢送清管器空气置换法”，取得了理想的干燥效果。

2.6 干燥管道分段长度的选取

管道干燥分段的长度存在一个合适的区间：一次干燥长度太短会导致干燥效率不高，增加了干燥设备的搬迁费；一次干燥长度太长会导致干燥设备的处理负荷变大，增加了设备成本和施工难度。因此，在实际工程中一次干燥管道的长度应根据站场、阀室的布局以及现场试压情况来确定。综合考虑，天然气管道一次干燥的最佳长度为80～150 km。

综上所述，当使用干空气干燥长输管道时，为加快干燥速度，最好使用低压力(接近大气压)、高温度(40～50 ℃)、低露点、大流量的干空气。此外需要每隔一段时间向管道中发射泡沫清管器，以便更好地摊开残留在管道内的水。干燥时间最短不一定最经济，应综合考虑影响干燥时间的因素。

3 干空气干燥机理模型

干燥过程模拟有2个主要的数学模型：基本模型[34-37]及热量和质量平衡模型[38]。基本模型由一系列多项式方程组成，主要缺陷是在空间上、时间上都不能预测空气-蒸汽混合物中水蒸气浓度或管道中水量等基本参数的变化趋势。热量和质量平衡模型是由偏微分方程组成的一维模型，描述了空气-蒸汽混合物和液膜中的质量和能量守恒。该模型使用准稳态方法，允许计算干燥空气剖面中的水蒸气浓度和剩余水分剖面量，并且没有忽略温度随时间和空间变化[38]。热量和质量平衡模型的2个方程(即水在蒸气和液相中质量守恒)如式(3)、式(4)所示：

(3)

(4)

式中：A为管道横截面面积，m2；C为干燥空气中的水蒸气浓度；D为管道内径，m；NA为单位面积蒸发率，kg/(m2·s)；Q为干燥空气质量流量，kg/s；W为单位长度管道的水量，kg/m；ρ为密度，kg/m3。

曹学文等[28]应用质量守恒原理和相平衡理论建立了海底输气管道干空气干燥机理模型和吸水机理模型，对管壁上的液膜和空气中的水蒸气运用了质量守恒定律，并利用东方1-1气田平台间海底输气管道干燥工程实例验证了该模型。

干空气干燥时，管道中同时存在传热和传质过程，而管道干燥时间主要是根据干空气的进气端和出气端的平均露点降来计算，这将导致不能分阶段确定干燥过程和吸水过程的除水能力，据此确定的管道干燥时间与实际数据偏差较大。为此，杨宇等[18]针对干空气干燥时的传热、传质规律，基于热力学基础理论和方法，建立了干燥阶段的瞬态模拟模型、吸水阶段的动态扩散模拟模型，并给出了有限差分求解方法，获得了干空气干燥法分阶段的真实干燥时间计算方法。付先惠等[39]基于上述理论建立了天然气管道干燥机理模型、吸水机理模型和密闭稳定再干燥模型。同时，他们针对天然气管道干空气干燥的工艺特点编制了程序，利用双庙1井—杨柳垭天然气管道工程实例进行了验证，并优化了工艺参数。分析发现，干燥时间随干空气流速的增加而缩短，最佳流速为2～5 m/s；干燥时间随干空气露点降低而减小，最佳干空气露点为-35～-50 ℃；干燥时间随环境温度的升高而降低，随管径增大而增加。

干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。因此，干燥过程与湿空气的性质参数有密切关系的。万新强等[31]考虑到蒸气分压p及露点ts建立了干空气干燥的数学模型，并结合公式分析了干空气的最初含水量、饱和空气的含水量、管道内壁的最初湿度、干空气的流量及水的分布状态对管道干燥效果的影响程度。建立的干空气干燥数学模型如下：

T=M/W

(5)

W=ΔHQ/1 000

(6)

ΔH=Hs-Ho

(7)

M=1 000S·δwater

(8)

S=3.141 59DiL

(9)

Di=D0-2δ

(10)

式中：T为干燥时间，h；W为干空气除水能力，kg/h；ΔH为质量传输势差，g/m3；M为管道中水的质量，kg；S为管道内表面积，m2；Di为管道内径，m；D0为管道外径，m；δ为管道壁厚，m；L为管道长度，m；δwater为水膜厚度，m；Hs、Ho为饱和空气、干空气的含水量，g/m3；Q为干空气体积流量，m3/h。

上述建立的机理模型都考虑到干空气干燥过程是瞬态过程及干空气压力较低、温度不高等实际工况，并做出了以下简化假设[22-23]：干空气沿管道的流动是稳定的，管道内的压力分布可按照单相气管路进行计算；干空气可作为理想气体来处理；水蒸发引起的温降可忽略不计；管壁液膜的厚度均匀一致；干空气在海底输气管线中的流动近似认为是等温气体流动。

4 现场应用

国外天然气长输管道干燥技术起步较早，发展也较迅速。欧洲北海的Europipe是管径1 016 mm、全长620 km、涂敷有内涂层的海底天然气管道，水压试验后采用清管列车除水，后用干空气法对管道实施干燥。除水清管列车经过支线时会使一部分水漏出，导致除水清管列车经过后管道中仍残留一些游离水积在管道底部。为了解决这个问题，在主除水清管列车后增设了扫线清管器，将这些水部分清出，并将积水在一定程度上分散开，以增加干燥效果。清管列车通过后，用干空气法对管道实施干燥，并在干燥作业后用氮气置换管道中的空气，最后引入天然气完成投产。经测算，减压和干燥过程大约有18 m3水被除去，相当于除水清管器在管道内壁遗留了一层0.01 mm厚的水膜，达到了很好的除水效果[5]。

自20世纪90年代开始，国内逐渐开始对重要管道进行干燥处理。1992年建成的上海平湖海底输气管道采用了凝胶清管器夹带二甘醇的干燥方法进行干燥；1997年建成的陕京输气管道采用甲醇干燥法进行干燥，但干燥不彻底，效果不太理想，导致后来发生了水合物冰堵事故；2000年，京石输气管道采用干空气干燥；2001年建成的涩宁兰输气管道中的9.5 km试验段采用了干空气法进行干燥；2002年建成的沧淄输气管道全线采用干空气法进行干燥；2003年,西气东输管道工程全线采用干空气干燥；2004年,忠武线全线采用真空法进行干燥[5]。郝建斌等[1]以涩宁兰输气管道中9.5 km水试压段采用干空气吹扫法的除水干燥试验为例，对管道除水效果及除水干燥中露点的变化进行了分析。结果表明：天然气管道应用干空气干燥法具有经济、工艺过程易控制等优点，适合在输气管道中推广应用。万新强等[31]通过对忠武线进行干空气干燥得出以下结论：长距离天然气管道采用干空气进行干燥是最佳选择；干燥时间的长短取决于管道试压后的扫水效果、是否使用泡沫清管器、干空气的排量和最终露点要求。曹学文等[28]利用东方1-1气田平台间海底输气管道，对干燥机理模型进行了实例验证，结果发现：采用干空气吹扫法干燥海底天然气管道是一个不均匀的过程，管道越长或气体流速越快，不均匀的程度就越明显，且最后干燥部位会逐渐向管道入口处靠拢；增加气量可以缩短干燥所需的时间，但投入费用会增加。因此，在实际操作中需要合理安排气量的大小。此外，降低管道末端的压力，保持持续低压吹扫可以缩短干燥所需的时间。杨宇等[18]基于干燥模型获得了干空气干燥法分阶段的真实干燥时间计算方法，并在双庙1井—杨柳垭输气管道干燥工程中应用该计算方法，结果表明：该方法计算的管道干燥时间结果符合现场实际情况，有助于现场管道干燥作业。

综上所述，虽然干空气干燥法应用广泛，优势明显，但目前仍然存在研究不系统、深度不够、操作性差等问题。因此，解决管道干燥不彻底、投产初期水含量超标的问题，进一步开展管道干空气法干燥的系统研究是非常必要的。以山区复杂管道的干燥研究为例，后续的研究方向可以分为以下3点：

(1)确定山区复杂地形管道清管作业后积水量及积水状态的分布规律。目前，针对山区管道清管扫水后地形、管道结构、清管方式对管内积水分布的影响研究较少，导致清管后不能对管道积水量和积水状态进行有效地估计，直接影响了后续干燥所需干空气的技术指标、吹扫时间及验收标准等，导致管道干燥不彻底，所以对山区地形管道清管作业后管内残余积水分布规律的确定是后续研究山区管道干空气干燥的重要基础。

(2)建立适用于山区管道的干空气干燥时间预测模型。对山区大地形起伏管道试压完成清管扫水后，在地形低洼处的管道内仍会存有大量积水，使得与水平管道相比，干空气吹扫的时间延长。现有的模型并未考虑该种工况，不能对山区管道干空气法所需的吹扫时间进行有效预测，从而导致管道干燥时间短、干燥不彻底，所以需要形成山区管道的干空气干燥时间算法，建立适用于山区管道的干空气干燥时间预测模型。

(3)编制山区天然气管道干空气干燥技术企业标准。SY/T 4114—2016《天然气管道、液化天然气站(厂)干燥施工技术规范》和CDP-G-OGP-OP-027-2012-1《油气管道清管、试压及干燥技术规定》并未考虑山区地形起伏及扫水后管道内残余积水分布对干燥的影响，使得根据现有标准实施干燥作业后山区管道干燥不彻底，所以编制山区天然气管道干空气干燥技术企业标准是解决干空气干燥法山区适用性问题的关键。

5 结束语

为了使干空气干燥管道的效果达到最佳，干燥时间最短，在兼顾经济性的情况下，建议采用压力、露点尽可能低，气体流量尽可能大的热气体。同时，在干燥过程中可以辅助使用泡沫清管器，将积水在管道内壁摊成均匀的薄膜，以提高干燥速率。在干燥过程中应该综合考虑影响干燥时间的各种因素，控制其在一个合理的范围内。

目前建立的干燥模型都基于理想化假设，这将导致干空气干燥法干燥时间的预测偏差。此外，现有的模型并未考虑起伏管道，不能对山区管道现场干空气干燥法的干燥时间进行预测，从而导致干燥时间过短、干燥不彻底的情形。

国内干空气管道干燥技术起步较晚，虽然干空气干燥应用广泛，优势明显，但目前仍然存在研究不系统、深度不够、操作性差等问题。对于干空气干燥技术主要还是基于理论研究部分，进一步开展管道干空气法干燥的系统研究，推进干空气干燥的现场应用进程是非常必要的。