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输气管道气体置换的中间注氮方法

1.2.1　工作原理

若碰口作业段管道两端的线路截断阀均存在内漏

现象，采用传统氮气置换方法，在置换过程中内漏的天

燃气和氮气发生混合，无法确保氮气置换彻底，动火作

业安全风险极大。通过对中间注氮的可行性分析，陕

西省股份有限公司研制了一种用于管道

置换的不动火开孔注氮装置[6]。

该装置在管道下周设置两个可拆卸的、与管道管

径相匹配的 U 形卡，U 形卡上部的直杆端固定有平台

形的支架，支架与管道间设置密封弧块，支架和密封弧

块上均开设有上大下小的同心台阶孔；支架边缘设置

凸出部分并固定有防爆台钻，防爆台钻上设置的进口

开孔钻中心与支架和密封弧块上的同心台阶孔中心重

合，在管内压力低于 500 Pa 时，2 min 内实现不动火开

孔，开孔完成后，安装一螺纹阀门，与注氮软管 5 min

内实现注氮连接，由管道中间分别向两端进行氮气置

换，确保了动火碰口点不带，管内形成较长段的

氮气气封与内漏的隔离。

基于SPS模型的单/双端注氮时间规律研究及工艺优化

管道事故应急抢修的氮气置换中，管道氮气置换，单/双端

注氮工艺优化的目标是总注氮时间。通过SPS防

真，各注氮工艺的总注氮时间可以通过测量氮气开始

注入时间与模拟管道内完全被氮气取代时间的

差值获得。

2.1 单端注氮工艺远/近端注氮时间规律及工艺优化

单端注氮工艺的关键问题是选择注氮口位置，即

采用远端注氮或近端注氮。通过单端注氮SPS模型，

对单端注氮过程进行了，燃气管道氮气置换氧含量，固定破损口当量直径，

改变破损口位置距注氮口的距离。以此来研究破损口

位置与注氮口距离对总注氮时间的影响，结果如图 5

所示。

在相同的破损口当量直径下，全管段完成氮气置

换的总注氮时间随破损口与注氮阀室距离的增加而减

少，因此，单端注氮时应采取远端注氮工艺。

但值得注意的是，氮气与界面到达破损口

所需时间随破损口与注氮阀室距离的减小而减少。如

果能利用通过破损口一段距离后的氮气隔离管内天燃

气，管道氮气置换方案，选择近端注氮的时间更短，且所消耗氮气量也将

大幅度减小。但选用该方案必须确保隔离段氮气长度

足够保证施工期安全，具体隔离段长度的要求需要进

一步的研究确定，暂不在本中讨论。

所需的计算时间、收敛速度等方面，四边形网格均优于三角形网格，所以本文选用四边形网格。建立模型时忽略道的保温层和防腐层，忽略壁厚，道内气体置换过程是在常温下，而且流速较慢，道壁面可以认为是常温(环境温度)。在划分好的网格局部放大图如图1所示(采用IntervalCount分段方式，Ratio的节点距离比为1)。图中上下蓝色线段代表道壁面，虽然网格轴向距离划分较稀疏，但不影响本次模拟。图1计算区域网格局部放大图Fig.1Partialenlargementofgridcomputingarea1.3湍流模型湍流模型中应将“计算的度和计算所需时间”作为选取模型的标准。国内学者付春丽曾进行模拟并得出结论:Reynolds-Stress模型不适用于长输管道氮气置换数值模拟，因为此模型计算量，比k-模型要多消耗50%~60%CPU和15%~20%内存，收敛难度大，所以应从剩下三个k-模型中选择。其中标准k-模型的CPU消耗时间比Realizablek-模型少11%，比RNGk-模型少20%，但三者计算精度没有太大差异。因此，本文长输管道氮气置换采用标准k-模型进行湍流流场的数值模拟[5]。1.4边界条件设置边界条件时应考虑实际计算机运算速度和适用于所选择的模型。置换中的空气和氮气都是可压缩气体，将氮气进入管线的进口设置为速度进口将管线的出口设置为自由出口内选取壁面边界1求***设置黏度利用理想气体混合定律，密度的计算公式使用理想气体，并将其应用于组分运输模型中。采用一阶隐式的非定常分离求***，PISO压力速度耦合算法，时间步长设置为0.1s，每一个时间步的迭代次数为20次。2数值模拟及分析从图2中可以看到，燃气管道氮气置换，其余条件不变的条件下，随着直径的增加，也增大了对流扩散系数
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