随着天然气产业的快速发展，天然气长输管道的安全平稳运行，则成为下游用户长期稳定用气的必备保障，而阀室在天然气长输管道中起着重要的节点作用，科学合理的阀室工艺既便于长输管道分段管理，又有利于后期天然气市场的开发，为天然气资源和管道资源的高效利用做出贡献[1-3]。针对天然气长输管道生产作业过程中的常见问题，以陕西省天然气长输管道为例，详细论述了在生产作业过程中阀室存在的缺陷，从工艺流程入手，分析了阀室工艺改造的可行性，提出了阀室工艺进行优化改造的措施，并对新工艺进行了HAZOP分析。
1优化输气干线阀室的主要作用
阀室是天然气长输管道干线中的重要设施，通常情况下无人值守，工艺流程相对简单（图1）。为便于进行长输管道的维修，缩短放空时间，减少放空量，避免事故扩大化，在输气干线上间隔一定距离修建阀室，并安装线路截断阀[4-6]。阀室在天然气长输管道中的主要作用有：①当阀室上、下游管道突然发生事故时，管道内天然气的压力将会在短时间内骤降，则线路截断阀可以根据预先设定的允许压降速率自动关闭阀门，切断上下游天然气，防止事态进一步扩大；②在进行管道维修等生产作业时，通过关闭作业段管道上下游阀室，切断上下游气源，排除不安全隐患，便于生产作业安全、顺利进行。
2生产作业中阀室的常见问题
在役的天然气长输管道中由于建设初期各种因素影响，存在部分输气干线阀室未设置注氮口及新增用户供气接口，给后期的生产运行管理带来诸多不便，其中主要表现在以下两个方面。
2.1无法从阀室直接完成干线氮气置换
据不完全统计，在陕西省天然气长输管道每年的生产作业中，涉及到“氮气置换”的约占91%，其中主要包括新建管道的投气置换作业、输气干线改线碰口作业、接气碰口作业以及输气干线附属设施的拆装更换作业等。在生产作业前期，科学合理地选取注氮点则成为工艺调整中的重要环节[7]。从历年的大型生产作业情况来看，常常由于输气干线阀室未设置注氮接口，而只能通过拆卸作业管段上下游各侧场站、阀室的放空阀、排污阀或其他阀门来连接注氮设备进行置换作业，常常由于所拆卸阀门的尺寸与注氮设备接口的尺寸不匹配而无法直接进行注氮，还需通过在两者之间连接变径短管进行注氮。这既延误了作业时间，又额外增加了氮气置换的风险，给生产作业带来较大不便。
2.2无法从阀室直接向用户接气
随着下游市场的开发，用户对天然气的迫切需求愈来明显，每年新增的直接或间接用户数稳步上升。据统计，2012年陕西省天然气公司用户总数为48家，截止2013年底，公司用户总数已达68家，比上一年增加20家，增长率高达41.7%。当然，随之而来的就是频繁的新增用户接气碰口作业，根据用户的不同，可将碰口作业分为以下３类：①通过输气场站预留供气口直接接气；②通过阀室预留供气接口直接接气；③输气干线上开口接气。由于部分阀室未预留新增用户供气分输接口，且用户距离输气场站较远，难以通过第①类、第②类方式直接进行连头接气，这样就给新用户的接气碰口作业带来诸多不便。在长输干线上开口接气或在阀室内进行开口连头作业，其前期准备工作较为繁琐，工程量较大，耗费大量的人力物力的同时还需进行复杂的工艺调整，并常常会影响到正常的输气工作。与此同时，在施工过程中繁琐的操作步骤极易埋下安全隐患，从而引起事故的发生。
3阀室工艺改造的可行性分析
针对生产作业中上述两大问题，通过对阀室工艺进行改造，合理设置标准注氮口及预留口，既可实现从阀室注氮口直接对作业段干线进行氮气置换，又能满足新增用户直接从预留口连头接气的需求，保证生产作业顺利、安全进行，确保各用户用气不受影响。
3.1方案设计
在进行阀室工艺改造设计时，阀室的原有功能，即在紧急状态下关断的功能和管道检修作业时切断气源的功能不能改变。在阀室原有设备工艺的基础上，增加标准注氮接口，应使其满足既能向上游注氮，又能向下游注氮；增设预留供气分输接口，应满足既能从长输管道上游向用户供气，又能从长输管道下游向用户供气，且要求注氮作业和用户正常供气二者互不影响（图2）。当作业点位于阀室下游一侧时，只需拆除注氮口8阀后盲板，将注氮设备与阀室标准注氮接口8用法兰连接起来，同时确认阀门1、2、5、6、7、9、10、11关闭，确认阀门3打开，缓慢打开阀门8，控制注氮速度，向阀室下游开始注氮，对作业管段进行氮气完全置换，当检测到管道内气体中O2含量低于2%、CH4组分含量低于天然气爆炸下限的25%（25%LEL）且持续20min检测合格后，则停止注氮[9]，关闭阀门3、8，拆除注氮设备，恢复注氮口8阀后盲板封堵。与此同时，确认阀门4打开，利用阀室上游来气继续向用户供气，这样既可保证下游检修时注氮作业正常进行，同时保证了用户用气不受影响。当作业点位于阀室上游一侧时，将注氮设备与标准注氮接口8用法兰连接后，确认阀门1、3、4、6、9、10、11关闭，确认阀门2、7打开，缓慢打开阀门8，控制注氮速度，向阀室上游开始注氮，注氮合格后，关闭阀门2、7、8，拆除注氮设备，恢复盲板封堵。在向上游注氮的同时，确认阀门5打开，利用长输管道下游来气继续向用户供气，保证用户用气不受影响。
3.2阀室工艺
HAZOP分析危险与可操作性分析（HAZOP）是一种用于辨识设计缺陷、工艺过程危害及操作性问题的结构化、系统化的定性风险评价方法[10]，将其应用于改造后阀室工艺的风险评估中，根据阀室工艺改造的现场情况，按照改造后的阀室工艺流程可划分HAZOP分析节点：正输供气并向下游进行干线注氮作业工艺流程，反输供气并向上游进行干线注氮作业工艺流程。针对改造后的两种阀室工艺流程进行HAZOP分析（表1），分别考虑6种偏差，最终提出将改造后阀室工艺纳入管道SCADA系统中进行实时监控，并在作业过程中增加气体泄漏检测装置及检测频次等运行管理建议，便于新工艺的顺利实施，最大限度的保障安全生产。
3.3方案实施
对已建成的管道、场站、阀室进行全面排查，梳理阀室工艺状况，秉着“安全第一”的原则，根据地区不同、市场差异，对存在缺陷的阀室在条件允许的情况下逐步进行整改。在此次工艺改造过程中，每个阀室需增加阀门6个、法兰盲板1个、对焊焊口9道（图2b）。通过对阀室工艺进行升级改造，增设预留供气分输接口简化输气干线碰口作业流程，加装标准注氮接口，保证氮气置换作业安全、高效，便于设备的管理，提高设备的互换性，简化了氮气置换的操作步骤，节约作业成本，减小工程量，消除了在拆装其他无关设备阀门时的不安全因素。针对长输管道干线开口接气的碰口作业，生产部门应与下游用户洽谈协商，建议其通过就近分输场站或阀室的供气预留口接气，通过法兰连接进行连头碰口，避免大型动土作业、割管焊接动火作业等危险操作，避免复杂的工艺调整，极大地缩短工期，节约物资成本，并有效避免管道原防腐材料、阴保设施等遭到破坏，保障下游用户用气不受影响，确保管道安全、平稳运行的同时保证管道的完整性[11]。针对此改造方案，建设单位会同设计单位多次进行沟通，对于新建、改建、扩建的项目，在设计之初就考虑到未来下游市场的发展及管道检修等生产作业的需要，充分发挥阀室在整个天然气管道中的节点作用，全面科学设计阀室工艺，合理设置标准注氮接口以保证生产作业安全经济进行，合理预留供气分输接口以满足下游市场发展的需要。例如陕西天然气公司所辖西商线、汉安线、靖西三线、关中环线等，在管道设计建设中，阀室均采用了此方案，并取得了良好的应用效果。
4结论
从天然气长输管道阀室优化改造项目实施后反馈的结果分析，在阀室内合理增设标准注氮口，一定程度上简化了氮气置换时作业人员的操作步骤，降低了作业风险，提高了作业效率，为后续的生产作业争取了宝贵的时间；通过阀室预留的分输供气接口与新增用户连头接气，避免了复杂的工艺调整及长输干线动土、动火等危险作业，保证管道完整性，并且减少工程量，节约物资成本，彻底消除了大型作业带来的不安全因素，确保管道安全、平稳运行。从管道生产运行管理的角度出发，新建管道的投气置换、输气干线改线碰口、新增用户接气碰口以及管道附属设施维修等大型作业，必将会随着天然气管道的敷设、市场开发的深入而越来越频繁，为了减小工程量、简化作业步骤、降低作业风险，阀室工艺流程技术改造项目的开展意义深远，且具有较强的可操作性。
作者: 张科 牛生辉 朱建平 单位:陕西省天然气股份有限公司
