大口径半气体低温高压金属管爆破试验的降温装置及方法与流程

本发明涉及用于大口径半气体低温高压金属管爆破试验的降温装置及方法，属于高压管道输送工程的技术与安全领域。

背景技术：

高压油气管道服役环境复杂，部分管线地处寒冷地区，站场环境极限温度可达到-30～-45℃。站场钢管、弯管和管件需裸露在极寒的外部环境下服役，低温脆断的敏感性相对提高。如果管道发生低温脆性导致的断裂事故，将会造成不可估量的损失。因此，为避免管道发生低温脆性断裂，国内外广泛开展了大口径半气体低温高压金属油气管道的断裂控制设计和韧性指标确定的研究。大口径半气体低温高压金属油气管爆破试验是研究管道低温脆性断裂控制的重要手段。

降低金属油气管管内气体、管壁温度至目标值是实施大口径低温高压金属油气管爆破试验的前提和重要环节之一。大口径金属管本身尺寸大对环境吸热量大、管内高压液体和气体的不均匀性和管内气体压力升高过程中的不断吸收热量使得降低金属油气管管内气体、管壁温度至-30～-45℃显得尤为困难。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种大口径半气体低温高压金属管爆破试验的降温装置及方法，采用的液氮和低温氮气螺旋式降温加压流程，以及适时有效的加、泄压管控和温度状态的实时调整，可实现金属管的管内气体温度和压力、管壁温度渐进达到目标值。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的大口径半气体低温高压金属管爆破试验的降温装置，包括低温高压氮气降温加压装置和液氮加注装置，所述油气管的顶部设有第一接口和泄压管，第一接口通过第一阀门与低温高压氮气降温加压装置连接，所述油气管侧面还设有第二接口，第二接口与液氮加注装置连接，在泄压管上安装有泄压阀，在油气管内安装有温度传感器和压力传感器。

作为优选，所述第二接口位于2nh/3处，h为油气管内液面高度，n为目标压力下液体体积压缩比。

作为优选，所述油气管外壁上覆盖干冰。

作为优选，所述低温高压氮气降温加压装置包含液氮罐、低温液体加压装置和气化器，经低温高压氮气输送管，通过阀门连接方式将低温高压氮气注入管内气体中。

作为优选，所述低温高压氮气降温加压装置加压过程中，管内液体不断的降低管内气体的温度。

一种上述的大口径半气体低温高压金属管爆破试验的降温装置的方法，包括以下步骤：

1)低温高压氮气降温加压单元快速将管内压力提高至pm(目标压力)/2，检查测试单元器件的安装密封性；

2)完全打开泄压阀，将管内压力降低至p0(常压)；

3)液氮降温单元将金属管管壁和管内气体温度降低至ftm，tm为目标温度，f为温度调节因子，f为1.05～1.1，此时管内液体和气体之间存在较大的温度差；

4)关闭泄压阀，低温高压氮气降温加压单元快速将管内压力提高至pm，pm为目标压力。

在本发明中，降温系统的构成由液氮降温单元、低温高压氮气降温加压单元、泄压装置、温度和压力数据实时监控单元等组成。液氮降温单元由大型液氮罐、低温液体加压装置和液氮输送管组成。液氮降温单元是将液氮注入管内液体中，具有降温速度快、降温幅度大等特点，临界温度指标值为-50℃。液氮输送管通过阀门和低温高压管连接，输送管端部位于2nh(液面高度)/3处，n为目标压力下液体体积压缩比。

在本发明中，低温高压氮气降温加压单元由大型液氮罐、低温液体加压装置、气化器和低温高压氮气输送管组成。低温高压氮气降温加压单元主要将低温高压氮气注入管内气体中，具有降温速度较快、压力提升幅度大等特点，可保证管体在低温状态下持续降温和充压安全，临界温度和压力指标值分别为-30℃和20mpa。低温高压氮气输送管从管壁上部输入低温高压氮气。泄压装置主要由泄压管和泄压阀组成。温度和压力数据实时监控单元由温度和压力传感器、传输线和数据采集仪组成。

在本发明中，降温流程包括以下步骤：

1)采用低温高压氮气降温加压单元，将低温高压氮气注入管内气体中，快速将管内压力提高至pm(目标压力)/2，检查测试单元器件的安装密封性；

2)关闭低温高压氮气降温加压单元，打开泄压阀，使管内压力降低至p0(常压)；

3)打开液氮降温单元，对管内液体注入液氮，将金属管管壁和管内气体温度降低至ftm(目标温度)，f为温度调节因子，f＝1.05:1.1；

4)关闭泄压阀，低温高压氮气降温加压单元快速将管内压力提高至pm(目标压力)。

在本发明中，根据压力传感器数据的实时传输，控制管内压力始终小于pm(目标压力)/5，确保金属管管壁和管内气体稳步下降。当管内温度达到ftm(目标温度)时，关闭泄压阀，采用低温高压氮气降温加压单元快速将管内压力提高至pm(目标压力)。根据压力传感器数据的实时传输，对降温全过程有针对性的监控。低温高压氮气降温加压单元快速将管内压力提高至pm(目标压力)后，在管壁上表面覆盖一定厚度的干冰，使管内温度能够保持一段时间。

在本发明中，液氮确实降温明显，但同时液氮注入金属管即为氮气，如果不开泄压阀，金属管内气体压力会迅速增大，直至超过目标压力，而此时降温幅度尤其是管内气体的降温幅度会非常小，所以必须两阶段降温，第一阶段用液氮先把金属管内液体、尤其是气体温度降下来，然后把金属管上的液氮注入口阀门关闭(这个步骤很重要，防止管内液体倒流)，再进行第二阶段氮气注入加压(不能用普通空气加压，因为气体压缩会放热，会使管内气体温度迅速升高，使用氮气加压会有效控制这一点)，同时通过管内液体温度，可以降温到-30度。

有益效果：本发明的大口径半气体低温高压金属管爆破试验的降温装置，采用的液氮和低温氮气螺旋式降温加压流程，以及适时有效的加、泄压管控和温度状态的实时调整，可实现金属管管壁温度、管内气体温度和压力渐进达到目标值，方法安全、可靠，能满足试验要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的大口径半气体低温高压金属管爆破试验的降温装置，包括低温高压氮气降温加压装置和液氮加注装置，所述油气管的顶部设有第一接口和泄压管12，第一接口通过第一阀门4与低温高压氮气降温加压装置连接，所述油气管上还设有第二接口9，第二接口9与液氮加注装置连接，在泄压管12上安装有泄压阀11，在油气管内安装有温度传感器和压力传感器。液氮罐1与低温液体加压装置2连接，低温液体加压装置2连接有两根液氮输送管6，每根液氮输送管6上分别安装有通往气化器3的阀门4和液氮输送管阀门5，气化器3通过氮气输送管7与第一接口连接，通过气化器3将氮气输送到金属管内；液氮通过另一根液氮输送管6输入到金属管的液体内。

针对长度为10.8m，直径为1422mm，液面高度101m，管内液体气体温度-30℃、12mpa压力的x90金属管爆破试验，金属管降温采用如下步骤：

低温高压氮气注入端位于管体顶部，距离金属管端部至少1倍管径，采用低温高压氮气降温加压单元，将低温高压氮气注入管内气体中，快速将管内压力提高至6mpa，检查测试单元器件的安装密封性。关闭低温高压氮气降温加压单元，打开泄压阀11，使管内压力降低至常压。打开液氮降温单元，对管内液体注入液氮，将管内气体和管壁温度降低至-32℃，同时通过调节泄压阀11的泄压速度，使管内压力持续保持在2.4mpa以下，液氮注入口位于液面以下0.4米。关闭泄压阀11，低温高压氮气降温加压单元快速将管内压力提高至12mpa，此时管内气体和管壁温度在-30.5℃。

根据压力传感器数据的实时传输，对降温全过程有针对性的监控。在管壁上表面覆盖一定厚度的干冰，使金属管管壁能够在-30℃以下保持一段时间。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。