引言安平-济南天然气管道工程起于陕京二线安平分输站，止于济南末站，规格为Ф711，长度255Km。管道的置换投产方式的选择将影响管道能否安全、高效、经济、顺利地投入运营。
1天然气管道常用置换技术方案
1.1置换方案管道的置换方案的确定主要包括两个方面的问题，一个是否采用氮气隔离置换的问题，另一个是否采用清管器隔离器置换的问题。由此组合衍生如下四种置换方案：
(1)无清管器无氮气方案：天然气-空气；
(2)有清管器无氮气方案：天然气-清管器-空气；
(3)无清管器有氮气方案：天然气-氮气-空气；
(4)有清管器有氮气方案：天然气-清管器-氮气-清管器-空气。
从以上方案可以看出，有氮气置换即采用氮气隔离天然气和空气，然后通过氮气置换空气，天然气又置换氮气，达到天然气安全置换掉管道内空气的目的。而加清管器即是在不同气体界面间加清管器作固体隔离介质来进一步隔离气体间的混合。若采取不装清管器进行置换的方案进行置换，即是“气推气”的置换方式。因此，必须先比较一下是否采用氮气隔离置换，然后比较一下有无清管器隔离置换的选择，看其各自的优缺点。
1.2是否采用氮气隔离置换的选择
1.2.1管道采用氮气隔离置换的优缺点优点：置换安全、可靠。由于氮气将天然气和空气隔离开来，天然气将不会直接与空气混合，天然气中的空气(氧)含量不会使天然气达到爆炸极限，因而置换十分安全；能保持或提高管道的干燥程度，由于液氮的纯度很高(达到99.95%)，气化后注入管道中，其含水量极微，水露点很低，因而具有保持和提高管道干燥程度的效果。缺点：注氮置换成本较高。在置换过程中如果氮气置换不干净，则有可能进入燃气用户，这时会影响用户的点火和正常燃烧。
1.2.2不采用氮气隔离置换的优缺点不采用氮气隔离置换的优缺点与采用氮气置换的优缺点相反。
1.2.3分析比较结果对比管道采用氮气隔离置换优缺点，采用氮气隔离安全性强，且目前注氮置换成本不是很高，根据SY/5922-2003《天然气管道运行规范》的要求，采用惰性气体隔离置换的可行性，所以本工程选用氮气为隔离介质，对投产管道进行置换。
1.3有、无清管器隔离置换的选择在天然气长输管道气体置换过程中，有清管器和无清管器的方案在国内使用
1.3.1方案分析
(1)从理论上分析，加隔离清管器并不是减少混气段的决定因素，而主要是选择适当的流速，保证管道中气体的流态不要保持在大量混气的层流流态中，而只有当气体的流态处于紊流状态，才能有效的减少混气段的长度。计算结果表明：气体的流速在3~5m/s时，混气段的长度为最短。
(2)由于气体可以压缩，同时管道高差、弯头以及管内的污物存在，管道组对和内焊缝质量的差异，造成清管器的运行阻力不断变化，因此在实际操作过程中，清管器的运行速度难以控制，不易操作。
(3)清管器在运行过程中，其密封盘不可避免地与管道内壁发生摩擦，密封盘的过渡磨损将造成清管器前后串气，运行速度不能准确计算，难以控制
。(4)清管器过盈量的存在使密封盘与管道壁间产生较大摩擦阻力，造成清管器前后的压差加大，增加了清管器前后的串气量，进一步加长了混气段的长度。
(5)采用加清管器作为隔离的方案会增大工作量，增加投资。
1.3.2结论分析根据国内施工的实际情况和理论分析，不采用清管器进行隔离具有更多的优点，因此本工程在置换过程中不采用清管器进行气体间隔离对投产管道进行置换。
1.4置换方案的确定根据1.3.1和1.3.2的分析结论，本置换方案确定为采用无隔离清管器的氮气置换方案。按本方案进行施工时，管道内气体的具体结构是：天然气-氮气-空气，即采用“气推气”方式进行置换。安平-济南天然气管道工程采用无隔离清管器的氮气置换方案，其工艺原理图如下所示：
2注氮技术方案
2.1注氮方案的确定根据氮气置换所用氮气来源的不同，注氮施工可以采用注液氮和注气氮两种不同的方法进行。注液氮时采用液氮泵车(带加热气化装置)或液氮槽车加液氮泵(带气化装置)的方法进行注氮；注气氮时采用吸附式制氮机现场制取氮气后直接注入管道，该方法一般用于氮气耗量较小的工程。根据目前国内管道注氮的情况，一般注氮量较大的管道都采用注液氮的方案进行施工。因此本工程注氮也采用注液氮的方案施工
。2.2氮气气质要求液氮纯度应在99.95%以上，且其它腐蚀性组分符合相应的氮气标准要求。
2.3注氮流程本工程置换中所采用的氮气是由液氮气化而来，注氮时采用注氮车供液氮，经过气化器吸热气化后注入管道中，其注氮流程见下图：
2.4注氮工艺参数
2.4.1注氮温度因为液氮或温度过低的氮气进入管道后，一方面会影响管材的低温强度(低温脆性)，另一方面低温易使阀门等设备的泄漏。因此氮气进入管道的温度绝对不能低于5℃，最好控制在5~25℃。
2.4.2注氮速度在满足注氮温度的同时，注氮速度应不低于1.5吨液氮/小时过低的注氮速度会造成在注氮作业时，氮气与空气混合过多。
2.4.3注氮总量
(1)注氮量分析：注氮量主要由注氮期间的氮气混合量、氮气段通过全线的混气量、沿线场站、阀室置换用氮气量、氮气到达2号阀室时的剩余量、保险富裕量。液氮和氮气的换算，氮气按一个标准大气压、5℃状态计算，一吨液氮转化为一个标准大气压、5℃状态下的气体体积为808m3。
(2)管道注氮的范围和注氮点：管道注氮的范围：陕京二线安平分输站至安平首站联络线、安平首站、首站至2#阀室，长度为35Km。注氮的位置：注氮点设置在安平首站收球筒排污管处。
(3)管道注氮总量的确定：稳定氮气段的形成与注入氮气的压力和置换最初天然气的流量压力有很大的关系。当天然气开始输送压力越接近氮气的压力和流量时，这两种气体的混合量就越小。计算出注氮气的总量后确定液氮量,计算公式如下：Q=(μЛd2LT/4TmZ)P0ˊVmPm/1000PNVNP0
式中，Q——氮气加入量，单位Nm3；T0——氮气的平均温度，单位K；Tm——天然气的平均温度，单位K；L——需要置换段的距离，单位m；PN——氮气段前空气段的压力(绝压)，单位MPa；Pm——天然气出口压力(绝压)，单位MPa；P0——大气压力，取0.1MPa；Vm——天然气置换最初的流速，单位Nm3/min；VN——氮气流量，单位Nm3/min；P0ˊ——氮气段的压力(绝压)，单位MPa；Z——气体的压缩系数；d——管道内径，单位m；μ——安全系数，无量纲，取3~7。根据本条管线沿线设施确定注入氮气段从安平-2号阀室约35km，天然气进口压力控制在1.0MPa以内，氮气压力0.1MPa，大约需要氮气量为26950Nm3。(4)液氮量计算：V=qa/b
式中，V-液氮质量，单位kg；q-需要氮气量，单位Nm3；b-标态氮气的摩尔体积，0.0224m3/mol；a-标态氮气的莫尔质量，0.028kg/mol。将数据带入得出：V=qa/b
=26950×0.028/0.0224
=33687(kg)确定此次置换过程注液氮总量为33.687吨。
2.4.3注氮工艺参数液氮压力为常压；液氮温度为-196℃；氮气车出口压力≤0.5MPa；氮气车出口流量60-80Nm3/min；氮气在主管内的流速为1.75m/s；氮气在主管内的压力为0.1MPa(表压)；氮气出口温度为管壁温度±5℃；注氮时间约6小时。考虑现场准备、收尾等时间，注氮需要一整天时间。
2.5氮气监测点分布管道注氮过程中，氮气监测分7处监测点进行检查，位置分别位于陕京二线安平分输站出口、安平首站、1#和2#阀室、德州分输站、宣章屯分输站及济南末站。
2.6注氮安全措施
(1)注氮作业现场周围设20米范围警戒区，有明显作业内容标示和警戒标志；
(2)与注氮作业无关人员严禁入内，注氮作业人员应佩带标志；
(3)注氮作业人员进入现场前，必须进行安全培训、技术和任务交底，并明确各处职责；
(4)进入现场作业携带便携式氧气检测仪，随时检测氧气量，防止缺氧窒息；
(5)不要触摸液氮低温管线，防止冻伤；
(6)保持现场通风，防止液氮大量泄漏造成人员缺氧窒息。
3结论通过对天然气管道置换方案的深入分析与比较，天然气-氮气-空气置换方式技术性先进、经济性可行，安全性可靠，经现场应用后获得成功。对类似工程的置换投产方案的编制