摘要：氮气，化学符号表示为N2，在正常温度下，化学性质比较稳定，但在加热或冷冻的状态下，氮气会与更多的物质发生化学反应，生成新的物质，是众多化工企业的宠儿。但是在高纯氮气的运输过程中，如何保证高纯氮气不会发生泄露、其它气体不会与氮气混合，从管道入口开始一至到出口都是高纯氮气，纯度至少保证到99.999%，管道是保证上述所说的重要条件，本文主要讨论如何建造运输高纯氮气的管道工程，保证高纯氮气不会发生泄露或与其它物质混合，在运输过程中确保高纯氮气的质量与纯度。
关键词：高纯氮气，运输管道，管道质量，施工方法
高纯氮气，化学式为N2，是一种无色、无味、无臭的液体和惰性气体，其主要的工业用途为制造氨、硝酸、化肥等化合物，在生活方面可以用来当做惰性保护介质，速冻食品和低温粉碎的制冷剂，此外在电子工业，化学气向沉淀，医疗器具等方面具有重要作用，所以如何高纯氮气的纯度成为了专家学者的重要问题。
一、确定技术方案及具体实施过程
1.总体技术方案概述
首先对管道外壁进行防腐处理，PE外防腐是国际认可的通用防腐材料，所以在管道外壁铺设3层PE外防腐，，为了加强防腐蚀性，我们又在3层PE外防腐的基础上加入阴极保护的方法，两种技术相辅相成，强强联手提升管道外壁的防腐蚀性。随后对管道内壁进行化学处理，通过对管道内壁的酸洗和磷化，可以使管道内壁变得非常光滑和洁净，提高高纯氮气的流通性，避免摩擦升温。管道的焊接采用国际通用的氩弧焊，使用氩弧焊对整个管道的整体进行焊接，随后对于某些细节采用手工焊接，焊接完成后，用通球法和吹扫法对整个管道进行检验检查，整个管道便可以作为传送高纯氮气的应用管道。最后对埋地管道运用通常的保护措施，即可完成高纯氮气管道的建设。
2.管道内壁的化学处理
以前我国对管道的处理通常使用物理法：喷砂，打磨，除锈，氮气密封。在施工前，我们发现此种办法并不利于高纯氮气传输，喷砂，打磨，除锈之后，管道内壁有一定的摩擦力，在高纯氮气的传输中会因为气体和内壁的摩擦而升温，除此之外，喷砂，打磨，除锈之后内壁会产生细小的沟壑，沟壑中会储存一定量的水分和灰尘，影响高纯氮气的纯度。氮气密封的施工难度很高，在每根管道内充满氮气费用也是极其昂贵，一旦安装失败需要重新灌入氮气，成本和收益不成比例，属于“费力不讨好”。考虑到以上问题，我们决定对高纯氮气管道内壁采用化学方法处理。对管道内壁的化学处理，就是让管道内壁金属通过化学反应生成一种新的不容易发生化学反应的光滑化合物薄壁，简而言之，对管道内壁进行酸洗钝化或酸洗磷化处理。相比于物理方法，化学处理具有成本低，用时少，成品内壁表面极其光滑，抗腐蚀能力强等优点，非常适合高纯氮气管道的内壁处理。
化学方法，即酸洗钝化或酸洗磷化。具体的加工流程为：酸洗，脱脂，中和，水洗，磷化钝化。所需场所要设置4个化学处理车间，一号车间为酸洗处理池，酸洗处理池主要由钢和玻璃钢构成，由于要处理的是管道，管道内壁主要的杂质为Fe2O3（铁表面的氧化膜）和铁锈，并没有太多的油脂，所以我们去掉了脱脂环节，而是在酸洗处理液里加入新的配方，时酸洗处理液既拥有酸洗能力，同时还具有脱脂功效。二号车间为中和处理池，主要用钢筋混凝土结构建造，当管道内壁在酸洗达到了一定标准后，要迅速将其投入中和处理池，中和掉管道内壁还残留的酸溶液。三号车间为水洗处理池，管道进过酸溶液和碱溶液的浸泡后，表面已经非常光滑、整洁，通过水洗将管道上残留的溶液洗净，同时阻止管道内壁长时间和空气接触。四号车间为磷化处理池，管道经过水洗后，迅速将其放入磷化处理池，磷化处理池里的溶液会在管道内壁形成一层致密的光滑抗腐蚀薄膜且化学性质稳定。经过以上四个处理池的处理，管道内壁已经具有了稳定可靠传输高纯氮气的能力，但还有几项注意事项：一是酸化处理的管道内壁要达到国际Sa3级，即白级的标准后，酸化处理才算完成。二是每段管道都必须配套的橡胶管帽，管帽必须紧紧贴合管口，不能留有缝隙，防止内壁在空气中暴露形成二次污染。三是焊接时，解开管帽后检查管道内壁上是否有污秽杂物，如果不能手动去除，需要将整节管道重新酸洗钝化。四是管道对口时，用脱脂剂对靠近管口的内壁进行脱脂处理。五，为保证施工人员的安全，使用龙门吊座作为吊装机器。
3.管道外壁的防腐处理
考虑到传输高纯氮气的管道通常掩埋与地下，同时外壁还要经历四个处理池，土壤、酸化处理液，中和处理液、水、磷化处理液的共同腐蚀作用，只有国际上对之盛赞不已的PE外防腐才能抵御它们的侵蚀，为了保证管道至少拥有50年工作寿命的条件，我们采用3层PE外防腐。由于PE外防腐只能用于较为简单的直线管道，所以弯型管道、阀门、泵、管口、三通等需要其他的防腐处理。考虑到上述的腐蚀条件，PU防腐是一个不错的选择。在上述部位用PU防腐层热收缩带进行防腐处理，贴好后，用喷气枪对其进行烘烤，直至有灼热黏胶渗出，待完全冷却后，对所有管壁进行电火花检测，保证防腐层没有缺失或断裂点。
4.阴极保护防腐
阴极保护是牺牲一种金属保护另一种金属的防腐方法，用来牺牲的金属作为阳极，考虑到高纯氮气管道的主要材料是铁合金，所以我们选用化学性质比铁活泼的锌合金作为阳极，为了减缓锌合金的反应速率，需要将锌合金放入到有填料的棉布袋中央，并在埋设锌合金时充分浇水，之后设立阴极保护桩进行检测其是否正常工作，并定期检测其保护电位。
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5、焊接
高纯氮气管道的主体框架由氩弧焊进行焊接，其它细节部位由施工人员手工焊接完成。由于对管道内壁的质量要求极高，在施工时要保证管道内壁的绝对光滑，治净，所以在对管道进行酸化处理时，要用气动坡口机对管口做坡口处理，坡口的角度在29.5º~30.5º之间，经过多次实验，这种方法不仅可以保证加工速率，还可以完美地保护管道内壁在施工中不受到影响。不论氩弧焊还是手工电焊，每次焊接完成之后，都须要用角磨机对焊接点进行打磨，且做伤点探查，必须达到国际Ⅱ级标准。
二、建造完成后的检验
1.通球吹扫
为保证管道通球，管道上的所有三通及支线均不安装，保证通球的是一条完整的管线，通球前的管道做1次强度及气密性试验。通球完成后切割管段加入通、阀门、联接支线，再进行1次强度及气密性试验。最后用氮气吹扫达到相应纯度。压力试验及吹扫介质均采用高纯氮气，强度试验压力值为2.185MPa（1.15倍设计压力），气密性试验压力为1.9MPa（设计压力）。
根据AP的标准，通球时不宜加1入脱水、脱脂剂。设计方案如下。
（1）发球的顺序依次为聚氨酯钢丝刷球、海绵球、裸体聚氨酯球。
（2）由于无油空压机也不能保证完全无油，因此通球所用介质为氮气。由终点的储气罐提供，最大压力为1.6MPa，最大流量为4800m3/h（标准压力下）。
（3）3类球的过盈量应严格控制，其中聚氨酯钢丝刷球、裸体聚氨酯球的外径为270mm，海绵球的外径为300mm.
实际流量为1200m2/h，实际球速达到6~10m/s，通球时最大压力值为0.15MPa，-般情况下为0.05MPa.
全线共通球40余次，历时5d.达到了AP的认可标准，即最后的1个白色海绵球通过管道后其变黑层小于1mm.
管道的氮气吹扫工作在通球合格，三通、支线、阀门安装之后进行，要求O2的体积分数小于10-6，由于采用氮气通球，因此此项指标实际只用6h即达标。H2O含量指标是以露点的形式表现的，要求露点要达到-70C（H2O的体积分数为2.3x10-6），使用气源的露点为一809C（H2O体积分数为0.4x10-6），1个月后的吹使露点达到-779C（H，O的体积分数为0.8X
2.压力测试
在通球完成前后都需要对高纯氮气管道做一次强度和气密性试验，根据试验的具体情况，强度和气密性试验的介质均采用高纯氮气，结果管道测试的强度和气密性均超过设计压力，超出了对原本管道的技术要求。
3.吹扫
此项工作在完成通球试验，压力测试，安装好阀门，三通，泵等支路后进行，用高纯氮气对管内进行吹扫，将原本的空气（主要为氧气、水蒸汽等）排出管道外。经过5个小时的持续氮气吹扫，最终试供气的氮气纯度无限接近100%。
三、注意事项
在管道被埋入地下之前的注意事项在上文皆有所提及，但是管道埋入地下后，难免会有其他施工项目对管道造成影响，甚至对管道造成破坏，导致高纯氮气泄露，虽然氮气是惰性气体，但人体一旦吸入高纯氮气，可能在瞬间压迫血管、神经，造成呼吸停止、心跳停止的死亡现象。所以此处讨论管道被埋入地下后的注意事项：
1.用150mm的混凝土包裹住高纯氮气管道，对于一些用于通车的路面，采用200mm混凝土进行包裹，此项措施可以承受住路面通车的压力。
2.为防止有人在不知情的情况下对管道上方开发挖掘，要设置警示牌和警示带，提醒开挖者注意。
3.如所有地下管道的通用警示，在管道上方用混凝土设立标志桩，上边刻明管道的方向及位置，负责组联系电话等。
总结
笔者认为整个施工过程需要严谨、有效、快速。首先根据具体施工情况否定了我国对管道处理通常使用的物理法，而是采用化学处理，即对管道内壁进行酸洗钝化或酸洗磷化处理。第一步是酸化处理，要求管道内壁要达到国际Sa3级，即白级的标准，第二步是中和处理，中和掉管道内壁还残留的酸溶液，第三步是水洗，通过水洗将管道上残留的溶液洗净，最后一步是磷化（钝化），使管道内壁不易发生化学反应。之后是对管道外壁进行防腐处理，采用3层PE外防腐，弯型管道、阀门、泵、管口、三通等使用PU防腐，为保证外壁的防腐能力大大提升，使用锌合金对管道外壁进行阴极保护防腐，PE外防腐的基础上加入阴极保护，两种技术强强联手。然后是对焊接工艺的要求，用氩弧焊对管道的主体框架焊接，细节部位由施工人员手工焊接。最后进过各种实验，得到“完美通过”的答卷。整套施工工艺切实可行、经济实惠，具有为其他管道施工所提供的参考价值。
参考文献
[1]SY/TO413-2002.埋地钢制管道聚乙烯防腐技术标准.北京：石油工业出版社，2002.
[2]孟凡强等.高纯氮气管道工程的施工技术[J].管道技术与设备，2002（10）：18-38.
论文作者:吴昌明
论文发表刊物:《基层建设》2018年第17期
论文发表时间:2018/8/7
标签：管道论文; 氮气论文; 内壁论文; 高纯论文; 酸洗论文; 气密性论文; 溶液论文; 《基层建设》2018年第17期论文;