海底输气管道建设投资大、造价高,所以确保海管投产运行的安全十分重要。而目前国内采用的置换工艺技术仅凭经验进行,存在很大的盲目性。本文以理论分析和数值模拟为基础,并将模拟的结果与实验和现场投产实践进行对比,对海管氮气置换过程中“气推气”的置换方式进行了研究。总结分析了对流扩散系数的三种求解方法:GRI、Taylor、Taylor-CW,讨论了对流扩散系数的影响因素:对于长距离输气管道(100km左右),弯头对对流扩散系数的影响很小;对流扩散系数随着置换流速的增大而增大,随着管径的增大而增大;随着管内壁绝对当量粗糙度的增大,湍流扩散系数略有增大,管内壁粗糙度对湍流扩散系数的影响不大;置换过程应避免流动处于层流状态以减少混气长度。通过建立一维氮气置换模型,并用Excel 2007对对流扩散方程进行求解,将求解结果与国外输气管道置换实测结果进行对比,确定了GRI和Taylor-CW计算方法的适用范围。采用基于有限体积法(FVM)的FLUENT软件,依据CFD的基础理论和湍流模拟理论,合理地确定了海管氮气置换的数学模型、边界条件、对流-扩散项的离散格式和压力-速度耦合算法,并且根据湍流模型对网格划分的要求研究出了一套网格划分策略。通过二维非稳态的数值模拟,研究了氮气置换过程中,氮气摩尔浓度分布、气体流速以及管线压力的变化规律;分析了影响混气长度的5个主要因素:背压、流态、流速、管径和管长。通过对模拟结果的分析处理,回归出惰化时间的计算公式;确定了注氮量的计算方法,并且通过非线性拟合确定了注氮量的计算公式。通过将数值计算结果与实验和海底输气管道现场投产实践的结果进行对比,验证了数值模拟结果的正确性。确定了海管氮气置换的两个主要工艺参数(氮气推进速度和注氮量)的计算公式。通过对氮气置换过程的研究,为实现科学、经济、高效、安全的海管氮气置换提供了理论依据。