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天然气管道安全置换方法的探讨
天然气管道安全置换方法的探讨
摘要：
参考英国技术标准与燃气公司成熟经验，分析了3种城市天然气管道置换技术（直接置换、间接置换、阻隔置换），对天然气管道置换工艺参数的确定及控制方法进行了探讨，分析了置换方法在城镇管网和用户管道系统的应用。
关键词：
城镇燃气管道；直接置换；间接置换；阻隔置换；置换技术
1天然气置换方法
为确保安全，在长输管道和厂站的投产过程中一般都选用惰性气体置换。
惰性气体置换虽然安全性方面比较好，但是操作复杂且成本高，在低压管道置换过程中一般采用天然气直接置换。
本文结合英国燃气行业标准和国内实际工作，详细探讨城市天然气管网的置换安全及置换方法。
1.1置换安全
天然气置换是一项非常危险的工作，若置换方案不当或操作失误，可能发生恶性事故，给人民群众的生命和财产造成损失。
天然气置换的安全问题是在置换过程中首先要解决的问题，必须符合下述要求才允许实施置换工作。
（1）置换前必须进行风险评估。
（2）戴上适合的个人防护装置。
（3）准备呼吸器并能正常使用。
（4）准备灭火器并置于适当的位置。
（5）管道内空气的置换应在强度试验、严密性试验、吹扫清管、干燥合格后进行。
（6）间接置换应采用氮气或其他无腐蚀、无毒的惰性气体为置换介质。
（7）现场必须设置“禁止火源”、“禁止吸烟”等安全警示标牌。
（8）置换进气端处必须安装压力表，监测压力。
（9）放散口高出地面2.5m以上。
（10）要求管道在置换中接地，特别是连接PE管道时必须接地。
（11）火源必须距离放散口的上风向5m以外。
（12）确保气体能畅通无阻地排到大气中。
（13）置换过程中放空系统的混合气体应彻底放
（14）采用阻隔置换法置换空气时，氮气或惰性气体的隔离长度应保证到达置换管道末端空气与天然气不混合。
（15）放空隔离区内不允许有烟火和静电火花产生。
（16）置换管道末端应配备气体含量检测设备，当置换管道末端放空管口气体含氧量体积分数不大于2%或可燃气体体积分数大于95%时即可认为置换合格[1]。
1.2置换方法
按照采用的置换方式不同，将置换方法分为3类：
直接置换、间接置换和阻隔置换。
直接置换：
将天然气直接通入管道中，天然气与待投产管道中的空气直接接触，直至天然气完全取代空气；或用空气直接通入管道中，空气与待拆除管道中的天然气直接接触，直至空气完全取代天然气的置换方法称为直接置换。
间接置换：
将惰性气体通入管道内，直至管道内的空气（或天然气）完全被取代，然后再将天然气（或空气）通入管道直至惰性气体完全被取代，这种用惰性气体作为中间介质置换的方法称为间接置换。
阻隔置换：
在间接置换条件下，使用隔离设备（如阻气球、清管球、专用隔离装置等）或惰性气体将天然气与空气隔离的置换方法称为阻隔置换。
①分层现象
在气体对气体的置换过程中密度小的气体（如天然气）在密度大的气体（如空气、氮气）的上方流动，或者密度大的气体在密度小的气体下流动时，容易出现两种气体分层流动的现象，称之为分层现象[2]。
天然气置换空气或氮气的分层现象见图1，空气或氮气置换天然气的分层现象见图2。
在置换过程中，将天然气缓慢输入到新建管道内，由于天然气的密度小，相对密度一般为0.6左右，天然气就会在管道的上部流动，而位于管道下部的空气或氮气就会滞留在管道内。
当检测人员从出口取样检测时，仪器会显示体积分数为100%的天然气，如果此时停止置换，滞留在管道内的空气将与天然气混合，非常可能形成爆炸性混合气体，在用户使用时发生危险。
这种情况会给安全运行带来极大的隐患。
通过实验研究发现，必须保持一定的置换流速才能杜绝置换中的分层现象。
英国研究机构对各种管径的燃气管道进行了实验，测得了最小的可能发生分层现象的流速和流量，将数据列于表1中[2]。
为了避免分层现象的出现，实际置换流速必须大于表1中所列的最小置换流速。
表1不同管径对应的最小置换流速、流量[2]
公称管径/mm
最小置换流速/（m·s-1）
最小流量/（m3·h-1）
0～150
0.6
0.7
151～200
0.7
1.4
201～250
0.8
2.4
251～300
0.9
3.9
301～450
1.0
9.6
451～600
1.2
20.4
601～900
1.5
60.0
901～1200
1.7
120.0
②控制流速或流量，减少静电积累
静电防护是安全置换的要素，燃气在管道中的流速越快，静电的积累就越大；管道的管径越大，静电的积累也越大。
采用控制流速或流量的方法可以实现减少静电积累的目的[3]。
根据国外实验得出以下管道燃气安全流速公式[3]：
式中v——管道内气体的平均流速，m/s
d——管道的公称管径，m
再结合以下流量计算公式：
q=3600Av
（2）
式中q——置换气体的安全流量，m3/h
A——管道截面积，m2
可得出安全流量计算式为：
g=720πd1.5（3）
假如输送管道管径为200mm，按照上述公式计算其安全流量约为200m3/h。
为了尽可能减少静电带来的危险，我们在管网的置换操作中，采用严格控制管网压力，降低流速、流量的办法，尽可能地减少静电的积累。
《城镇燃气设施运行、维护和抢修安全技术规程》CJJ51—2006要求进行燃气直接置换时，将压力控制在5kPa以内，实际上也是出于控制流速从而达到减少静电影响的考虑。
1.3直接置换
直接置换操作过程以直接将天然气缓慢通入管道替换空气为例，过程中必须监控置换情况和出口的天然气体积分数或氧气体积分数。
从检测管的采样口取样，用高精度燃气检测仪进行实时的监测分析，如果连续2次测得天然气体积分数达到95%以上或取样中的氧气体积分数在2%以下即为合格[1]（在英国的置换要求中，此数据为连续2次测得天然气体积分数达到90%以上或取样中的氧气体积分数在4%以下即为合格[2]），可以确定已达到预定的置换标准，置换工作完成。
天然气直接置换方法的特点是比较简便也比较经济，但是具有一定的危险性。
因为在置换过程中，管道里必然要产生天然气与空气的混合气体，天然气的前部气体与空气混合后，有一部分的混合气在爆炸极限内，很容易在某外界因素的诱发下（如管道内焊渣、金属颗粒滚动等）产生爆炸，因此操作有严格的控制条件和要求，必须严格按规程实施，否则非常可能发生事故。
对于天然气来讲，它的爆炸极限为5%～15%，再考虑到其混合的不均匀性，天然气体积分数在45%以下均应视为危险区（见图3，图中数据均为体积分数），遇火源就要发生爆炸。
为此必须严格控制，采取各种安全措施，确保无火源。
由于天然气管道是封闭的，管道建成后经历了吹扫、强度试验、严密性试验等工序，管道内没有活动部件，不可能因运动、撞击产生火花。
可能出现的火源有以下两种：
一是高速气流会因摩擦产生静电，所以置换时要对管道系统进行接地（见图4[4]），即便有静电负荷产生，也会立即通过接地装置导入大地，不会有电荷积聚导致高电位而产生放电火花。
二是高速气流吹动管道中可能残留下来的石块、铁屑、焊条头等固体物质，与管道内壁碰撞产生火花。
引起此类事故的根本原因是高速气流，解决的关键是确保气流的低速，这样即便有石块等杂物，也不会被吹动，也就不可能产生火花。
此外，为了避免将杂物带进管道，应事先在进气管道上设置过滤器。
根据英国相关资料及国内应用经验，我们将置换管道用天然气的气流速度控制在最小置换流速以上，一般最大流速控制在3m/s以下。
在置换过程中采用流速计或U型压力表观察管道升压速度的办法来测量其充气流速，用阀门的开度来控制流速（混气过程中控制阀前的压力要保持稳定）。
1.4间接置换
以天然气置换空气为例，用惰性气体先置换管道里的空气，再用天然气置换管道里的惰性气体，即把惰性气体作为置换的中间介质，这里所说的惰性气体是指既不可燃又不助燃的无毒气体，如氮气、二氧化碳等。
间接置换方法具体操作过程是先将惰性气体注入管道，在管道末端放散，使用惰性气体置换出空气，直至放散管取样口惰性气体的体积分数达到预定的置换标准为止。
在实际操作过程中一般用氧气体积分数来衡量，如果连续2次取样中的氧气体积分数达到2%以下即为合格[1]（在英国的置换要求中，此数据为连续2次测得取样中的氧气体积分数达到4%以下即为合格[2]），停止通入惰性气体。
然后再将天然气通入管道，同样操作，在检测管的取样口取样，用高精度燃气检测仪进行实时的监测分析，如果连续2次测得天然气体积分数达到95%以上即为合格[1]（在英国的置换要求中，此数据为连续2次测得天然气体积分数达到90%以上即为合格[2]），置换完成。
此法操作复杂、繁琐，进行2次换气，不仅耗用大量惰性气体还耗用大量的燃气，费用较高，并且换气时间长，工作量大。
但是，它可以确保进入管道内的燃气不会与管道内空气接触，不会形成具有爆炸性的混合气体。
因此，此法可靠性好，安全系数高，成功率也高。
主干管网天然气间接置换见图5
[4]。
1.5阻隔置换
阻隔置换方法是近几年在我国逐步推广使用的，简便易行、安全可靠。
本文主要说明使用惰性气体做中间介质的置换方法，氮气介质阻隔置换见图6。
阻隔置换的方法比完全使用间接置换更经济，也比间接置换技术要求高，操作难度大，但是如果管道距离长，此方法的安全性和经济性优势明显。
此方法可以用于长度大于250m的管道，但局限于公称管径小于等于600mm的管道。
惰性气体阻隔体的体积必须不小于管道体积的10%。
充入管道的惰性气体的体积不能小于表2的数据[2]。
表2惰性气体阻隔体体积[2]m
公称管径/mm
管道长度/m
250～500
500～1000
1000～1500
1500～2000
2500～5000
5000～10000
100
1
1
2
2
4
8
150
1
2
3
7
9
18
200
2
4
5
8
16
32
250
3
5
8
13
25
50
300
4
8
11
18
36
72
400
7
13
19
32
64
128
450
8
16
24
40
80
160
600
15
30
45
75
150
300
使用惰性气体作中间介质的阻隔置换方法与使用清管器为隔离设备的方法相比有如下优势：
①大多数的天然气管道有较大的高程变化，清管器在管道中的运行速度难以精确控制，清管器速度的变化加快混气的形成，造成较大的混气段。
②由于天然气管道内没有润滑剂，仅靠清管器与管道的干摩擦，清管器皮碗磨损严重，且前后压差较大，因此会产生较大的混气量。
③清管器在管道弯头处易产生混气量。
④采用清管器隔离增加了工艺操作难度。
2置换方法应用
在城市燃气管道天然气与空气置换过程中，多数管道都存在分支，除了管网末端很少有无支管的管道系统（见图7[5]）。
必须针对管网系统选择置换方法，以保证置换安全顺利完成。
一般情况下采用两种方式：
同时置换和顺序置换，下文将介绍管网系统置换和用户管道系统的置换。
表3为管网压力为0.2MPa的旁通管、放散管公称管径速查表[5]。
表3旁通管、放散管公称管径速查表[5]
公称管径/mm
旁通管和放散管的公称管径/mm
0～150
32
151～200
32
201～250
32
251～300
32
301～450
63
451～600
63
601～900
63
901～1200
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2.1管网系统置换
①顺序置换
顺序置换就是按照管道管径大小顺序，先大管径后小管径，依次置换每个支管。
在置换时一般的选择方法是从最大管径的管道开始置换，选择最远端放散，然后再依次置换其他支管。
置换支管也是按大管径优先的原则进行。
例如在图7中，管道综合考虑按照放散口1
→放散口3→放散口4→放散口2的顺序进行。
顺序置换的方法简单易行，在置换时，需要的操作人员少，容易控制。
适用于人力有限或者同时置换时管道内气体流速不能达到最小的置换流速时，可以依次置换。
②同时置换
同时置换就是一个进气口通入天然气，所有支管上的放散口同时放散。
这种方法要求较高，需要进行计算，必须保证所有支管的天然气流速大于最小置换流速。
而且此方法需要操作人员较多，控制复杂。
此方法优点是置换时间短，效率高，对周边影响小。
当所有支管的放散口取样检测的氧气体积分数低于2%时，置换完成。
注意，在置换过程中至少保持一个放散口始终打开，理论上要求最远端的放散口在置换完成前一直打开。
2.2用户管道系统置换
用户管道系统置换中，需要完成从用户支阀到建筑物外低压管网控制阀的天然气置换。
一般这类置换管道长度较短，管道总容积较小，可以采用管道最远端置换的方法[6、7]。
用户室内管道置换见图8[5]。
具体操作是将连接隔焰器的软管连接于顶层用户支阀，打开单元总阀进行置换，置换过程中持续取样监测，直至连续2次测得天然气体积分数达到95%以上或取样中的氧气体积分数在2%以下即为合格[1]（在英国的置换要求中，此数据为连续2次测得天然气体积分数达到90%以上或取样中的氧气体积分数在4%以下即为合格[2]），停止放散，置换完成。
参考文献：
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[2]IGE/SR/22，英国气体工程师学会标准——燃气在传输分配和贮存过程中的置换操作[S].
[3]刘晓涛，汪海波.浅析环路燃气管道安全置换[J].城市燃气，2006，（5）：
15-18.
[4]IGE/TD/1，英国气体工程师学会标准——配气主管[S].
[5]IGE/TD/4，英国气体工程师学会标准——燃气支管[S].
[6]林铭荣.天然气置换的探讨[J].煤气与热力，2005，25（6）：
49-52.
[7]耿景堂.煤气输配系统投产前的气体置换[J].煤气与热力，1997，17（4）：
26-26.
（注：
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