摘 要：本文通过对天然气球罐几种置换方案介绍、分析和对比，并以学堂堡储配站天然气球罐置换为例介绍，说明天然气球罐可用天然气直接置换方法。
随着城市燃气事业的迅速发展，为解决天然气供气不均匀性即日负荷调峰问题，根据重庆的天然气资源、实际环境条件和多年的实践经验证明，一般在储配站按要求宜设置多台球型储罐。目前，重庆燃气有限责任公司共建设了19台球罐，几何容积共23，600m3。同时为满足逐年用气量增加的趋势，还计划在江北区溉澜溪头塘建造6台（每台几何容积为10000m3）球罐的大型储配站。按照国家质量技术监督局颁布的《压力容器安全技术监察规程》的要求，公司每年都有球罐开罐检查的任务，它包括超声波或磁粉探伤、射线照相检查、测厚和球罐表面的防腐处理等工作。并对有缺陷部位进行维修，检查合格后需对球罐进行强度和严密性试验；试压合格后再对球罐进行置换。球罐置换首先要确保球罐的自身安全；其次是确保第一次由球罐中供出的燃气能满足用户的使用要求。球罐置换是一项危险性的工作，若置换方案选择不当或操作失误，均可能发生恶性事故造成惨重损失。为此，球罐置换的安全问题显得特别重要；其次，球罐置换还应考虑经济问题，若方案不当将造成置换工作量大，费用高。用什么安全、经济的方法将罐内的空气置换到允许标准，这是一个值得探讨的问题。对此发表一些看法和意见，仅供参考。
根据目前的技术水平和储配站的具体情况，球罐的置换方案一般有如下三种方法可以采纳。
1 惰性气体置换法
用惰性气体先置换球罐里的空气，再用天然气置换球罐里的惰性气体。即把惰性气体作为置换中间介质，这里所说的惰性气体是指既不可燃又不可助燃的无毒气体。如氮气（N2或液氮）、二氧化碳（CO2）、烟气等，均可以采用。
此法具体操作过程是先将惰性气体充满球罐，加压到一定程度置换出空气，直至罐时惰性气体的浓度达到预定的置换标准为止；然后再以燃气充满球罐，同样加压到一定程度置换出惰性气体，从而完成置换程序。此法操作复杂、烦琐反复进行两次换气，不仅耗用大量惰性气体还耗用大量的燃气发生费用较高，其换气时间长，工作量大，既不经济且费事。但是它可以确保进人罐内的燃气不会与罐内空气接触，不会形成具有爆炸的混合气体。因此此法可靠性好，安全系数高，成功性大。对于本身有制气（惰性气体）手段和条件的工业、燃气行业普遍采用这一成熟的传统置换方案。
2 水置换法
用水先置换球罐里的空气，再用天然气置换球罐里的水。即把水作为置换中间介质。
此方法操作过程是先将球罐灌满水以水排尽罐内空气，然后再排掉水同时充入燃气，待罐内水排尽时天然气也充满，置换就完成了。因为此法不但确保了进入罐内的天然气不会与罐内空气接触，不会产生具有爆炸性的混合气体，绝对安全可靠；而且水比其它惰性气体便宜得多，也很容易解决。而对于储配站内一般都设置了消防水池（栓）、消防泵房，充足的储水量以及配备的双电源等，这些给水置换带来了良好的条件。若是将置换工作安排在球罐的强度（水）试压会格后进行，即排水的同时进行充气置换，那更是一件很经济的事情。因此此法具有安全可靠、成功率高、操作简单、置换周期短、费用低和还可多台罐连续置换等优点。但是它要求球罐基础条件较好，即球罐基础（基座）可承担置换重量，同时置换用水浪费较大，对于1000m3以上球罐置换，考虑到球罐基础条件（因球罐投运多年）和置换用水量因素，一般不宜采用此法。
3 燃气直接置换法
此法操作过程是直接将燃气缓慢通人球罐替换出空气，从而达到置换目的。其置换示意如图1所示。
当置换到一定程度时，从排空管的采样口取样，通过气相色谱仪进行分析，可以确定空气达到预定的置换标准，置换宣告结束。
此方法的特点是比较简便也较经济，但是具有一定的危险性。因为在置换过程中，球罐里必然要产生燃气与空气的混合气体，并且要经历爆炸极限范围。对于纯天然气来讲，它的爆炸极限为5～15％，再考虑到其混合的不均匀性，天然气含量45％以下均应视为危险区，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，确保无火种，才能安全地渡过其危险区。
要确保置换过程中，没有任何火源引爆这极具危险的混会气。为此进行如下分析：球罐的检查入孔、接管（进出气管、排污管）全部是封闭的，不可能由外部投入火种；球罐封闭前进行了开罐检查、试压、清扫等工序，有时还搁置了一段时间，内部不可能有残留火种；罐内没有活动部件，不可能因运动、撞击产生火花；唯一可能并需要控制的就是随进罐天然气流带入的火种。这种带人火种有两种：一是高速气流会因摩擦产生静电。但是，由于球罐及管道系统都有良好的接地，即便有静电负荷产生，也会立即通过接地装置导人大地，不会有电荷集聚导致高电位，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、焊条头等固体物品带进球罐，与罐壁、内梯等碰撞产生火花，这种可能性是存在的，这就是危险。根源是高速气流，解决它关键是坚决杜绝高速气流而确保低速；即便有石块等杂物，也不会被吹动，也就不可能产生火花了；同时为了避免杂物带进球罐，应事先在进气管道上设置过滤器。根据暖通资料及管道实际吹扫经验，我们确定将置换球罐用天然气速度控制在3m/s以下并采用流速计或
U型压力表（计）观察球罐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）。
经上述分析、认识与措施，说明天然气球罐可用天然气直接置换；即先少量充气置换后再投入运行。该法必须注意排除其危险性，方法较简单，经济合理。目前我公司以及附近地区各燃气公司球罐的置换工作均采用天然气直接置换球罐里的空气方法，历经过了四十多次试验，已积累了一定的经验。
4 燃气直接置换法实例
沙坪坝学堂堡储配站投产于1987年，担负着沙坪坝区民用气调峰任务。站内设置了四台每台几何容积为1000m3的球形储罐，其贮气能力为3.2万m3。按要求1999年对3#、4#球罐进行了开罐检查；而2000年9月份，又对1#、2#球罐进行开罐检查，经重庆市锅检所对其进行超声波或磁粉探伤、X光照片和测厚等检测，并对有缺陷部位进行维修，合格后即进行气压试验，试压介质选用空气。试压合格后随即进行置换，步骤操作如下：
（1）试压、置换前的准备工作
①成立球罐开罐检查（试压、置换）工作领导小组，明确具体的分工，各负其责。
②经过多方研究讨论，确定了试压、置换方案，并制定了实施细则和具体措施，打印成文以便遵照实施。
③对与球罐相联接的管道和设备进行了试压，对阀门、法兰、焊缝等各种设备和联接处都进行认真细致的检查，对有泄漏之处进行处理。
④联接好试压、置换工作所需用的临时管道和设备。如加气管、排气管、空压机等；并作好其它一切有关的安全防范物质准备工作。
（2）试压及置换工艺流程
①在球罐的排污阀（6）之后，加一短节。短节一端采用法兰联接，另一端盲死；在短节两侧各焊一加气管，并装上控制阀（7或8）加以控制，它们与空压机（9）相连。
②以球罐的进（出）气管作为置换的进气管，球罐上的安全放空、增设的加气管（卸下空压机后）作为空气的放空管，也可作为取样点。如图2所示。
（3）试压、置换的操作步骤
①为了便于指挥、控制，不致操作失误，在试压、置换前，首先关闭全部阀门，并加装盲板，使整个系统成为密闭状态。
②启动空压机（9），打开加气管的控制阀门（7或8），向球罐充空气，使压力先缓慢升压至规定试验压力的10％，保压5-10分钟并对所有焊缝和连接部位进行初次检查；如无泄漏可继续升压到试验压力的50％；如无异常现象，其后按规定试验压力的10％逐级升压，直至试验压力0.92MPa时（因球罐设计压力为0.8MPa，实际运行压力为0.78MPa，试验压力为设计压力的1.15借人停止加压稳压半小时，在试压前应将球罐的安全阀送国家压力容器检验部门将其开启压力调至0.92MPa（试压后将其压力调至设计压力，但不得超过设计压力的1.05倍），以确保球罐试压安全；最后将压力降至设计压力，保压足够时间进行检查，检查期间压力应保持稳定，观察球罐及基础均无异常情况，经肥皂液或其他检漏液检查无漏气、无可见变形即为合格。
③试压合格后进行置换。首先拆下空压机沙），打开加气管的阀门（7或8）和安全阀（2）进行放空，待与大气相平衡为止，关闭各放空部位的阀门。这时球罐里空气体积在计算工况（0.1MPa，20℃）下为1000m3。
④打开球罐的进（出）气管上的阀门（4），向球罐缓慢充气，流速控制在3m/s以下；当球罐充气到0.05MPa时，可适当提高充气速度，流速不超过5m/s；当充装天然气到0.1MPa后，关闭进气阀（4）停止进气，开启加气管上的控制阀（7或8）缓慢地向外放散，其速度不超过10m/s，表压为10KPa时停止放散，这时取样进行分析，确认天然气含量达到置换标准（50％以上）；再次开启球罐的进气阀（4）以不超过10m／s流速向球罐充装天然气，直至球罐运行压力0.78MPa为止，置换完毕。
在置换过程中，球罐的表压P（MPa）随进罐天然气体积V（m3）变化而变化，其变化过程视为等温过程（注：Pn为当地大气压，取值0.1MPa）。
（a）当球罐压力升至0.1MPa（表压）时，球罐里空气体积在计算工况（0.1MPa，20℃）下为1000m3，而在某一工况P下其空气体积为（1000-V）m3，其关系式为：
（b）当球罐充气至0.1MPa（表压）时，停止进气，进行放空至10KPa止，这时球罐里空气和天然气的体积在计算工况（0.1MPa，20℃）下各为550m3。再次将球罐压力升至其运行压力0.78MPa为止。其关系式为：
通过以上关系式，可以算出各个工况下球罐里的天然气、空气体积组成及其压力变化情况见表1。
综上所述，经球罐置换的几种方案比较，以天然气直接置换较为方便、经济。虽然存在不安全因素，但是可以通过控制进气速度，以及采取各种安全措施协调配合，完全可以安全地越过混合气体爆炸极限范围，对于天然气球罐置换可以广泛采用此法。
参 考 文 献
[1]卢永昌等编，城市燃气工人技术培训教材《燃气输配工》，中国建筑工业出版社，1996
[2]《压力容器安全技术监察规程》国家质量技术监督局颁布1999.6
[3]李泽震等编《压力容器安全评定》劳动人事出版社，1987
[4]《球形贮罐诊断与修复技术》劳动人事出版社，冶金工业钢铁研究总院编，1987
