天然气管道安全置换方法的探讨

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]。

 

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]

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。