摘 要

燃?xì)庑袠I(yè)的技術(shù)人員盡人皆知，天然氣管道和球罐建成之后，在投產(chǎn)之前，以及球罐投產(chǎn)后按規(guī)定定期進(jìn)行開罐檢查后，都必須經(jīng)過(guò)“置換”這道工序，即將管道或罐體中原有的空氣

燃?xì)庑袠I(yè)的技術(shù)人員盡人皆知，天然氣管道和球罐建成之后，在投產(chǎn)之前，以及球罐投產(chǎn)后按規(guī)定定期進(jìn)行開罐檢查后，都必須經(jīng)過(guò)“置換”這道工序，即將管道或罐體中原有的空氣排出來(lái)，再輸入天然氣，才能進(jìn)行投產(chǎn)。

將管道或罐體中原有的空氣排出后再輸入天然氣這個(gè)“置換”工序，眾所周知，歷來(lái)有兩種方法：一種是，“間接置換”法，這是一種很安全可靠的置換方法，即利用氮?dú)饣驘煔獾榷栊詺怏w及水或清管球等中間物質(zhì)先頂出空氣，再輸入天然氣投產(chǎn)。

“間接置換”通常采用的“中間介質(zhì)”有“水”、“清管球”、“煙氣”、“氮?dú)?rdquo;等，現(xiàn)分別敘述於下：

一、間接置換簡(jiǎn)介

(一)水：

用“水”作為“間接置換”的“中間介質(zhì)”，安全性是很好的，價(jià)格也較便宜，水源也較好解決。但僅適宜於易於排水的小型儲(chǔ)氣設(shè)施使用。因?yàn)椋?span lang="EN-US">

1、對(duì)於管道而言，已建好的管道是“嚴(yán)禁”進(jìn)“水”的，對(duì)於在建設(shè)管道過(guò)程中不慎進(jìn)入管道中的“積水”，也要在清掃管道時(shí)千方百計(jì)排出來(lái)。因?yàn)?ldquo;積水”在管道低凹處會(huì)形成“水塞”堵塞管道，而且“積水”還會(huì)與天然氣中所含的“硫化氫”與“有機(jī)硫”作用生成“稀硫酸”，會(huì)對(duì)管道內(nèi)壁產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。因此，“積水”在管道中是極為有害的，若在置換時(shí)又往管道中灌水，無(wú)異於是搞破壞。因?yàn)樗嗳牍艿篮?，再輸入天然氣時(shí)是絕不可能把管道低凹處的積水頂排出來(lái)的，特別是重慶、四川這類地勢(shì)起伏甚大的山區(qū)和丘陵地區(qū)，排凈管內(nèi)積水是極其困難的。

2、對(duì)於大型球罐而言，水的重量是1噸／立方米。1000立方米的球罐灌滿水就增加負(fù)荷l000噸；3000立方米的球罐灌滿水就增加負(fù)荷3000噸；5000立方米的球罐灌滿水就增加負(fù)荷5000噸；l0000立方米的球罐灌滿水就增加負(fù)荷10000噸。若果球罐設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有考慮這個(gè)“附加負(fù)荷”，灌水后增加這么巨大的負(fù)荷就極可能造成球罐基礎(chǔ)的下沉，這就將給球罐造成破壞性的傷害。若果此時(shí)進(jìn)行加固基礎(chǔ)來(lái)承擔(dān)這上千噸乃至上萬(wàn)噸的“附加負(fù)荷”，不僅其費(fèi)用是很巨大的，其工作也是非常麻煩的。如果球罐設(shè)計(jì)時(shí)考慮了“附加負(fù)荷”已經(jīng)加固基礎(chǔ)，但球罐投產(chǎn)時(shí)因天然氣比空氣輕，球罐裝滿天然氣后有向上的浮力，會(huì)減輕基礎(chǔ)負(fù)荷，僅為此而投巨資加固基礎(chǔ)，實(shí)在是非常非常不經(jīng)濟(jì)的，因此設(shè)計(jì)時(shí)往往均未予考慮。

(二)清管球

用“清管球”作為“間接置換”的“中間介質(zhì)”，是非常安全可靠的．而且費(fèi)用也不貴。但卻要受下列條件的限制：

1、DN100mm以下的管道沒(méi)法使用，因?yàn)闆](méi)有這么小的“清管球”。能用清管球的管道均是DNl50mm以上的管道。

2、管道必須是設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了生產(chǎn)過(guò)程中要應(yīng)用“清管球”的管道。因?yàn)椋簯?yīng)用“清管球”的管道必須：

(1)、在管道始、末兩端安裝有“發(fā)球裝置”和“收球裝置”；

(2)、管道全線內(nèi)徑基本同徑，不能有較大的差異；

(3)、管道的全部彎頭必須是利於“清管球”通過(guò)的光滑的“沖壓彎頭”；

(4)、管道上安裝的閥門必須全部是通徑與管道內(nèi)徑相同的“球閥”，而絕不能有“截止閥”、“閘板閥”等閥門；

(5)、管道的分支管絕不能有“插入焊接”的狀況；

如果管道具備上述全部條件，則利用“清管球”進(jìn)行“間接置換”無(wú)疑是既安全又省錢、省事的最佳方法。但若管道不具備上述全部條件，缺一不可，則是無(wú)法利用“清管球”的。在實(shí)際情況中，建成的管道卻多數(shù)都是不能使用“清管球”的。

(三)煙氣

所謂“煙氣”，從書本和常識(shí)得知，即是柴禾等植物燃燒后產(chǎn)生的不可燃?xì)怏w，諸如“二氧化碳”(CO2)之類。但至於在燃?xì)夤艿篮蛢?chǔ)氣設(shè)施的置換工作中，究竟如何具體操作生成“煙氣”，又如何將生成的“煙氣”收集起來(lái)輸入管道或儲(chǔ)氣設(shè)施，僅只是見(jiàn)到書本上介紹有這樣一種方法，既未見(jiàn)到過(guò)文字的具體詳細(xì)敘述，更沒(méi)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，實(shí)無(wú)法說(shuō)得清楚，甚罕令人懷疑足否真有人如此作過(guò)。

(四)氮?dú)?span lang="EN-US">

氮?dú)馐禽^普通的惰性氣體，常用的有瓶裝氮?dú)夂蛙囕d液態(tài)氮?dú)鈨煞N。

1、瓶裝氮?dú)猓哼@是城市中比較容易購(gòu)買到的惰性氣體，是“制氧廠”的附產(chǎn)品。“氮?dú)馄?rdquo;與“氧氣瓶”相同，均為耐高壓的鋼瓶。氮?dú)馄康娜莘e一般均為0.04米³，額定充瓶壓力為15MPa，可裝氮?dú)?span lang="EN-US">6米³。

2、車載液態(tài)氮?dú)狻?span lang="EN-US">

將氮?dú)饫鋬龀梢簯B(tài)裝在槽車內(nèi)運(yùn)輸供用戶使用。但這種氮?dú)獾膯?wèn)題是：價(jià)格昂貴，氮?dú)庑柙谝粋€(gè)大氣壓下，氮?dú)鉁囟葹?span lang="EN-US">-195.8℃時(shí)才能變成液體，如果液態(tài)直接輸入管道或罐體，則會(huì)對(duì)管材、罐體和焊縫產(chǎn)生破壞作用，因此必須將液態(tài)氮?dú)廨斎胫虚g過(guò)渡裝置升為常溫后，才能輸入管道或罐體。而這中間過(guò)渡裝置的使用，又是一筆很不小的費(fèi)用。

間接置換法既很費(fèi)錢又很費(fèi)事且很費(fèi)時(shí)間，具體操作起來(lái)各種麻煩非常多，故實(shí)際工作中并未全采用這種方法；另一種即是“直接置換”法，這是一種雖然具有一定危險(xiǎn)性，但卻是既很省錢，又很省事，且又很省時(shí)間，只要有相當(dāng)豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，掌握好操作的關(guān)鍵要領(lǐng)，便能安全地置換成功的一種方法，故在以往的實(shí)際工作中，采用也是很多的。

二、直接置換簡(jiǎn)介

仔細(xì)分析可得知，直接置換的“危險(xiǎn)性”就在於：在直接用天然氣置換空氣的過(guò)程中，必然要經(jīng)過(guò)天然氣的爆炸極限這個(gè)范圍，一旦控制不好，便有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。管道或罐體的容積越大，爆炸越厲害，后果越嚴(yán)重。

從物體的燃燒、爆炸之三要素可知：物體的燃燒、爆炸均必須有可燃物，助燃物和火種三個(gè)條件才能發(fā)生，缺一不可。因而在置換過(guò)程中雖然是必然會(huì)有可燃物(天然氣)和助燃物(氧氣)產(chǎn)生，無(wú)可控制，但只要控制好不產(chǎn)生火種，就不會(huì)發(fā)生燃燒、爆炸事故。因此抓住主要矛盾就是控制火種。

置換管道中的火種產(chǎn)生的原因有兩種：一種是高速氣流沖擊管道中的難免遺留的焊條頭、石塊、鐵塊、鐵渣…等物與管壁撞擊產(chǎn)生的“碰撞火花”；一種是高速氣流與管壁摩擦產(chǎn)生的“靜電火花”。因此，只要控制好氣體流速不超過(guò)一定數(shù)值，不產(chǎn)生“高速氣流”，就可以避免上述兩種火花的產(chǎn)生。

又根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得知，置換管道中的氣體流速只要不超過(guò)5米／秒，就不會(huì)產(chǎn)生那兩種火花，就是安全的。這個(gè)安全數(shù)據(jù)，不少專業(yè)設(shè)計(jì)手冊(cè)和技術(shù)書籍均有記載，并說(shuō)明控制好氣體流速即可以采用“直接置換法”進(jìn)行置換，現(xiàn)摘錄於下：

1、《輸氣干線設(shè)計(jì)手冊(cè)》四川石油設(shè)計(jì)院天津市建筑設(shè)計(jì)院合編(1974年7月成都印刷出版)

(P144頁(yè)第八行)：用天然氣置換管內(nèi)空氣時(shí)，在天然氣與空氣混合段為防止由於氣流速度過(guò)大而使管內(nèi)石塊或鐵渣沖擊管壁，發(fā)生火星可能造成的爆炸事故，故氣流速度應(yīng)嚴(yán)格摔制在5米／秒以下。

2、《輸氣工人讀本》由川石油管理局輸氣管理處編(石油工業(yè)出版社出版)1979年2月北京第一版

(P295頁(yè)第七行)(1)、置換空氣要嚴(yán)防空氣與天然氣混合物發(fā)生爆炸或管內(nèi)燃燒，在吹掃中管內(nèi)石頭、鐵塊在高速下碰撞管壁可能出現(xiàn)火花，因此用天然氣置換空氣時(shí)，要緩慢進(jìn)行，進(jìn)氣速度不招過(guò)5米／秒。起點(diǎn)壓力盡可能不大於1KG／cm²。

3、《天然氣工程手冊(cè)》(下)四川石油管理局編石油工業(yè)出版社84.10第一版(P401頁(yè)倒10行)：若用天然氣吹掃管道，需首先置換管內(nèi)空氣，置換空氣應(yīng)保持連續(xù)中速(堡壁5米以下)，以防混合氣段因管中碰撞起的火花引起爆炸。

4、《燃?xì)夤こ碳夹g(shù)手冊(cè)》姜正候主編同濟(jì)大學(xué)出版社1993.5第一版(P523頁(yè)第17行)：若用天然氣吹掃管道，需首先置換管內(nèi)空氣。置換空氣應(yīng)保持在5m／s以下諫度，以防混合段因管中碰撞起的火花引起爆炸。

5、《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)施運(yùn)行、維護(hù)和搶修安全技術(shù)規(guī)程》CJJ51—2006(P28頁(yè))。

5．6通氣

5．6．3：置換作業(yè)應(yīng)符合下列規(guī)定

4)、用燃?xì)庵苯又脫Q空氣時(shí)，其置換時(shí)的燃?xì)鈮毫傩§?span lang="EN-US">5Kpa

6．《煤氣應(yīng)用》上海煤氣公司營(yíng)業(yè)所編印1976.10P165倒6行：煤氣管道置換空氣方法一般有兩種：一是利用惰性氣體置換法；二是利用煤氣置換法。惰性氣體置換法比較安全但費(fèi)用太貴、運(yùn)輸很不方便，操作麻煩、又要消耗大量的惰性氣體。一般不采用此方法。

7、GB50028-2006條文說(shuō)明，P326．8．2．6液體石油氣在管道內(nèi)最大流速不應(yīng)超過(guò)3m／s是安全流速，以確保液態(tài)液化石油氣在管道內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的靜電有足夠的時(shí)間導(dǎo)出，防止靜電電荷集聚和電位增高。

以上乃為“直接置換”的文字依據(jù)。

實(shí)際工作中，很多人害怕觸及直接置換法，觸及“燃燒、爆炸禁區(qū)”很多人也不愿采用“直接置換”法，甚至有“恐怖感”“間接置換”法實(shí)施起來(lái)各種麻煩又實(shí)在太多太多，因而經(jīng)常嚴(yán)重影響置換工序的正常及時(shí)進(jìn)行。

為了解決這個(gè)弊端，使一般人都能很容易掌握“直接置換”的“安傘要領(lǐng)”，筆者多年從事管道建設(shè)，依據(jù)數(shù)十年的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，特研制了由電腦控制的天然氣管道、儲(chǔ)氣設(shè)施置換和浸灌裝置，即由電腦來(lái)控制置換管道中的氣體流速，操作時(shí)只要在電腦鍵盤上輸入置換管道的“公稱直徑”(這是人人都會(huì)作的)，電腦就能把置換管道中的氣體流速控制在安全范圍內(nèi)(我們?cè)O(shè)定為管道中氣體流速不超過(guò)3米／秒)  從而便絕對(duì)保障了“直接置換”的安全完成，節(jié)省了“間接置換”的大筆費(fèi)用、時(shí)間和操作中的諸多麻煩。

本裝置系由電腦和高精度的調(diào)壓閥、電動(dòng)球閥…等組成，能自動(dòng)控制保障安全置換所需輸入天然氣的氣量和壓力，并裝配有適用於各種管徑的高壓軟管和活接頭，可適用於不同容積的管道(不同管徑和長(zhǎng)度)和球罐的置換工作。當(dāng)“置換裝置”與被置換管道或球罐聯(lián)通后，只要在電腦鍵盤上輸入不同管道的公稱走私，電腦便能自動(dòng)控制調(diào)壓閥和電動(dòng)球閥輸入所需要的保障安全置換的天然氣的流量和壓力，任何會(huì)使用鍵盤認(rèn)識(shí)數(shù)字的人都能操作。

本裝置裝配在帶有膠輪的鋼架上，可用小型汽車運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，在施工現(xiàn)場(chǎng)又可輕便隨意推動(dòng)，搬運(yùn)和使用都很方便。

電腦控制天然氣管道，儲(chǔ)氣設(shè)施置換和浸罐裝置如下圖

 

三、本置換裝置應(yīng)用的操作方法

1、新建管道的置換

(1)、將“置換裝置”的進(jìn)口端用高壓軟膠管及活接頭與氣源管道相聯(lián)通；出口端用高壓軟膠管及活接頭與被置換管道始端相聯(lián)通，被置換管道的末瑞設(shè)置的控制伐門處?kù)堕_啟狀態(tài)以排泄空氣。其余應(yīng)聯(lián)接的電路等各部份均聯(lián)接妥當(dāng)。

(2)、在“置換裝置”的電腦鍵盤上輸入被置換管道的公稱直徑，裝置即行啟動(dòng)，按電腦軟件所設(shè)定的3米／秒流速和5KPa壓力自動(dòng)向被置換管道內(nèi)輸送天然氣進(jìn)行置換。

(3)、當(dāng)在被置換管道末端檢測(cè)到有天然氣逸出且濃度在90％以上時(shí)，置換即告成功完成。

(4)、拆除置換裝置與被置換管道的聯(lián)接，恢復(fù)到可向被置換管道供氣的狀態(tài)，即可向新建管道正式供氣進(jìn)行投產(chǎn)。

2、新建球罐及開罐檢查后待恢復(fù)生產(chǎn)球罐的“浸灌置換”

(1)、將“置換裝置”的進(jìn)口端用高壓軟膠管及活接頭與氣源管道相聯(lián)通：出口端用高壓軟膠管及活接頭與球罐的進(jìn)氣管道相聯(lián)通(此時(shí)球罐進(jìn)氣管道應(yīng)早已與原進(jìn)氣源切斷開)，其余應(yīng)聯(lián)接的電路等各部份均聯(lián)接妥當(dāng)。

(2)、在“置換裝置”的電腦鍵盤上輸入球罐進(jìn)氣管道的公稱直徑，裝置即行啟動(dòng)，按電腦軟件所設(shè)定的3米／秒流速和5～100kpa壓力自動(dòng)向球罐的進(jìn)氣管道內(nèi)輸送天然氣進(jìn)行“浸灌”(注：因球罐的容積比球罐進(jìn)氣管道的容積至少大數(shù)十倍，因此進(jìn)入球罐的氣體流速是極低極低的，所以稱為“浸灌”)。

(3)、因?yàn)楝F(xiàn)今球罐的進(jìn)氣管均在球罐底部，當(dāng)天然氣緩慢進(jìn)入球罐之后，即與球罐內(nèi)的空氣組合成“混合氣體”。這個(gè)“混合氣體”，當(dāng)天然氣與空氣混合的濃度達(dá)到“5％-15％”時(shí)，即是具有“危險(xiǎn)性”的。隨著天然氣進(jìn)入量的增加，天然氣與空氣混合的濃度比例將逐漸由小變大，天然氣的濃度，將由“0％”向“90％”以上過(guò)渡。實(shí)際上浸灌過(guò)程中，球罐內(nèi)天然濃度大於15％時(shí)即為安全，當(dāng)天然氣濃度達(dá)到30％或50％時(shí)就更安全，不可能出現(xiàn)燃燒、爆炸事故。

(4)、當(dāng)球罐內(nèi)壓力加到“浸灌“的額定工作壓力1.0MPa時(shí)，球罐內(nèi)形成了10份天然

氣，1份空氣的狀態(tài)，天然氣濃度達(dá)到90％以上，氧含量小於2％，浸灌置換工序即告完成。

四、置換裝置狀態(tài)分析

(一)、置換速度選定3米／秒。是鑒於安全考慮，“保險(xiǎn)”了再加“保險(xiǎn)”。從摘錄的資料中都明確了氣流速度控制在5米／秒以下，置換速度選定3米／秒，等於安全度增加了40％。

從摘錄的資料第7項(xiàng)得知，液態(tài)液化石油氣的安全流速度是3米／秒。液體在管道流動(dòng)時(shí)，摩擦力會(huì)比氣態(tài)在管道流動(dòng)時(shí)大得多。從另一個(gè)側(cè)面證實(shí)本裝置置換速度選定3米／秒的可靠性。

(二)置換終端的華白數(shù)、燃燒勢(shì)

重慶市某氣井測(cè)得的天然氣數(shù)據(jù)如下表：

 

儲(chǔ)氣裝置(球罐)終端，工作壓力應(yīng)達(dá)到1.0MPa形成10份天然氣，1份空氣的狀態(tài)，以10000米³球罐為例：其華白數(shù)，燃燒勢(shì)按算術(shù)法計(jì)算，其結(jié)果在城填燃?xì)夥诸惡突咎匦?span lang="EN-US">(GB／Tl3611—2006)中，屬天然氣12T，供民用氣使用不會(huì)影響燃具熱負(fù)荷和燃燒的穩(wěn)定性。

(三)10000m³球罐浸灌置換時(shí)，罐內(nèi)壓力與濃度表：

 

浸灌置換裝置，置換終點(diǎn)定為0.1MPa，此時(shí)罐內(nèi)天然氣含50％，空氣含50％。大大超過(guò)15％的爆炸極限3倍多。達(dá)到球罐1.0MPa工作壓力必須借助於儲(chǔ)配站內(nèi)天然氣壓縮機(jī)，從0.1MPa的罐內(nèi)壓力增壓至工作壓力1.0MPa。

10000m³球罐增壓時(shí)，罐內(nèi)壓力與濃度表：

 

(四)罐內(nèi)含氧量

 

(五)罐內(nèi)天然氣與空氣有無(wú)界面存在?

浸灌置換裝置研制時(shí)，是采用只混氣不置換，即用10份天然氣混1份空氣達(dá)劍蚩換的目的。應(yīng)該說(shuō)這是個(gè)創(chuàng)新、有價(jià)值的設(shè)想。有同行提出罐內(nèi)會(huì)形成三角形或平面形界面。理由是天然氣比空氣輕一半，天然氣凝聚在上，空氣凝聚在下，形成界面。罐內(nèi)天然氣、空氣永遠(yuǎn)靜止有可能形成界面，實(shí)際情況是，置換過(guò)程中天然氣、空氣是在不停的流動(dòng)、攪動(dòng)，形成的是混合物。相當(dāng)於煤礦瓦斯氣(甲烷約占50％，空氣約占50％)，在運(yùn)行過(guò)程中是不會(huì)形成界曲的。

天然氣直接置換空氣之路，從成立公司算起己經(jīng)走過(guò)40多年了，筆者中有參加過(guò)上千公里管道，近百臺(tái)(次)球罐的置換實(shí)踐，現(xiàn)醞釀的“置換裝置”企圖從感覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、經(jīng)驗(yàn)中突破，上升成電腦控制，使其更安全、可靠、更有可操作性，隨著“移動(dòng)置換裝置”即將問(wèn)世，會(huì)讓實(shí)際操作者輕松自如地實(shí)現(xiàn)天然氣直接置換空氣。

 

本文作者：裴云秦　張宣沛　邱光清  李同榮