摘 要

燃氣行業的技術人員盡人皆知，天然氣管道和球罐建成之后，在投產之前，以及球罐投產后按規定定期進行開罐檢查后，都必須經過“置換”這道工序，即將管道或罐體中原有的空氣

燃氣行業的技術人員盡人皆知，天然氣管道和球罐建成之后，在投產之前，以及球罐投產后按規定定期進行開罐檢查后，都必須經過“置換”這道工序，即將管道或罐體中原有的空氣排出來，再輸入天然氣，才能進行投產。

將管道或罐體中原有的空氣排出后再輸入天然氣這個“置換”工序，眾所周知，歷來有兩種方法：一種是，“間接置換”法，這是一種很安全可靠的置換方法，即利用氮氣或煙氣等惰性氣體及水或清管球等中間物質先頂出空氣，再輸入天然氣投產。

“間接置換”通常采用的“中間介質”有“水”、“清管球”、“煙氣”、“氮氣”等，現分別敘述於下：

一、間接置換簡介

(一)水：

用“水”作為“間接置換”的“中間介質”，安全性是很好的，價格也較便宜，水源也較好解決。但僅適宜於易於排水的小型儲氣設施使用。因為：

1、對於管道而言，已建好的管道是“嚴禁”進“水”的，對於在建設管道過程中不慎進入管道中的“積水”，也要在清掃管道時千方百計排出來。因為“積水”在管道低凹處會形成“水塞”堵塞管道，而且“積水”還會與天然氣中所含的“硫化氫”與“有機硫”作用生成“稀硫酸”，會對管道內壁產生嚴重腐蝕。因此，“積水”在管道中是極為有害的，若在置換時又往管道中灌水，無異於是搞破壞。因為水灌入管道后，再輸入天然氣時是絕不可能把管道低凹處的積水頂排出來的，特別是重慶、四川這類地勢起伏甚大的山區和丘陵地區，排凈管內積水是極其困難的。

2、對於大型球罐而言，水的重量是1噸／立方米。1000立方米的球罐灌滿水就增加負荷l000噸；3000立方米的球罐灌滿水就增加負荷3000噸；5000立方米的球罐灌滿水就增加負荷5000噸；l0000立方米的球罐灌滿水就增加負荷10000噸。若果球罐設計時并沒有考慮這個“附加負荷”，灌水后增加這么巨大的負荷就極可能造成球罐基礎的下沉，這就將給球罐造成破壞性的傷害。若果此時進行加固基礎來承擔這上千噸乃至上萬噸的“附加負荷”，不僅其費用是很巨大的，其工作也是非常麻煩的。如果球罐設計時考慮了“附加負荷”已經加固基礎，但球罐投產時因天然氣比空氣輕，球罐裝滿天然氣后有向上的浮力，會減輕基礎負荷，僅為此而投巨資加固基礎，實在是非常非常不經濟的，因此設計時往往均未予考慮。

(二)清管球

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

1、DN100mm以下的管道沒法使用，因為沒有這么小的“清管球”。能用清管球的管道均是DNl50mm以上的管道。

2、管道必須是設計時就考慮了生產過程中要應用“清管球”的管道。因為：應用“清管球”的管道必須：

(1)、在管道始、末兩端安裝有“發球裝置”和“收球裝置”；

(2)、管道全線內徑基本同徑，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”進行“間接置換”無疑是既安全又省錢、省事的最佳方法。但若管道不具備上述全部條件，缺一不可，則是無法利用“清管球”的。在實際情況中，建成的管道卻多數都是不能使用“清管球”的。

(三)煙氣

所謂“煙氣”，從書本和常識得知，即是柴禾等植物燃燒后產生的不可燃氣體，諸如“二氧化碳”(CO2)之類。但至於在燃氣管道和儲氣設施的置換工作中，究竟如何具體操作生成“煙氣”，又如何將生成的“煙氣”收集起來輸入管道或儲氣設施，僅只是見到書本上介紹有這樣一種方法，既未見到過文字的具體詳細敘述，更沒有實踐經驗，實無法說得清楚，甚罕令人懷疑足否真有人如此作過。

(四)氮氣

氮氣是較普通的惰性氣體，常用的有瓶裝氮氣和車載液態氮氣兩種。

1、瓶裝氮氣：這是城市中比較容易購買到的惰性氣體，是“制氧廠”的附產品。“氮氣瓶”與“氧氣瓶”相同，均為耐高壓的鋼瓶。氮氣瓶的容積一般均為0.04米³，額定充瓶壓力為15MPa，可裝氮氣6米³。

2、車載液態氮氣。

將氮氣冷凍成液態裝在槽車內運輸供用戶使用。但這種氮氣的問題是：價格昂貴，氮氣需在一個大氣壓下，氮氣溫度為-195.8℃時才能變成液體，如果液態直接輸入管道或罐體，則會對管材、罐體和焊縫產生破壞作用，因此必須將液態氮氣輸入中間過渡裝置升為常溫后，才能輸入管道或罐體。而這中間過渡裝置的使用，又是一筆很不小的費用。

間接置換法既很費錢又很費事且很費時間，具體操作起來各種麻煩非常多，故實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性，但卻是既很省錢，又很省事，且又很省時間，只要有相當豐富的實踐經驗，掌握好操作的關鍵要領，便能安全地置換成功的一種方法，故在以往的實際工作中，采用也是很多的。

二、直接置換簡介

仔細分析可得知，直接置換的“危險性”就在於：在直接用天然氣置換空氣的過程中，必然要經過天然氣的爆炸極限這個范圍，一旦控制不好，便有發生爆炸的危險。管道或罐體的容積越大，爆炸越厲害，后果越嚴重。

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，助燃物和火種三個條件才能發生，缺一不可。因而在置換過程中雖然是必然會有可燃物(天然氣)和助燃物(氧氣)產生，無可控制，但只要控制好不產生火種，就不會發生燃燒、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…等物與管壁撞擊產生的“碰撞火花”；一種是高速氣流與管壁摩擦產生的“靜電火花”。因此，只要控制好氣體流速不超過一定數值，不產生“高速氣流”，就可以避免上述兩種火花的產生。

又根據多年的實踐經驗得知，置換管道中的氣體流速只要不超過5米／秒，就不會產生那兩種火花，就是安全的。這個安全數據，不少專業設計手冊和技術書籍均有記載，并說明控制好氣體流速即可以采用“直接置換法”進行置換，現摘錄於下：

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

(P144頁第八行)：用天然氣置換管內空氣時，在天然氣與空氣混合段為防止由於氣流速度過大而使管內石塊或鐵渣沖擊管壁，發生火星可能造成的爆炸事故，故氣流速度應嚴格摔制在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(石油工業出版社出版)1979年2月北京第一版

(P295頁第七行)(1)、置換空氣要嚴防空氣與天然氣混合物發生爆炸或管內燃燒，在吹掃中管內石頭、鐵塊在高速下碰撞管壁可能出現火花，因此用天然氣置換空氣時，要緩慢進行，進氣速度不招過5米／秒。起點壓力盡可能不大於1KG／cm²。

3、《天然氣工程手冊》(下)四川石油管理局編石油工業出版社84.10第一版(P401頁倒10行)：若用天然氣吹掃管道，需首先置換管內空氣，置換空氣應保持連續中速(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、《燃氣工程技術手冊》姜正候主編同濟大學出版社1993.5第一版(P523頁第17行)：若用天然氣吹掃管道，需首先置換管內空氣。置換空氣應保持在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、《城鎮燃氣設施運行、維護和搶修安全技術規程》CJJ51—2006(P28頁)。

5．6通氣

5．6．3：置換作業應符合下列規定

4)、用燃氣直接置換空氣時，其置換時的燃氣壓力官小於5Kpa

6．《煤氣應用》上海煤氣公司營業所編印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用太貴、運輸很不方便，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條文說明，P326．8．2．6液體石油氣在管道內最大流速不應超過3m／s是安全流速，以確保液態液化石油氣在管道內流動過程中所產生的靜電有足夠的時間導出，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。

實際工作中，很多人害怕觸及直接置換法，觸及“燃燒、爆炸禁區”很多人也不愿采用“直接置換”法，甚至有“恐怖感”“間接置換”法實施起來各種麻煩又實在太多太多，因而經常嚴重影響置換工序的正常及時進行。

為了解決這個弊端，使一般人都能很容易掌握“直接置換”的“安傘要領”，筆者多年從事管道建設，依據數十年的實踐工作經驗，特研制了由電腦控制的天然氣管道、儲氣設施置換和浸灌裝置，即由電腦來控制置換管道中的氣體流速，操作時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(我們設定為管道中氣體流速不超過3米／秒)  從而便絕對保障了“直接置換”的安全完成，節省了“間接置換”的大筆費用、時間和操作中的諸多麻煩。

本裝置系由電腦和高精度的調壓閥、電動球閥…等組成，能自動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(不同管徑和長度)和球罐的置換工作。當“置換裝置”與被置換管道或球罐聯通后，只要在電腦鍵盤上輸入不同管道的公稱走私，電腦便能自動控制調壓閥和電動球閥輸入所需要的保障安全置換的天然氣的流量和壓力，任何會使用鍵盤認識數字的人都能操作。

本裝置裝配在帶有膠輪的鋼架上，可用小型汽車運至施工現場，在施工現場又可輕便隨意推動，搬運和使用都很方便。

電腦控制天然氣管道，儲氣設施置換和浸罐裝置如下圖

 

三、本置換裝置應用的操作方法

1、新建管道的置換

(1)、將“置換裝置”的進口端用高壓軟膠管及活接頭與氣源管道相聯通；出口端用高壓軟膠管及活接頭與被置換管道始端相聯通，被置換管道的末瑞設置的控制伐門處於開啟狀態以排泄空氣。其余應聯接的電路等各部份均聯接妥當。

(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，按電腦軟件所設定的3米／秒流速和5KPa壓力自動向被置換管道內輸送天然氣進行置換。

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

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

2、新建球罐及開罐檢查后待恢復生產球罐的“浸灌置換”

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

(2)、在“置換裝置”的電腦鍵盤上輸入球罐進氣管道的公稱直徑，裝置即行啟動，按電腦軟件所設定的3米／秒流速和5～100kpa壓力自動向球罐的進氣管道內輸送天然氣進行“浸灌”(注：因球罐的容積比球罐進氣管道的容積至少大數十倍，因此進入球罐的氣體流速是極低極低的，所以稱為“浸灌”)。

(3)、因為現今球罐的進氣管均在球罐底部，當天然氣緩慢進入球罐之后，即與球罐內的空氣組合成“混合氣體”。這個“混合氣體”，當天然氣與空氣混合的濃度達到“5％-15％”時，即是具有“危險性”的。隨著天然氣進入量的增加，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％”以上過渡。實際上浸灌過程中，球罐內天然濃度大於15％時即為安全，當天然氣濃度達到30％或50％時就更安全，不可能出現燃燒、爆炸事故。

(4)、當球罐內壓力加到“浸灌“的額定工作壓力1.0MPa時，球罐內形成了10份天然

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

四、置換裝置狀態分析

(一)、置換速度選定3米／秒。是鑒於安全考慮，“保險”了再加“保險”。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項得知，液態液化石油氣的安全流速度是3米／秒。液體在管道流動時，摩擦力會比氣態在管道流動時大得多。從另一個側面證實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、燃燒勢

重慶市某氣井測得的天然氣數據如下表：

 

儲氣裝置(球罐)終端，工作壓力應達到1.0MPa形成10份天然氣，1份空氣的狀態，以10000米³球罐為例：其華白數，燃燒勢按算術法計算，其結果在城填燃氣分類和基本特性(GB／Tl3611—2006)中，屬天然氣12T，供民用氣使用不會影響燃具熱負荷和燃燒的穩定性。

(三)10000m³球罐浸灌置換時，罐內壓力與濃度表：

 

浸灌置換裝置，置換終點定為0.1MPa，此時罐內天然氣含50％，空氣含50％。大大超過15％的爆炸極限3倍多。達到球罐1.0MPa工作壓力必須借助於儲配站內天然氣壓縮機，從0.1MPa的罐內壓力增壓至工作壓力1.0MPa。

10000m³球罐增壓時，罐內壓力與濃度表：

 

(四)罐內含氧量

 

(五)罐內天然氣與空氣有無界面存在?

浸灌置換裝置研制時，是采用只混氣不置換，即用10份天然氣混1份空氣達劍蚩換的目的。應該說這是個創新、有價值的設想。有同行提出罐內會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。罐內天然氣、空氣永遠靜止有可能形成界面，實際情況是，置換過程中天然氣、空氣是在不停的流動、攪動，形成的是混合物。相當於煤礦瓦斯氣(甲烷約占50％，空氣約占50％)，在運行過程中是不會形成界曲的。

天然氣直接置換空氣之路，從成立公司算起己經走過40多年了，筆者中有參加過上千公里管道，近百臺(次)球罐的置換實踐，現醞釀的“置換裝置”企圖從感覺、聽覺、經驗中突破，上升成電腦控制，使其更安全、可靠、更有可操作性，隨著“移動置換裝置”即將問世，會讓實際操作者輕松自如地實現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