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

一、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。

二、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米以上。

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５米以外。

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。

三、置换方法

按照采用的置换方式不同，将置换方法分为三类：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。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。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

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

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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。

根据国外实验得出以下管道燃气安全流速公式：

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》CJJ 51—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。

四、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)。