摘 要

燃气行业的技术人员尽人皆知，天然气管道和球罐建成之后，在投产之前，以及球罐投产后按规定定期进行开罐检查后，都必须经过“置换”这道工序，即将管道或罐体中原有的空气

燃气行业的技术人员尽人皆知，天然气管道和球罐建成之后，在投产之前，以及球罐投产后按规定定期进行开罐检查后，都必须经过“置换”这道工序，即将管道或罐体中原有的空气排出来，再输入天然气，才能进行投产。

将管道或罐体中原有的空气排出后再输入天然气这个“置换”工序，众所周知，历来有两种方法：一种是，“间接置换”法，这是一种很安全可靠的置换方法，即利用氮气或烟气等惰性气体及水或清管球等中间物质先顶出空气，再输入天然气投产。

“间接置换”通常采用的“中间介质”有“水”、“清管球”、“烟气”、“氮气”等，现分别叙述於下：

一、间接置换简介

(一)水：

用“水”作为“间接置换”的“中间介质”，安全性是很好的，价格也较便宜，水源也较好解决。但仅适宜於易於排水的小型储气设施使用。因为：

1、对於管道而言，已建好的管道是“严禁”进“水”的，对於在建设管道过程中不慎进入管道中的“积水”，也要在清扫管道时千方百计排出来。因为“积水”在管道低凹处会形成“水塞”堵塞管道，而且“积水”还会与天然气中所含的“硫化氢”与“有机硫”作用生成“稀硫酸”，会对管道内壁产生严重腐蚀。因此，“积水”在管道中是极为有害的，若在置换时又往管道中灌水，无异於是搞破坏。因为水灌入管道后，再输入天然气时是绝不可能把管道低凹处的积水顶排出来的，特别是重庆、四川这类地势起伏甚大的山区和丘陵地区，排净管内积水是极其困难的。

2、对於大型球罐而言，水的重量是1吨／立方米。1000立方米的球罐灌满水就增加负荷l000吨；3000立方米的球罐灌满水就增加负荷3000吨；5000立方米的球罐灌满水就增加负荷5000吨；l0000立方米的球罐灌满水就增加负荷10000吨。若果球罐设计时并没有考虑这个“附加负荷”，灌水后增加这么巨大的负荷就极可能造成球罐基础的下沉，这就将给球罐造成破坏性的伤害。若果此时进行加固基础来承担这上千吨乃至上万吨的“附加负荷”，不仅其费用是很巨大的，其工作也是非常麻烦的。如果球罐设计时考虑了“附加负荷”已经加固基础，但球罐投产时因天然气比空气轻，球罐装满天然气后有向上的浮力，会减轻基础负荷，仅为此而投巨资加固基础，实在是非常非常不经济的，因此设计时往往均未予考虑。

(二)清管球

用“清管球”作为“间接置换”的“中间介质”，是非常安全可靠的．而且费用也不贵。但却要受下列条件的限制：

1、DN100mm以下的管道没法使用，因为没有这么小的“清管球”。能用清管球的管道均是DNl50mm以上的管道。

2、管道必须是设计时就考虑了生产过程中要应用“清管球”的管道。因为：应用“清管球”的管道必须：

(1)、在管道始、末两端安装有“发球装置”和“收球装置”；

(2)、管道全线内径基本同径，不能有较大的差异；

(3)、管道的全部弯头必须是利於“清管球”通过的光滑的“冲压弯头”；

(4)、管道上安装的阀门必须全部是通径与管道内径相同的“球阀”，而绝不能有“截止阀”、“闸板阀”等阀门；

(5)、管道的分支管绝不能有“插入焊接”的状况；

如果管道具备上述全部条件，则利用“清管球”进行“间接置换”无疑是既安全又省钱、省事的最佳方法。但若管道不具备上述全部条件，缺一不可，则是无法利用“清管球”的。在实际情况中，建成的管道却多数都是不能使用“清管球”的。

(三)烟气

所谓“烟气”，从书本和常识得知，即是柴禾等植物燃烧后产生的不可燃气体，诸如“二氧化碳”(CO2)之类。但至於在燃气管道和储气设施的置换工作中，究竟如何具体操作生成“烟气”，又如何将生成的“烟气”收集起来输入管道或储气设施，仅只是见到书本上介绍有这样一种方法，既未见到过文字的具体详细叙述，更没有实践经验，实无法说得清楚，甚罕令人怀疑足否真有人如此作过。

(四)氮气

氮气是较普通的惰性气体，常用的有瓶装氮气和车载液态氮气两种。

1、瓶装氮气：这是城市中比较容易购买到的惰性气体，是“制氧厂”的附产品。“氮气瓶”与“氧气瓶”相同，均为耐高压的钢瓶。氮气瓶的容积一般均为0.04米³，额定充瓶压力为15MPa，可装氮气6米³。

2、车载液态氮气。

将氮气冷冻成液态装在槽车内运输供用户使用。但这种氮气的问题是：价格昂贵，氮气需在一个大气压下，氮气温度为-195.8℃时才能变成液体，如果液态直接输入管道或罐体，则会对管材、罐体和焊缝产生破坏作用，因此必须将液态氮气输入中间过渡装置升为常温后，才能输入管道或罐体。而这中间过渡装置的使用，又是一笔很不小的费用。

间接置换法既很费钱又很费事且很费时间，具体操作起来各种麻烦非常多，故实际工作中并未全采用这种方法；另一种即是“直接置换”法，这是一种虽然具有一定危险性，但却是既很省钱，又很省事，且又很省时间，只要有相当丰富的实践经验，掌握好操作的关键要领，便能安全地置换成功的一种方法，故在以往的实际工作中，采用也是很多的。

二、直接置换简介

仔细分析可得知，直接置换的“危险性”就在於：在直接用天然气置换空气的过程中，必然要经过天然气的爆炸极限这个范围，一旦控制不好，便有发生爆炸的危险。管道或罐体的容积越大，爆炸越厉害，后果越严重。

从物体的燃烧、爆炸之三要素可知：物体的燃烧、爆炸均必须有可燃物，助燃物和火种三个条件才能发生，缺一不可。因而在置换过程中虽然是必然会有可燃物(天然气)和助燃物(氧气)产生，无可控制，但只要控制好不产生火种，就不会发生燃烧、爆炸事故。因此抓住主要矛盾就是控制火种。

置换管道中的火种产生的原因有两种：一种是高速气流冲击管道中的难免遗留的焊条头、石块、铁块、铁渣…等物与管壁撞击产生的“碰撞火花”；一种是高速气流与管壁摩擦产生的“静电火花”。因此，只要控制好气体流速不超过一定数值，不产生“高速气流”，就可以避免上述两种火花的产生。

又根据多年的实践经验得知，置换管道中的气体流速只要不超过5米／秒，就不会产生那两种火花，就是安全的。这个安全数据，不少专业设计手册和技术书籍均有记载，并说明控制好气体流速即可以采用“直接置换法”进行置换，现摘录於下：

1、《输气干线设计手册》四川石油设计院天津市建筑设计院合编(1974年7月成都印刷出版)

(P144页第八行)：用天然气置换管内空气时，在天然气与空气混合段为防止由於气流速度过大而使管内石块或铁渣冲击管壁，发生火星可能造成的爆炸事故，故气流速度应严格摔制在5米／秒以下。

2、《输气工人读本》由川石油管理局输气管理处编(石油工业出版社出版)1979年2月北京第一版

(P295页第七行)(1)、置换空气要严防空气与天然气混合物发生爆炸或管内燃烧，在吹扫中管内石头、铁块在高速下碰撞管壁可能出现火花，因此用天然气置换空气时，要缓慢进行，进气速度不招过5米／秒。起点压力尽可能不大於1KG／cm²。

3、《天然气工程手册》(下)四川石油管理局编石油工业出版社84.10第一版(P401页倒10行)：若用天然气吹扫管道，需首先置换管内空气，置换空气应保持连续中速(堡壁5米以下)，以防混合气段因管中碰撞起的火花引起爆炸。

4、《燃气工程技术手册》姜正候主编同济大学出版社1993.5第一版(P523页第17行)：若用天然气吹扫管道，需首先置换管内空气。置换空气应保持在5m／s以下谏度，以防混合段因管中碰撞起的火花引起爆炸。

5、《城镇燃气设施运行、维护和抢修安全技术规程》CJJ51—2006(P28页)。

5．6通气

5．6．3：置换作业应符合下列规定

4)、用燃气直接置换空气时，其置换时的燃气压力官小於5Kpa

6．《煤气应用》上海煤气公司营业所编印1976.10P165倒6行：煤气管道置换空气方法一般有两种：一是利用惰性气体置换法；二是利用煤气置换法。惰性气体置换法比较安全但费用太贵、运输很不方便，操作麻烦、又要消耗大量的惰性气体。一般不采用此方法。

7、GB50028-2006条文说明，P326．8．2．6液体石油气在管道内最大流速不应超过3m／s是安全流速，以确保液态液化石油气在管道内流动过程中所产生的静电有足够的时间导出，防止静电电荷集聚和电位增高。

以上乃为“直接置换”的文字依据。

实际工作中，很多人害怕触及直接置换法，触及“燃烧、爆炸禁区”很多人也不愿采用“直接置换”法，甚至有“恐怖感”“间接置换”法实施起来各种麻烦又实在太多太多，因而经常严重影响置换工序的正常及时进行。

为了解决这个弊端，使一般人都能很容易掌握“直接置换”的“安伞要领”，笔者多年从事管道建设，依据数十年的实践工作经验，特研制了由电脑控制的天然气管道、储气设施置换和浸灌装置，即由电脑来控制置换管道中的气体流速，操作时只要在电脑键盘上输入置换管道的“公称直径”(这是人人都会作的)，电脑就能把置换管道中的气体流速控制在安全范围内(我们设定为管道中气体流速不超过3米／秒)  从而便绝对保障了“直接置换”的安全完成，节省了“间接置换”的大笔费用、时间和操作中的诸多麻烦。

本装置系由电脑和高精度的调压阀、电动球阀…等组成，能自动控制保障安全置换所需输入天然气的气量和压力，并装配有适用於各种管径的高压软管和活接头，可适用於不同容积的管道(不同管径和长度)和球罐的置换工作。当“置换装置”与被置换管道或球罐联通后，只要在电脑键盘上输入不同管道的公称走私，电脑便能自动控制调压阀和电动球阀输入所需要的保障安全置换的天然气的流量和压力，任何会使用键盘认识数字的人都能操作。

本装置装配在带有胶轮的钢架上，可用小型汽车运至施工现场，在施工现场又可轻便随意推动，搬运和使用都很方便。

电脑控制天然气管道，储气设施置换和浸罐装置如下图

 

三、本置换装置应用的操作方法

1、新建管道的置换

(1)、将“置换装置”的进口端用高压软胶管及活接头与气源管道相联通；出口端用高压软胶管及活接头与被置换管道始端相联通，被置换管道的末瑞设置的控制伐门处於开启状态以排泄空气。其余应联接的电路等各部份均联接妥当。

(2)、在“置换装置”的电脑键盘上输入被置换管道的公称直径，装置即行启动，按电脑软件所设定的3米／秒流速和5KPa压力自动向被置换管道内输送天然气进行置换。

(3)、当在被置换管道末端检测到有天然气逸出且浓度在90％以上时，置换即告成功完成。

(4)、拆除置换装置与被置换管道的联接，恢复到可向被置换管道供气的状态，即可向新建管道正式供气进行投产。

2、新建球罐及开罐检查后待恢复生产球罐的“浸灌置换”

(1)、将“置换装置”的进口端用高压软胶管及活接头与气源管道相联通：出口端用高压软胶管及活接头与球罐的进气管道相联通(此时球罐进气管道应早已与原进气源切断开)，其余应联接的电路等各部份均联接妥当。

(2)、在“置换装置”的电脑键盘上输入球罐进气管道的公称直径，装置即行启动，按电脑软件所设定的3米／秒流速和5～100kpa压力自动向球罐的进气管道内输送天然气进行“浸灌”(注：因球罐的容积比球罐进气管道的容积至少大数十倍，因此进入球罐的气体流速是极低极低的，所以称为“浸灌”)。

(3)、因为现今球罐的进气管均在球罐底部，当天然气缓慢进入球罐之后，即与球罐内的空气组合成“混合气体”。这个“混合气体”，当天然气与空气混合的浓度达到“5％-15％”时，即是具有“危险性”的。随着天然气进入量的增加，天然气与空气混合的浓度比例将逐渐由小变大，天然气的浓度，将由“0％”向“90％”以上过渡。实际上浸灌过程中，球罐内天然浓度大於15％时即为安全，当天然气浓度达到30％或50％时就更安全，不可能出现燃烧、爆炸事故。

(4)、当球罐内压力加到“浸灌“的额定工作压力1.0MPa时，球罐内形成了10份天然

气，1份空气的状态，天然气浓度达到90％以上，氧含量小於2％，浸灌置换工序即告完成。

四、置换装置状态分析

(一)、置换速度选定3米／秒。是鉴於安全考虑，“保险”了再加“保险”。从摘录的资料中都明确了气流速度控制在5米／秒以下，置换速度选定3米／秒，等於安全度增加了40％。

从摘录的资料第7项得知，液态液化石油气的安全流速度是3米／秒。液体在管道流动时，摩擦力会比气态在管道流动时大得多。从另一个侧面证实本装置置换速度选定3米／秒的可靠性。

(二)置换终端的华白数、燃烧势

重庆市某气井测得的天然气数据如下表：

 

储气装置(球罐)终端，工作压力应达到1.0MPa形成10份天然气，1份空气的状态，以10000米³球罐为例：其华白数，燃烧势按算术法计算，其结果在城填燃气分类和基本特性(GB／Tl3611—2006)中，属天然气12T，供民用气使用不会影响燃具热负荷和燃烧的稳定性。

(三)10000m³球罐浸灌置换时，罐内压力与浓度表：

 

浸灌置换装置，置换终点定为0.1MPa，此时罐内天然气含50％，空气含50％。大大超过15％的爆炸极限3倍多。达到球罐1.0MPa工作压力必须借助於储配站内天然气压缩机，从0.1MPa的罐内压力增压至工作压力1.0MPa。

10000m³球罐增压时，罐内压力与浓度表：

 

(四)罐内含氧量

 

(五)罐内天然气与空气有无界面存在?

浸灌置换装置研制时，是采用只混气不置换，即用10份天然气混1份空气达剑蚩换的目的。应该说这是个创新、有价值的设想。有同行提出罐内会形成三角形或平面形界面。理由是天然气比空气轻一半，天然气凝聚在上，空气凝聚在下，形成界面。罐内天然气、空气永远静止有可能形成界面，实际情况是，置换过程中天然气、空气是在不停的流动、搅动，形成的是混合物。相当於煤矿瓦斯气(甲烷约占50％，空气约占50％)，在运行过程中是不会形成界曲的。

天然气直接置换空气之路，从成立公司算起己经走过40多年了，笔者中有参加过上千公里管道，近百台(次)球罐的置换实践，现酝酿的“置换装置”企图从感觉、听觉、经验中突破，上升成电脑控制，使其更安全、可靠、更有可操作性，随着“移动置换装置”即将问世，会让实际操作者轻松自如地实现天然气直接置换空气。

 

本文作者：裴云秦　张宣沛　邱光清  李同荣