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1、天然气管道安全置换措施的探讨1-1陈莉 寇振夺 摘要:参照英国技术原则与燃气公司成熟经验,分析了3种都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拟定及控制措施进行了探讨,分析了置换措施在城乡管网和顾客管道系统的应用。核心词:城乡燃气管道；直接置换；间接置换;阻隔置换；置换技术1 天然气置换措施为保证安全,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原则和国内实际工作，具体探讨都市天然气管网的置换安全及置换措施。. 置换安全天然气置
2、换是一项非常危险的工作，若置换方案不当或操作失误,也许发生恶性事故，给人民群众的生命和财产导致损失。天然气置换的安全问题是在置换过程中一方面要解决的问题，必须符合下述规定才容许实行置换工作。() 置换前必须进行风险评估。（2)戴上适合的个人防护装置。（) 准备呼吸器并能正常使用。(4) 准备灭火器并置于合适的位置。 (5） 管道内空气的置换应在强度实验、严密性实验、吹扫清管、干燥合格后进行。(6) 间接置换应采用氮气或其她无腐蚀、无毒的惰性气体为置换介质。 (7) 现场必须设立“严禁火源”、“严禁吸烟”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.5m以上
3、。(10) 规定管道在置换中接地，特别是连接PE管道时必须接地。(1) 火源必须距离放散口的上风向5m以外。(12）保证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达到置换管道末端空气与天然气不混合。(5) 放空隔离区内不容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不小于2%或可燃气体体积分数不小于95%时即可觉得置换合格。1.2 置换措施 按照采用的置换方式不同，将置换措施分为3类：直接置换、间接置换和阻隔置换。直接置换：将天然气直
4、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措施称为直接置换。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措施称为间接置换。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措施称为阻隔置换。 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
5、体在密度小的气体下流动时，容易浮现两种气体分层流动的现象，称之为分层现象2。天然气置换空气或氮气的分层现象见图，空气或氮气置换天然气的分层现象见图。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.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,非常也许形成爆炸性混合气体,在顾客使用时发生危险。这种状况会给安全运营带来极大的隐患。通过实验研究发现，必须保持一定的置换流速才干杜绝置换中的分层现象。英国研究机构对多种管径的
6、燃气管道进行了实验，测得了最小的也许发生分层现象的流速和流量，将数据列于表1中2。为了避免分层现象的浮现，实际置换流速必须不小于表1中所列的最小置换流速。表1不同管径相应的最小置换流速、流量2公称管径/m最小置换流速(ms-)最小流量/(3-1)050.715100071.4202008.4253000.93.9301501.09.6416001.20.60191.560.090112710.0 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措施可以实现减少静电积累的目的3。根据国外实验得出
7、如下管道燃气安全流速公式3：式中v管道内气体的平均流速，ms 管道的公称管径，m再结合如下流量计算公式： q=0A (2)式中q置换气体的安全流量，m3管道截面积，m2可得出安全流量计算式为：g=720d1.5 (3)如果输送管道管径为200mm,按照上述公式计算其安全流量约为m3/h。为了尽量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，减少流速、流量的措施,尽量地减少静电的积累。城乡燃气设施运营、维护和抢修安全技术规程CJJ51规定进行燃气直接置换时，将压力控制在5kPa以内，事实上也是出于控制流速从而达到减少静电影响的考虑。1.3 直接置换直接置换操作过程以直接将天然
8、气缓慢通入管道替代空气为例,过程中必须监控置换状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，如果持续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如下即为合格1(在英国的置换规定中,此数据为持续2次测得天然气体积分数达到0%以上或取样中的氧气体积分数在4%如下即为合格2)，可以拟定已达到预定的置换原则，置换工作完毕。天然气直接置换措施的特点是比较简便也比较经济，但是具有一定的危险性。由于在置换过程中,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
9、(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规定，必须严格按规程实行,否则非常也许发生事故。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4如下均应视为危险区(见图,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,采用多种安全措施，保证无火源。 由于天然气管道是封闭的,管道建成后经历了吹扫、强度实验、严密性实验等工序,管道内没有活动部件，不也许因运动、撞击产生火花。也许浮现的火源有如下两种：一是高速气流会因摩擦产生静电，因此置换时要对管道系统进行接地(见图44)，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
10、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也许残留下来的石块、铁屑、焊条头等固体物质,与管道内壁碰撞产生火花。引起此类事故的主线因素是高速气流,解决的核心是保证气流的低速，这样即便有石块等杂物,也不会被吹动,也就不也许产生火花。此外,为了避免将杂物带进管道，应事先在进气管道上设立过滤器。根据英国有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如下。在置换过程中采用流速计或U型压力表观测管道升压速度的措施来测量其充气流速，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
11、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。 间接置换措施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原则为止。在实际操作过程中一般用氧气体积分数来衡量，如果持续2次取样中的氧气体积分数达到2%如下即为合格(在英国的置换规定中,此数据为持续2次测得取样中的氧气体积分数达到4%如下即为合格)，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
12、果持续2次测得天然气体积分数达到9%以上即为合格(在英国的置换规定中，此数据为持续2次测得天然气体积分数达到90%以上即为合格),置换完毕。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，它可以保证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。15 阻隔置换 阻隔置换措施是近几年在国内逐渐推广使用的,简便易行、安全可靠。本文重要阐明使用惰性气体做中间介质的置换措施,氮气介质阻隔置换见图6。阻隔置换的措施比完全使用间接置换更经济,也比间
13、接置换技术规定高,操作难度大，但是如果管道距离长,此措施的安全性和经济性优势明显。此措施可以用于长度不小于20的管道，但局限于公称管径不不小于等于0mm的管道。惰性气体阻隔体的体积必须不不不小于管道体积的0。充入管道的惰性气体的体积不能不不小于表2的数据2。表2 惰性气体阻隔体体积2m公称管径/m管道长度/m2550500100100010010005000500010000001128150127182024581632250381325503081167240071313265081640801661530457515000 使用惰性气体作中间介质的阻隔置换措施与使用清管器为隔离设备的措施
14、相比有如下优势： 大多数的天然气管道有较大的高程变化,清管器在管道中的运营速度难以精确控制,清管器速度的变化加快混气的形成，导致较大的混气段。 由于天然气管道内没有润滑剂,仅靠清管器与管道的干摩擦，清管器皮碗磨损严重，且前后压差较大,因此会产生较大的混气量。 清管器在管道弯头处易产生混气量。 采用清管器隔离增长了工艺操作难度。2 置换措施应用在都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5)。必须针对管网系统选择置换措施,以保证置换安全顺利完毕。一般状况下采用两种方式:同步置换和顺序置换，下文将简介管网系统置换和顾客管道系统的置换。表3为管网压力为0MPa的旁通管、放散管公称管径速查表5。表旁通管、放散管公称管径速查表5公称管径/m旁通管和放散管的公称管径/m150320201250322513003230140
