天然氣管道安全置換方法

...wd......wd......wd...天然氣管道安全置換方法的探討2010-12-31陳莉寇振奪摘要：參考英國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與燃?xì)夤境墒旖?jīng)歷，分析了3種城市天然氣管道置換技術(shù)(直接置換、間接置換、阻隔置換)，對(duì)天然氣管道置換工藝參數(shù)確實(shí)定及控制方法進(jìn)展了探討，分析了置換方法在城鎮(zhèn)管網(wǎng)和用戶(hù)管道系統(tǒng)的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿?；直接置換；間接置換；阻隔置換；置換技術(shù)1天然氣置換方法

為確保安全，在長(zhǎng)輸管道和廠站的投產(chǎn)過(guò)程中一般都選用惰性氣體置換。惰性氣體置換雖然安全性方面比擬好，但是操作復(fù)雜且本錢(qián)高，在低壓管道置換過(guò)程中一般采用天然氣直接置換。本文結(jié)合英國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)實(shí)際工作，詳細(xì)探討城市天然氣管網(wǎng)的置換安全及置換方法。1.1置換安全

天然氣置換是一項(xiàng)非常危險(xiǎn)的工作，假設(shè)置換方案不當(dāng)或操作失誤，可能發(fā)生惡性事故，給人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)造成損失。天然氣置換的安全問(wèn)題是在置換過(guò)程中首先要解決的問(wèn)題，必須符合下述要求才允許實(shí)施置換工作。

(1)置換前必須進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

(2)戴上適合的個(gè)人防護(hù)裝置。

(3)準(zhǔn)備呼吸器并能正常使用。

(4)準(zhǔn)備滅火器并置于適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

(5)管道內(nèi)空氣的置換應(yīng)在強(qiáng)度試驗(yàn)、嚴(yán)密性試驗(yàn)、吹掃清管、枯燥合格后進(jìn)展。

(6)間接置換應(yīng)采用氮?dú)饣蚱渌麩o(wú)腐蝕、無(wú)毒的惰性氣體為置換介質(zhì)。

(7)現(xiàn)場(chǎng)必須設(shè)置“制止火源〞、“制止吸煙〞等安全警示標(biāo)牌。

(8)置換進(jìn)氣端處必須安裝壓力表，監(jiān)測(cè)壓力。

(9)放散口高出地面2.5m以上。

(10)要求管道在置換中接地，特別是連接PE管道時(shí)必須接地。

(11)火源必須距離放散口的上風(fēng)向5m以外。

(12)確保氣體能暢通無(wú)阻地排到大氣中。

(13)置換過(guò)程中放空系統(tǒng)的混合氣體應(yīng)徹底放

(14)采用阻隔置換法置換空氣時(shí)，氮?dú)饣蚨栊詺怏w的隔離長(zhǎng)度應(yīng)保證到達(dá)置換管道末端空氣與天然氣不混合。

(15)放空隔離區(qū)內(nèi)不允許有煙火和靜電火花產(chǎn)生。

(16)置換管道末端應(yīng)配備氣體含量檢測(cè)設(shè)備，當(dāng)置換管道末端放空管口氣體含氧量體積分?jǐn)?shù)不大于2%或可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)大于95%時(shí)即可認(rèn)為置換合格[1]。1.2置換方法

按照采用的置換方式不同，將置換方法分為3類(lèi)：直接置換、間接置換和阻隔置換。直接置換：將天然氣直接通入管道中，天然氣與待投產(chǎn)管道中的空氣直接接觸，直至天然氣完全取代空氣；或用空氣直接通入管道中，空氣與待撤除管道中的天然氣直接接觸，直至空氣完全取代天然氣的置換方法稱(chēng)為直接置換。間接置換：將惰性氣體通入管道內(nèi)，直至管道內(nèi)的空氣(或天然氣)完全被取代，然后再將天然氣(或空氣)通入管道直至惰性氣體完全被取代，這種用惰性氣體作為中間介質(zhì)置換的方法稱(chēng)為間接置換。阻隔置換：在間接置換條件下，使用隔離設(shè)備(如阻氣球、清管球、專(zhuān)用隔離裝置等)或惰性氣體將天然氣與空氣隔離的置換方法稱(chēng)為阻隔置換。

①分層現(xiàn)象

在氣體對(duì)氣體的置換過(guò)程中密度小的氣體(如天然氣)在密度大的氣體(如空氣、氮?dú)?的上方流動(dòng)，或者密度大的氣體在密度小的氣體下流動(dòng)時(shí)，容易出現(xiàn)兩種氣體分層流動(dòng)的現(xiàn)象，稱(chēng)之為分層現(xiàn)象[2]。天然氣置換空氣或氮?dú)獾姆謱蝇F(xiàn)象見(jiàn)圖1，空氣或氮?dú)庵脫Q天然氣的分層現(xiàn)象見(jiàn)圖2。

在置換過(guò)程中，將天然氣緩慢輸入到新建管道內(nèi)，由于天然氣的密度小，相對(duì)密度一般為0.6左右，天然氣就會(huì)在管道的上部流動(dòng)，而位于管道下部的空氣或氮?dú)饩蜁?huì)滯留在管道內(nèi)。當(dāng)檢測(cè)人員從出口取樣檢測(cè)時(shí)，儀器會(huì)顯示體積分?jǐn)?shù)為100%的天然氣，如果此時(shí)停頓置換，滯留在管道內(nèi)的空氣將與天然氣混合，非常可能形成爆炸性混合氣體，在用戶(hù)使用時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)。這種情況會(huì)給安全運(yùn)行帶來(lái)極大的隱患。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，必須保持一定的置換流速才能杜絕置換中的分層現(xiàn)象。英國(guó)研究機(jī)構(gòu)對(duì)各種管徑的燃?xì)夤艿肋M(jìn)展了實(shí)驗(yàn)，測(cè)得了最小的可能發(fā)生分層現(xiàn)象的流速和流量，將數(shù)據(jù)列于表1中[2]。為了防止分層現(xiàn)象的出現(xiàn)，實(shí)際置換流速必須大于表1中所列的最小置換流速。表1不同管徑對(duì)應(yīng)的最小置換流速、流量[2]公稱(chēng)管徑/mm最小置換流速/(m·s-1)最小流量/(m3·h-1)0～1500.60.7151～2000.71.4201～2500.82.4251～3000.93.9301～4501.09.6451～6001.220.4601～9001.560.0901～12001.7120.0

②控制流速或流量，減少靜電積累

靜電防護(hù)是安全置換的要素，燃?xì)庠诠艿乐械牧魉僭娇?，靜電的積累就越大；管道的管徑越大，靜電的積累也越大。采用控制流速或流量的方法可以實(shí)現(xiàn)減少靜電積累的目的[3]。根據(jù)國(guó)外實(shí)驗(yàn)得出以下管道燃?xì)獍踩魉俟絒3]：式中v——管道內(nèi)氣體的平均流速，m/s

d——管道的公稱(chēng)管徑，m

再結(jié)合以下流量計(jì)算公式：

q=3600Av

(2)式中q——置換氣體的安全流量，m3/h

A——管道截面積，m2

可得出安全流量計(jì)算式為：

g=720πd1.5

(3)

假設(shè)輸送管道管徑為200mm，按照上述公式計(jì)算其安全流量約為200m3/h。為了盡可能減少靜電帶來(lái)的危險(xiǎn)，我們?cè)诠芫W(wǎng)的置換操作中，采用嚴(yán)格控制管網(wǎng)壓力，降低流速、流量的方法，盡可能地減少靜電的積累?！冻擎?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要求進(jìn)展燃?xì)庵苯又脫Q時(shí)，將壓力控制在5kPa以?xún)?nèi)，實(shí)際上也是出于控制流速?gòu)亩竭_(dá)減少靜電影響的考慮。1.3直接置換直接置換操作過(guò)程以直接將天然氣緩慢通入管道替換空氣為例，過(guò)程中必須監(jiān)控置換情況和出口的天然氣體積分?jǐn)?shù)或氧氣體積分?jǐn)?shù)。從檢測(cè)管的采樣口取樣，用高精度燃?xì)鈾z測(cè)儀進(jìn)展實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)分析，如果連續(xù)2次測(cè)得天然氣體積分?jǐn)?shù)到達(dá)95%以上或取樣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)在2%以下即為合格[1](在英國(guó)的置換要求中，此數(shù)據(jù)為連續(xù)2次測(cè)得天然氣體積分?jǐn)?shù)到達(dá)90%以上或取樣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)在4%以下即為合格[2])，可以確定已到達(dá)預(yù)定的置換標(biāo)準(zhǔn)，置換工作完成。天然氣直接置換方法的特點(diǎn)是比擬簡(jiǎn)便也比擬經(jīng)濟(jì)，但是具有一定的危險(xiǎn)性。因?yàn)樵谥脫Q過(guò)程中，管道里必然要產(chǎn)生天然氣與空氣的混合氣體，天然氣的前部氣體與空氣混合后，有一局部的混合氣在爆炸極限內(nèi)，很容易在某外界因素的誘發(fā)下(如管道內(nèi)焊渣、金屬顆粒滾動(dòng)等)產(chǎn)生爆炸，因此操作有嚴(yán)格的控制條件和要求，必須嚴(yán)格按規(guī)程實(shí)施，否則非常可能發(fā)生事故。對(duì)于天然氣來(lái)講，它的爆炸極限為5%～15%，再考慮到其混合的不均勻性，天然氣體積分?jǐn)?shù)在45%以下均應(yīng)視為危險(xiǎn)區(qū)(見(jiàn)圖3，圖中數(shù)據(jù)均為體積分?jǐn)?shù))，遇火源就要發(fā)生爆炸。為此必須嚴(yán)格控制，采取各種安全措施，確保無(wú)火源。

由于天然氣管道是封閉的，管道建成后經(jīng)歷了吹掃、強(qiáng)度試驗(yàn)、嚴(yán)密性試驗(yàn)等工序，管道內(nèi)沒(méi)有活動(dòng)部件，不可能因運(yùn)動(dòng)、撞擊產(chǎn)生火花?？赡艹霈F(xiàn)的火源有以下兩種：一是高速氣流會(huì)因摩擦產(chǎn)生靜電，所以置換時(shí)要對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)展接地(見(jiàn)圖4[4])，即便有靜電負(fù)荷產(chǎn)生，也會(huì)立即通過(guò)接地裝置導(dǎo)入大地，不會(huì)有電荷積聚導(dǎo)致高電位而產(chǎn)生放電火花。二是高速氣流吹動(dòng)管道中可能殘留下來(lái)的石塊、鐵屑、焊條頭等固體物質(zhì)，與管道內(nèi)壁碰撞產(chǎn)生火花。引起此類(lèi)事故的根本原因是高速氣流，解決的關(guān)鍵是確保氣流的低速，這樣即便有石塊等雜物，也不會(huì)被吹動(dòng)，也就不可能產(chǎn)生火花。此外，為了防止將雜物帶進(jìn)管道，應(yīng)事先在進(jìn)氣管道上設(shè)置過(guò)濾器。根據(jù)英國(guó)相關(guān)資料及國(guó)內(nèi)應(yīng)用經(jīng)歷，我們將置換管道用天然氣的氣流速度控制在最小置換流速以上，一般最大流速控制在3m/s以下。在置換過(guò)程中采用流速計(jì)或U型壓力表觀察管道升壓速度的方法來(lái)測(cè)量其充氣流速，用閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)控制流速(混氣過(guò)程中控制閥前的壓力要保持穩(wěn)定)。1.4間接置換

以天然氣置換空氣為例，用惰性氣體先置換管道里的空氣，再用天然氣置換管道里的惰性氣體，即把惰性氣體作為置換的中間介質(zhì)，這里所說(shuō)的惰性氣體是指既不可燃又不助燃的無(wú)毒氣體，如氮?dú)?、二氧化碳等?/p>

間接置換方法具體操作過(guò)程是先將惰性氣體注入管道，在管道末端放散，使用惰性氣體置換出空氣，直至放散管取樣口惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)到達(dá)預(yù)定的置換標(biāo)準(zhǔn)為止。在實(shí)際操作過(guò)程中一般用氧氣體積分?jǐn)?shù)來(lái)衡量，如果連續(xù)2次取樣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)到達(dá)2%以下即為合格[1](在英國(guó)的置換要求中，此數(shù)據(jù)為連續(xù)2次測(cè)得取樣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)到達(dá)4%以下即為合格[2])，停頓通入惰性氣體。然后再將天然氣通入管道，同樣操作，在檢測(cè)管的取樣口取樣，用高精度燃?xì)鈾z測(cè)儀進(jìn)展實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)分析，如果連續(xù)2次測(cè)得天然氣體積分?jǐn)?shù)到達(dá)95%以上即為合格[1](在英國(guó)的置換要求中，此數(shù)據(jù)為連續(xù)2次測(cè)得天然氣體積分?jǐn)?shù)到達(dá)90%以上即為合格[2])，置換完成。此法操作復(fù)雜、繁瑣，進(jìn)展2次換氣，不僅耗用大量惰性氣體還耗用大量的燃?xì)猓M(fèi)用較高，并且換氣時(shí)間長(zhǎng)，工作量大。但是，它可以確保進(jìn)入管道內(nèi)的燃?xì)獠粫?huì)與管道內(nèi)空氣接觸，不會(huì)形成具有爆炸性的混合氣體。因此，此法可靠性好，安全系數(shù)高，成功率也高。主干管網(wǎng)天然氣間接置換見(jiàn)圖5[4]。1.5阻隔置換

阻隔置換方法是近幾年在我國(guó)逐步推廣使用的，簡(jiǎn)便易行、安全可靠。本文主要說(shuō)明使用惰性氣體做中間介質(zhì)的置換方法，氮?dú)饨橘|(zhì)阻隔置換見(jiàn)圖6。

阻隔置換的方法比完全使用間接置換更經(jīng)濟(jì)，也比間接置換技術(shù)要求高，操作難度大，但是如果管道距離長(zhǎng)，此方法的安全性和經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)明顯。此方法可以用于長(zhǎng)度大于250m的管道，但局限于公稱(chēng)管徑小于等于600mm的管道。惰性氣體阻隔體的體積必須不小于管道體積的10%。充入管道的惰性氣體的體積不能小于表2的數(shù)據(jù)[2]。表2惰性氣體阻隔體體積[2]

m公稱(chēng)管徑/mm管道長(zhǎng)度/m250～500500～10001000～15001500～20002500～50005000～10000100112248150123791820024581632250358132550300481118367240071319326412845081624408016060015304575150300

使用惰性氣體作中間介質(zhì)的阻隔置換方法與使用清管器為隔離設(shè)備的方法相比有如下優(yōu)勢(shì)：

①大多數(shù)的天然氣管道有較大的高程變化，清管器在管道中的運(yùn)行速度難以準(zhǔn)確控制，清管器速度的變化加快混氣的形成，造成較大的混氣段。

②由于天然氣管道內(nèi)沒(méi)有潤(rùn)滑劑，僅靠清管器與管道的干摩擦，清管器皮碗磨損嚴(yán)重，且前后壓差較大，因此會(huì)產(chǎn)生較大的混氣量。

③清管器在管道彎頭處易產(chǎn)生混氣量。

④采用清管器隔離增加了工藝操作難度。2置換方法應(yīng)用

在城市燃?xì)夤艿捞烊粴馀c空氣置換過(guò)程中，多數(shù)管道都存在分支，除了管網(wǎng)末端很少有無(wú)支管的管道系統(tǒng)(見(jiàn)圖7[5])。必須針對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)選擇置換方法，以保證置換安全順利完成。一般情況下采用兩種方式：同時(shí)置換和順序置換，下文將介紹管網(wǎng)系統(tǒng)置換和用戶(hù)管道系統(tǒng)的置換。表3為管網(wǎng)壓力為0.2MPa的旁通管、放散管公稱(chēng)管徑速查表[5]。表3旁通管、放散管公稱(chēng)管徑速查表[5]公稱(chēng)管徑/mm旁通管和放散管的公稱(chēng)管徑/mm0～15032151～20032201～25032251～30032301～45063451～60063601～90063901～12001252.1管網(wǎng)系統(tǒng)置換

①順序置換

順序置換就是按照管道管徑大小順序，先大管徑后小管徑，依次置換每個(gè)支管。在置換時(shí)一般的選擇方法是從最大管徑的管道開(kāi)場(chǎng)置換，選擇最遠(yuǎn)端放散，然后再依次置換其他支管。置換支管也是按大管徑優(yōu)先的原則進(jìn)展。例如在圖7中，管道綜合考慮按照放散口1→放散口3→放散口4→放散口2的順序進(jìn)展。順序置換的方法簡(jiǎn)單易行，在置換時(shí)，需要的操作人員少，容易控制。適用于人力有限或者同時(shí)置換時(shí)管道內(nèi)氣體流速不能到達(dá)最小的置換流速時(shí)，可以依次置換。

②同時(shí)置換

同時(shí)置換就是一個(gè)進(jìn)氣口通入天然氣，所有支管上的放散口同時(shí)放散。這種方法要求較高，需要進(jìn)展計(jì)算，必須保證所有支管的天然氣流速大于最小置換流速。而且此方法需要操作人員較多，控制復(fù)雜。此方法優(yōu)點(diǎn)是置換時(shí)間短，效率高，對(duì)周邊影響小。當(dāng)所有支管的放散口取樣檢測(cè)的氧氣體積分?jǐn)?shù)低于2%時(shí)，置換完成。注意，在置換過(guò)程中至少保持一個(gè)放散口始終翻開(kāi)，理論上要求最遠(yuǎn)端的放散口在置換完成前一直翻開(kāi)。2.2用戶(hù)管道系統(tǒng)置換用戶(hù)管道系統(tǒng)置換中，需要完成從用戶(hù)支閥到建筑物外低壓管網(wǎng)控制閥的天然氣置換。一般這類(lèi)置換管道長(zhǎng)度較短，管道總?cè)莘e較小，可以采用管道最遠(yuǎn)端置換的方法[6、7]。用戶(hù)室內(nèi)管道置換見(jiàn)圖8[5]。具體操作是將連接隔焰器的軟管連接于頂層用戶(hù)支閥，翻開(kāi)單元總閥進(jìn)展置換，置換過(guò)程中持續(xù)取樣監(jiān)測(cè)，直至連續(xù)2次測(cè)得天然氣體積分?jǐn)?shù)到達(dá)95%以上或取樣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)在2%以下即為合格[1](在英國(guó)的置換要求中，此數(shù)據(jù)為連續(xù)2次測(cè)得天然氣體積分?jǐn)?shù)到達(dá)90%以上或取樣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)在4%以下即為合格[2])，停頓放散，置換完成。參考文獻(xiàn)：[1]SY/T5922—2003，天然氣管道運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)[S].[2]IGE/SR/22，英國(guó)氣體工程師學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)——燃?xì)庠趥鬏敺峙浜唾A存過(guò)程中的置換操作[S].[3]劉曉濤，汪海波.淺析環(huán)路燃?xì)夤艿腊踩脫Q[J].城市燃?xì)猓?006，(5)：15-18.[4]IGE/