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天然氣球罐置換是一項危險性的工作，若置換方案選擇不當(dāng)或操作失誤，均可能發(fā)生惡性事故造成慘重?fù)p失。此外，球罐置換還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)問題，若方案不當(dāng)將造成置換工作量大，費用高。用什么安全、經(jīng)濟(jì)的方法將罐內(nèi)的空氣置換到允許標(biāo)準(zhǔn)，這是一個值得探討的問題。以下對三種天然氣球罐置換方法進(jìn)行討論。
天然氣球罐的置換方法
根據(jù)目前的技術(shù)水平，球罐的置換方法一般有如下三種：
惰性氣體置換法 用惰性氣體先置換球罐里的空氣，再用天然氣置換球罐里的惰性氣體，即把惰性氣體作為置換中間介質(zhì)，這里所說的惰性氣體是指既不可燃又不助燃的無毒氣體。如氮氣、二氧化碳等，均可采用。
此法是先將惰性氣體充滿球罐，加壓到一定程度置換出空氣，直至罐內(nèi)惰性氣體的濃度達(dá)到預(yù)定的置換標(biāo)準(zhǔn)為止；然后再以燃?xì)獬錆M球罐，同樣加壓到一定程度置換出惰性氣體，從而完成置換程序。這種方法可靠性好，安全系數(shù)高，成功性大。對于本身有制氣（惰性氣體）手段和條件的工業(yè)、燃?xì)庑袠I(yè)普遍采用這一成熟的傳統(tǒng)置換方法。
水置換法 用水先置換球罐里的空氣，再用天然氣置換球罐里的水。此法是先將球罐灌滿水以水排盡罐內(nèi)空氣，然后再排掉水同時充入燃?xì)?，待罐?nèi)水排盡時天然氣也充滿，置換就完成了。這種方法具有安全可靠、成功率高、操作簡單、置換周期短、費用低和還可多臺罐連續(xù)置換等優(yōu)點。但是它要求球罐基礎(chǔ)條件較好，即球罐基礎(chǔ)（基座）可承擔(dān)置換重量，同時置換用水浪費較大，對于1000m3以上球罐置換，考慮到球罐基礎(chǔ)條件和置換用水量因素，一般不宜采用此法。
天然氣直接置換法 直接置換就是利用所要儲存的天然氣直接替換出罐內(nèi)原有的空氣達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)后，球罐即可投入正常運行。
為了保證球罐首次供出的天然氣能滿足安全和用戶的使用要求，一般來講將混合氣中含氧量2%作為置換終點。此時，天然氣與空氣的混合比為9.5∶1。以10000m3球罐為例，其設(shè)計壓力為1.05MPa，設(shè)計溫度為-20℃～50℃，工作壓力為0.25～0.95MPa，氣密試驗壓力為1.05MPa，氣壓試驗壓力為1.21MPa。球罐安全閥啟動壓力為1.05MPa，回座壓力為1.00MPa。向球罐內(nèi)充裝天然氣，當(dāng)球罐工作壓力達(dá)到0.95MPa時，由氣體定律得知，空氣在球罐內(nèi)占容積為954m3，天然氣為9046m3。此時球罐內(nèi)混合氣體的含氧量為2%。這就是說，可以采用只混氣、不放散的特殊處理方式達(dá)到轉(zhuǎn)換目的。這樣做既省時、省事，又省費用。
通過對三種方法的對比，可以看出天然氣直接置換法更為方便和經(jīng)濟(jì)。下面著重介紹天然氣直接置換法。
天然氣直接置換方法
在向球罐內(nèi)充裝天然氣與空氣混合的過程中，當(dāng)天然氣的濃度達(dá)到5%～15%的爆炸極限范圍時，若遇火源就會發(fā)生爆炸事故。這是用天然氣直接置換的最危險階段。再考慮到壓力、溫度對天然氣爆炸極限的影響，以及天然氣在球罐內(nèi)與空氣混合時的不均勻性等因素，故可把天然氣濃度在45%以下視為存在爆炸危險。因此，天然氣置換法對操作過程有著更嚴(yán)格的要求。
試壓、置換前的準(zhǔn)備工作 成立球罐開罐檢查（試壓、置換）工作領(lǐng)導(dǎo)小組，明確人員分工和職責(zé)；確定試壓、置換方案，并制定實施細(xì)則和具體措施，遵照實施；對與球罐相聯(lián)接的管道和設(shè)備進(jìn)行試壓，對閥門、法蘭、焊縫等各種設(shè)備和聯(lián)接處都進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的檢查，對有泄漏之處進(jìn)行處理；聯(lián)接好試壓、置換工作所需用的臨時管道和設(shè)備，如加氣管、排氣管、空壓機(jī)等，并作好其它一切有關(guān)的安全防范物資準(zhǔn)備工作。
試壓、置換的操作步驟如下：
為了便于指揮、控制，不致操作失誤，在試壓、置換前，首先關(guān)閉全部閥門，并加裝盲板，使整個系統(tǒng)成為密閉狀態(tài)。
啟動空壓機(jī)，打開加氣管的控制閥門，向球罐充空氣，使壓力先緩慢升壓至規(guī)定試驗壓力的10％，保壓5～10min并對所有焊縫和連接部位進(jìn)行初次檢查；如無泄漏可繼續(xù)升壓到試驗壓力的50％；如無異?，F(xiàn)象，其后按規(guī)定試驗壓力的10％逐級升壓，直至試驗壓力1.21MPa時，停止加壓穩(wěn)壓半小時。在試壓前應(yīng)將球罐的安全閥送國家壓力容器檢驗部門將其開啟壓力調(diào)至1.21MPa，以確保球罐試壓安全；最后將壓力降至設(shè)計壓力，保壓足夠時間進(jìn)行檢查，檢查期間壓力應(yīng)保持穩(wěn)定，觀察球罐及基礎(chǔ)均無異常情況，經(jīng)檢漏液檢查無漏氣、無可見變形即為合格。
試壓合格后進(jìn)行置換。首先拆下空壓機(jī)，打開加氣管的閥門或安全閥進(jìn)行放空，待與大氣壓相平衡為止，關(guān)閉各放空部位的閥門。這時球罐里空氣體積在計算工況（0.1MPa，20℃）下為10000m3。
打開球罐的進(jìn)（出）氣管上的閥門，向球罐緩慢充氣，流速控制在3m/s以下；當(dāng)球罐充氣到0.05MPa時，可適當(dāng)提高充氣速度，流速不超過5m/s；當(dāng)充裝天然氣到0.1MPa后，關(guān)閉進(jìn)氣閥停止進(jìn)氣，開啟加氣管上的控制閥緩慢地向外放散，其速度不超過10m/s，表壓為10kPa時停止放散，這時取樣進(jìn)行分析，確認(rèn)天然氣含量達(dá)到置換標(biāo)準(zhǔn)（50％以上）；再次開啟球罐的進(jìn)氣閥以不超過10m/s流速向球罐充裝天然氣，直至球罐運行壓力0.95MPa為止，置換完畢。
天然氣直接置換法應(yīng)采取的安全措施如下：
新建天然氣儲配站必須經(jīng)公安消防監(jiān)督部門和安全生產(chǎn)監(jiān)督管理部門檢查驗收合格后，方可對球罐進(jìn)行置換。
置換前對球罐和輸氣管道應(yīng)用流速不小于20m/s的空氣認(rèn)真吹掃，徹底清除其內(nèi)部遺留的金屬殘渣等物體。
置換前要認(rèn)真檢測球罐和輸氣管道的防靜電接地，其接地電阻不得大于10Ω。
置換前要對球罐和輸氣管道上所有開關(guān)閥門安全閥、壓力表等設(shè)施認(rèn)真檢查維護(hù)，做到堅固、嚴(yán)密、有效，并要配備必要的搶修機(jī)具、設(shè)備和材料。
置換前要對儲配站所有消防設(shè)施和器材認(rèn)真檢查維護(hù)，確保完整有效，符合規(guī)定。
置換前要制定周密的置換方案和操作規(guī)程，落實各級領(lǐng)導(dǎo)和各個工作崗位的責(zé)任，并要確保置換時指揮聯(lián)絡(luò)暢通。
置換時要嚴(yán)格控制天然氣流速。當(dāng)球罐內(nèi)天然氣濃度未達(dá)到15%時，流速不得超過5m/s；濃度超過15%時，可適當(dāng)提高流速，但不應(yīng)大于10m/s；濃度超過45%時，可將流速提高到20m/s。當(dāng)球罐工作壓力達(dá)到0.95MPa時停止進(jìn)氣。此時可從球罐排污閥處放出氣體取樣分析，氣體含氧量≤2%時為合格。若氣體含氧量高應(yīng)從排污閥處緩慢放散一定量氣體，再從進(jìn)氣閥充進(jìn)天然氣，待壓力回升到0.95MPa時，停止進(jìn)氣，然后再作氣體含氧量分析，直到合格。
置換時要在儲配站一定范圍內(nèi)設(shè)置防火安全警戒區(qū)域，禁止一切火源，禁止無關(guān)人員和車輛進(jìn)入。
球罐的天然氣直接置換方法雖然存在一定的危險性，但是通過合理的方法和步驟以及采取各種安全措施協(xié)調(diào)配合，完全可以安全地實施置換工作。鑒于天然氣直接置換法的經(jīng)濟(jì)性和方便性，此法應(yīng)用前景廣闊。
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