天然气球罐置换是一项危险性的工作，若置换方案选择不当或操作失误，均可能发生恶性事故造成惨重损失。此外，球罐置换还应考虑经济问题，若方案不当将造成置换工作量大，费用高。用什么安全、经济的方法将罐内的空气置换到允许标准，这是一个值得探讨的问题。以下对三种天然气球罐置换方法进行讨论。

　　天然气球罐的置换方法

　　根据目前的技术水平，球罐的置换方法一般有如下三种：

　　惰性气体置换法 用惰性气体先置换球罐里的空气，再用天然气置换球罐里的惰性气体，即把惰性气体作为置换中间介质，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，均可采用。

　　此法是先将惰性气体充满球罐，加压到一定程度置换出空气，直至罐内惰性气体的浓度达到预定的置换标准为止;然后再以燃气充满球罐，同样加压到一定程度置换出惰性气体，从而完成置换程序。这种方法可靠性好，安全系数高，成功性大。对于本身有制气(惰性气体)手段和条件的工业、燃气行业普遍采用这一成熟的传统置换方法。

　　水置换法 用水先置换球罐里的空气，再用天然气置换球罐里的水。此法是先将球罐灌满水以水排尽罐内空气，然后再排掉水同时充入燃气，待罐内水排尽时天然气也充满，置换就完成了。这种方法具有安全可靠、成功率高、操作简单、置换周期短、费用低和还可多台罐连续置换等优点。但是它要求球罐基础条件较好，即球罐基础(基座)可承担置换重量，同时置换用水浪费较大，对于1000m3以上球罐置换，考虑到球罐基础条件和置换用水量因素，一般不宜采用此法。

　　天然气直接置换法 直接置换就是利用所要储存的天然气直接替换出罐内原有的空气达到合格标准后，球罐即可投入正常运行。

　　为了保证球罐首次供出的天然气能满足安全和用户的使用要求，一般来讲将混合气中含氧量2%作为置换终点。此时，天然气与空气的混合比为9.5∶1。以 10000m3球罐为例，其设计压力为1.05MPa，设计温度为-20℃～50℃，工作压力为0.25～0.95MPa，气密试验压力为 1.05MPa，气压试验压力为1.21MPa。球罐安全阀启动压力为1.05MPa，回座压力为1.00MPa。向球罐内充装天然气，当球罐工作压力达到0.95MPa时，由气体定律得知，空气在球罐内占容积为954m3，天然气为9046m3。此时球罐内混合气体的含氧量为2%。这就是说，可以采用只混气、不放散的特殊处理方式达到转换目的。这样做既省时、省事，又省费用。

　　通过对三种方法的对比，可以看出天然气直接置换法更为方便和经济。下面着重介绍天然气直接置换法。

　　天然气直接置换方法

　　在向球罐内充装天然气与空气混合的过程中，当天然气的浓度达到5%～15%的爆炸极限范围时，若遇火源就会发生爆炸事故。这是用天然气直接置换的最危险阶段。再考虑到压力、温度对天然气爆炸极限的影响，以及天然气在球罐内与空气混合时的不均匀性等因素，故可把天然气浓度在45%以下视为存在爆炸危险。因此，天然气置换法对操作过程有着更严格的要求。

　　试压、置换前的准备工作 成立球罐开罐检查(试压、置换)工作领导小组，明确人员分工和职责;确定试压、置换方案，并制定实施细则和具体措施，遵照实施;对与球罐相联接的管道和设备进行试压，对阀门、法兰、焊缝等各种设备和联接处都进行认真细致的检查，对有泄漏之处进行处理;联接好试压、置换工作所需用的临时管道和设备，如加气管、排气管、空压机等，并作好其它一切有关的安全防范物资准备工作。

　　试压、置换的操作步骤如下：

　　为了便于指挥、控制，不致操作失误，在试压、置换前，首先关闭全部阀门，并加装盲板，使整个系统成为密闭状态。

　　启动空压机，打开加气管的控制阀门，向球罐充空气，使压力先缓慢升压至规定试验压力的10%，保压5～10min并对所有焊缝和连接部位进行初次检查;如无泄漏可继续升压到试验压力的50%;如无异常现象，其后按规定试验压力的10%逐级升压，直至试验压力1.21MPa时，停止加压稳压半小时。在试压前应将球罐的安全阀送国家压力容器检验部门将其开启压力调至1.21MPa，以确保球罐试压安全;最后将压力降至设计压力，保压足够时间进行检查，检查期间压力应保持稳定，观察球罐及基础均无异常情况，经检漏液检查无漏气、无可见变形即为合格。

　　试压合格后进行置换。首先拆下空压机，打开加气管的阀门或安全阀进行放空，待与大气压相平衡为止，关闭各放空部位的阀门。这时球罐里空气体积在计算工况(0.1MPa，20℃)下为10000m3。

　　打开球罐的进(出)气管上的阀门，向球罐缓慢充气，流速控制在3m/s以下;当球罐充气到0.05MPa时，可适当提高充气速度，流速不超过5m/s;当充装天然气到0.1MPa后，关闭进气阀停止进气，开启加气管上的控制阀缓慢地向外放散，其速度不超过10m/s，表压为10kPa时停止放散，这时取样进行分析，确认天然气含量达到置换标准(50%以上);再次开启球罐的进气阀以不超过10m/s流速向球罐充装天然气，直至球罐运行压力0.95MPa为止，置换完毕。

　　天然气直接置换法应采取的安全措施如下：

　　新建天然气储配站必须经公安消防监督部门和安全生产监督管理部门检查验收合格后，方可对球罐进行置换。

　　置换前对球罐和输气管道应用流速不小于20m/s的空气认真吹扫，彻底清除其内部遗留的金属残渣等物体。

　　置换前要认真检测球罐和输气管道的防静电接地，其接地电阻不得大于10Ω。

　　置换前要对球罐和输气管道上所有开关阀门安全阀、压力表等设施认真检查维护，做到坚固、严密、有效，并要配备必要的抢修机具、设备和材料。

　　置换前要对储配站所有消防设施和器材认真检查维护，确保完整有效，符合规定。

　　置换前要制定周密的置换方案和操作规程，落实各级领导和各个工作岗位的责任，并要确保置换时指挥联络畅通。

　　置换时要严格控制天然气流速。当球罐内天然气浓度未达到15%时，流速不得超过5m/s;浓度超过15%时，可适当提高流速，但不应大于10m/s;浓度超过45%时，可将流速提高到20m/s。当球罐工作压力达到0.95MPa时停止进气。此时可从球罐排污阀处放出气体取样分析，气体含氧量≤2%时为合格。若气体含氧量高应从排污阀处缓慢放散一定量气体，再从进气阀充进天然气，待压力回升到0.95MPa时，停止进气，然后再作气体含氧量分析，直到合格。

　　置换时要在储配站一定范围内设置防火安全警戒区域，禁止一切火源，禁止无关人员和车辆进入。

　　球罐的天然气直接置换方法虽然存在一定的危险性，但是通过合理的方法和步骤以及采取各种安全措施协调配合，完全可以安全地实施置换工作。鉴于天然气直接置换法的经济性和方便性，此法应用前景广阔。