② 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方法可以实现减少静电积累的目的^[3]。

根据国外实验得出以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，m/s

    d——管道的公称管径，m

   再结合以下流量计算公式：

    q=3600Av    (2)

式中q——置换气体的安全流量，m³/h

    A——管道截面积，m²

   可得出安全流量计算式为：

    g=720πd^1.5    (3)

   假如输送管道管径为200mm，按照上述公式计算其安全流量约为200m³/h。为了尽可能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，降低流速、流量的办法，尽可能地减少静电的积累。《城镇燃气设施运行、维护和抢修安全技术规程》CJJ 51—2006要求进行燃气直接置换时，将压力控制在5kPa以内，实际上也是出于控制流速从而达到减少静电影响的考虑。

直接置换操作过程以直接将天然气缓慢通入管道替换空气为例，过程中必须监控置换情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，如果连续2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%以下即为合格^[1](在英国的置换要求中，此数据为连续2次测得天然气体积分数达到90%以上或取样中的氧气体积分数在4%以下即为合格^[2])，可以确定已达到预定的置换标准，置换工作完成。

天然气直接置换方法的特点是比较简便也比较经济，但是具有一定的危险性。因为在置换过程中，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(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要求，必须严格按规程实施，否则非常可能发生事故。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45%以下均应视为危险区(见图3，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，采取各种安全措施，确保无火源。

    由于天然气管道是封闭的，管道建成后经历了吹扫、强度试验、严密性试验等工序，管道内没有活动部件，不可能因运动、撞击产生火花。可能出现的火源有以下两种：一是高速气流会因摩擦产生静电，所以置换时要对管道系统进行接地(见图4^[4])，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可能残留下来的石块、铁屑、焊条头等固体物质，与管道内壁碰撞产生火花。引起此类事故的根本原因是高速气流，解决的关键是确保气流的低速，这样即便有石块等杂物，也不会被吹动，也就不可能产生火花。此外，为了避免将杂物带进管道，应事先在进气管道上设置过滤器。根据英国相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以下。在置换过程中采用流速计或U型压力表观察管道升压速度的办法来测量其充气流速，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)。

 

    以天然气置换空气为例，用惰性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。

    间接置换方法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标准为止。在实际操作过程中一般用氧气体积分数来衡量，如果连续2次取样中的氧气体积分数达到2%以下即为合格^[1](在英国的置换要求中，此数据为连续2次测得取样中的氧气体积分数达到4%以下即为合格^[2])，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，如果连续2次测得天然气体积分数达到95%以上即为合格^[1](在英国的置换要求中，此数据为连续2次测得天然气体积分数达到90%以上即为合格^[2])，置换完成。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，它可以确保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^[4]。