陳 哲, 羅 濤, 劉 敏, 黃澤惠, 岑佶松, 韓贊東

(1.北京市燃氣集團有限責任公司,北京100035;2.清華大學機械工程系,北京100084)

1 概述

隨著建設(shè)資源節(jié)約型社會和環(huán)境友好型社會理念提出,燃氣消耗量日益增長,城市燃氣管道規(guī)模不斷擴大。燃氣設(shè)施在長時間高負荷運行下不可避免地出現(xiàn)燃氣事故,其中由燃氣管道泄漏導致的事故尤為嚴重,不僅會造成大面積的斷氣,還可能引起火災、爆炸等惡性事故[1]。隨著埋地燃氣管道服役時間增長及地下服役環(huán)境日益復雜,各類風險不斷加大。以北京市燃氣集團的搶修作業(yè)為例,近3年因腐蝕、焊縫損傷造成的泄漏搶修事件占總搶修作業(yè)的比例超過60%,中低壓管道的泄漏搶修占總搶修作業(yè)的比例超過90%。

管道泄漏定位技術(shù)是燃氣管道運營過程中的關(guān)鍵技術(shù),在泄漏事故發(fā)生之后對泄漏點進行定位。泄漏點定位的準確度和速度將直接影響后續(xù)開挖修復面積以及維搶修時間。因此在城市燃氣管道泄漏事故中,使用恰當?shù)男孤┒ㄎ患夹g(shù)既縮短了維修時間,減小了事故影響范圍,又降低了搶修對城市生活和環(huán)境的影響。

現(xiàn)有管道泄漏定位技術(shù)在長輸管道的泄漏檢測和定位應用效果較好,但由于城市環(huán)境復雜,常用的技術(shù)在城市燃氣管道上適應性差、可靠性差。本文對燃氣管道泄漏定位技術(shù)進行綜述,討論泄漏定位技術(shù)在城市燃氣管道的應用,總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)的特點和不足,并對管道泄漏定位技術(shù)進行展望,以便選擇合適的定位技術(shù)。

2 燃氣管道泄漏定位技術(shù)現(xiàn)狀

城市燃氣管道泄漏定位的流程是先通過人工巡檢、檢測車檢測發(fā)現(xiàn)某一區(qū)域燃氣管道出現(xiàn)泄漏事故,確定事故區(qū)域,然后在區(qū)域內(nèi)采取具體技術(shù)進行定位。在泄漏區(qū)域定位方面,氣體成像法[2]、衛(wèi)星紅外檢測[3]等技術(shù)的應用降低了泄漏區(qū)域的定位難度。但在城市環(huán)境中,泄漏點具體位置以及修復工作開挖區(qū)域是人工巡檢無法確定的。此時就需要選擇合適的定位技術(shù)進一步確定泄漏點位置和修復位置。

目前國內(nèi)外燃氣管道泄漏定位技術(shù)主要有探測孔定位法、聲波定位法、探測球法、光纖傳感器法、示蹤劑檢測法、質(zhì)量平衡法等。

2.1 探測孔定位法

探測孔定位即在所確定的燃氣泄漏區(qū)域內(nèi)設(shè)置一系列的探測孔,探測土壤內(nèi)的燃氣濃度,根據(jù)所測的一定空間范圍內(nèi)的燃氣濃度分布確定泄漏點位置。探測孔定位法燃氣濃度檢測現(xiàn)場見圖1,圖1中編號#23、#24、#25、#13是所設(shè)置的探測孔編號。理想情況下,土壤中管道泄漏的燃氣擴散呈現(xiàn)出均勻的放射狀擴散,燃氣濃度最高的探測孔位置即可確定為泄漏點位置。

圖1 探測孔定位法燃氣濃度檢測現(xiàn)場

探測孔定位法具有設(shè)備可靠、定位流程簡單快捷的特點,在城市環(huán)境中適用性較強,是一種定位效果良好的成熟技術(shù),但該方法在使用上也存在一定的缺陷。如果燃氣泄漏時間過長,同時管道上方地表存在阻礙燃氣擴散的瀝青層等,燃氣濃度分布會趨于飽和狀態(tài),即土壤內(nèi)一部分區(qū)域的燃氣濃度相近且處于一個較高的水平,形成氣田。此時使用探測孔定位法就無法確定泄漏點的位置。此外,城市地下環(huán)境復雜,除諸多管道之外,還有井道、孔道等,這些都會對土壤中的燃氣濃度分布產(chǎn)生影響,進而降低定位精度。

2.2 聲波定位法

管道泄漏時,燃氣在壓差的作用下流向管道外,并在泄漏點處形成渦流,產(chǎn)生了振蕩變化的壓力或聲波[4],即產(chǎn)生了一個聲源。聲源所產(chǎn)生的聲波與管道相互作用,在管道內(nèi)建立聲場。聲波定位法就是將泄漏產(chǎn)生的聲源作為信號源,設(shè)置多個傳感器采集聲波,對所采集的信號進行相關(guān)分析處理即可定位泄漏點[5]。

聲波定位法在泄漏定位上具有定位精度高、靈敏度高等特點,得到了廣泛研究和應用。閆成穩(wěn)等[6]通過仿真分析和實驗驗證,探究了不同壓力、不同泄漏孔尺寸下的泄漏聲源特性,結(jié)果表明聲壓級均值隨管道內(nèi)壓和泄漏孔尺寸增大而增加。Mostafapour等[7]提出一種泄漏檢測算法,首先通過小波變換和數(shù)字濾波消除聲發(fā)射信號的主要噪聲,然后通過互相關(guān)函數(shù)定位泄漏點。在城市燃氣管道泄漏檢測中,城市管道情況復雜,聲波定位法需要根據(jù)實際情況開發(fā)匹配設(shè)備,無法大規(guī)模推廣。

2.3 探測球法

探測球法將超聲波探頭和聲波儲存裝置裝載在探測球內(nèi),使用時將探測球放入管道,其在管道內(nèi)部采集并儲存管道泄漏所產(chǎn)生的超聲波,通過所采集的超聲波信號定位泄漏點。

探測球法可根據(jù)不同規(guī)格管道選擇不同尺寸的探測球,由于城市管道維護狀況不同,探測球可能會造成管道堵塞。此外,探測球法定位液體管道泄漏效果顯著。但對于燃氣管道泄漏,由于探測球在氣流中運動的可行性和穩(wěn)定性均次于液體,探測球法在燃氣管道的應用受到了極大限制。

2.4 光纖傳感器法

光纖傳感器法根據(jù)原理可分為兩類,一類是塑料包覆石英光纖傳感器檢測,燃氣泄漏導致管道外光纖傳輸功耗增加,接收端光強度下降,低于設(shè)定水平時即可定位泄漏點。另一類是分布式光纖溫度傳感器檢測[8]。由于介質(zhì)溫度不同,燃氣泄漏會影響管道外側(cè)溫度分布,分布式光纖溫度傳感器可以連續(xù)測量管道外側(cè)沿管道方向的溫度分布,當溫度變化超過一定范圍時,即可定位泄漏點。

光纖傳感器法具有較高的定位精度和響應速度,但其定位效果容易受到環(huán)境因素如土壤濕度的影響。

2.5 示蹤劑檢測法

示蹤劑定位需要在管道中摻入示蹤劑,當燃氣管道泄漏時,示蹤劑從泄漏點流出并擴散到周圍環(huán)境中。通過采集周圍環(huán)境示蹤劑分布情況,分析并判斷泄漏點位置。

示蹤劑檢測法具有成本低、檢測條件要求低的特點,是一種比較成熟的管道泄漏定位技術(shù)[9-11]。在城市燃氣管道泄漏定位的實際應用中,土壤環(huán)境、管道條件、示蹤劑黏度和密度都會影響示蹤劑檢測的效果。

2.6 質(zhì)量平衡法

質(zhì)量平衡法的原理是質(zhì)量守恒。無泄漏時,管道的輸入質(zhì)量流量應當?shù)扔诠艿赖妮敵鲑|(zhì)量流量。發(fā)生泄漏時,這種平衡關(guān)系被打破。通過在管道的多個位置監(jiān)測燃氣質(zhì)量流量,并進行分析計算,即可得到大致泄漏點位置。

由于管道內(nèi)燃氣溫度、壓力、密度存在波動,泄漏達到一定程度才能形成明顯的質(zhì)量流量差,進而進行泄漏點定位。這種方法最大的缺陷是定位時效性差、精度低。

3 管道泄漏定位技術(shù)展望

城市燃氣管道泄漏定位技術(shù)的關(guān)鍵在于快速而準確地定位泄漏點,現(xiàn)有定位技術(shù)在城市地下管線情況復雜的背景下應用受限。聲波定位法和探測球法都需要根據(jù)管道實際情況做一定的調(diào)整。光纖傳感器法受環(huán)境因素影響較大,示蹤劑檢測法效果受示蹤劑性質(zhì)的影響,二者的定位精度存在問題。質(zhì)量平衡法的分析、計算過程較為繁瑣,時效性差。此外,以上方法都無法解決多泄漏點問題,無法同時精確定位同一區(qū)域內(nèi)的多個漏點。

在實際應用中,探測孔定位法是常用的低成本檢測方法,同時具備較好的定位精度和定位速度,但該方法對形成氣田的泄漏點無法準確定位。此時,可以采用負壓法。

基于負壓法泄漏點定位是在燃氣泄漏的高濃度區(qū)域選擇合適的位置,通過負壓抽吸構(gòu)造負壓點,檢測負壓點周圍土壤中燃氣濃度隨時間變化規(guī)律,再結(jié)合土壤中燃氣的運移特性,計算出泄漏點的位置。優(yōu)化負壓點周圍檢測點的布局,通過對多個負壓點檢測,提高泄漏點定位精度?；谪搲悍ㄐ孤c定位見圖2,圖2中編號#1、#2、#3、#4是設(shè)置的探測孔編號。

沿管道方向設(shè)置一系列探測孔,通過測量探測孔內(nèi)的燃氣濃度,獲得形成氣田時土壤內(nèi)的燃氣濃度分布規(guī)律。隨后在探測孔之間選取適當位置為負壓點,使用氣泵抽吸,短時間內(nèi)改變土壤內(nèi)的燃氣分布狀況。實時檢測各個探測孔中燃氣濃度的變化,根據(jù)土壤中的燃氣運移規(guī)律,最終確定泄漏點位置。這種檢測方法可以結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果,不斷優(yōu)化仿真模型和計算方法,提高定位精度,從而避免多次開挖修復,同時為多泄漏點定位技術(shù)發(fā)展提供基礎(chǔ)。

圖2 基于負壓法泄漏點定位

4 結(jié)束語

隨著燃氣使用的推廣和燃氣管道規(guī)模持續(xù)擴大,管道泄漏定位技術(shù)已經(jīng)成為城市燃氣管道運行維護的重要技術(shù)。目前國內(nèi)的城市燃氣埋地管道檢測以大范圍普查和步行檢測為主,激光檢測、觀察環(huán)境變化情況、打孔檢測等為輔,缺乏可靠的泄漏定位方法和裝備。

現(xiàn)有長輸管道泄漏定位技術(shù)在城市燃氣管道得到了應用。在輸氣管道上,探測孔定位法、聲波定位法、探測球法、光纖傳感器法、示蹤劑檢測法、質(zhì)量平衡法等都可以在一定程度上確保泄漏定位的準確性和時效性,在應用上取得了不錯的效果。但由于城市燃氣管道情況復雜,檢測環(huán)境條件較差,上述定位技術(shù)存在適應性較差的問題。

由于城市燃氣管道泄漏定位技術(shù)無法實現(xiàn)精準定位,在修復過程中存在多次開挖、周期長、耗資大等問題。此外,現(xiàn)有定位技術(shù)無法掌握多點泄漏情況,導致短時間內(nèi)同一區(qū)域管道反復開挖,造成人力物力浪費和不良社會影響。發(fā)展城市燃氣管道泄漏定位技術(shù),關(guān)鍵在于提高泄漏定位精度,并開展多點泄漏定位技術(shù)研究。