天然气管网多种检漏方式应用分析

上海奉贤燃气有限公司 李杰

1 燃气泄漏检测技术

目前国内外天然气管道泄漏的检测方法有很多种，基本可概括为传统的以气敏型传感器为核心的检测技术和近年来发展较快的近红外可调谐二极管激光吸收光谱技术。

1.1 气敏传感器检测技术

用于天然气检漏的气敏传感器检测技术主要包括：电化学传感器检测技术、半导体传感器检测技术、催化燃烧式传感器检测技术。之后出现的FID(flame ionization detector，火焰离子化检测仪)改进了传统的催化燃烧式传感器技术，通过主动点燃样气并检测集电极(CE)上样气燃烧所分解的离子电流可以精确的检测到燃气的泄漏浓度，是气体色谱检测仪中对烃类灵敏度最好的一种手段，广泛用于挥发性碳氢化合物和许多含炭化合物的检测。

气敏传感器检测技术在检测天然泄漏时最大的问题在于气体选择性不强，存在抗干扰能力差的缺陷，特别是地下的沼气成分与天然气接近，经常会造出天然气泄漏的误判。于是在燃气检漏中用到气相色谱分析作为其他检测设备的辅助检测手段，通过乙烷分析等手段通过色谱组分判断排除其它可燃气体对天然气测漏的干扰。

1.2 近红外可调谐二极管激光吸收光谱技术

目前，近红外可调谐二极管激光吸收光谱技术发展迅猛。TDLAS是一种利用半导体激光器可调谐性进行光谱测量的技术，利用待测气体分子的一条孤立的吸收谱线进行吸收光谱测量。TDLAS根据调制方式不同，可以分为直接吸收光谱、波长调制光谱(WMS)和频率调制光谱(FMS)。

TDLAS系统利用激光二极管有很高的光谱分辨率和可调谐性，可以对特定分子在特定光谱范围内的一条振幅线的光谱吸收进行测量而反应吸收气体浓度，而且能够把待测分子与背景的干扰区分开来。TDLAS在实际使用中通常采用波长调制光谱(WMS)技术。

基于上述原理检测天然气首先要考虑的是其主要成分甲烷气体吸收带的分布。甲烷气体分子有多个吸收带，但是为了避免水汽等其它气体的干扰，探测甲烷气体时使用的主要是3.3 μm和1.65 μm两个吸收带，但是由于波长3.3 μm的窄带激光器采购困难，操作复杂，很难满足实际应用要求，因此甲烷气体的探测技术主要集中在1.65 μm光谱区。在1.65 μm光谱区甲烷气体的吸收线线宽非常窄，常温常压下只有0.014 ~0.015 nm，而环境温度的变化会引起激光波长的变化，因此把激光波长精确稳定在甲烷吸收线中心而不发生偏移很难实现，所以最合理的做法是控制激光波长，使其以吸收线为中心来回扫描，每个扫描周期激光波长必定会经过吸收线中心，这种方法叫做波长调制光谱(WMS)技术。信号发生器产生50 Hz锯齿波信号(一次谐波)输入到激光电流温度控制器，对二极管激光器进行调制。同时锁相放大器输出高频正弦信号(二次谐波)对激光器进行调制，调节并控制二极管激光器温度，使激光器的中心频率u等于要检测的气体的某条吸收谱线中心频率。经调制输出的激光通过多次反射吸收池，被目标气体部分吸收后到达光传感器转换为电信号，经过锁相放大得到二次谐波信号，经 A/D转换采集到计算机进行处理得到气体浓度值。吸气探头上安装位移传感器，将吸气探头的位移数据送到计算机，从而得到时间、位置及气体浓度关系，进行天然气管道泄漏检测定位。

图1 TDLAS天然气管道泄漏检测定位系统示意

2 奉贤燃气多种化检漏仪器

奉贤燃气作为一家天然气下游销售公司，根据公司运行管理的特点，结合自身管网压力级制低、流量压力变化频繁的特点，为了避免管网安全管理处于被动的“静态”管理状态，加强了管网的巡检。

在每组管线巡视人员配备 Cosmos(新宇宙)XP系列便携式检漏仪、定期例行检测阀门等可测量位置的基础上，奉贤燃气有限公司于 2009年底斥资购买了两辆德国竖威(SEWERIN)PORTAFID LP电子燃气检漏车，之后又购买了美国汉斯(HEATH)激光甲烷遥距检漏仪(RMLD™)。用多种燃气检漏的方式更好地完成检漏工作。

(1)便携式检漏仪携带便利费用较低廉，配备于管线巡视人员能满足日常例行检测的需要；

(2)燃气检漏车测漏范围广、效率高，通过合理的管理安排两辆检漏车能完成对全区范围(包括地下管线、地上燃气设备以及居民小区等燃气使用区域)绝大部分区域的检漏覆盖；

(3)美国汉斯(HEATH)激光甲烷遥距检漏仪(RMLD™)的配备更是通过先进的可调二极管激光光谱吸收技术提高检漏的抗干扰性，并且RMLD最远检测距离达到50 m，能完成桥管、单位用户、小区等车辆、步行无法到达位置的检测。

3 燃气管道泄漏的因素分析讨论

2010年 1月、2月两辆德国竖威(SEWERIN) PORTAFID LP电子燃气检漏车相继投入检漏工作，分别对整个奉贤燃气管网进行有计划的地毯式全面检漏。为了更好的满足全范围的检漏目标，提高检漏的抗干扰性及精度，于2010年11月投入了美国汉斯(HEATH)激光甲烷遥距检漏仪(RMLD™)。

2010年1月~2011年6月两队配置多样化检漏设备的检漏小组，使用检漏车共检测到中压管线泄漏165次(包括调压设备)，低压管线泄漏187次，其中桥管检测使用激光甲烷遥距检漏仪。

为了揭示奉贤地区燃气管道泄漏的规律与分布，更好的防范燃气泄漏事故的发生，我们分别对中压管线泄漏和低压管线泄漏进行统计分析，探讨可能引起泄漏的各种因素，并且定量地考察这些因素对于泄漏可能的权重值。

中压管泄漏统计见表1。

表1 2010年1月~2011年6月中压泄漏统计数据

从这一年半的检漏数据可以看出，在投入PORTAFID LP电子燃气检漏车运行后，检测到了大量的以往靠传统的检漏方式难以发现的漏点。在通过了半年左右的第一遍管网漏点排除后，漏点被检测到的数量明显下降，这些情况都体现了检漏车配合路面钻孔机、HS680便携式检测仪所取得的管线检漏的良好成果，降低了管线泄漏的危险性。

从表1可看出2010年底激光甲烷遥距检漏仪投入使用后又相继检测到了几处以往没有条件检漏的桥管的泄漏情况，体现了激光检测技术远距离检测的优越性。

根据一年半的检测经验，我们从不同部件、管材、口径、通气时间等多方面对奉贤燃气中压管网泄漏进行分析、探讨。

3.1 地上设施(调压站)

从表 1可见调压站泄漏被检测到的频率较平均，主要原因可以归纳为调压站作为地上燃气附属设施，漏点检测难度低；且因为调压器在整个燃气管网当中的重要性长久时间来调压器一直是巡视管理的重点，在未投入多样化检漏设备前依靠Cosmos手提式检漏仪已经形成了例行的调压器检查模式。

中压管线调压器泄漏占了较大的比例的分析：

3.1.1 挂壁式调压器

挂壁式调压器一般装于建筑物墙壁上，受建筑沉降影响较大，特别是当进口端为埋地管接出、出口端为直接架空管时，由于进出口管受沉降的影响不同，导致挂壁式调压器内接口易发生倾斜漏气(见图2)。其次挂壁式的放散阀也发现过多次泄漏。

图2 地面沉降导致的挂壁式调压器倾斜

3.1.2 箱式调压站

对于箱式调压站，泄漏的部位主要集中于：

(1)调压站的进出口法兰接口；

(2)双压记录仪的各个接口；

(3)调压器各种阀门。

在使用时间方面对检测到泄漏的调压器也进行了统计分析：在定期保养以及调压部件时时完好的管理体系下，调压站内管件的泄漏与使用时间没有明显的关联性，见表2。

表2 调压器使用年限与泄漏比率

3.2 地下管线

地下管线的泄漏部位主要为阀门、桥管(主要泄漏埋地的法兰接口)、水井、以及管道。

在总共检测到的109次地下管线的泄漏中铸铁管区域达到了 56次，而中压铸铁管管线总长只占到了整个中压管网的约 10%，铸铁管区域显然是燃气泄漏的高发区域，特别是水井，全区范围156只水井共检测到32次泄漏，发生泄漏的比例相当高。

(1)对于铸铁管易泄漏的问题，主要原因为所输送的气质不同，铸铁管作为以前人工煤气所采用的输送管道，管道的承插、法兰连接处一般采用的是耐油橡胶垫片或填料，其主要成分为丁腈橡胶。在原来的输配介质焦炉煤气中，除 H2、CO、CH4等主要成分外，还含有一定量的水、煤焦油以及苯类芳香烃等杂质。根据相似相溶原理，苯等芳香烃，尤其是苯，对橡胶具有较强的溶解作用。因此，原连接处橡胶垫片由于常年与人工煤气接触，垫片中的橡胶就会不断地吸收人工煤气中的苯。随着季节的变换，地下管道会受地温变化的影响而不断地收缩或膨胀，进而会造成连接管道及附件的法兰的间隙在管道胀缩过程中不断地发生变化，虽然这种间隙的变化很小，但是在客观上存在。在法兰间隙的变化过程中，要实现法兰的密封就需要法兰之间的垫片具有一定的可压缩性和回弹性。在人工煤气为介质的管网系统中，接头中的橡胶间由于吸收了人工煤气中的苯而溶解变得膨胀。这种膨胀了的橡胶垫片填料，在人工煤气管网中作为法兰密封垫片，并不失去可压缩性和回弹性。因此，在介质为人工煤气的管网中，这种膨胀的法兰垫片和承插填料的密封作用还有效，输送人工煤气时并没有出现阀门井和钢制中压水井的连接法兰处泄漏的现象。然而，对于同样的管网系统，同样的压力级制，输送介质由人工煤气转换成天然气后，由于天然气中不含苯等杂质，而原先渗入到垫片的苯族化合物反而会从垫片中析出，而且苯族化合物溶解了橡胶中主要成分——丁腈橡胶，在苯族化合物从垫片中析出的过程中，被溶解的丁腈橡胶也会随之析出，从而导致橡胶垫片收缩变干，甚至会失去或局部失去橡胶的可压缩性和回弹性。在冬季地下燃气管网因地温下降而收缩时，法兰之间的间隙变大，而橡胶垫片由于干缩失去了弹性，无法随法兰间隙变大而回弹，或者垫片变形不均匀，导致燃气在法兰连接处泄漏。所以铸铁管区域的各类接口以及阀门、水井成为了天然气泄漏的主要部位。

(2)管道的泄漏除了气质转化引起的原因外，还存在着一些人为破坏、施工原因、环境腐蚀以及地面沉降引起的泄漏。如施工中排管后管沟的原土回填夯实，如果管道上下回填土存在硬物，在地面沉降和管道上方道路负载的情况下会产生剪切应力分布不均，甚至是某个点或某个截面的应力集中导致管道的受损断裂(见图3)。

图3 钢管受应力作用开裂

(3)地下管道管径对管线泄漏的影响进行整理分析见表3。

表3 管径与泄漏次数关系

从表3可以看出地下管道泄漏的概率与管径无明显关系。

(4)在对桥管泄漏的统计过程中发现：桥管的泄漏主要发生于桥管两侧的法兰接口以及弯头处，而发生泄漏的桥管有一个显著的特点：桥管的波形补偿器拉伸长度大于允许值，且大多超过允许值较多。排除施工安装不规范使用波形补偿器的原因外，使这些波形补偿器超长的原因是桥管的长度变化较大。由于弯头处为固定支点，较大的长度变化会使弯头处产生较大的弯曲力矩，并且传递到法兰、承插接口处，导致接口松动，使这两处成为易漏点。

(5)在分析阀门泄漏数据时发现阀门的泄漏大多集中于各个预留阀门处，这个现象可能是由于预留阀门处的流体动态有关，随着用气波峰波谷的压力波动预留阀门处的气体流动方向经常改变方向来满足管网的用气变动，流动状态的不稳定可能是导致预留阀门处泄漏的因素。

(6)通过检漏数据分析发现：法兰接口存在多次泄漏的现象。法兰接口泄漏的主要抢修方法为紧固螺丝，但在实际的操作中发现这种抢修方法的效果并不理想，这种方法进行抢修往往只能治标不治本，由于垫片失去弹性，随着地温变化或受力引起的管道长度的微变就会引起此处接口的再次泄漏。

3.3 小区内低压管线泄漏分析

小区内低压管线的泄漏绝大多数为立桩处的泄漏，引入管连接立桩处埋设深度浅，浅层的土壤受环境温度影响、受压以及沉降的影响较显著，土层的变化会将形变传递给立桩薄弱的双承套筒处，而且由于燃气立管一般固定于建筑上而立桩则和埋于地底引入管相连，两处变形差异大，也常导致立桩三通处的泄漏(特别是没安装波纹补偿器的情况下)。

从统计分析中发现立桩的泄漏除了与小区的沉降因素有关之外，与小区的新旧程度、用气负荷有关，用气负荷越大燃气压力的变化越频繁，频繁的流体系数变化容易导致立桩的泄漏；奉贤地区的老式小区主要集中于南桥、奉浦区域小区道路狭窄，人流车流密集，不仅加剧了路面负载与沉降的程度，同时也导致立桩容易受到碰撞，引起人为的泄漏。低压管线泄漏统计见表4。

表4 2010年2月~2011年6月低压泄漏统计

4 结论

由于奉贤燃气有限公司领导对燃气输配安全的重视，以及天然气供应部管线巡视组特别是两个检漏小组每位员工的辛勤工作，在2010年1月至2011年6月的一年半工作中共检测处理了352次，多样化检漏方式联合利用保证了全区管网检漏的基本全覆盖，而燃气检漏车以及激光甲烷遥距检漏仪更是大大提高了中压管线以及小区立桩的检漏效率以及检漏精度。通过HS680的气相色谱分析功能，检漏车在检漏工作中多次排除了其他气体的干扰(如2010年9月7日在环城西路大叶公路口北面污水井内测出的泄漏信号，经分析排除了天然气泄漏的可能)。在采用多样化燃气检漏组合拳的开始半年时间内查出了大量漏点，大大提高了整个燃气管网的运行安全系数。

通过对泄漏数据的统计分析，天然气泄漏的重点在于铸铁管区域、凝水器(水井)、波形补偿器超长严重的桥管、沉降情况严重的立桩后未安装波形补偿器的小区等区域，对于这些区域应该列为重点区域除去平时的巡检外可安排额外的定期检查，保障这些区域的输配安全。

由于天然气相对以往的人工煤气有运营压力高、气体干性、纯净的特点，所以在条件允许的前提下铸铁管、水井的淘汰、更换，将是减少泄漏的核心工作。

加强施工质量也是避免燃气泄漏事故的一个重要环节，野蛮施工、强行组装、回填土不达标等将是管道的输配运行带来极大的隐患，同时由于施工引起的泄漏事故一般抢修难度大、时间长、影响范围广。

电子燃气检漏车系统测漏范围广、效率高，能完成对全区范围绝大部分区域的覆盖性检漏。激光甲烷遥距检漏仪能完成桥管、单位用户、小区等车辆、步行无法到达位置的检测。加上早先的便携式检测仪，能满足日常例行检测的需要。奉贤燃气输配工作在先进、多样、互补的测漏设备的装备下，在过去的一年半里取得了良好成果。管道泄漏检测是一门跨领域、多学科综合的技术，涉及到热力学、传感技术、微弱信号检测、管道流体力学、信号处理等多学科，而燃气泄漏的影响要素也极为繁杂。作为奉贤燃气输配管理的一员，必须努力实践燃气的测漏和分析，准确把握燃气泄漏的脉络、更好地完成安全稳定的燃气输配工作。