管道系统安全运行监测技术

摘 要：通过对国内管道系统安全运行监测现状的分析，提出了阻抗法监测系统为我国城市供热管网建设中首选的管道系统安全运行监测系统的观点，并详细介绍了带报警装置的智能保温管道的结构和工作原理。

关键词：供热管网；管道运行监测系统；阻抗法监测系统；泄漏监测

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.213

0 前言

保温管是绝热管道的简称，用于液体、气体及其他介质的输送，在石油、化工、航天、军事、集中供热、中央空调、市政等管道的绝热保温工程中均有广泛应用。一般保温管从内向外分为三层结构，第一层：工作钢管层，简称钢管，选用无缝钢管或螺旋钢管或直缝钢管；第二层：聚氨酯保温层，简称保温层，包覆在钢管层的外表面，通过聚氨酯原料发泡制成；第三层：高密度聚乙烯保护层，简称外护层或外护管，通常是具有一定壁厚的黑色或黄色聚乙烯塑料管材。保温管的敷设一般采用地埋的方式，而且多经过条件复杂的地段，点多、线长、面广，一旦发生泄漏，难以及时发现或确定泄漏点，不仅会给用户造成不必要的损失，还可能酿成较大的事故。实现对管道渗漏远程探测、定位技术，提高对管道渗漏点预警与探测的及时性和精确性，是解决集中供热行业管道系统安全运行监控自动化的关键共性问题。

1 国内管道系统安全运行监测现状

30多年来，我国国民经济快速发展，集中供热模式的热力管网技术突飞猛进，通过引进、吸收国外先进供热管道制造技术，国内管材企业具备了钢管、聚氨酯保温层和高密度聚乙烯外护管三位一体结构保温管的生产能力，而且无论是制造工艺，还是产品种类、产品质量都逐步向国际先进水平靠近。但是，目前我国城市集中供热管道系统的安全运行监测大多采用落后的人工巡检方式，由巡检员定期携带相关检漏仪器沿管线进行检测，这就可能在发生泄漏后不能被及时发现和处理，会增大维修难度，甚至造成事故；另外，上述传统的检测手段一般只适用于对管道内介质泄漏的检测，主要是依赖升压、分段关阀门等低效、落后的检测方法先查找出泄漏管段，再通过相关检测仪器查找泄漏点，因此要求管道系统具有一定的运行压力，特别是在夏季管网维护排查过程中，还需要对系统进行升压，不仅提高了检测成本，而且升压后管道内介质的渗漏会进一步加剧，导致保温层潮湿范围增大，易引起更大面积的管道腐蚀，同时传统的检测手段针对轻微泄漏或由地下水渗入保温层的外泄漏故障无能为力。

2 供热管网安全运行监测系统的选择

针对传统的管道系统安全运行监测手段存在的弊端，优选的技术方案是在供热管网中配置可靠的安全运行监测系统，以实时监测管道运行过程中出现的泄漏点，并在管网中准确定位发生泄漏的具体位置。目前在国内具有运行可行性的监测系统有电阻法监测系统、阻抗法监测系统和基于光纤分布式测温的监测系统，其中阻抗法监测系统是利用泄漏的液体会改变检测系统阻抗这一原理，在管道保温层中安装铜线作为传感器导线，通过测量铜线和钢管之间的阻抗来判断泄漏情况及漏点位置。由于阻抗法监测系统在早期预警功能、施工方案适应性及运行可靠性方面具有明显的优势，成为国内城市供热管网建设中首选的管道系统安全运行监测系统。

3 阻抗法监测系统实施方案

阻抗法监测系统包括预埋在保温层中的信号传输导线、保温管道和外部监测及定位设备。

为了与阻抗法监测系统相匹配，唐山兴邦管道工程设备有限公司研发了一种带报警装置的智能保温管道，如图1所示，该智能保温管道包括由钢管1、保温层2、外护管3组成的保温管，并在保温管上预设监测点J，該智能保温管道还设置试验线4、报警线5、引出接头8和引出线9；其中试验线4和报警线5为预埋在保温层2内的裸铜导线，试验线4和报警线5均与钢管1的轴线平行布置，并与钢管壁外表面保持设定距离，如图2所示，在与钢管轴线垂直的截面上，试验线4位于半径为R2的圆周上，报警线5位于半径为R1的圆周上，R1>R2，即试验线5位于钢管1外表面与报警线5之间，试验线4、报警线5与圆心之间连线形成的夹角α=45°～90°，报警线5通过支架6安装，在钢管1外表面上设置若干呈直线分布的支架6，在支架上开设穿孔，报警线5穿过支架6上的穿孔；引出接头8固定在保温管预设监测点J的外护管处，在引出接头8上设置插接座Z和两个彼此绝缘的引出头A、B，其中引出头A与钢管端部外表面上设置接线柱7连接，引出头B可分别与试验线或者报警线连接；引出线9一端设置插头，插头与引出接头8的插接座Z连接，引出线9的另一端连接外部监测及定位设备10。

上述智能保温管道的工作原理是：报警线5与钢管1外壁形成连接在电路中的平行板电容器，通过外部监测及定位设备10可测量出该电容器的电容，根据平行板电容器电容计算公式：C=εS/d（式中C为平行板电容器电容，ε为极板间介质的介电常数，S为极板面积，d为极板间的距离），可见影响平行板电容器电容的因素包括极板间介质的介电常数、极板面积和极板间的距离，因此在保温管不泄漏的情况下，极板间介质为干燥的保温层材料，此时极板间介质的介电常数ε为一定值；当保温管出现泄漏现象时，管道中液体或管道外的地下水渗透扩散至保温材料中，使极板间介质的介电常数发生改变，从而引起电容值的变化，电容变化值反馈到外部监测及定位设备10，提供报警信息，再经外部监测及定位设备10的处理器进一步分析，便可以确定泄漏情况及保温层2中的潮湿点和泄漏点。

为保证智能保温管道中报警装置的可靠性，在每一件保温管产品出厂前需对其报警装置性能进行例行检验，由于例行检验不适于采用将保温层浸水来模拟泄漏现象的检测方法，因此在保温管道中还设置了试验线4，通过试验线4完成保温管产品报警装置出厂前的例行检验，其检测方法及原理为：首先利用外部监测及定位设备10测量报警线5与钢管1外侧面形成的平行板电容器电容，然后将试验线4与钢管1外侧面（或报警线5）搭接，使试验线4与钢管1外表面或（报警线5）共同形成平行板电容器的一个极板，非搭接试验线的报警线或钢管外侧面形成平行板电容器的另一个极板，由于试验线5位于钢管1外表面与报警线5之间，并且试验线4、报警线5与圆心之间连线形成的夹角α=45°～90°，此时由试验线4与钢管1外表面或（报警线5）共同形成的平行板电容器极板间的距离变小，电容变大，因此可根据外部监测及定位设备10测量的电容值判定报警装置的可靠性。如果在试验线4与钢管1外表面（或报警线5）搭接后，检测设备10测量的电容值发生了变化，由报警装置发出报警信息，即可证明报警装置工作可靠；如果在试验线4与钢管1外表面（或报警线5）搭接后，检测设备10测量的电容值没有变化，证明报警装置存在故障，该保温管产品判断为不合格产品。

与上述智能保温管道匹配的外部监测及定位设备可采用“互联网+”的构成方式，各检测设备彼此独立运行，数据通过无线传输，监测软件为基于WEB的SPG5.0检测系统，对访问用户数量、访问时间和访问地点均没有限制，通过监测软件可以实时了解各监测系统上传的监测测量数据，供用户判读，避免任何误报。

4 结论

本文通过对国内管道系统安全运行监测现状的分析，论述了传统的管道系统安全运行监测手段存在的弊端；根据阻抗法监测系统在早期预警功能、施工方案适应性及运行可靠性方面具有明显的优势，提出了阻抗法监测系统为我国城市供热管网建设中首选的管道系统安全运行监测系统的观点；通过对阻抗法监测系统中智能化保温管道结构及工作原理的描述，不仅为实现集中供热行业管道系统安全运行监控自动化提供了技术支持，而且使管道系统安全运行监测技术的产业转化具备了可行性。

作者简介：邱荣来（1950-），男，大专，高级工程师，董事长，研究方向：无支架直埋保温管制造技术。endprint