城市燃气埋地管道泄漏现场精确定位技术

任 峰 何仁洋 石秀山

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

城市燃气埋地管道是城市燃气输配的主要载体，按材质可以分为埋地钢质管道和埋地聚乙烯（PE）管道，由于受到外部腐蚀、外力机械破坏、施工质量缺陷、环境改变等因素的影响，燃气管道泄漏的事件经常发生，给市民的生命安全和经济财产造成严重威胁，经过研究总结分析，危害管道安全，可能造成燃气埋地管道泄漏的潜在危险主要有三类：1）与时间无关的危险，如第三方破坏、误操作、外力机械损坏及不良地质条件等造成管道本体损伤等；2）与时间有关的危险，如内腐蚀、外腐蚀和应力腐蚀造成钢质管道穿孔，聚乙烯管道在极端环境下材料降解老化等；3）固有危险，如制造与安装、改造、维修施工过程中产生的管道本体缺陷等[1]。查找并准确定位埋地燃气管道的泄漏点是维护管道安全运行，减少管道安全事故的重要手段。

1 城市燃气埋地管道泄漏检测技术概述

目前国内外输气管道泄漏检测技术方法可以划分为三大类：1）基于硬件检测技术；2）基于软件检测技术；3）基于人工巡检技术。

基于硬件检测技术通过物理原理的不同可以分为三类：1）利用声学和相关定位技术，通过采集分析泄漏声波振动信号确定管道泄漏点。优点是灵敏度高，可以检测较小泄漏量，并能实现连续在线检测，适用性较强。沈功田等采用声学和相关定位技术研制了管道泄漏定位检测仪器，检测效果较好[2]。2）利用光纤传感技术，按照原理不同分为基于光纤布拉格光栅、基于光纤散射和基于光纤干涉的管道泄漏检测技术等，优点灵敏度高，微小泄漏探测效果好，但是造价较高。3）利用内检测器的泄漏检测技术，将具有漏磁、超声、摄像等功能的内检测器置于管道内部并以一定速度运动，通过分析内检测器收集到的信号进行检测定位泄漏点，优点定位精度高、可信度高，但管道必须具备内检测器运行的条件，而且容易发生堵塞事故，运行成本较高。

基于软件检测技术按照分析参数和建立模型不同可以分为以下几类：1）基于压力参数分析方法，主要包括压力点分析法、负压波法、稳态压力梯度法、小波变换法等。优点是灵敏度高，适用性强，可以实时在线检测，缺点是对微小缓慢泄漏效果较差，定位精度低。2）基于质量平衡法，利用管道中流体物质流动的质量或体积守恒原理来判断是否存在泄漏并确定泄漏位置，可靠性高，能实时监测管道并发现微小泄漏，缺点是定位精度较低。3）基于神经网络方法，分别建立检漏和定位神经网络，通过分析参数变化判断是否存在泄漏并定位，抗噪声干扰能力强、灵敏度和检测精度较高、能检测微小泄漏、误报警率低，但是定位不精确[3]。另外还有基于管道数学模型法以及基于统计决策法，这些方法都各有优点，但是定位精度低，还需要进一步发展。

人工巡检技术由技术人员携带便携式泄漏检测设备或者大面积泄漏检测设备沿管道行进，对管道和附属装置进行泄漏检测和定位，优点是误报率较低，对一些早期建设未安装泄漏监测设备的管道尤其适用，缺点是不能实时监测，检测只能间断进行，人工成本较高。

埋地管道发生泄漏时燃气会在泄漏点周围扩散，在几米的范围内形成浓度场，以上技术只能确定管道泄漏点的大概位置，对现场泄漏点准确定位比较困难，也无法确定现场管道具体位置及埋深等问题，给泄漏点开挖抢修带来困难。经过现场实践发现，将人工巡检技术与其他技术相结合可以很好地解决城市燃气埋地管道泄漏精确定位的问题。

2 城市燃气埋地钢质管道泄漏检测定位技术

对于城市燃气埋地钢质管道的泄漏检测分为三步，其步骤如图1所示，经过现场实践验证，人工巡检技术与埋地钢质管道不开挖检测技术[4]相结合，对城市燃气埋地钢质管道燃气泄漏点的定位准确度高，节省开挖时间，及时进行管道维护排除险情。

图1 城市燃气埋地钢质管道泄漏检测步骤

2.1 由外力机械损坏（与时间无关）造成泄漏

使用燃气泄漏检测仪在某燃气公司埋地钢质燃气管道沿线打孔检测，并利用埋地管道防腐层检测设备确定管道位置和防腐层破损点位置，发现燃气泄漏值最大点与管道防腐层破损点之间约有1m的间距。

对燃气泄漏疑似点进行开挖验证，发现有水泥管道横跨在燃气管道上方（如图2所示），水泥管下方的燃气管道有严重的机械凹坑，去除管道防腐层在管体机械凹坑处发现燃气泄漏点（如图3所示），通过现场情况认定在进行水泥管施工时对燃气管道造成了机械破坏，最终导致管体穿孔漏气，属于典型的外力机械损坏。

图2 燃气泄漏点开挖

图3 管体机械凹坑和泄漏点

2.2 由外腐蚀（与时间有关）造成泄漏

某燃气公司负责供气的居民小区某单元楼无法正常供气，先利用燃气泄漏检测仪进行排查，确定埋地管道燃气泄漏的大致管段，再利用埋地管道不开挖检测技术在疑似泄漏管段查找防腐层破损点，开挖之后发现燃气泄漏是因为管道防腐层破损失效，管体受到外腐蚀所致（如图4所示）。管道腐蚀穿孔处手感光滑，边缘较清晰，判定为杂散电流干扰腐蚀[5]，此处管段未进行阴极保护，管道防腐层破损后受到杂散电流干扰，最终导致腐蚀穿孔[6]。

2.3 由管道施工缺陷（固有缺陷）造成泄漏

对某企业燃气管道进行检测发现疑似燃气泄漏点，开挖之后发现燃气泄漏点位于中压燃气管道预留头末端，如图5所示，经现场分析是管道安装过程中施工质量较差造成了预留头漏气。

图4 外腐蚀燃气泄漏点

图5 管道预留头末端漏气

3 城市燃气埋地聚乙烯管道泄漏检测定位技术

城市燃气埋地聚乙烯管道泄漏检测分为三步，其步骤如图6所示。

图6 城市燃气埋地聚乙烯管道泄漏检测步骤

由于燃气与沼气的主要成分都是甲烷（见表1），在实际检测中发现的疑似泄漏可能是地下沼气造成的干扰，采用气相色谱分析技术判别气体中是否含有乙烷成分就可以快速判断是否存在燃气泄漏。

表1 燃气与沼气组分对比表

埋地聚乙烯管道探测定位技术有探地雷达技术、示踪线探测技术、声学定位技术等[7]。

1）探地雷达技术。

探地雷达技术是通过在地面上移动的发射天线向地下发射高频电磁波，电磁波遇到不同的电性界面时，就会发生反射、透射和折射，反射到地面的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，通过雷达主机精确地记录下反射回波到达的时间、相位、振幅、波长等特征，再通过信号叠加放大、滤波降噪、图像合成等数据加工处理手段，形成地下剖面的扫描图像[8]。探地雷达探测能用于勘察埋地PE管道，但是受地质条件、其他管道、物体干扰大，需要检测人员具有专业基础知识和丰富现场经验。

2）示踪线探测技术。

示踪线探测技术是将电磁信号发射机与示踪线直接相连，在示踪线上产生一个电磁场信号，通过探测电磁场信号的中心位置来确定示踪线的位置和埋深（如图7所示）。该方法的优点是信噪比高，不易受临近管线干扰，探测结果比较准确，是目前探测效率最高、效果最好的探测技术，缺点是聚乙烯管道建设时需要随管敷设示踪线，且示踪线中间不能断开。

图7 示踪线探测技术示意图

3）声学定位技术。

声学定位技术是利用声波发射器向地面发射短波脉冲，遇到不连接界面时声波反射，管道外表面与土壤接触反射系数低，管道内表面与气体接触界面反射系数100%，接收器接收地表反射波和管道反射波（如图8所示），通过分析确定管道位置与埋深[9]。

图8 声学定位探测示意图

3.1 由外力机械损坏（与时间无关）造成泄漏

某燃气企业聚乙烯埋地管道被施工单位挖掘机挖伤管道，造成燃气泄漏，如图9所示。

3.2 由管道施工缺陷（固有缺陷）造成泄漏

对某企业利用燃起泄漏仪通过打孔检测方式在调压柜下方发现的聚乙烯管道钢塑转换接头处焊缝漏气，如图10所示。

图9 聚乙烯管道损伤

图10 钢塑转换接头焊缝漏气

对某燃气企业的聚乙烯燃气管道检测时发现阀井有疑似燃气泄漏现象，开挖后对阀门检测并未发现漏气，利用气相色谱分析确认泄漏气体含有乙烷，排除沼气引起的干扰，继续对管道开挖，在距阀门1m左右的地方发现鞍型三通，打开鞍型三通顶盖，涂抹肥皂水发现大量气泡涌出，确认鞍型三通泄漏，如图11所示。

图11 阀门附近发现鞍型三通漏气

4 结论

1）基于硬件和软件技术的管道泄漏检测技术不能精确确定管道泄漏点和管道位置与埋深，不能完全适用于城市燃气埋地管道泄漏点检测。

2）经现场实践检验，将人工巡检技术与埋地管道不开挖检测技术、气体分析技术等结合对于准确定位城市燃气埋地管道泄漏点具有很好的效果，这些技术可以独立应用于埋地管道检测，也可以作为基于硬件和软件的管道泄漏检测技术的有益补充。由此可见，随着新技术的发展，将各种技术取长补短，联合应用，能更好地解决城市燃气埋地管道泄漏检测定位的问题。

[1]GB/T 30582—2014 基于风险的埋地管道外损伤检验与评价[S].

[2]沈功田，刘时风，王玮. 基于声波的管道泄漏点定位检测仪的开发[J]. 无损检测，2010，32（01）：53-56.

[3]黄文，毛汉领. 管道泄漏检测用人工神经网络技术[J].油气储运，2002，21(04)：1-3．

[4]GB/T 19285—2014 埋地钢质管道腐蚀防护工程检验[S].

[5]任峰，何仁洋. 城市燃气管网检测问题研究[J].管道技术与设备，2014(05)：16-17.

[6]梁成浩，王杰，李淑英，等. 埋地管道杂散电流排流与阴极保护[J]. 腐蚀科学与防护技术，1998，10(02): 55-58.

[7]石秀山，何仁洋，曾维国，等. 埋地聚乙烯燃气管道基于失效模式的全面检验关键技术及工程应用[J].中国特种设备安全，2014，30(07)：8-12.

[8]张同全. 浅析地下PE管道的探测方法[J]. 建筑科学，2013(09)：233.

[9]曾岳梅，贾向炜，李英杰. 埋地PE管道声学定位探测技术应用研究[J]. 煤气与热力，2015，35（07）：30-32.