可燃气体检测仪在终端燃气公司的应用探讨

2020-01-01卓勇刘宏陈琳王超

石油工业技术监督 2020年4期

卓勇,刘宏,陈琳,王超

中国石油天然气股份有限公司西南油气田燃气分公司（四川成都 610500）

0 引言

根据统计数据，我国2018年在燃气使用方面发生燃气爆炸事故814起，其中室内540起，室外274起，共造成80人死亡，超过928人受伤。可燃气体泄漏的原因多种多样，燃气管道的分布和管线长度极为复杂，数量巨大的关断阀门最易引发可燃气体泄漏，可燃气体泄漏的环境也是复杂多样[1]。本文主要讨论如何对现有的可燃气体检测仪通过合理配置和最优选用达到快捷、灵敏、准确地定位气体泄漏位置。

可燃气体检测仪是对天然气泄漏进行快速定性分析和定位研究的主要仪器，是保障居民人身和财产安全的重要仪器。通过对不同型号、性能和检测量程的可燃气体检测仪的分析，各终端燃气公司依据科学的选型建议合理地配备仪器，终端燃气公司检测人员能使用配备仪器高效地完成可燃气体泄漏的检测工作。这不仅提升可燃气体检测效率、节约劳动力，还能提高可燃气体泄漏的及时发现率，有效地减少甚至防止事故的发生[2]，对人民生命安全和国家财产的保护具有重要意义。因此，对现存的可燃气体检测仪的性能进行研究，整理终端燃气常见泄漏环境和检测需求，从而得出仪器配置的最优化方案，以保障天然气在生产、运输、销售、使用过程中的安全。

1 可燃气体检测仪的发展现状

可燃气体检测仪发展到现在，已经有依据多种检测原理设计而成的不同型号的可燃气体检测仪器，最主要的分为催化燃烧式、热传导式、红外吸收式、半导体式、电化学式、火焰离子化、光干涉式、声速差式等8种类型，以及最新研发超声波式可燃气体泄漏检测仪[3]。

1）催化燃烧式检测仪的运行依赖于电热催化元件（丝状或珠状）表面的可燃气体的氧化，这种氧化导致感应元件的温度作为监测到的气体浓度的函数发生变化[4]。这种检测仪适用于多种可燃气体的探测，可在扩散和抽吸两种模式下使用，检测浓度在低可燃极限之内的气体。催化燃烧式检测仪存在检测范围有限、易受干扰气体（氮气或二氧化碳）的影响、易发生催化剂中毒抑制作用等缺陷[5]。

2）热传导式检测仪的运行依赖于固定速度的气体样品流或扩散室中的电加热电阻元件(丝、珠或薄膜电阻器)的导热损失，然后确定电阻阻值的变化。这种传感器最适合于检测单一气体的导热率。热导率传感器适合于检测那些热导率与空气（其中空气是参考环境）热导率显著不同的情况，但仅在相对较高的浓度的气体情况下使用，气体的浓度通常高于低可燃极限。与热导传感器结合的仪表可用来测量像氢气这样传感器对其非常敏感、低于可燃极限的气体[6]。

3）半导体式检测仪的工作依赖于加热半导体感应元件暴露在空气中时化学吸收作用导致的电导的变化，气体浓度由检测到的导电性变化推断。半导体传感器可以在扩散模式或者取样模式下使用。这种传感器一般用于检测在指定浓度范围内的特定气体，易受湿度变化以及干扰气体的影响，而且会出现零点漂移和量程漂移[7]。

4）电化学式检测仪的工作原理在于特定气体存在时电极上电学参数的改变。电学参数会由于电解质中电极表面上的还原反应发生改变。电极和电解质通常被限制在半渗透膜内。电化学电池结构简单，功率较小，对特定可燃气体的敏感度非常高。

5）火焰离子式检测仪的运行依靠有机化合物的电离作用。电离产生的离子团在电离室两电极之间电位差梯度下迁移产生电流，此电流大小与气体流中气体或蒸汽浓度成正比。这种检测仪被用来检测低可燃限度之内可燃气体或空气混合物，在高敏感度、广测量范围、小测量不确定性、中毒抵抗性以及快反应时间内起重要作用的情况下使用，需要对该装置最不敏感的气体或蒸汽校准。这些因素对于无机气体，比如氢气不适用。气体样本，空气和可燃气体的压力应保持恒定，但是应当注意在采样管中的阻火器会被污染，而且在保持样本流量恒定时会有困难。

6）红外吸收式可燃气体检测仪依赖于被检测气体对电磁辐射束的能量吸收，现有的仪器在红外光谱范围内工作。这类仪器具有采样系统的特殊适应性分析仪，适用于潜在爆炸环境中安装的单点自给式电磁检测装置，比如在远程位置引导电磁光源从控制单元到传感器电磁的光学电缆。这类仪器具有高稳定能力,不受中毒影响并且在低可燃极限之上浓度显示明确，在自动标定、自我检测等技术的作用下，维护能力降低。这种仪器主要有两个优势：一是可以检测较大区域内较低浓度的碳氧气体泄漏，据研究其检测半径可达100～150 m；二是能够对多个潜在的碳氧气体泄漏点进行检测，适合于在检测环境复杂、仪器不方便铺设的户外进行检测。这类仪器的不足之处是不适用于检测标定过的气体混合物，在雾尘浓度较高的检测环境中，空气中的细微灰尘会遮挡住光学传感器探头的表面从而引发泄漏的误报。因此必须定期对传感器进行清洗保养。这类仪器不适用于测量氢气，由于开放光路的设计，对震荡造成的失准敏感。

7）光干涉式检测仪的检测机理为：空气和可燃气体对光的折射率不同，光束在两种介质中传播会因折射率差异而产生光程差，进而产生两束相干光，在出射端会有明暗相间的干涉条纹，通过测量干涉条纹的移动距离进而测定可燃气体的浓度。光干涉式可燃气体检测仪的准确度高，容易校准，外壳结实，测量浓度范围广。但存在的问题也明显，浓度测量结果不够直观，环境的气压和温度影响测量结果，对光学零件加工要求较高，导致成本高，难以实现自动化检测等。

8）声速差式检测仪基于声音在不同介质中传播速度不同来测定可燃气浓度。这类仪器检测精度虽然受气压影响小，但其易受环境气体、粉尘及气温等因素影响。由于其检测精度的限制，一般不用于测量低浓度瓦斯，而是用于检测矿井抽放瓦斯管道中的瓦斯浓度，使用较有限，不适用于可燃气体终端检测。

9）超声波式检测仪针对特定气体波段的激光在变送器内生成并沿开放通道发射到接收器，目标气体吸收窄波段的激光辐射，这种激光吸收产生一个谐波指纹。这个谐波指纹为目标气体所特有，而且其谐波幅度与激光束通道内的气体总量呈正比。超声波气体泄漏探测器配备ANN智能神经元网络技术的超声波气体泄漏探测器，能够准确地进行模式识别，并有效区分环境背景噪声（误报警）和危险气体泄漏的真实报警。

2 可燃气体泄漏常见原因分析

2.1 居民家庭用气泄漏常见原因

随着天然气在人民生产和生活中应用的深入，燃气泄漏也逐步成为威胁居民生命财产安全的重要因素[8]，燃气泄漏原因主要有以下几点：

1）燃气输送管道损坏、破裂而导致的燃气泄漏。据统计，因燃气输送管道的胶管破裂、脱落造成的燃气泄漏事件占到30%左右。造成胶管脱落损坏的原因主要有：①胶管使用时间过长，胶管出现局部的损坏和老化;②胶管上两端的卡子松动、破坏或未打卡子；③使用了质量不合格的胶管，在使用过程中被腐蚀或老化加快；④胶管未定期检修，被外界破坏等。

2）处于室外的燃气管道受到环境的侵蚀而损坏，导致燃气泄漏。造成室外燃气管道破坏的原因主要有以下3点：①燃气管道表面的防腐蚀漆层脱落而没有定期补刷，导致管道表面长时间与空气接触而被腐蚀；②由于管道本身长期处于潮湿环境中而被腐蚀损坏；③受到磕碰或人为搬移使燃气管道接口处松动，造成燃气泄漏。

3）接在燃气管道上的燃气表被破坏造成的燃气泄漏。其原因可归纳为以下两点：①燃气表使用时间过长，内部构件老化或损坏而没有更换或检修，导致燃气泄漏；②由于外界人为或自然作用导致燃气表内部零件松动或破坏造成的燃气泄漏。

4）使用燃气灶具点火时操作不当或未能成功点火而造成的燃气泄漏。原因主要有以下7点：①灶具内部的打火触点由于长时间使用而积累了污垢或其内部的微动开关故障；②燃气灶具内部进入了太多的空气，从而导致燃气泄漏；③长期未清理造成的燃气管道内部堵塞；④灶具内部点火的电路接触不良而导致的燃气泄漏；⑤使用灶具时经常大火煮沸且处理不当、不及时；⑥由于外力磕碰而导致点后针错位；⑦灶具工作时很长时间没有人员在场，灶具过长时间工作造成燃气泄漏。

5）燃气阀门处燃气泄漏。可能的原因有：①阀门在短时内多次开关导致机械疲劳使得阀门处燃气泄漏；②燃气管道内部短时间内没有燃气通过，但操作人员忘记关闭阀门造成的燃气泄漏；③阀门受到外力作用导致阀门内部出现空袭，使得燃气泄漏；④长时间未检修，燃气管道被气体中的硫化物腐蚀损坏，导致的燃气泄漏。

6）未经有关部门批准擅自修改或增加燃气管线，导致燃气泄漏。主要有以下几点：①为扩大燃气使用的覆盖面擅自增加三通或延长管线；②用户在进行室内装修时为了装修方便擅自移动管线；③极少数用户为了虚报燃气使用量而改装燃气表或擅自改动管线造成的燃气泄漏。

7）燃气公司在铺设管线或管道检修时没有按照相关标准进行施工而造成燃气泄漏。原因主要有以下几点：①管线维修或铺设完成后未对线路或设备进行全面检查就向管道中通入燃气，可能会造成燃气泄漏；②相关的燃气公司或单位对于新投运管网或检修管网没有按照规定进行置换，导致管道质量不合格造成泄漏；③对于即将投运的管网没有进行严格质量审查；④对于管网的定期入户修检宣传不够，且未按规定执行检修工作[9]；⑤对于管道泄漏处理不及时或泄漏处理未按规定执行而造成燃气二次泄漏。

2.2 工业用气泄漏常见原因

天然气作为清洁能源，越来越多地用作工业燃料，加之天然气的储量非常巨大，绝大部分工业燃料都已经被天然气所替代，以农夫山泉（峨眉山）生产基地调研结果为例分析工业用气泄漏常见原因。

1）气压转换站燃气泄漏。调压站一般位于工业用气进口，将长距离输送的高压天然气转换为低压天然气供工业使用，主要存在以下几个方面泄漏的可能：①高压管道输入口管道接口松动导致气体泄漏；②调压站内部布满众多调压阀门，阀门垫圈老化导致气体泄漏；③调压站内气压表损坏导致气体泄漏。

2）工业园区内部管线泄漏。工业园区内部空间宽阔，主要存在以下几个方面的泄漏可能：①燃气管线长期暴露在空气中，造成管线腐蚀发生泄漏；②园区内部叉车等作业车辆运行对管线的磕碰或破坏；③园区内部新设施的建设过程中对已经铺设完毕的管线的破坏。

3）天然气使用场所内部泄漏。工业上对天然气的使用一般是在锅炉房，通过燃烧提供内能，天然气使用过程中主要在以下几个方面容易发生泄漏：①房间内部管线的接头处连接不紧密导致天然气微漏；②阀门活动件由于频繁的开闭导致垫圈加速老化使天然气发生泄漏；③天然气管道进入锅炉内部的连接口易发生腐蚀导致燃气泄漏；④锅炉内部氧气不充足时，天然气燃烧不充分，逸散到房间内部导致泄漏[10]。

2.3 燃气公司内部单位场所泄漏常见原因

燃气公司内部单位主要包含加气站、配气站、调压站等单位，主要由专业技术人员负责管理和维护。常见的导致燃气泄漏的原因有以下3个方面。

1）活动构件频繁使用导致燃气泄漏。①在配气站、调压站等场所中，阀门等活动构件需要频繁地打开或者关闭，高频的启闭导致内部的橡胶垫圈老化引起燃气泄漏[11]；②活动构件的启闭过程中，过度的旋转导致活动构件的变形引起燃气泄漏；③天然气管道阀盘连接处的特殊处理暴露在湿润空气中，易发生电解腐蚀发生可燃气体微漏事故。

2）燃气管道内漏导致燃气泄漏。这种场所发生的泄漏分为外漏和内漏，其中外漏主要是管道内部的天然气逸散到空气中，内漏主要是因为阀门的关闭不严，导致天然气从管道内部逸散，从而排放到排污池中。

3）加气站燃气泄漏引发事故。加气站主要针对汽车等进行天然气销售，每年加气站发生燃气泄漏引发事故的数量非常大，其主要的原因是：①加气站接头与气罐接头的连接不紧密，导致天然气溢出；②充气桩维护不及时，充气橡胶管道老化导致泄漏；③天然气管道连接处的腐蚀导致燃气微漏[12-13]。

3 终端燃气泄漏常见检测环境分析

3.1 居民家庭泄漏常见检测环境

入户检测泄漏直接关系着居民的生命和财产安全，检测时所面临的环境较为复杂，对燃气泄漏检测要求的灵敏度较高、反应速度要求较快。根据调研及资料显示，主要分为灶前泄漏检测环境、燃气表泄漏检测环境、燃气进户接口泄漏检测环境、家用热水器泄漏检测环境和户内软塑胶管泄漏检测环境。其中灶前检测泄漏环境直接面临明火，极易引发爆燃爆炸事故[14]。

3.2 工业用气泄漏常见检测环境

工业用气泄漏一般直接威胁到工业财产安全，检测环境一般较为空旷，每个检测点之间距离较远，但是用气量一般较大，对燃气泄漏检测要求频率高、效果好。根据调研及资料显示，主要分为进气口泄漏检测环境、调压站泄漏检测环境、工厂内部管道泄漏检测环境、燃气表泄漏检测环境、锅炉燃气泄漏检测环境。其中调压站最易发生泄漏，因为其接近密封环境，空气流通速度慢，易发生可燃气体的聚集。

3.3 公司内部单位泄漏常见检测环境

公司内部单位发生的泄漏量一般较大、泄漏速度快，这是由于天然气在运输的过程中采用高压管道输送，如果发生泄漏则会造成极大的经济损失和危害。此类泄漏对于检测仪器要求灵敏度高、响应速度快、定位性能好。根据调研及资料显示，主要分为内漏和外漏。内漏一般由阀门的关闭不严造成燃气从管道内部逸散经排污管到排污池，主要为排污池泄漏检测环境。外漏检测环境主要分为活动部件、施工作业、长输管线、流量计部件泄漏检测环境等。其中最容易发生泄漏的部位为活动部件，由于经常性的启闭造成橡胶圈的老化引起泄漏。

4 终端燃气检测用检测仪选型建议

4.1 长输管线泄漏检测

长输管线一般距离非常远，管道线路一般位于郊区野外，检测环境较为复杂，检测工作量大且在传输过程中一般采用高压集输。因此可以对管道上游和下游的天然气通过量进行计量并将计量数据实时对比，若差异过大则表明发生泄漏。检测方法：首先利用工作人员的听觉，在管道沿线听取管道泄漏发出的持续巨大的漏气声，在人力不方便到达的位置采用激光甲烷测量仪判定是否发生泄漏情况，其中重点检测施工地段和发生地震、泥石流等自然灾害地段。

4.2 地下管道泄漏检测

地下管道的泄漏一般指位于城市地下管网的泄漏，这类泄漏一般由城市市政施工、地下管道的锈蚀、外部压力导致管道发生变形等原因造成。由于城市地面一般为沥青或水泥所覆盖，导致泄漏的天然气长距离逸散后，从缝隙或者下水道逸散到空气中。对于此类情形的检测建议是：首先在平整路面进行大面积排查确定大致存在泄漏的区域或范围，排查的同时利用乙烷分析仪对于下水道等位置进行乙烷检测分析，排除下水道中自然产生的沼气影响。然后对于可能发生泄漏的区域进行打孔，利用泵吸式可燃气体检测仪检测所打孔中的可燃气体浓度，综合一定数量的孔中检测的可燃气体浓度数据。根据可燃气体逸散的规律设计相应的算法计算出可燃气体泄漏的位置，挖开地表覆盖物进行处理。

4.3 终端微小泄漏检测

经过性能分析测试实验可以得到，单一功能可燃气体检测仪一般比多功能可燃气体检测仪在检测过程中的效果更好，对于定位可燃气体泄漏点的速度更快。在确定某个区域存在疑似泄漏情况时，可使用单一功能可燃气体检测仪进行快速定位泄漏点，一般使用泵吸式可燃气体检测仪[15]。

根据调研和实验测试的结果可以分析得到激光甲烷可燃气体检测仪的检测效果优于其他仪器。但是从激光甲烷的检测原理来看，此类仪器在定性问题上效果突出，但是在定位问题上不如泵吸式可燃气体检测仪。根据此情况，为了提高激光甲烷确定泄漏点的效果，可利用挡板辅助激光甲烷检测仪定位泄漏点。具体方法为：首先使用激光甲烷进行大范围的扫描检测确定甲烷云团的大致区域，在激光光路上距离仪器不同位置放置挡板进行检测，记录仪器显示数据，并将挡板沿远离激光甲烷方向进行挪动重复测量，通过对不同位置挡板时激光甲烷检测到的数据进行对比分析可以得到甲烷云团中浓度最高的位置。根据气体逸散的一般规律，气体浓度最大的位置一般为泄漏源。