蒸汽供热管道运行安全与泄漏点定位

张叶龙

摘要：本文基于供热蒸汽管道运行系统并针对管道泄漏问题，通过分析城市蒸汽供热管道安全性表明我国的蒸汽供热系统还需进一步加强。如利用自动化系统实时监测管道内蒸汽压力和凝结水状况，从而预防水击等事故的发生。在蒸汽供热管网的运行过程中，有关管道的安全性评价标准以及泄漏点的定位方面还有着很大的研究空间，值得进一步去探索。

关键词：蒸汽供热管道;运行安全;泄露点定位

1城市蒸汽供热管道安全性分析

1.1蒸汽供热管道运行安全现状

随着供热需求不断增大，我国供热管网的数量和规模逐年增长。同时蒸汽管道等设备随着使用时间的推移，运行安全事故逐年增长。蒸汽供热管道一般埋于地下，在管道三通和法兰接头处由于常经高温高压蒸汽的冲刷，所以易发生穿孔甚至泄漏等事故。热电厂的大型锅炉及一级管网中高温高压蒸汽一旦发生泄漏等事故，不仅影响到供热系统的正常运行还威胁附近人员的安全。

目前工业应用中主要通过管道的压降、温降、热损失率、泄漏率、保温效果以及区域供热系统整体自动化调节水平等指标来评价蒸汽管道的。而管道的保温材料、焊接质量、敷设质量以及管道的支架等是否符合要求是国内外规范对城市供热管网的评价及验收标准。

1.2影响蒸汽供热管道运行安全因素

1.2.1管道腐蚀

管道腐蚀是影响蒸汽供热管道安全运行的主要因素。管道的腐蚀主要分为内腐蚀和外腐蚀两种情况。内腐蚀主要是由于蒸汽供热管道运行过程中，作为热媒的蒸汽温度高压力大，对管路冲击削薄。相较于其他热媒介质，蒸汽的电导率偏高，杂质离子较多，因此管道易发生化学和电化学腐蚀。外腐蚀是指管道金属材质与外部的环境比如土壤和大气等腐蚀性介质相接处引起的腐蚀。同时，由于管内蒸汽热媒的高温特点使得外部水分加热等因素引起水分在保温层下聚集，从而造成高腐蚀性的腐蚀区域，对管道产生保温层下腐蚀。针对蒸汽供热管道的腐蚀问题，现有的防范主要是通过加强水质管理和管道的冲洗以及设置防腐层等措施进行。

1.2.2设计和管理不当

设计和管理不当也是造成蒸汽供热管道运行事故的主要原因之一。因蒸汽温度高的特点产生的热膨胀问题在蒸汽供热管道结构设计时不可忽略。故在设计时需预先计算对应的管道热膨胀量，并根据计算结果设置对应的膨胀补偿方式。蒸汽供热管道的热膨胀补偿一般分为自然补偿和膨胀节补偿。自然补偿通常通过设置弯头实现，膨胀节补偿则需进一步计算补偿量。管道之间连接焊缝和管支架的布置也是设计管道的重要部分，设计前应了解当地的建设工况，设计时应严格遵守相关标准和国家规范。

1.2.3水击

蒸汽供热管道相较于其它类型的供热管道，具有沿程阻力小以及便于用户端热量和压力调节等优势。但在用热负荷过大的情况下易造成供热失调的现象，甚至会导致蒸汽滞留在管道内。在温度低于该压力下蒸汽的饱和温度情况下蒸汽会发生冷凝。一旦疏水器不能及时排出过量的冷凝水，这将导致蒸汽供热管道产生压力波动造成水击现象，对蒸汽供热管道的安全性能产生极大的威胁。

2蒸汽供热管道泄漏点定位

蒸汽供热管道的泄漏问题是影响城市蒸汽供热管网安全运行的主要因素。蒸汽发生泄漏不仅造成能源的巨大浪费，还会影响民生工程以及对相关人员造成生命威胁。

2.1蒸汽供热管道泄漏的主要原因

2.1.1自然因素

造成蒸汽供热管道泄漏的主要原因之一是管道腐蚀，其主要是由于管道的运行压力较大，蒸汽在输送过程中对管道进行一定的冲击，造成管道的损伤。此外蒸汽供热管道一般埋于地下，而土壤酸碱度和含水率等情况都将一定程度上腐蚀管道。地震、大雪、暴雨等自然灾害不仅会影响蒸汽供热管网的正常运行，甚至还会导致管道泄漏。

2.1.2人为因素

管道的设计不合理会影响管网的正常运行。针对施工方，管道的材质以及施工质量都是影响管道泄漏的主要因素。蒸汽供热管道在使用期间，地表承载等问题会导致管道受力不均匀导致破损，进而引发泄漏问题。

2.2管道泄漏相关的研究

由于腐蚀、磨损以及施工等因素的影响，蒸汽供热管道的泄漏时有发生。目前国内外学者主要采用实验和数值模拟的方法，通过参数和结构化的分析，得到蒸汽泄漏后沿定义路径管道各处以及周边土壤的温度场或力场等，并根据对场的分布进行分析进而确定泄漏点的位置。

2.2.1管道泄漏相关模型的研究

根据泄漏孔径（d）和管径（D）的大小，国内外专家学者提出3种典型的管道泄漏模型，其适用范围如表1所示。小孔泄漏模型主要适用于由腐蚀（内腐蚀、外腐蚀）等因素生成小孔，进而导致管道泄漏的情形。对于第三方破坏引起的管道泄漏，其泄漏孔口既不是小孔又不是完全破裂，这就需管道-小孔泄漏模型进行计算。管道模型的适用情形是当管道中发生水击等不利因素造成管道完全断裂。

针对供热管网泄漏问题，一些国内外学者建立管道泄漏监测模型。如雷翠红基于BP神经网络的方法建立非线性模式识别模型，并对该模型进行验证。结果表明此模型适用于中小型泄漏，且效果明显，但针对管道大尺度泄漏时精度仍有待提高。刘才等通过专家数据库，利用仿真的方法建立管道实时传输模型，通过对其分析表明该模型适用于监测中小尺度管道泄漏。此模型为通过数值模拟的方法定位泄漏点提供了科学依据。

埋地热力管道泄漏后，距管道越近的土壤，越易受到影响，而距管道一定距离后，土壤的温湿度几乎不受影响。基于以上理论，一些国内外学者提出热力管道泄漏扩散模型，如朱前、吴国忠等人在研究热油管道泄漏扩散过程中将半无限大的土壤区域简化为一个立方体状的热力影响区域，并建立物理模型，埋地热力管道径向截面如图1所示。基于该模型，通过实验和模拟的方法来研究热油泄漏扩散后周边土壤温度以及湿度等特性的变化，进而验证模型的正确性。同时刘国斌在该模型的基础上，基于实验和数值模拟的方法，通过研究分析埋地热水供热管道泄漏扩散的规律表明模型的正确性。热力管道泄漏扩散模型主要适用于以热油和热水为主的热力管道，但蒸汽供热管道泄漏扩散后温度场的分布与热水管道及热油管道泄漏后分布类似，且其都属于热力管道，因此该模型也为研究蒸汽供热管道泄漏扩散提供参考依据。

2.2.2管道泄漏實验及相关理论的研究

基于实验和数值模拟的方法，国内外学者针对管道泄漏等问题进行了研究，并取得一定的成果，但大都针对燃气管道而言，而关于热力管道泄漏方面的研究较少。

赵龙灿通过数值模拟的方法对热力管道泄漏扩散进行研究。结果表明管道泄漏后其周边土壤的温度以及磁场会发生变化，基于此，提出一种新型定位供热管道漏点的方法即磁-温梯度检测法，并通过一系列的实验进行验证，该方法操作较为简单具有一定的工程价值，但其适用性不强，只能检测管道正上方的泄漏。

袁朝庆基于管道泄漏检测的研究现状和发展趋势，通过实验以及理论分析等方法针对热力管道泄漏进行研究并通过工程实例为管道泄漏光纤光栅温度监测系统检测管道泄漏提供了理论依据和应用经验。

结束语

热源、供热管网以及热用户组成了集中供暖系统。我国蒸汽供热系统因自动化水平较低等缘故导致其运行损耗较大和事故频发。因此，城市蒸汽供热管道应从规范设计到运行操作再到事故处理等各方面都需进一步提高，同时快速准确的定位蒸汽供热管道泄漏点也极为重要。

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