基于二次拟合的埋地燃气管道氖示踪剂漏点检测方法

＊陈涛涛 刘瑶 高小雨 谭松玲 李伟 左丽丽

（1.北京市燃气集团有限责任公司 北京 100035 2.中国石油大学（北京）油气管道输送安全国家工程实验室 北京 102249 3.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室 北京 102249 4.中国石油大学（北京）城市油气输配技术北京市重点实验室 北京 102249）

随着天然气需求量不断增长，城市燃气管道规模与日俱增，同时燃气管道使用年限增长，尤其是在较发达地区，城市燃气管网已逐渐进入“老龄化”阶段，管道发生腐蚀泄漏的风险逐步提高。由于天然气属于易燃易爆气体，一旦发生爆炸会造成严重事故，不仅会造成天然气资源的浪费和环境的污染，而且直接威胁到人民的生命财产安全，因此城市燃气管道漏点检测对城市安全尤为重要[1-3]。城市燃气管道具有输送里程长、管径变化大、网络纵横交错等特点，使得漏磁检测法、直接观察法、光纤维泄漏检测法等受到限制[4-6]，因此要求检测方法的准确性较高。示踪技术由于其定位准、效果直观、成本比较低、对检测条件要求低等特点在压力容器泄漏检测和埋地燃气管道的泄漏检测中应用广泛，技术也较为成熟。示踪检测技术的核心在于示踪剂的选择，在燃气管道泄漏检测应用较多的示踪剂主要有四氢噻吩、SF6、氢气和氦气等气体，但上述示踪剂均有一定的适用范围[7-9]。氖气在燃气泄漏检测中的主要优势为：

（1）在大气中仅微量（0.0018%）存在，易于从空气中检出；（2）密度小于空气，易溢出地面，便于检测；（3）无毒无害不可燃不助燃，十分安全，因此本文提出采用氖作为示踪剂对埋地燃气管道泄漏进行检测和定位。

目前尚未有基于氖示踪剂埋地燃气管道泄漏检测技术的相关报道，对其实际应用效果缺乏了解。为此本文进行了氖示踪剂埋地燃气管道泄漏检测的实验研究，以验证其有效性并确定检测流程。此外由于现场检测数据常会因为各种扰动的存在而出现随机波动，并对漏点定位产生干扰，因此本文还对检测数据处理方法进行了重点研究。

1.实验过程和数据处理方法

(1)实验方案

埋地燃气管道泄漏实验的场地如图1所示。泄漏实验场地的管道总容积为0.1442m3，按实验条件0.05MPa折算，天然气体积为0.2163m3，示踪剂按10%标准的加注量为0.022m3（标况体积），合22L。本次试验计划使用的氖气为40L钢瓶充装，氖气纯度为99.999%，气瓶压力范围13±0.5MPa。

图1 实验现场示意图（单位：mm）

(2)实验过程

①打开泄漏孔控制阀门，使燃气向土壤中泄漏；

②根据甲烷浓度变化情况，在地面有甲烷泄漏的区域打了12个取样孔并进行编号如图2所示，分别在注气口、放散口、12个钻孔处采用甲烷浓度检测仪（HS660）进行甲烷本底浓度检测；

图2 取样孔编号及位置示意图（单位：mm）

③在完成本底浓度检测后，打开氖气加注装置的阀门，进行示踪剂加注；

④在放散端进行甲烷浓度检测，在甲烷浓度下降幅度达标后，表明氖气已充注到试验管段末端；

⑤在试验管段末端氖气浓度达标后，静置5min后，进行第一次浓度检测，其中甲烷浓度采用HS660检测，氖气浓度用气袋取样后用质谱方法检测；

⑥静置10min后，进行第二次浓度检测，检测方法同第一次浓度检测。

(3)实验数据

通过埋地燃气管道泄漏检测实验得到各检测点检测结果，如表1所示。

表1 各监测点检测结果

从表1显示的各点检测数据来看，不同检测方法获得的数据规律相似，但均具有一定的无序性，给漏点的确定带来了困难。传统数据处理方法为顶点法，即在各测点数据中取最高浓度的点为目标点。由于存在干扰点，很难直接运用顶点法确定漏点位置，需依赖现场人员的经验判断。为解决上述问题，本文提出二次拟合方法，通过对氖示踪剂埋地燃气管道漏点检测数据的处理来确定漏点位置。

(4)二次拟合方法原理

基于埋地管道泄漏气体浓度分布规律，即越靠近泄漏点浓度越高，采用最小二乘法对现场实验数据进行二次拟合。在拟合过程中，若出现对各组数据均有影响的测点（拟合结果不符合浓度分布的物理规律），则可推断出该测点即为干扰点。在确定干扰点并剔除后，进行二次拟合所形成的曲面顶点所对应x值即为漏点位置。

(5)二次拟合过程介绍

①曲面拟合

在拟合曲面过程中，只要检测点的数量足够多，便可拟合出曲面图形，所以可以灵活布置检测点并可充分利用检测点检测信息。本次实验的各项检测结果与各检测点坐标所形成的函数中，二次函数均可形成曲面图形，即可证明二次拟合对于本实验数据处理的可行性。

②干扰点判别

由于实验均有产生偶然性的可能，干扰点对数据拟合结果影响甚大，因此对于干扰点的判别也是数据处理工作中的要点。将实验所得所有数据信息导入进行二次拟合。

③剔除干扰点，重新进行曲面拟合

确定干扰点后，将8#及12#剔除，重新进行曲面拟合。5组拟合图形均符合泄漏扩散的浓度分布规律，从而可以确定所剔除的8#及12#为干扰点，从而有效的确定出漏点位置。曲面信息导出，确定顶点坐标。

④确定泄漏点坐标

经过上述软件拟合及计算工作后，可最终确定泄漏点坐标。x值即为泄漏点在燃气管线中的位置。

2.拟合结果分析

将表1中的数据进行二次拟合后的曲面图形如图3所示。

图3 甲烷本底浓度拟合结果

以甲烷本底浓度为例，由第一次拟合结果可知所形成图形为不规则图形，与燃气泄漏及扩散的物理规律不符合，可以确定在12个检测点中具有干扰点。采用逐个排除法进行干扰点的判别，最终确定8#及12#为干扰点。并以甲烷本底浓度为例，其拟合图形如4所示。

图4 甲烷本底浓度检测（排除8#、12#）拟合结果

以甲烷本底浓度为例，拟合出的曲面二次函数方程为：

式中：p00=56.31，p10=2.839，p01=-3.2，p20=-8.337，p11=0.6592，p02=-183.6。

由曲面方程可得甲烷浓度最大值f(x,y)max=56.3072%，令y=0，即可计算得出x=0.2161。经过二次函数的计算，泄漏点附近检测点浓度检测偏差所造成的影响也相应降低。

可得出各组数据拟合曲面方程具体信息如表2所示。

表2 拟合曲面方程具体信息

由二次拟合得到曲面图像的二次二元方程，最终得出曲面最高点处的x值如表3所示。

表3 曲面顶点所对应的x值

由表3可见各组检测数据拟合出的曲面顶点所对应x的位置均在0.10～0.27m范围内。通过实际开挖后获得的真实漏点位于0～0.5m之间，与二次拟合法处理得到的结果一致，这说明二次拟合方法有效可行，可用以确定泄漏点的位置。

3.结论

（1）在本文埋地燃气管道实验中，二次拟合法充分利用了检测数据并且通过排除法将失真点剔除，极大地提高了拟合结果的可信度。同时实验过程中检测结果往往存在偏差，由于二次拟合法是一个具有全局观的拟合数据方法，所以使得微小的测量偏差对结果的影响减小，可以证实本二次拟合方法的可靠性。

（2）本文提出了检测数据处理的二次拟合方法，通过二次拟合法处理检测数据，可以克服传统顶点法易受干扰、依赖人员经验的缺点，证实了该方法的准确性。

（3）通过实验验证了二次拟合法处理检测数据的可行性和有效性，五组数据的计算结果均与开挖获得的实际漏点位置一致，显示了这一方法的优点。

（4）二次拟合法可以有效利用所有漏点的浓度信息，而且可以根据拟合的曲面形状确定个别失真点并予以剔除，因而计算结果可信度更高。此外采用二次拟合法可以灵活布置测点，不需要遵循严格的打孔规则，个别测点浓度测量误差对最终结果的影响也相对较小。