燃气管网泄漏模式建立及应用

崔啸宇，高晨思聪

(1.北京市燃气集团第五分公司，北京 100191；2.中国石油大学(北京)克拉玛依校区，新疆 克拉玛依 834000)

1 泄漏燃气的运移

本文将燃气从管道泄漏至地表经过的运动，称为燃气运移。燃气运移分为两个过程，即初次运移和二次运移，初次运移和二次运移是一个连续过程，但是作用方式不同，对实际生产中影响有所区别。燃气的运移主要包含运移的动力、运移的方式和运移通道。

1.1 初次运移

初次运移是燃气从管道内泄漏至管道外的运动，只是燃气经漏点运移的过程，是一个短暂的过程。

在初次运移中，燃气运行的动力主要是运输过程中的压力，运移通道为漏点。城镇管网中不同压力，以及漏点的大小、位置和形状主要影响燃气的泄漏量以及初次运移的方向。而初次运移产生的影响在寻找漏点过程中将是一个最直观、最明显的标志，例如在应急抢修开挖到管线时，经常会发现会有干土或硬土贴在管道外管壁，这些位置基本是燃气管线漏点位置[1]。

1.2 二次运移

二次运移为燃气从进入土壤之后的一切运移。是一系列运动过程，主要包括泄漏的燃气运移到聚集空间或逸散到空气中的运移过程。

二次运移的动力主要是空气的浮力。空气浮力的作用方向为垂直向上，所以二次运移在不受其他地质条件干扰下为垂向运移。同时由于燃气易扩散，以及初始压力的释放，会发生侧向运移。

但是由于城镇地下情况复杂，造成城镇燃气管网在地下运移方向和距离的不同，对燃气二次运移有很大影响。本文依据《城镇道路开挖及快速回填技术规程》，主要针对常见三种情况简要分析运移通道的作用。

(1)在理想状态下，即燃气管线上方覆盖土壤均匀、松散，土壤之间形成均匀孔隙，而这些孔隙就形成了良好的运移通道，使燃气二次运移能以标准的垂向运移和侧向运移结合的方式运动(如图1(a)所示)。

(2)城镇建设中多以建筑回填土为主，建筑回填土中存在水泥板以及砖头，而这些影响因素会导致施工过程中夯实不均匀。燃气在运移过程中，会首先在下方土壤松散层进行侧向运移，在绕过水泥板和致密层之后再次垂向运移。两种方式都会形成多种通道，不同通道会以单一垂向运移或侧向运移为主。此种运移通道会导致漏点位置与地表检测位置产生一定的偏差(如图1(b)所示)。

(3)城镇地下空间有限，地下管网错综复杂，尤其以污水管、暖气管沟、电缆沟为代表的管网对燃气运移影响巨大。因为地下管网的交错分布，燃气在运移过程中会进入其他市政管线，污水管、暖气管沟、电缆沟由于其密封不严，内部空间四通八达的特点，为燃气形成了顺畅的运移通道，导致燃气泄漏形成大面积的浓度区域。此种运移通道对燃气漏点定位干扰最大，同时也最危险(如图1(c)所示)。

图1 燃气泄漏路径示意图

2 泄漏燃气的聚集

燃气的聚集是燃气停止运移并聚集的状态。燃气的聚集是检测工作的最直观表现，是检测工作中发现漏气和定位的初步判断。燃气的聚集需要满足两个特点，即储集空间和遮盖层，储集空间为燃气提供“住所”，遮盖层为燃气提供约束条件。城镇燃气泄漏导致的聚集主要分为三种情况：

(1)燃气运移至地表，由于地表土质疏松，在地表孔隙中会聚集一些燃气，但由于地面存在一些裂缝，燃气则会通过这些裂缝或直接通过土壤逸散到空气中，从而被检测仪器检测到浓度。

(2)在一些市政道路，由于柏油马路致密性较强，地下无机料充填物孔隙度较高，满足燃气聚集的条件，通常燃气泄漏会在道路下方聚集。这种情况会导致地表检测浓度较低，但是打孔浓度较高。

(3)市政管线(污水管、暖气管沟、电缆沟)会固定燃气二次运移的方向，导致一些市政井成为良好的储集空间。但是一些市政井距离漏点的远近，及对应市政管线的走势，导致聚集在井里的燃气浓度有很大区别。

3 燃气管网泄漏分析及应用

通过以上分析，建立城镇燃气管网的泄漏模式为：以自身压力和空气浮力为动力，多种运移通道并存，通过垂向运移和侧向运移的综合作用方式，聚集在覆盖层之下或逸散到空气中。燃气泄漏中初次运移基本相同，针对城镇地下土层对二次运移的不同作用方式，建立三种具体泄漏模式并进行案例应用。

3.1 均匀土层的燃气泄漏分析及案例

均匀土层的燃气泄漏模式：土壤回填均匀，形成以土壤孔隙为主的运移通道，垂向运移方式为主，聚集到路面之下或逸散到空气中的模式。

检测人员在对西城区某小区内低压管线开展泄漏检测工作时，检测到小区4号楼北侧一处疑似泄漏，东西走向低压DN300管线上方的硬质路面使用HS680检测燃气体积浓度最高1%，燃气管线周边无相邻市政管线和市政闸井，与路政单位对接得知，此处回填为质地均匀的沙土，分析其可能为一类运移通道。

首先，在地表浓度最高的燃气管道上方进行打孔，打孔方式为5×4(如图2(a)所示)、间距为40 cm的共计20个探测孔的矩阵，深度全部保持一致且穿透硬质路面，形成第一层级探测点，并对每个探测点进行浓度检测，筛选出浓度较高且数值较为一致的探测点，圈定出第一级等浓度梯度层。

随后，将燃气浓度较高区域内的探测点继续增加15 cm的深度，形成第二层级探测点，对全部第二层级探测点进行浓度检测，筛选出浓度较高且数值较为一致的探测点，基于筛选出的第二层级探测点得到的浓度分布情况，圈定出第二级等浓度梯度层。

以此类推，共计形成五级探测点、圈定五级等浓度梯度层，随后将每一级浓度层中浓度最高的探测点进行由地表到地面的连线，推导出泄漏燃气的运移通道，继而推导出泄漏点的准确位置。经开挖核实，低压DN300管线管壁北侧处有1处腐蚀漏点，与推导出的泄漏点位置基本一致，开挖面积仅2.1 m2。

此处泄漏属于一类运移通道，以土壤孔隙为通道，垂向运移为主，侧向运移辅助的共同作用方式，在路面下方形成聚集的泄漏模式，也是最好判断漏点位置的情况。

3.2 不均匀土层的燃气泄漏分析及案例

不均匀土层的燃气泄漏模式：土壤回填土质不均匀，会形成多种运移通道，包括未夯实的沟槽及一些水泥盖板，改变了燃气的运移方向，多种运移过程结合，单一运移过程以垂向运移或侧向运移为主，燃气聚集在土层形成空间的燃气泄漏模式[2]。

检测人员在海淀区花园路某学校开展检测工作时发现一处疑似泄漏位置，地表为水泥路面，使用HS680在地表检测浓度为0.12%(体积百分比)，周边市政闸井无浓度，检测人员沿管线进行打孔定位，经打孔检测3#点浓度较高，为35%(体积百分比)，远高于爆炸上限，而管线南侧的6#和15#浓度仅8.5%(体积百分比)，以及6#和15#东西两侧浓度逐步降低，于是决定启动应急开挖3#点位置(如图2(b)所示)。

在开挖过程中，3#点开挖深度约60 cm位置见到管线，同时管线向南有下倾趋势，管线下方因回填未夯实形成孔隙，并向南延伸形成沟槽。将此段管线清除防腐后未发现漏点，检测管线下方沟壑浓度30%(体积百分比)。现场分析此处可能为二类运移通道，燃气很大可能由南侧经二次运移至3#位置。于是继续向南扩坑，经开挖核实在6#中压和15#低压三通位置发现两处漏点。

这种情况属于第二类运移通道，管线周边土壤因外界因素形成沟槽，同时管线有下倾趋势，造成了地势的区别。两种因素结合在一起导致燃气形成了固定方向的运移通道，以侧向运移为主，聚集在土壤沟槽的模式。

3.3 复杂管网影响下的燃气泄漏分析及案例

复杂管网影响下燃气的燃气泄漏模式：主要为复杂管网提供运移通道，改变运移方向，侧向运移为主，市政闸井形成运移空间的泄漏模式。

检测人员在对海淀区某大学校内低压管线开展泄漏检测工作时，检测到1座污水井内含有可燃气体浓度，使用HS680进行两次气相色谱分析均含有甲烷、乙烷、丙烷，确定附近燃气管线存在漏气隐患。距污水井最近管线为南侧的东西走向DN250低压管线，经管线上方打孔检测均为较低的浓度点，随即沿污水管线走向扩大检测范围，发现多座甲烷浓度较高的污水井，其中污水井内甲烷浓度最高达28%(体积百分比)(如图2(c)所示)。

图2 管网泄漏抢修检测点位分布图

通过开盖放气、查看地下污水管线走向及高差，结合污水管线与燃气管线相对位置关系，确定为第三类泄漏模式，迅速确定污水管线与燃气管线的交叉点并开挖。经开挖核实，于低压DN250管线与污水管道交叉点找到1处燃气管道腐蚀漏点。

这是一起较明显的污水管网提供运移通道，并在污水井内形成聚集的应用案例。主要污水管道提供运移通道，沿污水管线走向为运移方向，侧向运移为主的方式，在污水井形成聚集空间的泄漏模式，这种模式主要特点是运移距离较远，运移方向明确。

4 结语

本文在城镇燃气管网基础上，结合了油气成藏机理，综合分析天然气泄漏之后在均匀土层、非均匀土层及复杂地下管网影响下的运移方式，总结了科学分布检测点，形成等浓度梯度层，结合土层构造及地下运输通道的影响，对燃气管网漏点快速定位的方法，在生产工作中实际案例的综合运用，取得较好的效果，极大保障了人民的安全，减少财产损失。