城市燃气管道泄漏定位技术综述

2023-10-14黄泽惠岑佶松韩赞东

煤气与热力 2023年9期

陈哲, 罗涛, 刘敏, 黄泽惠, 岑佶松, 韩赞东

(1.北京市燃气集团有限责任公司,北京100035;2.清华大学机械工程系,北京100084)

1 概述

随着建设资源节约型社会和环境友好型社会理念提出,燃气消耗量日益增长,城市燃气管道规模不断扩大。燃气设施在长时间高负荷运行下不可避免地出现燃气事故,其中由燃气管道泄漏导致的事故尤为严重,不仅会造成大面积的断气,还可能引起火灾、爆炸等恶性事故[1]。随着埋地燃气管道服役时间增长及地下服役环境日益复杂,各类风险不断加大。以北京市燃气集团的抢修作业为例,近3年因腐蚀、焊缝损伤造成的泄漏抢修事件占总抢修作业的比例超过60%,中低压管道的泄漏抢修占总抢修作业的比例超过90%。

管道泄漏定位技术是燃气管道运营过程中的关键技术,在泄漏事故发生之后对泄漏点进行定位。泄漏点定位的准确度和速度将直接影响后续开挖修复面积以及维抢修时间。因此在城市燃气管道泄漏事故中,使用恰当的泄漏定位技术既缩短了维修时间,减小了事故影响范围,又降低了抢修对城市生活和环境的影响。

现有管道泄漏定位技术在长输管道的泄漏检测和定位应用效果较好,但由于城市环境复杂,常用的技术在城市燃气管道上适应性差、可靠性差。本文对燃气管道泄漏定位技术进行综述,讨论泄漏定位技术在城市燃气管道的应用,总结现有技术的特点和不足,并对管道泄漏定位技术进行展望,以便选择合适的定位技术。

2 燃气管道泄漏定位技术现状

城市燃气管道泄漏定位的流程是先通过人工巡检、检测车检测发现某一区域燃气管道出现泄漏事故,确定事故区域,然后在区域内采取具体技术进行定位。在泄漏区域定位方面,气体成像法[2]、卫星红外检测[3]等技术的应用降低了泄漏区域的定位难度。但在城市环境中,泄漏点具体位置以及修复工作开挖区域是人工巡检无法确定的。此时就需要选择合适的定位技术进一步确定泄漏点位置和修复位置。

目前国内外燃气管道泄漏定位技术主要有探测孔定位法、声波定位法、探测球法、光纤传感器法、示踪剂检测法、质量平衡法等。

2.1 探测孔定位法

探测孔定位即在所确定的燃气泄漏区域内设置一系列的探测孔,探测土壤内的燃气浓度,根据所测的一定空间范围内的燃气浓度分布确定泄漏点位置。探测孔定位法燃气浓度检测现场见图1,图1中编号#23、#24、#25、#13是所设置的探测孔编号。理想情况下,土壤中管道泄漏的燃气扩散呈现出均匀的放射状扩散,燃气浓度最高的探测孔位置即可确定为泄漏点位置。

图1 探测孔定位法燃气浓度检测现场

探测孔定位法具有设备可靠、定位流程简单快捷的特点,在城市环境中适用性较强,是一种定位效果良好的成熟技术,但该方法在使用上也存在一定的缺陷。如果燃气泄漏时间过长,同时管道上方地表存在阻碍燃气扩散的沥青层等,燃气浓度分布会趋于饱和状态,即土壤内一部分区域的燃气浓度相近且处于一个较高的水平,形成气田。此时使用探测孔定位法就无法确定泄漏点的位置。此外,城市地下环境复杂,除诸多管道之外,还有井道、孔道等,这些都会对土壤中的燃气浓度分布产生影响,进而降低定位精度。

2.2 声波定位法

管道泄漏时,燃气在压差的作用下流向管道外,并在泄漏点处形成涡流,产生了振荡变化的压力或声波[4],即产生了一个声源。声源所产生的声波与管道相互作用,在管道内建立声场。声波定位法就是将泄漏产生的声源作为信号源,设置多个传感器采集声波,对所采集的信号进行相关分析处理即可定位泄漏点[5]。

声波定位法在泄漏定位上具有定位精度高、灵敏度高等特点,得到了广泛研究和应用。闫成稳等[6]通过仿真分析和实验验证,探究了不同压力、不同泄漏孔尺寸下的泄漏声源特性,结果表明声压级均值随管道内压和泄漏孔尺寸增大而增加。Mostafapour等[7]提出一种泄漏检测算法,首先通过小波变换和数字滤波消除声发射信号的主要噪声,然后通过互相关函数定位泄漏点。在城市燃气管道泄漏检测中,城市管道情况复杂,声波定位法需要根据实际情况开发匹配设备,无法大规模推广。

2.3 探测球法

探测球法将超声波探头和声波储存装置装载在探测球内,使用时将探测球放入管道,其在管道内部采集并储存管道泄漏所产生的超声波,通过所采集的超声波信号定位泄漏点。

探测球法可根据不同规格管道选择不同尺寸的探测球,由于城市管道维护状况不同,探测球可能会造成管道堵塞。此外,探测球法定位液体管道泄漏效果显著。但对于燃气管道泄漏,由于探测球在气流中运动的可行性和稳定性均次于液体,探测球法在燃气管道的应用受到了极大限制。

2.4 光纤传感器法

光纤传感器法根据原理可分为两类,一类是塑料包覆石英光纤传感器检测,燃气泄漏导致管道外光纤传输功耗增加,接收端光强度下降,低于设定水平时即可定位泄漏点。另一类是分布式光纤温度传感器检测[8]。由于介质温度不同,燃气泄漏会影响管道外侧温度分布,分布式光纤温度传感器可以连续测量管道外侧沿管道方向的温度分布,当温度变化超过一定范围时,即可定位泄漏点。

光纤传感器法具有较高的定位精度和响应速度,但其定位效果容易受到环境因素如土壤湿度的影响。

2.5 示踪剂检测法

示踪剂定位需要在管道中掺入示踪剂,当燃气管道泄漏时,示踪剂从泄漏点流出并扩散到周围环境中。通过采集周围环境示踪剂分布情况,分析并判断泄漏点位置。

示踪剂检测法具有成本低、检测条件要求低的特点,是一种比较成熟的管道泄漏定位技术[9-11]。在城市燃气管道泄漏定位的实际应用中,土壤环境、管道条件、示踪剂黏度和密度都会影响示踪剂检测的效果。

2.6 质量平衡法

质量平衡法的原理是质量守恒。无泄漏时,管道的输入质量流量应当等于管道的输出质量流量。发生泄漏时,这种平衡关系被打破。通过在管道的多个位置监测燃气质量流量,并进行分析计算,即可得到大致泄漏点位置。

由于管道内燃气温度、压力、密度存在波动,泄漏达到一定程度才能形成明显的质量流量差,进而进行泄漏点定位。这种方法最大的缺陷是定位时效性差、精度低。

3 管道泄漏定位技术展望

城市燃气管道泄漏定位技术的关键在于快速而准确地定位泄漏点,现有定位技术在城市地下管线情况复杂的背景下应用受限。声波定位法和探测球法都需要根据管道实际情况做一定的调整。光纤传感器法受环境因素影响较大,示踪剂检测法效果受示踪剂性质的影响,二者的定位精度存在问题。质量平衡法的分析、计算过程较为繁琐,时效性差。此外,以上方法都无法解决多泄漏点问题,无法同时精确定位同一区域内的多个漏点。

在实际应用中,探测孔定位法是常用的低成本检测方法,同时具备较好的定位精度和定位速度,但该方法对形成气田的泄漏点无法准确定位。此时,可以采用负压法。

基于负压法泄漏点定位是在燃气泄漏的高浓度区域选择合适的位置,通过负压抽吸构造负压点,检测负压点周围土壤中燃气浓度随时间变化规律,再结合土壤中燃气的运移特性,计算出泄漏点的位置。优化负压点周围检测点的布局,通过对多个负压点检测,提高泄漏点定位精度。基于负压法泄漏点定位见图2,图2中编号#1、#2、#3、#4是设置的探测孔编号。

沿管道方向设置一系列探测孔,通过测量探测孔内的燃气浓度,获得形成气田时土壤内的燃气浓度分布规律。随后在探测孔之间选取适当位置为负压点,使用气泵抽吸,短时间内改变土壤内的燃气分布状况。实时检测各个探测孔中燃气浓度的变化,根据土壤中的燃气运移规律,最终确定泄漏点位置。这种检测方法可以结合现场数据和仿真结果,不断优化仿真模型和计算方法,提高定位精度,从而避免多次开挖修复,同时为多泄漏点定位技术发展提供基础。