天然氣管網(wǎng)多種檢漏方式應(yīng)用分析

上海奉賢燃?xì)庥邢薰?李杰

1 燃?xì)庑孤z測(cè)技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)外天然氣管道泄漏的檢測(cè)方法有很多種，基本可概括為傳統(tǒng)的以氣敏型傳感器為核心的檢測(cè)技術(shù)和近年來(lái)發(fā)展較快的近紅外可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)。

1.1 氣敏傳感器檢測(cè)技術(shù)

用于天然氣檢漏的氣敏傳感器檢測(cè)技術(shù)主要包括：電化學(xué)傳感器檢測(cè)技術(shù)、半導(dǎo)體傳感器檢測(cè)技術(shù)、催化燃燒式傳感器檢測(cè)技術(shù)。之后出現(xiàn)的FID(flame ionization detector，火焰離子化檢測(cè)儀)改進(jìn)了傳統(tǒng)的催化燃燒式傳感器技術(shù)，通過(guò)主動(dòng)點(diǎn)燃樣氣并檢測(cè)集電極(CE)上樣氣燃燒所分解的離子電流可以精確的檢測(cè)到燃?xì)獾男孤舛?，是氣體色譜檢測(cè)儀中對(duì)烴類靈敏度最好的一種手段，廣泛用于揮發(fā)性碳?xì)浠衔锖驮S多含炭化合物的檢測(cè)。

氣敏傳感器檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)天然泄漏時(shí)最大的問(wèn)題在于氣體選擇性不強(qiáng)，存在抗干擾能力差的缺陷，特別是地下的沼氣成分與天然氣接近，經(jīng)常會(huì)造出天然氣泄漏的誤判。于是在燃?xì)鈾z漏中用到氣相色譜分析作為其他檢測(cè)設(shè)備的輔助檢測(cè)手段，通過(guò)乙烷分析等手段通過(guò)色譜組分判斷排除其它可燃?xì)怏w對(duì)天然氣測(cè)漏的干擾。

1.2 近紅外可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)

目前，近紅外可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)發(fā)展迅猛。TDLAS是一種利用半導(dǎo)體激光器可調(diào)諧性進(jìn)行光譜測(cè)量的技術(shù)，利用待測(cè)氣體分子的一條孤立的吸收譜線進(jìn)行吸收光譜測(cè)量。TDLAS根據(jù)調(diào)制方式不同，可以分為直接吸收光譜、波長(zhǎng)調(diào)制光譜(WMS)和頻率調(diào)制光譜(FMS)。

TDLAS系統(tǒng)利用激光二極管有很高的光譜分辨率和可調(diào)諧性，可以對(duì)特定分子在特定光譜范圍內(nèi)的一條振幅線的光譜吸收進(jìn)行測(cè)量而反應(yīng)吸收氣體濃度，而且能夠把待測(cè)分子與背景的干擾區(qū)分開(kāi)來(lái)。TDLAS在實(shí)際使用中通常采用波長(zhǎng)調(diào)制光譜(WMS)技術(shù)。

基于上述原理檢測(cè)天然氣首先要考慮的是其主要成分甲烷氣體吸收帶的分布。甲烷氣體分子有多個(gè)吸收帶，但是為了避免水汽等其它氣體的干擾，探測(cè)甲烷氣體時(shí)使用的主要是3.3 μm和1.65 μm兩個(gè)吸收帶，但是由于波長(zhǎng)3.3 μm的窄帶激光器采購(gòu)困難，操作復(fù)雜，很難滿足實(shí)際應(yīng)用要求，因此甲烷氣體的探測(cè)技術(shù)主要集中在1.65 μm光譜區(qū)。在1.65 μm光譜區(qū)甲烷氣體的吸收線線寬非常窄，常溫常壓下只有0.014 ~0.015 nm，而環(huán)境溫度的變化會(huì)引起激光波長(zhǎng)的變化，因此把激光波長(zhǎng)精確穩(wěn)定在甲烷吸收線中心而不發(fā)生偏移很難實(shí)現(xiàn)，所以最合理的做法是控制激光波長(zhǎng)，使其以吸收線為中心來(lái)回掃描，每個(gè)掃描周期激光波長(zhǎng)必定會(huì)經(jīng)過(guò)吸收線中心，這種方法叫做波長(zhǎng)調(diào)制光譜(WMS)技術(shù)。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生50 Hz鋸齒波信號(hào)(一次諧波)輸入到激光電流溫度控制器，對(duì)二極管激光器進(jìn)行調(diào)制。同時(shí)鎖相放大器輸出高頻正弦信號(hào)(二次諧波)對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制，調(diào)節(jié)并控制二極管激光器溫度，使激光器的中心頻率u等于要檢測(cè)的氣體的某條吸收譜線中心頻率。經(jīng)調(diào)制輸出的激光通過(guò)多次反射吸收池，被目標(biāo)氣體部分吸收后到達(dá)光傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)鎖相放大得到二次諧波信號(hào)，經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換采集到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理得到氣體濃度值。吸氣探頭上安裝位移傳感器，將吸氣探頭的位移數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)，從而得到時(shí)間、位置及氣體濃度關(guān)系，進(jìn)行天然氣管道泄漏檢測(cè)定位。

圖1 TDLAS天然氣管道泄漏檢測(cè)定位系統(tǒng)示意

2 奉賢燃?xì)舛喾N化檢漏儀器

奉賢燃?xì)庾鳛橐患姨烊粴庀掠武N售公司，根據(jù)公司運(yùn)行管理的特點(diǎn)，結(jié)合自身管網(wǎng)壓力級(jí)制低、流量壓力變化頻繁的特點(diǎn)，為了避免管網(wǎng)安全管理處于被動(dòng)的“靜態(tài)”管理狀態(tài)，加強(qiáng)了管網(wǎng)的巡檢。

在每組管線巡視人員配備 Cosmos(新宇宙)XP系列便攜式檢漏儀、定期例行檢測(cè)閥門(mén)等可測(cè)量位置的基礎(chǔ)上，奉賢燃?xì)庥邢薰居?2009年底斥資購(gòu)買了兩輛德國(guó)豎威(SEWERIN)PORTAFID LP電子燃?xì)鈾z漏車，之后又購(gòu)買了美國(guó)漢斯(HEATH)激光甲烷遙距檢漏儀(RMLD?)。用多種燃?xì)鈾z漏的方式更好地完成檢漏工作。

(1)便攜式檢漏儀攜帶便利費(fèi)用較低廉，配備于管線巡視人員能滿足日常例行檢測(cè)的需要；

(2)燃?xì)鈾z漏車測(cè)漏范圍廣、效率高，通過(guò)合理的管理安排兩輛檢漏車能完成對(duì)全區(qū)范圍(包括地下管線、地上燃?xì)庠O(shè)備以及居民小區(qū)等燃?xì)馐褂脜^(qū)域)絕大部分區(qū)域的檢漏覆蓋；

(3)美國(guó)漢斯(HEATH)激光甲烷遙距檢漏儀(RMLD?)的配備更是通過(guò)先進(jìn)的可調(diào)二極管激光光譜吸收技術(shù)提高檢漏的抗干擾性，并且RMLD最遠(yuǎn)檢測(cè)距離達(dá)到50 m，能完成橋管、單位用戶、小區(qū)等車輛、步行無(wú)法到達(dá)位置的檢測(cè)。

3 燃?xì)夤艿佬孤┑囊蛩胤治鲇懻?/h2>

2010年 1月、2月兩輛德國(guó)豎威(SEWERIN) PORTAFID LP電子燃?xì)鈾z漏車相繼投入檢漏工作，分別對(duì)整個(gè)奉賢燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行有計(jì)劃的地毯式全面檢漏。為了更好的滿足全范圍的檢漏目標(biāo)，提高檢漏的抗干擾性及精度，于2010年11月投入了美國(guó)漢斯(HEATH)激光甲烷遙距檢漏儀(RMLD?)。

2010年1月~2011年6月兩隊(duì)配置多樣化檢漏設(shè)備的檢漏小組，使用檢漏車共檢測(cè)到中壓管線泄漏165次(包括調(diào)壓設(shè)備)，低壓管線泄漏187次，其中橋管檢測(cè)使用激光甲烷遙距檢漏儀。

為了揭示奉賢地區(qū)燃?xì)夤艿佬孤┑囊?guī)律與分布，更好的防范燃?xì)庑孤┦鹿实陌l(fā)生，我們分別對(duì)中壓管線泄漏和低壓管線泄漏進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探討可能引起泄漏的各種因素，并且定量地考察這些因素對(duì)于泄漏可能的權(quán)重值。

中壓管泄漏統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 2010年1月~2011年6月中壓泄漏統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

從這一年半的檢漏數(shù)據(jù)可以看出，在投入PORTAFID LP電子燃?xì)鈾z漏車運(yùn)行后，檢測(cè)到了大量的以往靠傳統(tǒng)的檢漏方式難以發(fā)現(xiàn)的漏點(diǎn)。在通過(guò)了半年左右的第一遍管網(wǎng)漏點(diǎn)排除后，漏點(diǎn)被檢測(cè)到的數(shù)量明顯下降，這些情況都體現(xiàn)了檢漏車配合路面鉆孔機(jī)、HS680便攜式檢測(cè)儀所取得的管線檢漏的良好成果，降低了管線泄漏的危險(xiǎn)性。

從表1可看出2010年底激光甲烷遙距檢漏儀投入使用后又相繼檢測(cè)到了幾處以往沒(méi)有條件檢漏的橋管的泄漏情況，體現(xiàn)了激光檢測(cè)技術(shù)遠(yuǎn)距離檢測(cè)的優(yōu)越性。

根據(jù)一年半的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，我們從不同部件、管材、口徑、通氣時(shí)間等多方面對(duì)奉賢燃?xì)庵袎汗芫W(wǎng)泄漏進(jìn)行分析、探討。

3.1 地上設(shè)施(調(diào)壓站)

從表 1可見(jiàn)調(diào)壓站泄漏被檢測(cè)到的頻率較平均，主要原因可以歸納為調(diào)壓站作為地上燃?xì)飧綄僭O(shè)施，漏點(diǎn)檢測(cè)難度低；且因?yàn)檎{(diào)壓器在整個(gè)燃?xì)夤芫W(wǎng)當(dāng)中的重要性長(zhǎng)久時(shí)間來(lái)調(diào)壓器一直是巡視管理的重點(diǎn)，在未投入多樣化檢漏設(shè)備前依靠Cosmos手提式檢漏儀已經(jīng)形成了例行的調(diào)壓器檢查模式。

中壓管線調(diào)壓器泄漏占了較大的比例的分析：

3.1.1 掛壁式調(diào)壓器

掛壁式調(diào)壓器一般裝于建筑物墻壁上，受建筑沉降影響較大，特別是當(dāng)進(jìn)口端為埋地管接出、出口端為直接架空管時(shí)，由于進(jìn)出口管受沉降的影響不同，導(dǎo)致掛壁式調(diào)壓器內(nèi)接口易發(fā)生傾斜漏氣(見(jiàn)圖2)。其次掛壁式的放散閥也發(fā)現(xiàn)過(guò)多次泄漏。

圖2 地面沉降導(dǎo)致的掛壁式調(diào)壓器傾斜

3.1.2 箱式調(diào)壓站

對(duì)于箱式調(diào)壓站，泄漏的部位主要集中于：

(1)調(diào)壓站的進(jìn)出口法蘭接口；

(2)雙壓記錄儀的各個(gè)接口；

(3)調(diào)壓器各種閥門(mén)。

在使用時(shí)間方面對(duì)檢測(cè)到泄漏的調(diào)壓器也進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析：在定期保養(yǎng)以及調(diào)壓部件時(shí)時(shí)完好的管理體系下，調(diào)壓站內(nèi)管件的泄漏與使用時(shí)間沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)性，見(jiàn)表2。

表2 調(diào)壓器使用年限與泄漏比率

3.2 地下管線

地下管線的泄漏部位主要為閥門(mén)、橋管(主要泄漏埋地的法蘭接口)、水井、以及管道。

在總共檢測(cè)到的109次地下管線的泄漏中鑄鐵管區(qū)域達(dá)到了 56次，而中壓鑄鐵管管線總長(zhǎng)只占到了整個(gè)中壓管網(wǎng)的約 10%，鑄鐵管區(qū)域顯然是燃?xì)庑孤┑母甙l(fā)區(qū)域，特別是水井，全區(qū)范圍156只水井共檢測(cè)到32次泄漏，發(fā)生泄漏的比例相當(dāng)高。

(1)對(duì)于鑄鐵管易泄漏的問(wèn)題，主要原因?yàn)樗斔偷臍赓|(zhì)不同，鑄鐵管作為以前人工煤氣所采用的輸送管道，管道的承插、法蘭連接處一般采用的是耐油橡膠墊片或填料，其主要成分為丁腈橡膠。在原來(lái)的輸配介質(zhì)焦?fàn)t煤氣中，除 H2、CO、CH4等主要成分外，還含有一定量的水、煤焦油以及苯類芳香烴等雜質(zhì)。根據(jù)相似相溶原理，苯等芳香烴，尤其是苯，對(duì)橡膠具有較強(qiáng)的溶解作用。因此，原連接處橡膠墊片由于常年與人工煤氣接觸，墊片中的橡膠就會(huì)不斷地吸收人工煤氣中的苯。隨著季節(jié)的變換，地下管道會(huì)受地溫變化的影響而不斷地收縮或膨脹，進(jìn)而會(huì)造成連接管道及附件的法蘭的間隙在管道脹縮過(guò)程中不斷地發(fā)生變化，雖然這種間隙的變化很小，但是在客觀上存在。在法蘭間隙的變化過(guò)程中，要實(shí)現(xiàn)法蘭的密封就需要法蘭之間的墊片具有一定的可壓縮性和回彈性。在人工煤氣為介質(zhì)的管網(wǎng)系統(tǒng)中，接頭中的橡膠間由于吸收了人工煤氣中的苯而溶解變得膨脹。這種膨脹了的橡膠墊片填料，在人工煤氣管網(wǎng)中作為法蘭密封墊片，并不失去可壓縮性和回彈性。因此，在介質(zhì)為人工煤氣的管網(wǎng)中，這種膨脹的法蘭墊片和承插填料的密封作用還有效，輸送人工煤氣時(shí)并沒(méi)有出現(xiàn)閥門(mén)井和鋼制中壓水井的連接法蘭處泄漏的現(xiàn)象。然而，對(duì)于同樣的管網(wǎng)系統(tǒng)，同樣的壓力級(jí)制，輸送介質(zhì)由人工煤氣轉(zhuǎn)換成天然氣后，由于天然氣中不含苯等雜質(zhì)，而原先滲入到墊片的苯族化合物反而會(huì)從墊片中析出，而且苯族化合物溶解了橡膠中主要成分——丁腈橡膠，在苯族化合物從墊片中析出的過(guò)程中，被溶解的丁腈橡膠也會(huì)隨之析出，從而導(dǎo)致橡膠墊片收縮變干，甚至?xí)セ蚓植渴ハ鹉z的可壓縮性和回彈性。在冬季地下燃?xì)夤芫W(wǎng)因地溫下降而收縮時(shí)，法蘭之間的間隙變大，而橡膠墊片由于干縮失去了彈性，無(wú)法隨法蘭間隙變大而回彈，或者墊片變形不均勻，導(dǎo)致燃?xì)庠诜ㄌm連接處泄漏。所以鑄鐵管區(qū)域的各類接口以及閥門(mén)、水井成為了天然氣泄漏的主要部位。

(2)管道的泄漏除了氣質(zhì)轉(zhuǎn)化引起的原因外，還存在著一些人為破壞、施工原因、環(huán)境腐蝕以及地面沉降引起的泄漏。如施工中排管后管溝的原土回填夯實(shí)，如果管道上下回填土存在硬物，在地面沉降和管道上方道路負(fù)載的情況下會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力分布不均，甚至是某個(gè)點(diǎn)或某個(gè)截面的應(yīng)力集中導(dǎo)致管道的受損斷裂(見(jiàn)圖3)。

圖3 鋼管受應(yīng)力作用開(kāi)裂

(3)地下管道管徑對(duì)管線泄漏的影響進(jìn)行整理分析見(jiàn)表3。

表3 管徑與泄漏次數(shù)關(guān)系

從表3可以看出地下管道泄漏的概率與管徑無(wú)明顯關(guān)系。

(4)在對(duì)橋管泄漏的統(tǒng)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：橋管的泄漏主要發(fā)生于橋管兩側(cè)的法蘭接口以及彎頭處，而發(fā)生泄漏的橋管有一個(gè)顯著的特點(diǎn)：橋管的波形補(bǔ)償器拉伸長(zhǎng)度大于允許值，且大多超過(guò)允許值較多。排除施工安裝不規(guī)范使用波形補(bǔ)償器的原因外，使這些波形補(bǔ)償器超長(zhǎng)的原因是橋管的長(zhǎng)度變化較大。由于彎頭處為固定支點(diǎn)，較大的長(zhǎng)度變化會(huì)使彎頭處產(chǎn)生較大的彎曲力矩，并且傳遞到法蘭、承插接口處，導(dǎo)致接口松動(dòng)，使這兩處成為易漏點(diǎn)。

(5)在分析閥門(mén)泄漏數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)閥門(mén)的泄漏大多集中于各個(gè)預(yù)留閥門(mén)處，這個(gè)現(xiàn)象可能是由于預(yù)留閥門(mén)處的流體動(dòng)態(tài)有關(guān)，隨著用氣波峰波谷的壓力波動(dòng)預(yù)留閥門(mén)處的氣體流動(dòng)方向經(jīng)常改變方向來(lái)滿足管網(wǎng)的用氣變動(dòng)，流動(dòng)狀態(tài)的不穩(wěn)定可能是導(dǎo)致預(yù)留閥門(mén)處泄漏的因素。

(6)通過(guò)檢漏數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：法蘭接口存在多次泄漏的現(xiàn)象。法蘭接口泄漏的主要搶修方法為緊固螺絲，但在實(shí)際的操作中發(fā)現(xiàn)這種搶修方法的效果并不理想，這種方法進(jìn)行搶修往往只能治標(biāo)不治本，由于墊片失去彈性，隨著地溫變化或受力引起的管道長(zhǎng)度的微變就會(huì)引起此處接口的再次泄漏。

3.3 小區(qū)內(nèi)低壓管線泄漏分析

小區(qū)內(nèi)低壓管線的泄漏絕大多數(shù)為立樁處的泄漏，引入管連接立樁處埋設(shè)深度淺，淺層的土壤受環(huán)境溫度影響、受壓以及沉降的影響較顯著，土層的變化會(huì)將形變傳遞給立樁薄弱的雙承套筒處，而且由于燃?xì)饬⒐芤话愎潭ㄓ诮ㄖ隙秳t和埋于地底引入管相連，兩處變形差異大，也常導(dǎo)致立樁三通處的泄漏(特別是沒(méi)安裝波紋補(bǔ)償器的情況下)。

從統(tǒng)計(jì)分析中發(fā)現(xiàn)立樁的泄漏除了與小區(qū)的沉降因素有關(guān)之外，與小區(qū)的新舊程度、用氣負(fù)荷有關(guān)，用氣負(fù)荷越大燃?xì)鈮毫Φ淖兓筋l繁，頻繁的流體系數(shù)變化容易導(dǎo)致立樁的泄漏；奉賢地區(qū)的老式小區(qū)主要集中于南橋、奉浦區(qū)域小區(qū)道路狹窄，人流車流密集，不僅加劇了路面負(fù)載與沉降的程度，同時(shí)也導(dǎo)致立樁容易受到碰撞，引起人為的泄漏。低壓管線泄漏統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 2010年2月~2011年6月低壓泄漏統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

由于奉賢燃?xì)庥邢薰绢I(lǐng)導(dǎo)對(duì)燃?xì)廨斉浒踩闹匾?，以及天然氣供?yīng)部管線巡視組特別是兩個(gè)檢漏小組每位員工的辛勤工作，在2010年1月至2011年6月的一年半工作中共檢測(cè)處理了352次，多樣化檢漏方式聯(lián)合利用保證了全區(qū)管網(wǎng)檢漏的基本全覆蓋，而燃?xì)鈾z漏車以及激光甲烷遙距檢漏儀更是大大提高了中壓管線以及小區(qū)立樁的檢漏效率以及檢漏精度。通過(guò)HS680的氣相色譜分析功能，檢漏車在檢漏工作中多次排除了其他氣體的干擾(如2010年9月7日在環(huán)城西路大葉公路口北面污水井內(nèi)測(cè)出的泄漏信號(hào)，經(jīng)分析排除了天然氣泄漏的可能)。在采用多樣化燃?xì)鈾z漏組合拳的開(kāi)始半年時(shí)間內(nèi)查出了大量漏點(diǎn)，大大提高了整個(gè)燃?xì)夤芫W(wǎng)的運(yùn)行安全系數(shù)。

通過(guò)對(duì)泄漏數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，天然氣泄漏的重點(diǎn)在于鑄鐵管區(qū)域、凝水器(水井)、波形補(bǔ)償器超長(zhǎng)嚴(yán)重的橋管、沉降情況嚴(yán)重的立樁后未安裝波形補(bǔ)償器的小區(qū)等區(qū)域，對(duì)于這些區(qū)域應(yīng)該列為重點(diǎn)區(qū)域除去平時(shí)的巡檢外可安排額外的定期檢查，保障這些區(qū)域的輸配安全。

由于天然氣相對(duì)以往的人工煤氣有運(yùn)營(yíng)壓力高、氣體干性、純凈的特點(diǎn)，所以在條件允許的前提下鑄鐵管、水井的淘汰、更換，將是減少泄漏的核心工作。

加強(qiáng)施工質(zhì)量也是避免燃?xì)庑孤┦鹿实囊粋€(gè)重要環(huán)節(jié)，野蠻施工、強(qiáng)行組裝、回填土不達(dá)標(biāo)等將是管道的輸配運(yùn)行帶來(lái)極大的隱患，同時(shí)由于施工引起的泄漏事故一般搶修難度大、時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣。

電子燃?xì)鈾z漏車系統(tǒng)測(cè)漏范圍廣、效率高，能完成對(duì)全區(qū)范圍絕大部分區(qū)域的覆蓋性檢漏。激光甲烷遙距檢漏儀能完成橋管、單位用戶、小區(qū)等車輛、步行無(wú)法到達(dá)位置的檢測(cè)。加上早先的便攜式檢測(cè)儀，能滿足日常例行檢測(cè)的需要。奉賢燃?xì)廨斉涔ぷ髟谙冗M(jìn)、多樣、互補(bǔ)的測(cè)漏設(shè)備的裝備下，在過(guò)去的一年半里取得了良好成果。管道泄漏檢測(cè)是一門(mén)跨領(lǐng)域、多學(xué)科綜合的技術(shù)，涉及到熱力學(xué)、傳感技術(shù)、微弱信號(hào)檢測(cè)、管道流體力學(xué)、信號(hào)處理等多學(xué)科，而燃?xì)庑孤┑挠绊懸匾矘O為繁雜。作為奉賢燃?xì)廨斉涔芾淼囊粏T，必須努力實(shí)踐燃?xì)獾臏y(cè)漏和分析，準(zhǔn)確把握燃?xì)庑孤┑拿}絡(luò)、更好地完成安全穩(wěn)定的燃?xì)廨斉涔ぷ鳌?/p>