城市燃氣埋地管道泄漏現(xiàn)場精確定位技術(shù)

任 峰 何仁洋 石秀山

（中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

城市燃氣埋地管道是城市燃氣輸配的主要載體，按材質(zhì)可以分為埋地鋼質(zhì)管道和埋地聚乙烯（PE）管道，由于受到外部腐蝕、外力機械破壞、施工質(zhì)量缺陷、環(huán)境改變等因素的影響，燃氣管道泄漏的事件經(jīng)常發(fā)生，給市民的生命安全和經(jīng)濟財產(chǎn)造成嚴重威脅，經(jīng)過研究總結(jié)分析，危害管道安全，可能造成燃氣埋地管道泄漏的潛在危險主要有三類：1）與時間無關(guān)的危險，如第三方破壞、誤操作、外力機械損壞及不良地質(zhì)條件等造成管道本體損傷等；2）與時間有關(guān)的危險，如內(nèi)腐蝕、外腐蝕和應(yīng)力腐蝕造成鋼質(zhì)管道穿孔，聚乙烯管道在極端環(huán)境下材料降解老化等；3）固有危險，如制造與安裝、改造、維修施工過程中產(chǎn)生的管道本體缺陷等[1]。查找并準確定位埋地燃氣管道的泄漏點是維護管道安全運行，減少管道安全事故的重要手段。

1 城市燃氣埋地管道泄漏檢測技術(shù)概述

目前國內(nèi)外輸氣管道泄漏檢測技術(shù)方法可以劃分為三大類：1）基于硬件檢測技術(shù)；2）基于軟件檢測技術(shù)；3）基于人工巡檢技術(shù)。

基于硬件檢測技術(shù)通過物理原理的不同可以分為三類：1）利用聲學(xué)和相關(guān)定位技術(shù)，通過采集分析泄漏聲波振動信號確定管道泄漏點。優(yōu)點是靈敏度高，可以檢測較小泄漏量，并能實現(xiàn)連續(xù)在線檢測，適用性較強。沈功田等采用聲學(xué)和相關(guān)定位技術(shù)研制了管道泄漏定位檢測儀器，檢測效果較好[2]。2）利用光纖傳感技術(shù)，按照原理不同分為基于光纖布拉格光柵、基于光纖散射和基于光纖干涉的管道泄漏檢測技術(shù)等，優(yōu)點靈敏度高，微小泄漏探測效果好，但是造價較高。3）利用內(nèi)檢測器的泄漏檢測技術(shù)，將具有漏磁、超聲、攝像等功能的內(nèi)檢測器置于管道內(nèi)部并以一定速度運動，通過分析內(nèi)檢測器收集到的信號進行檢測定位泄漏點，優(yōu)點定位精度高、可信度高，但管道必須具備內(nèi)檢測器運行的條件，而且容易發(fā)生堵塞事故，運行成本較高。

基于軟件檢測技術(shù)按照分析參數(shù)和建立模型不同可以分為以下幾類：1）基于壓力參數(shù)分析方法，主要包括壓力點分析法、負壓波法、穩(wěn)態(tài)壓力梯度法、小波變換法等。優(yōu)點是靈敏度高，適用性強，可以實時在線檢測，缺點是對微小緩慢泄漏效果較差，定位精度低。2）基于質(zhì)量平衡法，利用管道中流體物質(zhì)流動的質(zhì)量或體積守恒原理來判斷是否存在泄漏并確定泄漏位置，可靠性高，能實時監(jiān)測管道并發(fā)現(xiàn)微小泄漏，缺點是定位精度較低。3）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，分別建立檢漏和定位神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過分析參數(shù)變化判斷是否存在泄漏并定位，抗噪聲干擾能力強、靈敏度和檢測精度較高、能檢測微小泄漏、誤報警率低，但是定位不精確[3]。另外還有基于管道數(shù)學(xué)模型法以及基于統(tǒng)計決策法，這些方法都各有優(yōu)點，但是定位精度低，還需要進一步發(fā)展。

人工巡檢技術(shù)由技術(shù)人員攜帶便攜式泄漏檢測設(shè)備或者大面積泄漏檢測設(shè)備沿管道行進，對管道和附屬裝置進行泄漏檢測和定位，優(yōu)點是誤報率較低，對一些早期建設(shè)未安裝泄漏監(jiān)測設(shè)備的管道尤其適用，缺點是不能實時監(jiān)測，檢測只能間斷進行，人工成本較高。

埋地管道發(fā)生泄漏時燃氣會在泄漏點周圍擴散，在幾米的范圍內(nèi)形成濃度場，以上技術(shù)只能確定管道泄漏點的大概位置，對現(xiàn)場泄漏點準確定位比較困難，也無法確定現(xiàn)場管道具體位置及埋深等問題，給泄漏點開挖搶修帶來困難。經(jīng)過現(xiàn)場實踐發(fā)現(xiàn)，將人工巡檢技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合可以很好地解決城市燃氣埋地管道泄漏精確定位的問題。

2 城市燃氣埋地鋼質(zhì)管道泄漏檢測定位技術(shù)

對于城市燃氣埋地鋼質(zhì)管道的泄漏檢測分為三步，其步驟如圖1所示，經(jīng)過現(xiàn)場實踐驗證，人工巡檢技術(shù)與埋地鋼質(zhì)管道不開挖檢測技術(shù)[4]相結(jié)合，對城市燃氣埋地鋼質(zhì)管道燃氣泄漏點的定位準確度高，節(jié)省開挖時間，及時進行管道維護排除險情。

圖1 城市燃氣埋地鋼質(zhì)管道泄漏檢測步驟

2.1 由外力機械損壞（與時間無關(guān)）造成泄漏

使用燃氣泄漏檢測儀在某燃氣公司埋地鋼質(zhì)燃氣管道沿線打孔檢測，并利用埋地管道防腐層檢測設(shè)備確定管道位置和防腐層破損點位置，發(fā)現(xiàn)燃氣泄漏值最大點與管道防腐層破損點之間約有1m的間距。

對燃氣泄漏疑似點進行開挖驗證，發(fā)現(xiàn)有水泥管道橫跨在燃氣管道上方（如圖2所示），水泥管下方的燃氣管道有嚴重的機械凹坑，去除管道防腐層在管體機械凹坑處發(fā)現(xiàn)燃氣泄漏點（如圖3所示），通過現(xiàn)場情況認定在進行水泥管施工時對燃氣管道造成了機械破壞，最終導(dǎo)致管體穿孔漏氣，屬于典型的外力機械損壞。

圖2 燃氣泄漏點開挖

圖3 管體機械凹坑和泄漏點

2.2 由外腐蝕（與時間有關(guān)）造成泄漏

某燃氣公司負責(zé)供氣的居民小區(qū)某單元樓無法正常供氣，先利用燃氣泄漏檢測儀進行排查，確定埋地管道燃氣泄漏的大致管段，再利用埋地管道不開挖檢測技術(shù)在疑似泄漏管段查找防腐層破損點，開挖之后發(fā)現(xiàn)燃氣泄漏是因為管道防腐層破損失效，管體受到外腐蝕所致（如圖4所示）。管道腐蝕穿孔處手感光滑，邊緣較清晰，判定為雜散電流干擾腐蝕[5]，此處管段未進行陰極保護，管道防腐層破損后受到雜散電流干擾，最終導(dǎo)致腐蝕穿孔[6]。

2.3 由管道施工缺陷（固有缺陷）造成泄漏

對某企業(yè)燃氣管道進行檢測發(fā)現(xiàn)疑似燃氣泄漏點，開挖之后發(fā)現(xiàn)燃氣泄漏點位于中壓燃氣管道預(yù)留頭末端，如圖5所示，經(jīng)現(xiàn)場分析是管道安裝過程中施工質(zhì)量較差造成了預(yù)留頭漏氣。

圖4 外腐蝕燃氣泄漏點

圖5 管道預(yù)留頭末端漏氣

3 城市燃氣埋地聚乙烯管道泄漏檢測定位技術(shù)

城市燃氣埋地聚乙烯管道泄漏檢測分為三步，其步驟如圖6所示。

圖6 城市燃氣埋地聚乙烯管道泄漏檢測步驟

由于燃氣與沼氣的主要成分都是甲烷（見表1），在實際檢測中發(fā)現(xiàn)的疑似泄漏可能是地下沼氣造成的干擾，采用氣相色譜分析技術(shù)判別氣體中是否含有乙烷成分就可以快速判斷是否存在燃氣泄漏。

表1 燃氣與沼氣組分對比表

埋地聚乙烯管道探測定位技術(shù)有探地雷達技術(shù)、示蹤線探測技術(shù)、聲學(xué)定位技術(shù)等[7]。

1）探地雷達技術(shù)。

探地雷達技術(shù)是通過在地面上移動的發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波遇到不同的電性界面時，就會發(fā)生反射、透射和折射，反射到地面的電磁波被與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收后，通過雷達主機精確地記錄下反射回波到達的時間、相位、振幅、波長等特征，再通過信號疊加放大、濾波降噪、圖像合成等數(shù)據(jù)加工處理手段，形成地下剖面的掃描圖像[8]。探地雷達探測能用于勘察埋地PE管道，但是受地質(zhì)條件、其他管道、物體干擾大，需要檢測人員具有專業(yè)基礎(chǔ)知識和豐富現(xiàn)場經(jīng)驗。

2）示蹤線探測技術(shù)。

示蹤線探測技術(shù)是將電磁信號發(fā)射機與示蹤線直接相連，在示蹤線上產(chǎn)生一個電磁場信號，通過探測電磁場信號的中心位置來確定示蹤線的位置和埋深（如圖7所示）。該方法的優(yōu)點是信噪比高，不易受臨近管線干擾，探測結(jié)果比較準確，是目前探測效率最高、效果最好的探測技術(shù)，缺點是聚乙烯管道建設(shè)時需要隨管敷設(shè)示蹤線，且示蹤線中間不能斷開。

圖7 示蹤線探測技術(shù)示意圖

3）聲學(xué)定位技術(shù)。

聲學(xué)定位技術(shù)是利用聲波發(fā)射器向地面發(fā)射短波脈沖，遇到不連接界面時聲波反射，管道外表面與土壤接觸反射系數(shù)低，管道內(nèi)表面與氣體接觸界面反射系數(shù)100%，接收器接收地表反射波和管道反射波（如圖8所示），通過分析確定管道位置與埋深[9]。

圖8 聲學(xué)定位探測示意圖

3.1 由外力機械損壞（與時間無關(guān)）造成泄漏

某燃氣企業(yè)聚乙烯埋地管道被施工單位挖掘機挖傷管道，造成燃氣泄漏，如圖9所示。

3.2 由管道施工缺陷（固有缺陷）造成泄漏

對某企業(yè)利用燃起泄漏儀通過打孔檢測方式在調(diào)壓柜下方發(fā)現(xiàn)的聚乙烯管道鋼塑轉(zhuǎn)換接頭處焊縫漏氣，如圖10所示。

圖9 聚乙烯管道損傷

圖10 鋼塑轉(zhuǎn)換接頭焊縫漏氣

對某燃氣企業(yè)的聚乙烯燃氣管道檢測時發(fā)現(xiàn)閥井有疑似燃氣泄漏現(xiàn)象，開挖后對閥門檢測并未發(fā)現(xiàn)漏氣，利用氣相色譜分析確認泄漏氣體含有乙烷，排除沼氣引起的干擾，繼續(xù)對管道開挖，在距閥門1m左右的地方發(fā)現(xiàn)鞍型三通，打開鞍型三通頂蓋，涂抹肥皂水發(fā)現(xiàn)大量氣泡涌出，確認鞍型三通泄漏，如圖11所示。

圖11 閥門附近發(fā)現(xiàn)鞍型三通漏氣

4 結(jié)論

1）基于硬件和軟件技術(shù)的管道泄漏檢測技術(shù)不能精確確定管道泄漏點和管道位置與埋深，不能完全適用于城市燃氣埋地管道泄漏點檢測。

2）經(jīng)現(xiàn)場實踐檢驗，將人工巡檢技術(shù)與埋地管道不開挖檢測技術(shù)、氣體分析技術(shù)等結(jié)合對于準確定位城市燃氣埋地管道泄漏點具有很好的效果，這些技術(shù)可以獨立應(yīng)用于埋地管道檢測，也可以作為基于硬件和軟件的管道泄漏檢測技術(shù)的有益補充。由此可見，隨著新技術(shù)的發(fā)展，將各種技術(shù)取長補短，聯(lián)合應(yīng)用，能更好地解決城市燃氣埋地管道泄漏檢測定位的問題。

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[3]黃文，毛漢領(lǐng). 管道泄漏檢測用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[J].油氣儲運，2002，21(04)：1-3．

[4]GB/T 19285—2014 埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護工程檢驗[S].

[5]任峰，何仁洋. 城市燃氣管網(wǎng)檢測問題研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2014(05)：16-17.

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