城市燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ患夹g(shù)綜述

陳 哲, 羅 濤, 劉 敏, 黃澤惠, 岑佶松, 韓贊東

(1.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司,北京100035;2.清華大學(xué)機(jī)械工程系,北京100084)

1 概述

隨著建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)和環(huán)境友好型社會(huì)理念提出,燃?xì)庀牧咳找嬖鲩L(zhǎng),城市燃?xì)夤艿酪?guī)模不斷擴(kuò)大。燃?xì)庠O(shè)施在長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行下不可避免地出現(xiàn)燃?xì)馐鹿?其中由燃?xì)夤艿佬孤?dǎo)致的事故尤為嚴(yán)重,不僅會(huì)造成大面積的斷氣,還可能引起火災(zāi)、爆炸等惡性事故[1]。隨著埋地燃?xì)夤艿婪蹠r(shí)間增長(zhǎng)及地下服役環(huán)境日益復(fù)雜,各類風(fēng)險(xiǎn)不斷加大。以北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)的搶修作業(yè)為例,近3年因腐蝕、焊縫損傷造成的泄漏搶修事件占總搶修作業(yè)的比例超過(guò)60%,中低壓管道的泄漏搶修占總搶修作業(yè)的比例超過(guò)90%。

管道泄漏定位技術(shù)是燃?xì)夤艿肋\(yùn)營(yíng)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù),在泄漏事故發(fā)生之后對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。泄漏點(diǎn)定位的準(zhǔn)確度和速度將直接影響后續(xù)開挖修復(fù)面積以及維搶修時(shí)間。因此在城市燃?xì)夤艿佬孤┦鹿手?使用恰當(dāng)?shù)男孤┒ㄎ患夹g(shù)既縮短了維修時(shí)間,減小了事故影響范圍,又降低了搶修對(duì)城市生活和環(huán)境的影響。

現(xiàn)有管道泄漏定位技術(shù)在長(zhǎng)輸管道的泄漏檢測(cè)和定位應(yīng)用效果較好,但由于城市環(huán)境復(fù)雜,常用的技術(shù)在城市燃?xì)夤艿郎线m應(yīng)性差、可靠性差。本文對(duì)燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ患夹g(shù)進(jìn)行綜述,討論泄漏定位技術(shù)在城市燃?xì)夤艿赖膽?yīng)用,總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)的特點(diǎn)和不足,并對(duì)管道泄漏定位技術(shù)進(jìn)行展望,以便選擇合適的定位技術(shù)。

2 燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ患夹g(shù)現(xiàn)狀

城市燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ坏牧鞒淌窍韧ㄟ^(guò)人工巡檢、檢測(cè)車檢測(cè)發(fā)現(xiàn)某一區(qū)域燃?xì)夤艿莱霈F(xiàn)泄漏事故,確定事故區(qū)域,然后在區(qū)域內(nèi)采取具體技術(shù)進(jìn)行定位。在泄漏區(qū)域定位方面,氣體成像法[2]、衛(wèi)星紅外檢測(cè)[3]等技術(shù)的應(yīng)用降低了泄漏區(qū)域的定位難度。但在城市環(huán)境中,泄漏點(diǎn)具體位置以及修復(fù)工作開挖區(qū)域是人工巡檢無(wú)法確定的。此時(shí)就需要選擇合適的定位技術(shù)進(jìn)一步確定泄漏點(diǎn)位置和修復(fù)位置。

目前國(guó)內(nèi)外燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ患夹g(shù)主要有探測(cè)孔定位法、聲波定位法、探測(cè)球法、光纖傳感器法、示蹤劑檢測(cè)法、質(zhì)量平衡法等。

2.1 探測(cè)孔定位法

探測(cè)孔定位即在所確定的燃?xì)庑孤﹨^(qū)域內(nèi)設(shè)置一系列的探測(cè)孔,探測(cè)土壤內(nèi)的燃?xì)鉂舛?根據(jù)所測(cè)的一定空間范圍內(nèi)的燃?xì)鉂舛确植即_定泄漏點(diǎn)位置。探測(cè)孔定位法燃?xì)鉂舛葯z測(cè)現(xiàn)場(chǎng)見圖1,圖1中編號(hào)#23、#24、#25、#13是所設(shè)置的探測(cè)孔編號(hào)。理想情況下,土壤中管道泄漏的燃?xì)鈹U(kuò)散呈現(xiàn)出均勻的放射狀擴(kuò)散,燃?xì)鉂舛茸罡叩奶綔y(cè)孔位置即可確定為泄漏點(diǎn)位置。

圖1 探測(cè)孔定位法燃?xì)鉂舛葯z測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

探測(cè)孔定位法具有設(shè)備可靠、定位流程簡(jiǎn)單快捷的特點(diǎn),在城市環(huán)境中適用性較強(qiáng),是一種定位效果良好的成熟技術(shù),但該方法在使用上也存在一定的缺陷。如果燃?xì)庑孤r(shí)間過(guò)長(zhǎng),同時(shí)管道上方地表存在阻礙燃?xì)鈹U(kuò)散的瀝青層等,燃?xì)鉂舛确植紩?huì)趨于飽和狀態(tài),即土壤內(nèi)一部分區(qū)域的燃?xì)鉂舛认嘟姨幱谝粋€(gè)較高的水平,形成氣田。此時(shí)使用探測(cè)孔定位法就無(wú)法確定泄漏點(diǎn)的位置。此外,城市地下環(huán)境復(fù)雜,除諸多管道之外,還有井道、孔道等,這些都會(huì)對(duì)土壤中的燃?xì)鉂舛确植籍a(chǎn)生影響,進(jìn)而降低定位精度。

2.2 聲波定位法

管道泄漏時(shí),燃?xì)庠趬翰畹淖饔孟铝飨蚬艿劳?并在泄漏點(diǎn)處形成渦流,產(chǎn)生了振蕩變化的壓力或聲波[4],即產(chǎn)生了一個(gè)聲源。聲源所產(chǎn)生的聲波與管道相互作用,在管道內(nèi)建立聲場(chǎng)。聲波定位法就是將泄漏產(chǎn)生的聲源作為信號(hào)源,設(shè)置多個(gè)傳感器采集聲波,對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析處理即可定位泄漏點(diǎn)[5]。

聲波定位法在泄漏定位上具有定位精度高、靈敏度高等特點(diǎn),得到了廣泛研究和應(yīng)用。閆成穩(wěn)等[6]通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,探究了不同壓力、不同泄漏孔尺寸下的泄漏聲源特性,結(jié)果表明聲壓級(jí)均值隨管道內(nèi)壓和泄漏孔尺寸增大而增加。Mostafapour等[7]提出一種泄漏檢測(cè)算法,首先通過(guò)小波變換和數(shù)字濾波消除聲發(fā)射信號(hào)的主要噪聲,然后通過(guò)互相關(guān)函數(shù)定位泄漏點(diǎn)。在城市燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)中,城市管道情況復(fù)雜,聲波定位法需要根據(jù)實(shí)際情況開發(fā)匹配設(shè)備,無(wú)法大規(guī)模推廣。

2.3 探測(cè)球法

探測(cè)球法將超聲波探頭和聲波儲(chǔ)存裝置裝載在探測(cè)球內(nèi),使用時(shí)將探測(cè)球放入管道,其在管道內(nèi)部采集并儲(chǔ)存管道泄漏所產(chǎn)生的超聲波,通過(guò)所采集的超聲波信號(hào)定位泄漏點(diǎn)。

探測(cè)球法可根據(jù)不同規(guī)格管道選擇不同尺寸的探測(cè)球,由于城市管道維護(hù)狀況不同,探測(cè)球可能會(huì)造成管道堵塞。此外,探測(cè)球法定位液體管道泄漏效果顯著。但對(duì)于燃?xì)夤艿佬孤?由于探測(cè)球在氣流中運(yùn)動(dòng)的可行性和穩(wěn)定性均次于液體,探測(cè)球法在燃?xì)夤艿赖膽?yīng)用受到了極大限制。

2.4 光纖傳感器法

光纖傳感器法根據(jù)原理可分為兩類,一類是塑料包覆石英光纖傳感器檢測(cè),燃?xì)庑孤?dǎo)致管道外光纖傳輸功耗增加,接收端光強(qiáng)度下降,低于設(shè)定水平時(shí)即可定位泄漏點(diǎn)。另一類是分布式光纖溫度傳感器檢測(cè)[8]。由于介質(zhì)溫度不同,燃?xì)庑孤?huì)影響管道外側(cè)溫度分布,分布式光纖溫度傳感器可以連續(xù)測(cè)量管道外側(cè)沿管道方向的溫度分布,當(dāng)溫度變化超過(guò)一定范圍時(shí),即可定位泄漏點(diǎn)。

光纖傳感器法具有較高的定位精度和響應(yīng)速度,但其定位效果容易受到環(huán)境因素如土壤濕度的影響。

2.5 示蹤劑檢測(cè)法

示蹤劑定位需要在管道中摻入示蹤劑,當(dāng)燃?xì)夤艿佬孤r(shí),示蹤劑從泄漏點(diǎn)流出并擴(kuò)散到周圍環(huán)境中。通過(guò)采集周圍環(huán)境示蹤劑分布情況,分析并判斷泄漏點(diǎn)位置。

示蹤劑檢測(cè)法具有成本低、檢測(cè)條件要求低的特點(diǎn),是一種比較成熟的管道泄漏定位技術(shù)[9-11]。在城市燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ坏膶?shí)際應(yīng)用中,土壤環(huán)境、管道條件、示蹤劑黏度和密度都會(huì)影響示蹤劑檢測(cè)的效果。

2.6 質(zhì)量平衡法

質(zhì)量平衡法的原理是質(zhì)量守恒。無(wú)泄漏時(shí),管道的輸入質(zhì)量流量應(yīng)當(dāng)?shù)扔诠艿赖妮敵鲑|(zhì)量流量。發(fā)生泄漏時(shí),這種平衡關(guān)系被打破。通過(guò)在管道的多個(gè)位置監(jiān)測(cè)燃?xì)赓|(zhì)量流量,并進(jìn)行分析計(jì)算,即可得到大致泄漏點(diǎn)位置。

由于管道內(nèi)燃?xì)鉁囟?、壓力、密度存在波?dòng),泄漏達(dá)到一定程度才能形成明顯的質(zhì)量流量差,進(jìn)而進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位。這種方法最大的缺陷是定位時(shí)效性差、精度低。

3 管道泄漏定位技術(shù)展望

城市燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ患夹g(shù)的關(guān)鍵在于快速而準(zhǔn)確地定位泄漏點(diǎn),現(xiàn)有定位技術(shù)在城市地下管線情況復(fù)雜的背景下應(yīng)用受限。聲波定位法和探測(cè)球法都需要根據(jù)管道實(shí)際情況做一定的調(diào)整。光纖傳感器法受環(huán)境因素影響較大,示蹤劑檢測(cè)法效果受示蹤劑性質(zhì)的影響,二者的定位精度存在問(wèn)題。質(zhì)量平衡法的分析、計(jì)算過(guò)程較為繁瑣,時(shí)效性差。此外,以上方法都無(wú)法解決多泄漏點(diǎn)問(wèn)題,無(wú)法同時(shí)精確定位同一區(qū)域內(nèi)的多個(gè)漏點(diǎn)。

在實(shí)際應(yīng)用中,探測(cè)孔定位法是常用的低成本檢測(cè)方法,同時(shí)具備較好的定位精度和定位速度,但該方法對(duì)形成氣田的泄漏點(diǎn)無(wú)法準(zhǔn)確定位。此時(shí),可以采用負(fù)壓法。

基于負(fù)壓法泄漏點(diǎn)定位是在燃?xì)庑孤┑母邼舛葏^(qū)域選擇合適的位置,通過(guò)負(fù)壓抽吸構(gòu)造負(fù)壓點(diǎn),檢測(cè)負(fù)壓點(diǎn)周圍土壤中燃?xì)鉂舛入S時(shí)間變化規(guī)律,再結(jié)合土壤中燃?xì)獾倪\(yùn)移特性,計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置。優(yōu)化負(fù)壓點(diǎn)周圍檢測(cè)點(diǎn)的布局,通過(guò)對(duì)多個(gè)負(fù)壓點(diǎn)檢測(cè),提高泄漏點(diǎn)定位精度。基于負(fù)壓法泄漏點(diǎn)定位見圖2,圖2中編號(hào)#1、#2、#3、#4是設(shè)置的探測(cè)孔編號(hào)。

沿管道方向設(shè)置一系列探測(cè)孔,通過(guò)測(cè)量探測(cè)孔內(nèi)的燃?xì)鉂舛?獲得形成氣田時(shí)土壤內(nèi)的燃?xì)鉂舛确植家?guī)律。隨后在探測(cè)孔之間選取適當(dāng)位置為負(fù)壓點(diǎn),使用氣泵抽吸,短時(shí)間內(nèi)改變土壤內(nèi)的燃?xì)夥植紶顩r。實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)探測(cè)孔中燃?xì)鉂舛鹊淖兓?根據(jù)土壤中的燃?xì)膺\(yùn)移規(guī)律,最終確定泄漏點(diǎn)位置。這種檢測(cè)方法可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果,不斷優(yōu)化仿真模型和計(jì)算方法,提高定位精度,從而避免多次開挖修復(fù),同時(shí)為多泄漏點(diǎn)定位技術(shù)發(fā)展提供基礎(chǔ)。

圖2 基于負(fù)壓法泄漏點(diǎn)定位

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著燃?xì)馐褂玫耐茝V和燃?xì)夤艿酪?guī)模持續(xù)擴(kuò)大,管道泄漏定位技術(shù)已經(jīng)成為城市燃?xì)夤艿肋\(yùn)行維護(hù)的重要技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)的城市燃?xì)饴竦毓艿罊z測(cè)以大范圍普查和步行檢測(cè)為主,激光檢測(cè)、觀察環(huán)境變化情況、打孔檢測(cè)等為輔,缺乏可靠的泄漏定位方法和裝備。

現(xiàn)有長(zhǎng)輸管道泄漏定位技術(shù)在城市燃?xì)夤艿赖玫搅藨?yīng)用。在輸氣管道上,探測(cè)孔定位法、聲波定位法、探測(cè)球法、光纖傳感器法、示蹤劑檢測(cè)法、質(zhì)量平衡法等都可以在一定程度上確保泄漏定位的準(zhǔn)確性和時(shí)效性,在應(yīng)用上取得了不錯(cuò)的效果。但由于城市燃?xì)夤艿狼闆r復(fù)雜,檢測(cè)環(huán)境條件較差,上述定位技術(shù)存在適應(yīng)性較差的問(wèn)題。

由于城市燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ患夹g(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位,在修復(fù)過(guò)程中存在多次開挖、周期長(zhǎng)、耗資大等問(wèn)題。此外,現(xiàn)有定位技術(shù)無(wú)法掌握多點(diǎn)泄漏情況,導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)同一區(qū)域管道反復(fù)開挖,造成人力物力浪費(fèi)和不良社會(huì)影響。發(fā)展城市燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ患夹g(shù),關(guān)鍵在于提高泄漏定位精度,并開展多點(diǎn)泄漏定位技術(shù)研究。