摘 要

【論文精選】燃氣管道埋地甲烷監(jiān)測裝置研制和實驗驗證——摘自煤氣與熱力雜志微信公眾號：本文提出將埋地甲烷監(jiān)測裝置埋于土壤內(nèi)，對高后果區(qū)和高危地區(qū)土壤內(nèi)的甲烷體積分數(shù)進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)管道泄漏，為后期管道泄漏的排查、預警，以及采取有效處置措施爭取到寶貴時間，第一時間對管道進行維搶修，避免發(fā)生次生災害。

 作者：黃麗麗，馬旭卿

第一作者單位：北京市燃氣集團研究院

摘自《煤氣與熱力》2018年9月刊

 

1   概述

 

隨著社會經(jīng)濟及城市建設的迅猛發(fā)展，地下燃氣管網(wǎng)作為保障城市運行的重要基礎設施，其覆蓋范圍不斷擴大。管網(wǎng)長度的增加為其安全運營帶來了極大的挑戰(zhàn)，特別是一些老舊管道、穿跨越管道、被占壓管道、易發(fā)生地基沉降管段及維搶修管段等，增加了管道泄漏的風險。因此，有必要對這些隱患點的甲烷體積分數(shù)進行實時監(jiān)測。城市燃氣管道壓力較低，分支點多，地下環(huán)境復雜，受市政其他管道干擾多，路面結構不利于氣體向上擴散，車輛、人流量大，用于長輸管道的泄漏監(jiān)測方法在城市燃氣管道中應用具有局限性，特別是微小泄漏的情況［1］。目前燃氣公司普遍采用周期性地面泄漏巡檢，當土壤中甲烷飽和后才有可能泄漏到路面之上，而此時管道可能已經(jīng)處于危險的狀態(tài)［2］。

 

本文提出將埋地甲烷監(jiān)測裝置埋于土壤內(nèi)，對高后果區(qū)和高危地區(qū)土壤內(nèi)的甲烷體積分數(shù)進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)管道泄漏，為后期管道泄漏的排查、預警，以及采取有效處置措施爭取到寶貴時間，第一時間對管道進行維搶修，避免發(fā)生次生災害。

 

2   土壤內(nèi)與對應地面甲烷體積分數(shù)對比

2.1  收集管道泄漏事件報告單

 

目前，城市燃氣管道主要通過打孔檢測的方式確定管道泄漏點，首先通過地面檢測初步確定管道發(fā)生泄漏，再沿疑似發(fā)生泄漏的管道上方進行打孔，孔深0.5 m左右，觀測孔內(nèi)的甲烷體積分數(shù)，并進行吸真空作業(yè)，觀測每個檢測孔內(nèi)的燃氣積聚速度，甲烷體積分數(shù)較高且積聚速度較快的檢測孔離管道泄漏點距離更近。

管道泄漏事件報告單中詳細地記錄檢測孔的位置、地面檢測及打孔檢測的甲烷體積分數(shù)，是記錄泄漏管道具體信息及泄漏點排查、定位過程的重要文件。通過對管道泄漏事件報告單的整理發(fā)現(xiàn)，地面檢測到的甲烷體積分數(shù)要比孔內(nèi)甲烷體積分數(shù)低很多，地面上的甲烷體積分數(shù)最低為0.05%，個別達到20%，而打孔后檢測到的土壤內(nèi)的甲烷體積分數(shù)最高達80%~90%。這間接地證明，雖然路面檢測的甲烷體積分數(shù)較低，但是土壤中的燃氣可能積聚到非常危險的狀態(tài)。

2.2   打孔檢測實驗

 

為了進一步收集地面與檢測孔內(nèi)的甲烷體積分數(shù)，選取試點管段進行數(shù)據(jù)采集。當進行管道路面巡檢檢測出甲烷時，記錄此時的路面甲烷體積分數(shù)。隨后進行打孔檢測，記錄孔內(nèi)的檢測數(shù)據(jù)，并將檢測孔封堵，連續(xù)觀察7 d。每天上午進行地面與檢測孔內(nèi)的甲烷體積分數(shù)檢測，并采集管道壓力、管徑、路面等信息。在收集數(shù)據(jù)過程中，為了保障燃氣管道的運行安全，當孔內(nèi)的燃氣體積分數(shù)達到一定程度時，需及時進行漏點定位及搶修。下面為兩組典型的實驗案例。

 

E管道為DN 500 mm的中壓管道，路面為瀝青路面。通過連續(xù)一周的檢測可以發(fā)現(xiàn)，由于瀝青路面不利于燃氣向上擴散，因此，路面甲烷體積分數(shù)明顯小于土壤內(nèi)甲烷體積分數(shù)，土壤內(nèi)的燃氣體積分數(shù)有一個累積的過程，燃氣體積分數(shù)越來越高。E管道地面與孔內(nèi)甲烷體積分數(shù)見表1。

 

表1   E管道地面與孔內(nèi)甲烷體積分數(shù)

 

F管道為DN 400 mm的中壓管道，路面為方磚。通過連續(xù)一周的檢測發(fā)現(xiàn)，第1天檢測孔內(nèi)與地面甲烷體積分數(shù)之比達2 750。由于測試時受封堵嚴密性影響，中間幾天甲烷可能順著打孔縫隙向外擴散，因此，這幾天土壤內(nèi)甲烷體積分數(shù)較低。但是后續(xù)幾天甲烷體積分數(shù)又逐漸升高，再次證明土壤內(nèi)甲烷體積分數(shù)明顯高于地面。F管道地面與孔內(nèi)甲烷體積分數(shù)見表2。

 

表2   F管道地面與孔內(nèi)甲烷體積分數(shù)

 

綜上所述，檢測孔內(nèi)的甲烷體積分數(shù)明顯高于地面，且積累速度較快。初步分析認為，由于燃氣從管道中泄漏后，首先在土壤中遷移擴散，進而有一部分達到地表面，然后在地表向大氣中擴散。路面的甲烷體積分數(shù)及波動都很小，而檢測孔內(nèi)的甲烷會不斷積聚，其體積分數(shù)越來越高，甚至達到爆炸極限。如果只憑借路面的檢測情況，很容易誤判管道泄漏的危險程度。因此，建議對土壤中的燃氣體積分數(shù)進行實時監(jiān)測，先于路面發(fā)現(xiàn)泄漏，及時搶修，避免事故的發(fā)生。

 

3   甲烷監(jiān)測裝置設計

3.1  裝置的組成及布置

土壤內(nèi)的溫度、濕度較高，在夏季多雨情況下，地下水位較高。一般的甲烷氣體探測器在相對濕度100%的情況下不能夠達到防水的效果，影響傳感器的檢測精度，甚至發(fā)生損壞。本文自主設計了一套具有防水透氣功能的便攜式埋地甲烷監(jiān)測裝置。該裝置主要由自主設計的防水透氣殼及甲烷傳感器、供電裝置及數(shù)據(jù)遠傳模塊組成。

 

將埋地甲烷監(jiān)測裝置安裝在一個具有承壓及透氣功能的檢測筒內(nèi)，檢測筒下方敞口，并與土壤接觸，內(nèi)部無土壤，檢測筒四周打孔，上方設置井蓋，井蓋與甲烷監(jiān)測裝置采用剛性連接，使得甲烷監(jiān)測裝置固定于檢測筒內(nèi)，工作人員可以隨時對檢測筒內(nèi)的甲烷監(jiān)測裝置的傳感器及電池進行校準及更換。檢測筒安裝在管道正上方。參考目前的燃氣管道泄漏點定位打孔深度為0.5 m，因此，燃氣檢測筒的通常高度為0.5 m，可根據(jù)管道埋深增加檢測筒高度。甲烷監(jiān)測裝置及檢測筒的布置見圖1。

 

圖1   甲烷監(jiān)測裝置及檢測筒的布置

 

3.2  防水透氣殼的設計

 

防水透氣殼由外殼殼體、腔體、腔蓋組成。在自然狀態(tài)下，將甲烷傳感器、電池、供電及遠傳模塊等核心元件放入腔體內(nèi)，腔體與腔蓋采用螺紋連接，腔蓋由防水透氣膜組成，再將腔體放入橢球狀的外殼殼體內(nèi)，四周采用螺栓連接。防水透氣殼見圖2。

圖2   防水透氣殼

 

如圖2所示，防水透氣殼的外殼殼體采用橢球狀設計，腔體高度大于外殼殼體高度的1/2。當水位沒過裝置底面達10 m時，防水透氣殼內(nèi)部氣體體積大約被壓縮到原體積的1/2，裝置的外殼殼體采用半橢球形設計，因此，此時外殼殼體內(nèi)水面在外殼殼體高度的1/2位置以下。本裝置腔體的設計高度大于外殼殼體高度的1/2，因此，防水透氣殼內(nèi)的水面位置在腔蓋以下，可以防止液態(tài)水進入腔體內(nèi)?？梢?，即使在水位沒過裝置底面達10 m的惡劣條件下，該裝置仍能夠?qū)η惑w內(nèi)的核心元件起到很好的保護作用。

 

腔蓋的防水透氣膜由灰色熱軋復合布組成，能夠單向通過甲烷分子，該材料的24 h透水蒸氣指標為660.6 g/m2，在一定程度上防止了水蒸氣的進入。

 

綜上所述，該防水透氣殼能夠防止液態(tài)水及水蒸氣進入到腔體內(nèi)，從而保護了腔體內(nèi)的核心元件。

 

3.3  甲烷傳感器的選型

 

①半導體傳感器

 

半導體氣體傳感器是利用一些金屬氧化物半導體在一定溫度下，電導率隨環(huán)境氣體組成變化而變化的原理制造。半導體傳感器選擇性較差，且不適合長期運行，受溫度、濕度及震動影響較大，因此，不適合于受車輛影響較大的城市土壤環(huán)境；檢測范圍小，精度低，不適合于精確測量；穩(wěn)定性低；若長期未與待測氣體接觸，則會因為氧化反應而進入休眠狀態(tài)。

 

②催化燃燒傳感器

 

催化燃燒傳感器的基本原理是，通過加熱催化元件，使待測氣體與氧氣在元件表面燃燒，放出熱量，溫度的變化會引起電阻發(fā)生變化，通過測量電阻變化量就可以檢測出甲烷體積分數(shù)。它結構簡單，性能良好，造價較低；只對可燃氣體有反應，受環(huán)境溫度、濕度的影響不大，適于野外使用［3］。

 

③紅外線傳感器

 

紅外線傳感器是根據(jù)不同種類的氣體對紅外線具有不同的特征吸收光譜，氣體對光譜的吸收強度與氣體的濃度有關而制成的［4］。紅外線甲烷傳感器具有良好的選擇性，不同氣體的特征光譜各不相同；不易中毒、老化；具有很高的靈敏度；響應時間短；檢測范圍寬；能進行連續(xù)分析，穩(wěn)定性好［5］。

④小結

 

綜上所述，半導體甲烷傳感器不適用于土壤內(nèi)溫度、濕度環(huán)境，不適合作為甲烷監(jiān)測裝置的傳感器。催化燃燒傳感器與紅外線傳感器都具有較好的選擇性，應用廣泛，因此，在模擬北京市土壤中溫度、濕度環(huán)境中對其進行測試比較后作出選擇［6］。

4   實驗驗證

 

為了驗證埋地甲烷監(jiān)測裝置的設計思路是否可行，對自主設計的防水透氣殼采用3D打印，選擇紅外線傳感器與催化燃燒傳感器對甲烷監(jiān)測裝置進行組裝，實驗階段采用市電供電，設計了能夠模擬埋地環(huán)境的實驗箱，溫度為-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃，每個溫度分別對應4種相對濕度：25%、50%、75%、100%。對組裝好的甲烷監(jiān)測裝置進行了實驗驗證，測試兩種傳感器的穩(wěn)定性［7］。

4.1  實驗箱設計

 

實驗箱箱體的長、寬、高分別為1 m、1.5 m、1.5 m，實驗箱底部布置小口徑的PE管模擬發(fā)生泄漏的燃氣管，管道在土壤中環(huán)形分布，并隔100 mm在管壁上打孔使得氣體近似均勻地在土壤各處擴散；環(huán)形燃氣管上方放置公稱直徑315 mm、高度120 mm的PE管作為檢測筒，并在檢測筒四周打孔，使氣體能夠從每個方向進入，以此模擬該裝置埋設于地下的檢測筒空間；PE檢測筒最底部埋設防水防爆的加熱管，并將制冷裝置的制冷管纏繞于PE檢測筒壁內(nèi)側(cè)；將埋地甲烷監(jiān)測裝置固定于PE檢測筒中；除了檢測筒內(nèi)部，其余部分都用在現(xiàn)場取回的標準回填土進行回填。實驗箱見圖3。

圖3   實驗箱

4.2  實驗過程

①氣源

 

為了保證實驗環(huán)境安全，避免甲烷體積分數(shù)達到爆炸極限，在實驗過程中，采用配氣袋配置甲烷體積分數(shù)為1%的甲烷與空氣的混合氣體。配氣袋為常溫、常壓，通過手動將配氣袋中的混合氣體緩慢擠入實驗箱內(nèi)的燃氣管中。

②溫度、濕度調(diào)節(jié)

 

通過大量市場調(diào)研，最終確定使用油箱、水池防水防爆加熱器，通過電壓為220 V、功率為3 kW的溫控箱來調(diào)節(jié)溫度，溫度可調(diào)范圍為5～400 ℃。當箱內(nèi)溫度達到設定的上限值時，溫控器動作，指示燈滅，加熱器停止工作。當箱內(nèi)溫度低于設定（可調(diào)節(jié)）的下限值時，電源自動接通，加熱器再次工作。如此周而復始，使保溫箱內(nèi)的溫度始終保持在設定的范圍內(nèi)。

 

選擇小型制冷機組進行降溫，此制冷機組由制冷端（即制冷管）與外機組成，其工作電壓為220 V，功率為750 W。通過一個小型的溫控裝置來調(diào)節(jié)溫度，調(diào)節(jié)范圍為-50～50 ℃。

 

通過向箱內(nèi)噴水再加熱來調(diào)節(jié)實驗箱內(nèi)的濕度，由于該實驗是在夏季開展，濕度較高，因此，濕度按由高到低的調(diào)節(jié)方式進行實驗。

③數(shù)據(jù)采集

 

本實驗中，甲烷傳感器采集到的4～20 mA電流信號通過屏蔽線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊，進而轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號。本文選擇DAM-3058R數(shù)據(jù)采集模塊。

 

4.3  實驗結果

 

我們針對兩種類型的傳感器分別采集到了40組數(shù)據(jù)，后期對數(shù)據(jù)進行了處理，判斷兩種傳感器的報警值啟動點及其受溫度、濕度環(huán)境的影響情況。紅外線傳感器在-5 ℃、相對濕度為89%時，其報警下限值為0.192 3%；而在22 ℃，相對濕度為96%時，其報警下限值到了0.009 6%。其最大值與最小值接近20倍的關系，表明了紅外線傳感器在不同溫度、濕度環(huán)境的波動很大。

催化燃燒傳感器的靈敏度值波動范圍很小，在-5 ℃、相對濕度為100%時，其報警下限值為0.021%；在40 ℃，相對濕度為96%時，其報警下限值為0.031%。其最大值與最小值將近1.5倍的關系。通過對比發(fā)現(xiàn)，催化燃燒傳感器在不同溫度、濕度環(huán)境的檢測值波動很小。

 

綜上所述，通過對兩種傳感器的測試，發(fā)現(xiàn)紅外線傳感器受環(huán)境溫度、濕度影響大，檢測值呈現(xiàn)無規(guī)則波動，且波動幅度大。而催化燃燒傳感器性能基本保持穩(wěn)定。因此，催化燃燒傳感器更能適應多變的溫度、濕度環(huán)境，可用于埋地甲烷監(jiān)測裝置。

 

5   結論

燃氣管道泄漏后，土壤內(nèi)積聚的燃氣體積分數(shù)明顯高于路面，有必要對其進行實時監(jiān)測。催化燃燒甲烷傳感器在多變的溫度、濕度環(huán)境下性能更穩(wěn)定。將甲烷監(jiān)測裝置置于檢測筒內(nèi)能夠檢測到土壤內(nèi)的甲烷體積分數(shù)，先于路面發(fā)現(xiàn)燃氣泄漏。

 

參考文獻：

 

［1］楊孟喬，白莉. 天然氣泄漏檢測技術的研究現(xiàn)狀［J］. 煤氣與熱力，2014，34（10）：B11-B14. 

［2］蔣永清，任喆，孫超，等. 埋地管道泄漏天然氣在分層填筑土壤擴散數(shù)值模擬研究［J］. 中國安全生產(chǎn)科學技術，2016，12（6）：105-109. 

［3］丁黎明，趙景波. 催化燃燒型甲烷傳感器的研究［J］. 儀器與儀表，2007，23（1）：177-178. 

［4］張立萍，張帆. 紅外甲烷傳感器的實時溫度校正模型的建立［J］. 煤礦安全，2005，36（7）：1-3. 

［5］張帆，張立萍，魏麗，等. 紅外甲烷傳感器溫度校正模型研究［J］. 煤礦機械，2009，30（10）：43-45. 

［6］王一蒙. 甲烷傳感器工作特性分析與故障模式研究［J］. 淮南職業(yè)技術學院學報，2015，2（15）：11-13. 

［7］張聰蕾，王懷秀，王亞慧，等. 溫濕度對綜合管廊天然氣艙室甲烷檢測的影響［J］. 煤氣與熱力，2017，37（4）：B01-B05.