作者：黄丽丽，马旭卿
第一作者单位：北京市燃气集团研究院
摘自《煤气与热力》2018年9月刊
1 概述
随着社会经济及城市建设的迅猛发展，地下燃气管网作为保障城市运行的重要基础设施，其覆盖范围不断扩大。管网长度的增加为其安全运营带来了极大的挑战，特别是一些老旧管道、穿跨越管道、被占压管道、易发生地基沉降管段及维抢修管段等，增加了管道泄漏的风险。因此，有必要对这些隐患点的甲烷体积分数进行实时监测。城市燃气管道压力较低，分支点多，地下环境复杂，受市政其他管道干扰多，路面结构不利于气体向上扩散，车辆、人流量大，用于长输管道的泄漏监测方法在城市燃气管道中应用具有局限性，特别是微小泄漏的情况［1］。目前燃气公司普遍采用周期性地面泄漏巡检，当土壤中甲烷饱和后才有可能泄漏到路面之上，而此时管道可能已经处于危险的状态［2］。
本文提出将埋地甲烷监测装置埋于土壤内，对高后果区和高危地区土壤内的甲烷体积分数进行实时监测，及时发现管道泄漏，为后期管道泄漏的排查、预警，以及采取有效处置措施争取到宝贵时间，第一时间对管道进行维抢修，避免发生次生灾害。
2 土壤内与对应地面甲烷体积分数对比
2.1 收集管道泄漏事件报告单
目前，城市燃气管道主要通过打孔检测的方式确定管道泄漏点，首先通过地面检测初步确定管道发生泄漏，再沿疑似发生泄漏的管道上方进行打孔，孔深0.5 m左右，观测孔内的甲烷体积分数，并进行吸真空作业，观测每个检测孔内的燃气积聚速度，甲烷体积分数较高且积聚速度较快的检测孔离管道泄漏点距离更近。
管道泄漏事件报告单中详细地记录检测孔的位置、地面检测及打孔检测的甲烷体积分数，是记录泄漏管道具体信息及泄漏点排查、定位过程的重要文件。通过对管道泄漏事件报告单的整理发现，地面检测到的甲烷体积分数要比孔内甲烷体积分数低很多，地面上的甲烷体积分数最低为0.05%，个别达到20%，而打孔后检测到的土壤内的甲烷体积分数最高达80%~90%。这间接地证明，虽然路面检测的甲烷体积分数较低，但是土壤中的燃气可能积聚到非常危险的状态。
2.2 打孔检测实验
为了进一步收集地面与检测孔内的甲烷体积分数，选取试点管段进行数据采集。当进行管道路面巡检检测出甲烷时，记录此时的路面甲烷体积分数。随后进行打孔检测，记录孔内的检测数据，并将检测孔封堵，连续观察7 d。每天上午进行地面与检测孔内的甲烷体积分数检测，并采集管道压力、管径、路面等信息。在收集数据过程中，为了保障燃气管道的运行安全，当孔内的燃气体积分数达到一定程度时，需及时进行漏点定位及抢修。下面为两组典型的实验案例。
E管道为DN 500 mm的中压管道，路面为沥青路面。通过连续一周的检测可以发现，由于沥青路面不利于燃气向上扩散，因此，路面甲烷体积分数明显小于土壤内甲烷体积分数，土壤内的燃气体积分数有一个累积的过程，燃气体积分数越来越高。E管道地面与孔内甲烷体积分数见表1。
表1 E管道地面与孔内甲烷体积分数
F管道为DN 400 mm的中压管道，路面为方砖。通过连续一周的检测发现，第1天检测孔内与地面甲烷体积分数之比达2 750。由于测试时受封堵严密性影响，中间几天甲烷可能顺着打孔缝隙向外扩散，因此，这几天土壤内甲烷体积分数较低。但是后续几天甲烷体积分数又逐渐升高，再次证明土壤内甲烷体积分数明显高于地面。F管道地面与孔内甲烷体积分数见表2。
表2 F管道地面与孔内甲烷体积分数
综上所述，检测孔内的甲烷体积分数明显高于地面，且积累速度较快。初步分析认为，由于燃气从管道中泄漏后，首先在土壤中迁移扩散，进而有一部分达到地表面，然后在地表向大气中扩散。路面的甲烷体积分数及波动都很小，而检测孔内的甲烷会不断积聚，其体积分数越来越高，甚至达到爆炸极限。如果只凭借路面的检测情况，很容易误判管道泄漏的危险程度。因此，建议对土壤中的燃气体积分数进行实时监测，先于路面发现泄漏，及时抢修，避免事故的发生。
3 甲烷监测装置设计
3.1 装置的组成及布置
土壤内的温度、湿度较高，在夏季多雨情况下，地下水位较高。一般的甲烷气体探测器在相对湿度100%的情况下不能够达到防水的效果，影响传感器的检测精度，甚至发生损坏。本文自主设计了一套具有防水透气功能的便携式埋地甲烷监测装置。该装置主要由自主设计的防水透气壳及甲烷传感器、供电装置及数据远传模块组成。
将埋地甲烷监测装置安装在一个具有承压及透气功能的检测筒内，检测筒下方敞口，并与土壤接触，内部无土壤，检测筒四周打孔，上方设置井盖，井盖与甲烷监测装置采用刚性连接，使得甲烷监测装置固定于检测筒内，工作人员可以随时对检测筒内的甲烷监测装置的传感器及电池进行校准及更换。检测筒安装在管道正上方。参考目前的燃气管道泄漏点定位打孔深度为0.5 m，因此，燃气检测筒的通常高度为0.5 m，可根据管道埋深增加检测筒高度。甲烷监测装置及检测筒的布置见图1。
图1 甲烷监测装置及检测筒的布置
3.2 防水透气壳的设计
防水透气壳由外壳壳体、腔体、腔盖组成。在自然状态下，将甲烷传感器、电池、供电及远传模块等核心元件放入腔体内，腔体与腔盖采用螺纹连接，腔盖由防水透气膜组成，再将腔体放入椭球状的外壳壳体内，四周采用螺栓连接。防水透气壳见图2。
图2 防水透气壳
如图2所示，防水透气壳的外壳壳体采用椭球状设计，腔体高度大于外壳壳体高度的1/2。当水位没过装置底面达10 m时，防水透气壳内部气体体积大约被压缩到原体积的1/2，装置的外壳壳体采用半椭球形设计，因此，此时外壳壳体内水面在外壳壳体高度的1/2位置以下。本装置腔体的设计高度大于外壳壳体高度的1/2，因此，防水透气壳内的水面位置在腔盖以下，可以防止液态水进入腔体内。可见，即使在水位没过装置底面达10 m的恶劣条件下，该装置仍能够对腔体内的核心元件起到很好的保护作用。
腔盖的防水透气膜由灰色热轧复合布组成，能够单向通过甲烷分子，该材料的24 h透水蒸气指标为660.6 g/m2，在一定程度上防止了水蒸气的进入。
综上所述，该防水透气壳能够防止液态水及水蒸气进入到腔体内，从而保护了腔体内的核心元件。
3.3 甲烷传感器的选型
①半导体传感器
半导体气体传感器是利用一些金属氧化物半导体在一定温度下，电导率随环境气体组成变化而变化的原理制造。半导体传感器选择性较差，且不适合长期运行，受温度、湿度及震动影响较大，因此，不适合于受车辆影响较大的城市土壤环境；检测范围小，精度低，不适合于精确测量；稳定性低；若长期未与待测气体接触，则会因为氧化反应而进入休眠状态。
②催化燃烧传感器
催化燃烧传感器的基本原理是，通过加热催化元件，使待测气体与氧气在元件表面燃烧，放出热量，温度的变化会引起电阻发生变化，通过测量电阻变化量就可以检测出甲烷体积分数。它结构简单，性能良好，造价较低；只对可燃气体有反应，受环境温度、湿度的影响不大，适于野外使用［3］。
③红外线传感器
红外线传感器是根据不同种类的气体对红外线具有不同的特征吸收光谱，气体对光谱的吸收强度与气体的浓度有关而制成的［4］。红外线甲烷传感器具有良好的选择性，不同气体的特征光谱各不相同；不易中毒、老化；具有很高的灵敏度；响应时间短；检测范围宽；能进行连续分析，稳定性好［5］。
④小结
综上所述，半导体甲烷传感器不适用于土壤内温度、湿度环境，不适合作为甲烷监测装置的传感器。催化燃烧传感器与红外线传感器都具有较好的选择性，应用广泛，因此，在模拟北京市土壤中温度、湿度环境中对其进行测试比较后作出选择［6］。
4 实验验证
为了验证埋地甲烷监测装置的设计思路是否可行，对自主设计的防水透气壳采用3D打印，选择红外线传感器与催化燃烧传感器对甲烷监测装置进行组装，实验阶段采用市电供电，设计了能够模拟埋地环境的实验箱，温度为-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃，每个温度分别对应4种相对湿度：25%、50%、75%、100%。对组装好的甲烷监测装置进行了实验验证，测试两种传感器的稳定性［7］。
4.1 实验箱设计
实验箱箱体的长、宽、高分别为1 m、1.5 m、1.5 m，实验箱底部布置小口径的PE管模拟发生泄漏的燃气管，管道在土壤中环形分布，并隔100 mm在管壁上打孔使得气体近似均匀地在土壤各处扩散；环形燃气管上方放置公称直径315 mm、高度120 mm的PE管作为检测筒，并在检测筒四周打孔，使气体能够从每个方向进入，以此模拟该装置埋设于地下的检测筒空间；PE检测筒最底部埋设防水防爆的加热管，并将制冷装置的制冷管缠绕于PE检测筒壁内侧；将埋地甲烷监测装置固定于PE检测筒中；除了检测筒内部，其余部分都用在现场取回的标准回填土进行回填。实验箱见图3。
图3 实验箱
4.2 实验过程
①气源
为了保证实验环境安全，避免甲烷体积分数达到爆炸极限，在实验过程中，采用配气袋配置甲烷体积分数为1%的甲烷与空气的混合气体。配气袋为常温、常压，通过手动将配气袋中的混合气体缓慢挤入实验箱内的燃气管中。
②温度、湿度调节
通过大量市场调研，最终确定使用油箱、水池防水防爆加热器，通过电压为220 V、功率为3 kW的温控箱来调节温度，温度可调范围为5～400 ℃。当箱内温度达到设定的上限值时，温控器动作，指示灯灭，加热器停止工作。当箱内温度低于设定（可调节）的下限值时，电源自动接通，加热器再次工作。如此周而复始，使保温箱内的温度始终保持在设定的范围内。
选择小型制冷机组进行降温，此制冷机组由制冷端（即制冷管）与外机组成，其工作电压为220 V，功率为750 W。通过一个小型的温控装置来调节温度，调节范围为-50～50 ℃。
通过向箱内喷水再加热来调节实验箱内的湿度，由于该实验是在夏季开展，湿度较高，因此，湿度按由高到低的调节方式进行实验。
③数据采集
本实验中，甲烷传感器采集到的4～20 mA电流信号通过屏蔽线传输到数据采集模块，进而转化为数字量信号。本文选择DAM-3058R数据采集模块。
4.3 实验结果
我们针对两种类型的传感器分别采集到了40组数据，后期对数据进行了处理，判断两种传感器的报警值启动点及其受温度、湿度环境的影响情况。红外线传感器在-5 ℃、相对湿度为89%时，其报警下限值为0.192 3%；而在22 ℃，相对湿度为96%时，其报警下限值到了0.009 6%。其最大值与最小值接近20倍的关系，表明了红外线传感器在不同温度、湿度环境的波动很大。
催化燃烧传感器的灵敏度值波动范围很小，在-5 ℃、相对湿度为100%时，其报警下限值为0.021%；在40 ℃，相对湿度为96%时，其报警下限值为0.031%。其最大值与最小值将近1.5倍的关系。通过对比发现，催化燃烧传感器在不同温度、湿度环境的检测值波动很小。
综上所述，通过对两种传感器的测试，发现红外线传感器受环境温度、湿度影响大，检测值呈现无规则波动，且波动幅度大。而催化燃烧传感器性能基本保持稳定。因此，催化燃烧传感器更能适应多变的温度、湿度环境，可用于埋地甲烷监测装置。
5 结论
燃气管道泄漏后，土壤内积聚的燃气体积分数明显高于路面，有必要对其进行实时监测。催化燃烧甲烷传感器在多变的温度、湿度环境下性能更稳定。将甲烷监测装置置于检测筒内能够检测到土壤内的甲烷体积分数，先于路面发现燃气泄漏。
参考文献：
［1］杨孟乔，白莉. 天然气泄漏检测技术的研究现状［J］. 煤气与热力，2014，34（10）：B11-B14.
［2］蒋永清，任喆，孙超，等. 埋地管道泄漏天然气在分层填筑土壤扩散数值模拟研究［J］. 中国安全生产科学技术，2016，12（6）：105-109.
［3］丁黎明，赵景波. 催化燃烧型甲烷传感器的研究［J］. 仪器与仪表，2007，23（1）：177-178.
［4］张立萍，张帆. 红外甲烷传感器的实时温度校正模型的建立［J］. 煤矿安全，2005，36（7）：1-3.
［5］张帆，张立萍，魏丽，等. 红外甲烷传感器温度校正模型研究［J］. 煤矿机械，2009，30（10）：43-45.
［6］王一蒙. 甲烷传感器工作特性分析与故障模式研究［J］. 淮南职业技术学院学报，2015，2（15）：11-13.
［7］张聪蕾，王怀秀，王亚慧，等. 温湿度对综合管廊天然气舱室甲烷检测的影响［J］. 煤气与热力，2017，37（4）：B01-B05.
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