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一種天然氣管道泄漏快速檢測裝置研制
發布日期：2022-04-08發布單位：（發明專利號：201910680329X；實用新型專利號：2019211874873）
高新杰
前言
長輸天然氣管道途徑山區、丘陵、平原、沼澤和水網等地區。管道沿線遍布湖泊、河流、池塘、溝渠等水域，這些水域容易產生沼氣，目前在日常巡線過程中，若發現管道經過的水域有氣泡產生，需要對該區域進行開挖，以進一步確認是天然氣管道泄漏還是沼氣導致的氣泡，這種開挖確認的方式費時費力，成本高，代價大（降壓運行以及用戶壓減等），確認周期長，安全隱患大，并且容易產生次生風險。
目前國外有一種“燃氣管網綜合檢測裝置”，例如德國GMS4000等，該裝置內置氣相色譜分析，可以準確辨識沼氣和天然氣，但該裝置無氣體收集器，無法收集被測氣體，且造價昂貴，該裝置約15萬元/套。
1.研發思路及方案
為解決上述問題，研發團隊以天然氣與沼氣物理及化學特性不同為著力點，以安全、準確、快速、實用為出發點，重點分析了沼氣與天然氣的組分差異：
沼氣的主要成分是甲烷。沼氣主要由約50%-80%甲烷（CH4）、20%-40%二氧化碳（CO2）、0%-5%氮氣（N2）、小于1%的氫氣（H2）等氣體組成。
天然氣主要成分為甲烷，其中氣田氣甲烷含量約為94~98%，油田伴生氣甲烷含量約為83%，GB17820-2018（國家標準天然氣）中規定，天然氣商品氣中二氧化碳（CO2）含量應≤4%。
通過分析發現，天然氣與沼氣最大的組分差異為二氧化碳及甲烷的含量，該團隊最終確定了解決方案，即通過發明一套完整的檢測裝置，準確測定被測氣體中二氧化碳和甲烷的含量，再根據檢測結果科學判定被測氣體為天然氣還是沼氣。
2.檢測裝置及工作原理
該套裝置只需要將氣體收集器、導氣管、干燥管、氣泵、采氣袋按照順序緊密連接。將氣體收集器裝滿水倒扣水中，緩慢移至疑似泄露的冒泡處，通過排水法收集疑似泄漏的氣體（樣氣），打開電動泵（防爆）將氣體增壓抽取至采氣袋中。
泄漏氣體進行高純度收集后，利用“比長式二氧化碳檢測管”判斷泄漏氣體中二氧化碳濃度，利用XP-3140準確判斷泄漏氣體中甲烷濃度，根據天然氣和沼氣二氧化碳含量相差較大的特點，快速、準確判斷水域氣體泄漏是否屬于沼氣益散，或是天然氣泄漏，或是二者混合氣體的泄漏。
圖1水下天然氣管道疑似泄漏快速檢測裝置
3.裝置管理及技術要求
3.1用途及適用范圍
用途：快速準確判斷水網地區天然氣管道疑似泄露。
適用范圍：湖泊、河流、池塘、溝渠等水域。
工作溫度：0-40℃
3.2主要技術指標及要求
比長式二氧化碳檢測管檢測濃度為0.5-20%。
比長式二氧化碳檢測管通氣體積50ml。
比長式二氧化碳檢測管通氣時間100s。
比長式二氧化碳檢測管最小分度值1%。
比長式二氧化碳檢測管原色：白色，呈色：紫色。
XP-3140工作正常且在檢定有效期內。
采氣泵氣膜組件密封良好。
導氣管為硅膠管（硅膠性態穩定）。
進氣方式：正壓推氣式。
3.3使用方法
3.3.1 將氣體收集器、導氣管1、干燥管、導氣管2、氣泵、導氣管3按照順序緊密連接。
3.3.2 將氣體收集器裝滿水倒扣水中，緩慢移至疑似泄露的冒泡處，通過排水法收集疑似泄漏的氣體（樣氣）。
3.3.3 打開電動泵，抽取樣氣對所有裝置的管路進行沖洗。
3.3.4 打開采氣袋上的進口閥門（同時確保出口閥門處于關閉狀態），將導氣管3與采氣袋進口閥門進行緊密連接。
3.3.5 采氣袋裝滿后關閉采氣袋進口閥門，關閉采氣泵。
3.3.6 將上述裝置、儀器等部件依次分離并歸位。
3.3.7 將采樣器與采氣袋出口閥門緊密連接，打開閥門，用采樣器從采氣袋中抽取樣氣，樣氣抽取完畢后關閉閥門。
3.3.8 用配備的小砂輪片把比長式二氧化碳檢測管兩端切開，用短膠管將‘O’線一端與采樣器進行緊密連接。
3.3.9 推動手把在100秒時間內，均勻的把樣氣通過比長式二氧化碳檢測管推出采樣器。
3.3.10 按照比長式二氧化碳檢測管變色柱上端指示的數字讀出測定結果（即二氧化碳含量），并做好記錄。
3.3.11 將XP-3140氣體采集管與采氣袋出口閥門緊密連接，打開閥門，用XP-3140檢測樣氣中甲烷含量，并做好記錄。
3.4結果判定
3.4.1若二氧化碳含量大于等于20%，甲烷含量大于等于50%，則泄漏氣體為沼氣。
3.4.2若二氧化碳含量小于等于4%，甲烷含量大于等于83%，則泄漏氣體為天然氣。
3.5注意事項
3.5.1裝置使用過程中必須嚴格遵守主要技術指標及要求。
3.5.2樣氣抽取過程中時刻觀察氣體收集器水位情況，防止將水抽取至導氣管內。
3.5.3干燥管內為變色硅膠，干燥狀態下硅膠為藍色，受潮后變成紅色，若干燥管內硅膠紅色部分超過三分之一，則需要更換干燥管。
3.5.4樣氣抽取過程中時刻觀察采氣袋充氣情況，防止過充。
3.5.5單位換算：百分濃度%=ppm值*0.0001；mg/m3=1.521ppm。
3.5.6受內外部檢測環境影響，比長式二氧化碳檢測管檢測偏差約為±10%-15%，即8.1中若二氧化碳含量大于等于17%，也可作為判定依據；8.2、若二氧化碳含量小于等于4.6%，也可作為判定依據。
3.5.7作業人員應穿戴好勞保防護用品，水域作業應做好防溺水工作（例如穿戴好救生衣等），且切實做好全過程防火、防爆、防靜電措施。
4.裝置檢測及實驗
2019年8月，本裝置依托川氣東送管道安徽管理處完成了功能測試及可靠性驗證，各項技術指標滿足要求，二氧化碳及甲烷含量測定準確，可以在8分鐘內判明泄漏氣體為沼氣還是天然氣。
圖2 沼氣收集
圖3 二氧化碳含量測定
圖4 甲烷含量測定
為做好公司知識產權保護，該裝置已申請國家發明及實用新型專利（發明專利號：201910680329X，實用新型專利號：2019211874873），并具有很高的“高價值”專利潛力。
5.總結
本裝置結構設計巧妙，安全高效，制作成本低，安裝快捷方便、靈活性強，攜帶方便，檢測結果準確度高且科學有效，能夠快速判斷被測氣體性質。
經濟效益：
該裝置制作成本約0.2萬元/套，而“燃氣管網綜合檢測裝置”約15萬元/套，每臺節約費用約14.5萬元。若川氣東送管道每個巡線分隊配備一套檢測設備，與國外設備對比，公司自主發明的檢測裝置可節約費用約360萬元。
管理效益：
水下天然氣管道疑似泄漏快速檢測裝置是針對天然氣管道穿越水網等地區時，管道穿水區域若發生疑似天然氣泄漏，能夠實現不開挖的方式快速準確區分是管道泄漏的天然氣還是地下沼氣，減少應急判斷等待時間，為應急搶險工作提供決策性依據。
