管道系統(tǒng)安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)技術(shù)

摘 要：通過對(duì)國(guó)內(nèi)管道系統(tǒng)安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀的分析，提出了阻抗法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為我國(guó)城市供熱管網(wǎng)建設(shè)中首選的管道系統(tǒng)安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的觀點(diǎn)，并詳細(xì)介紹了帶報(bào)警裝置的智能保溫管道的結(jié)構(gòu)和工作原理。

關(guān)鍵詞：供熱管網(wǎng)；管道運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；阻抗法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；泄漏監(jiān)測(cè)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.213

0 前言

保溫管是絕熱管道的簡(jiǎn)稱，用于液體、氣體及其他介質(zhì)的輸送，在石油、化工、航天、軍事、集中供熱、中央空調(diào)、市政等管道的絕熱保溫工程中均有廣泛應(yīng)用。一般保溫管從內(nèi)向外分為三層結(jié)構(gòu)，第一層：工作鋼管層，簡(jiǎn)稱鋼管，選用無縫鋼管或螺旋鋼管或直縫鋼管；第二層：聚氨酯保溫層，簡(jiǎn)稱保溫層，包覆在鋼管層的外表面，通過聚氨酯原料發(fā)泡制成；第三層：高密度聚乙烯保護(hù)層，簡(jiǎn)稱外護(hù)層或外護(hù)管，通常是具有一定壁厚的黑色或黃色聚乙烯塑料管材。保溫管的敷設(shè)一般采用地埋的方式，而且多經(jīng)過條件復(fù)雜的地段，點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣，一旦發(fā)生泄漏，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)或確定泄漏點(diǎn)，不僅會(huì)給用戶造成不必要的損失，還可能釀成較大的事故。實(shí)現(xiàn)對(duì)管道滲漏遠(yuǎn)程探測(cè)、定位技術(shù)，提高對(duì)管道滲漏點(diǎn)預(yù)警與探測(cè)的及時(shí)性和精確性，是解決集中供熱行業(yè)管道系統(tǒng)安全運(yùn)行監(jiān)控自動(dòng)化的關(guān)鍵共性問題。

1 國(guó)內(nèi)管道系統(tǒng)安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

30多年來，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，集中供熱模式的熱力管網(wǎng)技術(shù)突飛猛進(jìn)，通過引進(jìn)、吸收國(guó)外先進(jìn)供熱管道制造技術(shù)，國(guó)內(nèi)管材企業(yè)具備了鋼管、聚氨酯保溫層和高密度聚乙烯外護(hù)管三位一體結(jié)構(gòu)保溫管的生產(chǎn)能力，而且無論是制造工藝，還是產(chǎn)品種類、產(chǎn)品質(zhì)量都逐步向國(guó)際先進(jìn)水平靠近。但是，目前我國(guó)城市集中供熱管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)大多采用落后的人工巡檢方式，由巡檢員定期攜帶相關(guān)檢漏儀器沿管線進(jìn)行檢測(cè)，這就可能在發(fā)生泄漏后不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，會(huì)增大維修難度，甚至造成事故；另外，上述傳統(tǒng)的檢測(cè)手段一般只適用于對(duì)管道內(nèi)介質(zhì)泄漏的檢測(cè)，主要是依賴升壓、分段關(guān)閥門等低效、落后的檢測(cè)方法先查找出泄漏管段，再通過相關(guān)檢測(cè)儀器查找泄漏點(diǎn)，因此要求管道系統(tǒng)具有一定的運(yùn)行壓力，特別是在夏季管網(wǎng)維護(hù)排查過程中，還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升壓，不僅提高了檢測(cè)成本，而且升壓后管道內(nèi)介質(zhì)的滲漏會(huì)進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致保溫層潮濕范圍增大，易引起更大面積的管道腐蝕，同時(shí)傳統(tǒng)的檢測(cè)手段針對(duì)輕微泄漏或由地下水滲入保溫層的外泄漏故障無能為力。

2 供熱管網(wǎng)安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的選擇

針對(duì)傳統(tǒng)的管道系統(tǒng)安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)手段存在的弊端，優(yōu)選的技術(shù)方案是在供熱管網(wǎng)中配置可靠的安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道運(yùn)行過程中出現(xiàn)的泄漏點(diǎn)，并在管網(wǎng)中準(zhǔn)確定位發(fā)生泄漏的具體位置。目前在國(guó)內(nèi)具有運(yùn)行可行性的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有電阻法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、阻抗法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和基于光纖分布式測(cè)溫的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中阻抗法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用泄漏的液體會(huì)改變檢測(cè)系統(tǒng)阻抗這一原理，在管道保溫層中安裝銅線作為傳感器導(dǎo)線，通過測(cè)量銅線和鋼管之間的阻抗來判斷泄漏情況及漏點(diǎn)位置。由于阻抗法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在早期預(yù)警功能、施工方案適應(yīng)性及運(yùn)行可靠性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，成為國(guó)內(nèi)城市供熱管網(wǎng)建設(shè)中首選的管道系統(tǒng)安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3 阻抗法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施方案

阻抗法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括預(yù)埋在保溫層中的信號(hào)傳輸導(dǎo)線、保溫管道和外部監(jiān)測(cè)及定位設(shè)備。

為了與阻抗法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相匹配，唐山興邦管道工程設(shè)備有限公司研發(fā)了一種帶報(bào)警裝置的智能保溫管道，如圖1所示，該智能保溫管道包括由鋼管1、保溫層2、外護(hù)管3組成的保溫管，并在保溫管上預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)J，該智能保溫管道還設(shè)置試驗(yàn)線4、報(bào)警線5、引出接頭8和引出線9；其中試驗(yàn)線4和報(bào)警線5為預(yù)埋在保溫層2內(nèi)的裸銅導(dǎo)線，試驗(yàn)線4和報(bào)警線5均與鋼管1的軸線平行布置，并與鋼管壁外表面保持設(shè)定距離，如圖2所示，在與鋼管軸線垂直的截面上，試驗(yàn)線4位于半徑為R2的圓周上，報(bào)警線5位于半徑為R1的圓周上，R1>R2，即試驗(yàn)線5位于鋼管1外表面與報(bào)警線5之間，試驗(yàn)線4、報(bào)警線5與圓心之間連線形成的夾角α=45°～90°，報(bào)警線5通過支架6安裝，在鋼管1外表面上設(shè)置若干呈直線分布的支架6，在支架上開設(shè)穿孔，報(bào)警線5穿過支架6上的穿孔；引出接頭8固定在保溫管預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)J的外護(hù)管處，在引出接頭8上設(shè)置插接座Z和兩個(gè)彼此絕緣的引出頭A、B，其中引出頭A與鋼管端部外表面上設(shè)置接線柱7連接，引出頭B可分別與試驗(yàn)線或者報(bào)警線連接；引出線9一端設(shè)置插頭，插頭與引出接頭8的插接座Z連接，引出線9的另一端連接外部監(jiān)測(cè)及定位設(shè)備10。

上述智能保溫管道的工作原理是：報(bào)警線5與鋼管1外壁形成連接在電路中的平行板電容器，通過外部監(jiān)測(cè)及定位設(shè)備10可測(cè)量出該電容器的電容，根據(jù)平行板電容器電容計(jì)算公式：C=εS/d（式中C為平行板電容器電容，ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為極板面積，d為極板間的距離），可見影響平行板電容器電容的因素包括極板間介質(zhì)的介電常數(shù)、極板面積和極板間的距離，因此在保溫管不泄漏的情況下，極板間介質(zhì)為干燥的保溫層材料，此時(shí)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)ε為一定值；當(dāng)保溫管出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象時(shí)，管道中液體或管道外的地下水滲透擴(kuò)散至保溫材料中，使極板間介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變，從而引起電容值的變化，電容變化值反饋到外部監(jiān)測(cè)及定位設(shè)備10，提供報(bào)警信息，再經(jīng)外部監(jiān)測(cè)及定位設(shè)備10的處理器進(jìn)一步分析，便可以確定泄漏情況及保溫層2中的潮濕點(diǎn)和泄漏點(diǎn)。

為保證智能保溫管道中報(bào)警裝置的可靠性，在每一件保溫管產(chǎn)品出廠前需對(duì)其報(bào)警裝置性能進(jìn)行例行檢驗(yàn)，由于例行檢驗(yàn)不適于采用將保溫層浸水來模擬泄漏現(xiàn)象的檢測(cè)方法，因此在保溫管道中還設(shè)置了試驗(yàn)線4，通過試驗(yàn)線4完成保溫管產(chǎn)品報(bào)警裝置出廠前的例行檢驗(yàn)，其檢測(cè)方法及原理為：首先利用外部監(jiān)測(cè)及定位設(shè)備10測(cè)量報(bào)警線5與鋼管1外側(cè)面形成的平行板電容器電容，然后將試驗(yàn)線4與鋼管1外側(cè)面（或報(bào)警線5）搭接，使試驗(yàn)線4與鋼管1外表面或（報(bào)警線5）共同形成平行板電容器的一個(gè)極板，非搭接試驗(yàn)線的報(bào)警線或鋼管外側(cè)面形成平行板電容器的另一個(gè)極板，由于試驗(yàn)線5位于鋼管1外表面與報(bào)警線5之間，并且試驗(yàn)線4、報(bào)警線5與圓心之間連線形成的夾角α=45°～90°，此時(shí)由試驗(yàn)線4與鋼管1外表面或（報(bào)警線5）共同形成的平行板電容器極板間的距離變小，電容變大，因此可根據(jù)外部監(jiān)測(cè)及定位設(shè)備10測(cè)量的電容值判定報(bào)警裝置的可靠性。如果在試驗(yàn)線4與鋼管1外表面（或報(bào)警線5）搭接后，檢測(cè)設(shè)備10測(cè)量的電容值發(fā)生了變化，由報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信息，即可證明報(bào)警裝置工作可靠；如果在試驗(yàn)線4與鋼管1外表面（或報(bào)警線5）搭接后，檢測(cè)設(shè)備10測(cè)量的電容值沒有變化，證明報(bào)警裝置存在故障，該保溫管產(chǎn)品判斷為不合格產(chǎn)品。

與上述智能保溫管道匹配的外部監(jiān)測(cè)及定位設(shè)備可采用“互聯(lián)網(wǎng)+”的構(gòu)成方式，各檢測(cè)設(shè)備彼此獨(dú)立運(yùn)行，數(shù)據(jù)通過無線傳輸，監(jiān)測(cè)軟件為基于WEB的SPG5.0檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)訪問用戶數(shù)量、訪問時(shí)間和訪問地點(diǎn)均沒有限制，通過監(jiān)測(cè)軟件可以實(shí)時(shí)了解各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上傳的監(jiān)測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)，供用戶判讀，避免任何誤報(bào)。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)管道系統(tǒng)安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀的分析，論述了傳統(tǒng)的管道系統(tǒng)安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)手段存在的弊端；根據(jù)阻抗法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在早期預(yù)警功能、施工方案適應(yīng)性及運(yùn)行可靠性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，提出了阻抗法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為我國(guó)城市供熱管網(wǎng)建設(shè)中首選的管道系統(tǒng)安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的觀點(diǎn)；通過對(duì)阻抗法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中智能化保溫管道結(jié)構(gòu)及工作原理的描述，不僅為實(shí)現(xiàn)集中供熱行業(yè)管道系統(tǒng)安全運(yùn)行監(jiān)控自動(dòng)化提供了技術(shù)支持，而且使管道系統(tǒng)安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化具備了可行性。

作者簡(jiǎn)介：邱榮來（1950-），男，大專，高級(jí)工程師，董事長(zhǎng)，研究方向：無支架直埋保溫管制造技術(shù)。endprint