燃氣管網泄漏模式建立及應用

崔嘯宇，高晨思聰

(1.北京市燃氣集團第五分公司，北京 100191；2.中國石油大學(北京)克拉瑪依校區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000)

1 泄漏燃氣的運移

本文將燃氣從管道泄漏至地表經過的運動，稱為燃氣運移。燃氣運移分為兩個過程，即初次運移和二次運移，初次運移和二次運移是一個連續(xù)過程，但是作用方式不同，對實際生產中影響有所區(qū)別。燃氣的運移主要包含運移的動力、運移的方式和運移通道。

1.1 初次運移

初次運移是燃氣從管道內泄漏至管道外的運動，只是燃氣經漏點運移的過程，是一個短暫的過程。

在初次運移中，燃氣運行的動力主要是運輸過程中的壓力，運移通道為漏點。城鎮(zhèn)管網中不同壓力，以及漏點的大小、位置和形狀主要影響燃氣的泄漏量以及初次運移的方向。而初次運移產生的影響在尋找漏點過程中將是一個最直觀、最明顯的標志，例如在應急搶修開挖到管線時，經常會發(fā)現會有干土或硬土貼在管道外管壁，這些位置基本是燃氣管線漏點位置[1]。

1.2 二次運移

二次運移為燃氣從進入土壤之后的一切運移。是一系列運動過程，主要包括泄漏的燃氣運移到聚集空間或逸散到空氣中的運移過程。

二次運移的動力主要是空氣的浮力?？諝飧×Φ淖饔梅较驗榇怪毕蛏希远芜\移在不受其他地質條件干擾下為垂向運移。同時由于燃氣易擴散，以及初始壓力的釋放，會發(fā)生側向運移。

但是由于城鎮(zhèn)地下情況復雜，造成城鎮(zhèn)燃氣管網在地下運移方向和距離的不同，對燃氣二次運移有很大影響。本文依據《城鎮(zhèn)道路開挖及快速回填技術規(guī)程》，主要針對常見三種情況簡要分析運移通道的作用。

(1)在理想狀態(tài)下，即燃氣管線上方覆蓋土壤均勻、松散，土壤之間形成均勻孔隙，而這些孔隙就形成了良好的運移通道，使燃氣二次運移能以標準的垂向運移和側向運移結合的方式運動(如圖1(a)所示)。

(2)城鎮(zhèn)建設中多以建筑回填土為主，建筑回填土中存在水泥板以及磚頭，而這些影響因素會導致施工過程中夯實不均勻。燃氣在運移過程中，會首先在下方土壤松散層進行側向運移，在繞過水泥板和致密層之后再次垂向運移。兩種方式都會形成多種通道，不同通道會以單一垂向運移或側向運移為主。此種運移通道會導致漏點位置與地表檢測位置產生一定的偏差(如圖1(b)所示)。

(3)城鎮(zhèn)地下空間有限，地下管網錯綜復雜，尤其以污水管、暖氣管溝、電纜溝為代表的管網對燃氣運移影響巨大。因為地下管網的交錯分布，燃氣在運移過程中會進入其他市政管線，污水管、暖氣管溝、電纜溝由于其密封不嚴，內部空間四通八達的特點，為燃氣形成了順暢的運移通道，導致燃氣泄漏形成大面積的濃度區(qū)域。此種運移通道對燃氣漏點定位干擾最大，同時也最危險(如圖1(c)所示)。

圖1 燃氣泄漏路徑示意圖

2 泄漏燃氣的聚集

燃氣的聚集是燃氣停止運移并聚集的狀態(tài)。燃氣的聚集是檢測工作的最直觀表現，是檢測工作中發(fā)現漏氣和定位的初步判斷。燃氣的聚集需要滿足兩個特點，即儲集空間和遮蓋層，儲集空間為燃氣提供“住所”，遮蓋層為燃氣提供約束條件。城鎮(zhèn)燃氣泄漏導致的聚集主要分為三種情況：

(1)燃氣運移至地表，由于地表土質疏松，在地表孔隙中會聚集一些燃氣，但由于地面存在一些裂縫，燃氣則會通過這些裂縫或直接通過土壤逸散到空氣中，從而被檢測儀器檢測到濃度。

(2)在一些市政道路，由于柏油馬路致密性較強，地下無機料充填物孔隙度較高，滿足燃氣聚集的條件，通常燃氣泄漏會在道路下方聚集。這種情況會導致地表檢測濃度較低，但是打孔濃度較高。

(3)市政管線(污水管、暖氣管溝、電纜溝)會固定燃氣二次運移的方向，導致一些市政井成為良好的儲集空間。但是一些市政井距離漏點的遠近，及對應市政管線的走勢，導致聚集在井里的燃氣濃度有很大區(qū)別。

3 燃氣管網泄漏分析及應用

通過以上分析，建立城鎮(zhèn)燃氣管網的泄漏模式為：以自身壓力和空氣浮力為動力，多種運移通道并存，通過垂向運移和側向運移的綜合作用方式，聚集在覆蓋層之下或逸散到空氣中。燃氣泄漏中初次運移基本相同，針對城鎮(zhèn)地下土層對二次運移的不同作用方式，建立三種具體泄漏模式并進行案例應用。

3.1 均勻土層的燃氣泄漏分析及案例

均勻土層的燃氣泄漏模式：土壤回填均勻，形成以土壤孔隙為主的運移通道，垂向運移方式為主，聚集到路面之下或逸散到空氣中的模式。

檢測人員在對西城區(qū)某小區(qū)內低壓管線開展泄漏檢測工作時，檢測到小區(qū)4號樓北側一處疑似泄漏，東西走向低壓DN300管線上方的硬質路面使用HS680檢測燃氣體積濃度最高1%，燃氣管線周邊無相鄰市政管線和市政閘井，與路政單位對接得知，此處回填為質地均勻的沙土，分析其可能為一類運移通道。

首先，在地表濃度最高的燃氣管道上方進行打孔，打孔方式為5×4(如圖2(a)所示)、間距為40 cm的共計20個探測孔的矩陣，深度全部保持一致且穿透硬質路面，形成第一層級探測點，并對每個探測點進行濃度檢測，篩選出濃度較高且數值較為一致的探測點，圈定出第一級等濃度梯度層。

隨后，將燃氣濃度較高區(qū)域內的探測點繼續(xù)增加15 cm的深度，形成第二層級探測點，對全部第二層級探測點進行濃度檢測，篩選出濃度較高且數值較為一致的探測點，基于篩選出的第二層級探測點得到的濃度分布情況，圈定出第二級等濃度梯度層。

以此類推，共計形成五級探測點、圈定五級等濃度梯度層，隨后將每一級濃度層中濃度最高的探測點進行由地表到地面的連線，推導出泄漏燃氣的運移通道，繼而推導出泄漏點的準確位置。經開挖核實，低壓DN300管線管壁北側處有1處腐蝕漏點，與推導出的泄漏點位置基本一致，開挖面積僅2.1 m2。

此處泄漏屬于一類運移通道，以土壤孔隙為通道，垂向運移為主，側向運移輔助的共同作用方式，在路面下方形成聚集的泄漏模式，也是最好判斷漏點位置的情況。

3.2 不均勻土層的燃氣泄漏分析及案例

不均勻土層的燃氣泄漏模式：土壤回填土質不均勻，會形成多種運移通道，包括未夯實的溝槽及一些水泥蓋板，改變了燃氣的運移方向，多種運移過程結合，單一運移過程以垂向運移或側向運移為主，燃氣聚集在土層形成空間的燃氣泄漏模式[2]。

檢測人員在海淀區(qū)花園路某學校開展檢測工作時發(fā)現一處疑似泄漏位置，地表為水泥路面，使用HS680在地表檢測濃度為0.12%(體積百分比)，周邊市政閘井無濃度，檢測人員沿管線進行打孔定位，經打孔檢測3#點濃度較高，為35%(體積百分比)，遠高于爆炸上限，而管線南側的6#和15#濃度僅8.5%(體積百分比)，以及6#和15#東西兩側濃度逐步降低，于是決定啟動應急開挖3#點位置(如圖2(b)所示)。

在開挖過程中，3#點開挖深度約60 cm位置見到管線，同時管線向南有下傾趨勢，管線下方因回填未夯實形成孔隙，并向南延伸形成溝槽。將此段管線清除防腐后未發(fā)現漏點，檢測管線下方溝壑濃度30%(體積百分比)。現場分析此處可能為二類運移通道，燃氣很大可能由南側經二次運移至3#位置。于是繼續(xù)向南擴坑，經開挖核實在6#中壓和15#低壓三通位置發(fā)現兩處漏點。

這種情況屬于第二類運移通道，管線周邊土壤因外界因素形成溝槽，同時管線有下傾趨勢，造成了地勢的區(qū)別。兩種因素結合在一起導致燃氣形成了固定方向的運移通道，以側向運移為主，聚集在土壤溝槽的模式。

3.3 復雜管網影響下的燃氣泄漏分析及案例

復雜管網影響下燃氣的燃氣泄漏模式：主要為復雜管網提供運移通道，改變運移方向，側向運移為主，市政閘井形成運移空間的泄漏模式。

檢測人員在對海淀區(qū)某大學校內低壓管線開展泄漏檢測工作時，檢測到1座污水井內含有可燃氣體濃度，使用HS680進行兩次氣相色譜分析均含有甲烷、乙烷、丙烷，確定附近燃氣管線存在漏氣隱患。距污水井最近管線為南側的東西走向DN250低壓管線，經管線上方打孔檢測均為較低的濃度點，隨即沿污水管線走向擴大檢測范圍，發(fā)現多座甲烷濃度較高的污水井，其中污水井內甲烷濃度最高達28%(體積百分比)(如圖2(c)所示)。

圖2 管網泄漏搶修檢測點位分布圖

通過開蓋放氣、查看地下污水管線走向及高差，結合污水管線與燃氣管線相對位置關系，確定為第三類泄漏模式，迅速確定污水管線與燃氣管線的交叉點并開挖。經開挖核實，于低壓DN250管線與污水管道交叉點找到1處燃氣管道腐蝕漏點。

這是一起較明顯的污水管網提供運移通道，并在污水井內形成聚集的應用案例。主要污水管道提供運移通道，沿污水管線走向為運移方向，側向運移為主的方式，在污水井形成聚集空間的泄漏模式，這種模式主要特點是運移距離較遠，運移方向明確。

4 結語

本文在城鎮(zhèn)燃氣管網基礎上，結合了油氣成藏機理，綜合分析天然氣泄漏之后在均勻土層、非均勻土層及復雜地下管網影響下的運移方式，總結了科學分布檢測點，形成等濃度梯度層，結合土層構造及地下運輸通道的影響，對燃氣管網漏點快速定位的方法，在生產工作中實際案例的綜合運用，取得較好的效果，極大保障了人民的安全，減少財產損失。