管道系統安全運行監測技術

摘 要：通過對國內管道系統安全運行監測現狀的分析，提出了阻抗法監測系統為我國城市供熱管網建設中首選的管道系統安全運行監測系統的觀點，并詳細介紹了帶報警裝置的智能保溫管道的結構和工作原理。

關鍵詞：供熱管網；管道運行監測系統；阻抗法監測系統；泄漏監測

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

0 前言

保溫管是絕熱管道的簡稱，用于液體、氣體及其他介質的輸送，在石油、化工、航天、軍事、集中供熱、中央空調、市政等管道的絕熱保溫工程中均有廣泛應用。一般保溫管從內向外分為三層結構，第一層：工作鋼管層，簡稱鋼管，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，簡稱保溫層，包覆在鋼管層的外表面，通過聚氨酯原料發泡制成；第三層：高密度聚乙烯保護層，簡稱外護層或外護管，通常是具有一定壁厚的黑色或黃色聚乙烯塑料管材。保溫管的敷設一般采用地埋的方式，而且多經過條件復雜的地段，點多、線長、面廣，一旦發生泄漏，難以及時發現或確定泄漏點，不僅會給用戶造成不必要的損失，還可能釀成較大的事故。實現對管道滲漏遠程探測、定位技術，提高對管道滲漏點預警與探測的及時性和精確性，是解決集中供熱行業管道系統安全運行監控自動化的關鍵共性問題。

1 國內管道系統安全運行監測現狀

30多年來，我國國民經濟快速發展，集中供熱模式的熱力管網技術突飛猛進，通過引進、吸收國外先進供熱管道制造技術，國內管材企業具備了鋼管、聚氨酯保溫層和高密度聚乙烯外護管三位一體結構保溫管的生產能力，而且無論是制造工藝，還是產品種類、產品質量都逐步向國際先進水平靠近。但是，目前我國城市集中供熱管道系統的安全運行監測大多采用落后的人工巡檢方式，由巡檢員定期攜帶相關檢漏儀器沿管線進行檢測，這就可能在發生泄漏后不能被及時發現和處理，會增大維修難度，甚至造成事故；另外，上述傳統的檢測手段一般只適用于對管道內介質泄漏的檢測，主要是依賴升壓、分段關閥門等低效、落后的檢測方法先查找出泄漏管段，再通過相關檢測儀器查找泄漏點，因此要求管道系統具有一定的運行壓力，特別是在夏季管網維護排查過程中，還需要對系統進行升壓，不僅提高了檢測成本，而且升壓后管道內介質的滲漏會進一步加劇，導致保溫層潮濕范圍增大，易引起更大面積的管道腐蝕，同時傳統的檢測手段針對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 供熱管網安全運行監測系統的選擇

針對傳統的管道系統安全運行監測手段存在的弊端，優選的技術方案是在供熱管網中配置可靠的安全運行監測系統，以實時監測管道運行過程中出現的泄漏點，并在管網中準確定位發生泄漏的具體位置。目前在國內具有運行可行性的監測系統有電阻法監測系統、阻抗法監測系統和基于光纖分布式測溫的監測系統，其中阻抗法監測系統是利用泄漏的液體會改變檢測系統阻抗這一原理，在管道保溫層中安裝銅線作為傳感器導線，通過測量銅線和鋼管之間的阻抗來判斷泄漏情況及漏點位置。由于阻抗法監測系統在早期預警功能、施工方案適應性及運行可靠性方面具有明顯的優勢，成為國內城市供熱管網建設中首選的管道系統安全運行監測系統。

3 阻抗法監測系統實施方案

阻抗法監測系統包括預埋在保溫層中的信號傳輸導線、保溫管道和外部監測及定位設備。

為了與阻抗法監測系統相匹配，唐山興邦管道工程設備有限公司研發了一種帶報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、外護管3組成的保溫管，并在保溫管上預設監測點J，該智能保溫管道還設置試驗線4、報警線5、引出接頭8和引出線9；其中試驗線4和報警線5為預埋在保溫層2內的裸銅導線，試驗線4和報警線5均與鋼管1的軸線平行布置，并與鋼管壁外表面保持設定距離，如圖2所示，在與鋼管軸線垂直的截面上，試驗線4位于半徑為R2的圓周上，報警線5位于半徑為R1的圓周上，R1>R2，即試驗線5位于鋼管1外表面與報警線5之間，試驗線4、報警線5與圓心之間連線形成的夾角α=45°～90°，報警線5通過支架6安裝，在鋼管1外表面上設置若干呈直線分布的支架6，在支架上開設穿孔，報警線5穿過支架6上的穿孔；引出接頭8固定在保溫管預設監測點J的外護管處，在引出接頭8上設置插接座Z和兩個彼此絕緣的引出頭A、B，其中引出頭A與鋼管端部外表面上設置接線柱7連接，引出頭B可分別與試驗線或者報警線連接；引出線9一端設置插頭，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測及定位設備10。

上述智能保溫管道的工作原理是：報警線5與鋼管1外壁形成連接在電路中的平行板電容器，通過外部監測及定位設備10可測量出該電容器的電容，根據平行板電容器電容計算公式：C=εS/d（式中C為平行板電容器電容，ε為極板間介質的介電常數，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的介電常數、極板面積和極板間的距離，因此在保溫管不泄漏的情況下，極板間介質為干燥的保溫層材料，此時極板間介質的介電常數ε為一定值；當保溫管出現泄漏現象時，管道中液體或管道外的地下水滲透擴散至保溫材料中，使極板間介質的介電常數發生改變，從而引起電容值的變化，電容變化值反饋到外部監測及定位設備10，提供報警信息，再經外部監測及定位設備10的處理器進一步分析，便可以確定泄漏情況及保溫層2中的潮濕點和泄漏點。

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

與上述智能保溫管道匹配的外部監測及定位設備可采用“互聯網+”的構成方式，各檢測設備彼此獨立運行，數據通過無線傳輸，監測軟件為基于WEB的SPG5.0檢測系統，對訪問用戶數量、訪問時間和訪問地點均沒有限制，通過監測軟件可以實時了解各監測系統上傳的監測測量數據，供用戶判讀，避免任何誤報。

4 結論

本文通過對國內管道系統安全運行監測現狀的分析，論述了傳統的管道系統安全運行監測手段存在的弊端；根據阻抗法監測系統在早期預警功能、施工方案適應性及運行可靠性方面具有明顯的優勢，提出了阻抗法監測系統為我國城市供熱管網建設中首選的管道系統安全運行監測系統的觀點；通過對阻抗法監測系統中智能化保溫管道結構及工作原理的描述，不僅為實現集中供熱行業管道系統安全運行監控自動化提供了技術支持，而且使管道系統安全運行監測技術的產業轉化具備了可行性。

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