可燃氣體檢測儀在終端燃氣公司的應用探討

卓勇,劉宏,陳琳,王超

中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田燃氣分公司 （四川 成都 610500）

0 引言

根據統計數據，我國2018年在燃氣使用方面發生燃氣爆炸事故814起，其中室內540起，室外274起，共造成80人死亡，超過928人受傷。可燃氣體泄漏的原因多種多樣，燃氣管道的分布和管線長度極為復雜，數量巨大的關斷閥門最易引發可燃氣體泄漏，可燃氣體泄漏的環境也是復雜多樣[1]。本文主要討論如何對現有的可燃氣體檢測儀通過合理配置和最優選用達到快捷、靈敏、準確地定位氣體泄漏位置。

可燃氣體檢測儀是對天然氣泄漏進行快速定性分析和定位研究的主要儀器，是保障居民人身和財產安全的重要儀器。通過對不同型號、性能和檢測量程的可燃氣體檢測儀的分析，各終端燃氣公司依據科學的選型建議合理地配備儀器，終端燃氣公司檢測人員能使用配備儀器高效地完成可燃氣體泄漏的檢測工作。這不僅提升可燃氣體檢測效率、節約勞動力，還能提高可燃氣體泄漏的及時發現率，有效地減少甚至防止事故的發生[2]，對人民生命安全和國家財產的保護具有重要意義。因此，對現存的可燃氣體檢測儀的性能進行研究，整理終端燃氣常見泄漏環境和檢測需求，從而得出儀器配置的最優化方案，以保障天然氣在生產、運輸、銷售、使用過程中的安全。

1 可燃氣體檢測儀的發展現狀

可燃氣體檢測儀發展到現在，已經有依據多種檢測原理設計而成的不同型號的可燃氣體檢測儀器，最主要的分為催化燃燒式、熱傳導式、紅外吸收式、半導體式、電化學式、火焰離子化、光干涉式、聲速差式等8種類型，以及最新研發超聲波式可燃氣體泄漏檢測儀[3]。

1）催化燃燒式檢測儀的運行依賴于電熱催化元件（絲狀或珠狀）表面的可燃氣體的氧化，這種氧化導致感應元件的溫度作為監測到的氣體濃度的函數發生變化[4]。這種檢測儀適用于多種可燃氣體的探測，可在擴散和抽吸兩種模式下使用，檢測濃度在低可燃極限之內的氣體。催化燃燒式檢測儀存在檢測范圍有限、易受干擾氣體（氮氣或二氧化碳）的影響、易發生催化劑中毒抑制作用等缺陷[5]。

2）熱傳導式檢測儀的運行依賴于固定速度的氣體樣品流或擴散室中的電加熱電阻元件(絲、珠或薄膜電阻器)的導熱損失，然后確定電阻阻值的變化。這種傳感器最適合于檢測單一氣體的導熱率。熱導率傳感器適合于檢測那些熱導率與空氣（其中空氣是參考環境）熱導率顯著不同的情況，但僅在相對較高的濃度的氣體情況下使用，氣體的濃度通常高于低可燃極限。與熱導傳感器結合的儀表可用來測量像氫氣這樣傳感器對其非常敏感、低于可燃極限的氣體[6]。

3）半導體式檢測儀的工作依賴于加熱半導體感應元件暴露在空氣中時化學吸收作用導致的電導的變化，氣體濃度由檢測到的導電性變化推斷。半導體傳感器可以在擴散模式或者取樣模式下使用。這種傳感器一般用于檢測在指定濃度范圍內的特定氣體，易受濕度變化以及干擾氣體的影響，而且會出現零點漂移和量程漂移[7]。

4）電化學式檢測儀的工作原理在于特定氣體存在時電極上電學參數的改變。電學參數會由于電解質中電極表面上的還原反應發生改變。電極和電解質通常被限制在半滲透膜內。電化學電池結構簡單，功率較小，對特定可燃氣體的敏感度非常高。

5）火焰離子式檢測儀的運行依靠有機化合物的電離作用。電離產生的離子團在電離室兩電極之間電位差梯度下遷移產生電流，此電流大小與氣體流中氣體或蒸汽濃度成正比。這種檢測儀被用來檢測低可燃限度之內可燃氣體或空氣混合物，在高敏感度、廣測量范圍、小測量不確定性、中毒抵抗性以及快反應時間內起重要作用的情況下使用，需要對該裝置最不敏感的氣體或蒸汽校準。這些因素對于無機氣體，比如氫氣不適用。氣體樣本，空氣和可燃氣體的壓力應保持恒定，但是應當注意在采樣管中的阻火器會被污染，而且在保持樣本流量恒定時會有困難。

6）紅外吸收式可燃氣體檢測儀依賴于被檢測氣體對電磁輻射束的能量吸收，現有的儀器在紅外光譜范圍內工作。這類儀器具有采樣系統的特殊適應性分析儀，適用于潛在爆炸環境中安裝的單點自給式電磁檢測裝置，比如在遠程位置引導電磁光源從控制單元到傳感器電磁的光學電纜。這類儀器具有高穩定能力,不受中毒影響并且在低可燃極限之上濃度顯示明確，在自動標定、自我檢測等技術的作用下，維護能力降低。這種儀器主要有兩個優勢：一是可以檢測較大區域內較低濃度的碳氧氣體泄漏，據研究其檢測半徑可達100～150 m；二是能夠對多個潛在的碳氧氣體泄漏點進行檢測，適合于在檢測環境復雜、儀器不方便鋪設的戶外進行檢測。這類儀器的不足之處是不適用于檢測標定過的氣體混合物，在霧塵濃度較高的檢測環境中，空氣中的細微灰塵會遮擋住光學傳感器探頭的表面從而引發泄漏的誤報。因此必須定期對傳感器進行清洗保養。這類儀器不適用于測量氫氣，由于開放光路的設計，對震蕩造成的失準敏感。

7）光干涉式檢測儀的檢測機理為：空氣和可燃氣體對光的折射率不同，光束在兩種介質中傳播會因折射率差異而產生光程差，進而產生兩束相干光，在出射端會有明暗相間的干涉條紋，通過測量干涉條紋的移動距離進而測定可燃氣體的濃度。光干涉式可燃氣體檢測儀的準確度高，容易校準，外殼結實，測量濃度范圍廣。但存在的問題也明顯，濃度測量結果不夠直觀，環境的氣壓和溫度影響測量結果，對光學零件加工要求較高，導致成本高，難以實現自動化檢測等。

8）聲速差式檢測儀基于聲音在不同介質中傳播速度不同來測定可燃氣濃度。這類儀器檢測精度雖然受氣壓影響小，但其易受環境氣體、粉塵及氣溫等因素影響。由于其檢測精度的限制，一般不用于測量低濃度瓦斯，而是用于檢測礦井抽放瓦斯管道中的瓦斯濃度，使用較有限，不適用于可燃氣體終端檢測。

9）超聲波式檢測儀針對特定氣體波段的激光在變送器內生成并沿開放通道發射到接收器，目標氣體吸收窄波段的激光輻射，這種激光吸收產生一個諧波指紋。這個諧波指紋為目標氣體所特有，而且其諧波幅度與激光束通道內的氣體總量呈正比。超聲波氣體泄漏探測器配備ANN智能神經元網絡技術的超聲波氣體泄漏探測器，能夠準確地進行模式識別，并有效區分環境背景噪聲（誤報警）和危險氣體泄漏的真實報警。

2 可燃氣體泄漏常見原因分析

2.1 居民家庭用氣泄漏常見原因

隨著天然氣在人民生產和生活中應用的深入，燃氣泄漏也逐步成為威脅居民生命財產安全的重要因素[8]，燃氣泄漏原因主要有以下幾點：

1）燃氣輸送管道損壞、破裂而導致的燃氣泄漏。據統計，因燃氣輸送管道的膠管破裂、脫落造成的燃氣泄漏事件占到30%左右。造成膠管脫落損壞的原因主要有：①膠管使用時間過長，膠管出現局部的損壞和老化;②膠管上兩端的卡子松動、破壞或未打卡子；③使用了質量不合格的膠管，在使用過程中被腐蝕或老化加快；④膠管未定期檢修，被外界破壞等。

2）處于室外的燃氣管道受到環境的侵蝕而損壞，導致燃氣泄漏。造成室外燃氣管道破壞的原因主要有以下3點：①燃氣管道表面的防腐蝕漆層脫落而沒有定期補刷，導致管道表面長時間與空氣接觸而被腐蝕；②由于管道本身長期處于潮濕環境中而被腐蝕損壞；③受到磕碰或人為搬移使燃氣管道接口處松動，造成燃氣泄漏。

3）接在燃氣管道上的燃氣表被破壞造成的燃氣泄漏。其原因可歸納為以下兩點：①燃氣表使用時間過長，內部構件老化或損壞而沒有更換或檢修，導致燃氣泄漏；②由于外界人為或自然作用導致燃氣表內部零件松動或破壞造成的燃氣泄漏。

4）使用燃氣灶具點火時操作不當或未能成功點火而造成的燃氣泄漏。原因主要有以下7點：①灶具內部的打火觸點由于長時間使用而積累了污垢或其內部的微動開關故障；②燃氣灶具內部進入了太多的空氣，從而導致燃氣泄漏；③長期未清理造成的燃氣管道內部堵塞；④灶具內部點火的電路接觸不良而導致的燃氣泄漏；⑤使用灶具時經常大火煮沸且處理不當、不及時；⑥由于外力磕碰而導致點后針錯位；⑦灶具工作時很長時間沒有人員在場，灶具過長時間工作造成燃氣泄漏。

5）燃氣閥門處燃氣泄漏。可能的原因有：①閥門在短時內多次開關導致機械疲勞使得閥門處燃氣泄漏；②燃氣管道內部短時間內沒有燃氣通過，但操作人員忘記關閉閥門造成的燃氣泄漏；③閥門受到外力作用導致閥門內部出現空襲，使得燃氣泄漏；④長時間未檢修，燃氣管道被氣體中的硫化物腐蝕損壞，導致的燃氣泄漏。

6）未經有關部門批準擅自修改或增加燃氣管線，導致燃氣泄漏。主要有以下幾點：①為擴大燃氣使用的覆蓋面擅自增加三通或延長管線；②用戶在進行室內裝修時為了裝修方便擅自移動管線；③極少數用戶為了虛報燃氣使用量而改裝燃氣表或擅自改動管線造成的燃氣泄漏。

7）燃氣公司在鋪設管線或管道檢修時沒有按照相關標準進行施工而造成燃氣泄漏。原因主要有以下幾點：①管線維修或鋪設完成后未對線路或設備進行全面檢查就向管道中通入燃氣，可能會造成燃氣泄漏；②相關的燃氣公司或單位對于新投運管網或檢修管網沒有按照規定進行置換，導致管道質量不合格造成泄漏；③對于即將投運的管網沒有進行嚴格質量審查；④對于管網的定期入戶修檢宣傳不夠，且未按規定執行檢修工作[9]；⑤對于管道泄漏處理不及時或泄漏處理未按規定執行而造成燃氣二次泄漏。

2.2 工業用氣泄漏常見原因

天然氣作為清潔能源，越來越多地用作工業燃料，加之天然氣的儲量非常巨大，絕大部分工業燃料都已經被天然氣所替代，以農夫山泉（峨眉山）生產基地調研結果為例分析工業用氣泄漏常見原因。

1）氣壓轉換站燃氣泄漏。調壓站一般位于工業用氣進口，將長距離輸送的高壓天然氣轉換為低壓天然氣供工業使用，主要存在以下幾個方面泄漏的可能：①高壓管道輸入口管道接口松動導致氣體泄漏；②調壓站內部布滿眾多調壓閥門，閥門墊圈老化導致氣體泄漏；③調壓站內氣壓表損壞導致氣體泄漏。

2）工業園區內部管線泄漏。工業園區內部空間寬闊，主要存在以下幾個方面的泄漏可能：①燃氣管線長期暴露在空氣中，造成管線腐蝕發生泄漏；②園區內部叉車等作業車輛運行對管線的磕碰或破壞；③園區內部新設施的建設過程中對已經鋪設完畢的管線的破壞。

3）天然氣使用場所內部泄漏。工業上對天然氣的使用一般是在鍋爐房，通過燃燒提供內能，天然氣使用過程中主要在以下幾個方面容易發生泄漏：①房間內部管線的接頭處連接不緊密導致天然氣微漏；②閥門活動件由于頻繁的開閉導致墊圈加速老化使天然氣發生泄漏；③天然氣管道進入鍋爐內部的連接口易發生腐蝕導致燃氣泄漏；④鍋爐內部氧氣不充足時，天然氣燃燒不充分，逸散到房間內部導致泄漏[10]。

2.3 燃氣公司內部單位場所泄漏常見原因

燃氣公司內部單位主要包含加氣站、配氣站、調壓站等單位，主要由專業技術人員負責管理和維護。常見的導致燃氣泄漏的原因有以下3個方面。

1）活動構件頻繁使用導致燃氣泄漏。①在配氣站、調壓站等場所中，閥門等活動構件需要頻繁地打開或者關閉，高頻的啟閉導致內部的橡膠墊圈老化引起燃氣泄漏[11]；②活動構件的啟閉過程中，過度的旋轉導致活動構件的變形引起燃氣泄漏；③天然氣管道閥盤連接處的特殊處理暴露在濕潤空氣中，易發生電解腐蝕發生可燃氣體微漏事故。

2）燃氣管道內漏導致燃氣泄漏。這種場所發生的泄漏分為外漏和內漏，其中外漏主要是管道內部的天然氣逸散到空氣中，內漏主要是因為閥門的關閉不嚴，導致天然氣從管道內部逸散，從而排放到排污池中。

3）加氣站燃氣泄漏引發事故。加氣站主要針對汽車等進行天然氣銷售，每年加氣站發生燃氣泄漏引發事故的數量非常大，其主要的原因是：①加氣站接頭與氣罐接頭的連接不緊密，導致天然氣溢出；②充氣樁維護不及時，充氣橡膠管道老化導致泄漏；③天然氣管道連接處的腐蝕導致燃氣微漏[12-13]。

3 終端燃氣泄漏常見檢測環境分析

3.1 居民家庭泄漏常見檢測環境

入戶檢測泄漏直接關系著居民的生命和財產安全，檢測時所面臨的環境較為復雜，對燃氣泄漏檢測要求的靈敏度較高、反應速度要求較快。根據調研及資料顯示，主要分為灶前泄漏檢測環境、燃氣表泄漏檢測環境、燃氣進戶接口泄漏檢測環境、家用熱水器泄漏檢測環境和戶內軟塑膠管泄漏檢測環境。其中灶前檢測泄漏環境直接面臨明火，極易引發爆燃爆炸事故[14]。

3.2 工業用氣泄漏常見檢測環境

工業用氣泄漏一般直接威脅到工業財產安全，檢測環境一般較為空曠，每個檢測點之間距離較遠，但是用氣量一般較大，對燃氣泄漏檢測要求頻率高、效果好。根據調研及資料顯示，主要分為進氣口泄漏檢測環境、調壓站泄漏檢測環境、工廠內部管道泄漏檢測環境、燃氣表泄漏檢測環境、鍋爐燃氣泄漏檢測環境。其中調壓站最易發生泄漏，因為其接近密封環境，空氣流通速度慢，易發生可燃氣體的聚集。

3.3 公司內部單位泄漏常見檢測環境

公司內部單位發生的泄漏量一般較大、泄漏速度快，這是由于天然氣在運輸的過程中采用高壓管道輸送，如果發生泄漏則會造成極大的經濟損失和危害。此類泄漏對于檢測儀器要求靈敏度高、響應速度快、定位性能好。根據調研及資料顯示，主要分為內漏和外漏。內漏一般由閥門的關閉不嚴造成燃氣從管道內部逸散經排污管到排污池，主要為排污池泄漏檢測環境。外漏檢測環境主要分為活動部件、施工作業、長輸管線、流量計部件泄漏檢測環境等。其中最容易發生泄漏的部位為活動部件，由于經常性的啟閉造成橡膠圈的老化引起泄漏。

4 終端燃氣檢測用檢測儀選型建議

4.1 長輸管線泄漏檢測

長輸管線一般距離非常遠，管道線路一般位于郊區野外，檢測環境較為復雜，檢測工作量大且在傳輸過程中一般采用高壓集輸。因此可以對管道上游和下游的天然氣通過量進行計量并將計量數據實時對比，若差異過大則表明發生泄漏。檢測方法：首先利用工作人員的聽覺，在管道沿線聽取管道泄漏發出的持續巨大的漏氣聲，在人力不方便到達的位置采用激光甲烷測量儀判定是否發生泄漏情況，其中重點檢測施工地段和發生地震、泥石流等自然災害地段。

4.2 地下管道泄漏檢測

地下管道的泄漏一般指位于城市地下管網的泄漏，這類泄漏一般由城市市政施工、地下管道的銹蝕、外部壓力導致管道發生變形等原因造成。由于城市地面一般為瀝青或水泥所覆蓋，導致泄漏的天然氣長距離逸散后，從縫隙或者下水道逸散到空氣中。對于此類情形的檢測建議是：首先在平整路面進行大面積排查確定大致存在泄漏的區域或范圍，排查的同時利用乙烷分析儀對于下水道等位置進行乙烷檢測分析，排除下水道中自然產生的沼氣影響。然后對于可能發生泄漏的區域進行打孔，利用泵吸式可燃氣體檢測儀檢測所打孔中的可燃氣體濃度，綜合一定數量的孔中檢測的可燃氣體濃度數據。根據可燃氣體逸散的規律設計相應的算法計算出可燃氣體泄漏的位置，挖開地表覆蓋物進行處理。

4.3 終端微小泄漏檢測

經過性能分析測試實驗可以得到，單一功能可燃氣體檢測儀一般比多功能可燃氣體檢測儀在檢測過程中的效果更好，對于定位可燃氣體泄漏點的速度更快。在確定某個區域存在疑似泄漏情況時，可使用單一功能可燃氣體檢測儀進行快速定位泄漏點，一般使用泵吸式可燃氣體檢測儀[15]。

根據調研和實驗測試的結果可以分析得到激光甲烷可燃氣體檢測儀的檢測效果優于其他儀器。但是從激光甲烷的檢測原理來看，此類儀器在定性問題上效果突出，但是在定位問題上不如泵吸式可燃氣體檢測儀。根據此情況，為了提高激光甲烷確定泄漏點的效果，可利用擋板輔助激光甲烷檢測儀定位泄漏點。具體方法為：首先使用激光甲烷進行大范圍的掃描檢測確定甲烷云團的大致區域，在激光光路上距離儀器不同位置放置擋板進行檢測，記錄儀器顯示數據，并將擋板沿遠離激光甲烷方向進行挪動重復測量，通過對不同位置擋板時激光甲烷檢測到的數據進行對比分析可以得到甲烷云團中濃度最高的位置。根據氣體逸散的一般規律，氣體濃度最大的位置一般為泄漏源。

5 結束語

可燃氣體發生泄漏的情況多種多樣，其中發生最多的泄漏情況為不易檢測的微小泄漏，而且發生在不同位置的可燃氣體泄漏具有不同的泄漏檢測環境。這就要求可燃氣體檢測的一線工作人員科學選擇儀器，結合自身工作經驗快速檢測并定位泄漏點，對于保障人身和財產安全具有重要的作用。