蒸汽供熱管道運(yùn)行安全與泄漏點(diǎn)定位

張葉龍

摘要：本文基于供熱蒸汽管道運(yùn)行系統(tǒng)并針對管道泄漏問題，通過分析城市蒸汽供熱管道安全性表明我國的蒸汽供熱系統(tǒng)還需進(jìn)一步加強(qiáng)。如利用自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測管道內(nèi)蒸汽壓力和凝結(jié)水狀況，從而預(yù)防水擊等事故的發(fā)生。在蒸汽供熱管網(wǎng)的運(yùn)行過程中，有關(guān)管道的安全性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及泄漏點(diǎn)的定位方面還有著很大的研究空間，值得進(jìn)一步去探索。

關(guān)鍵詞：蒸汽供熱管道;運(yùn)行安全;泄露點(diǎn)定位

1城市蒸汽供熱管道安全性分析

1.1蒸汽供熱管道運(yùn)行安全現(xiàn)狀

隨著供熱需求不斷增大，我國供熱管網(wǎng)的數(shù)量和規(guī)模逐年增長。同時(shí)蒸汽管道等設(shè)備隨著使用時(shí)間的推移，運(yùn)行安全事故逐年增長。蒸汽供熱管道一般埋于地下，在管道三通和法蘭接頭處由于常經(jīng)高溫高壓蒸汽的沖刷，所以易發(fā)生穿孔甚至泄漏等事故。熱電廠的大型鍋爐及一級管網(wǎng)中高溫高壓蒸汽一旦發(fā)生泄漏等事故，不僅影響到供熱系統(tǒng)的正常運(yùn)行還威脅附近人員的安全。

目前工業(yè)應(yīng)用中主要通過管道的壓降、溫降、熱損失率、泄漏率、保溫效果以及區(qū)域供熱系統(tǒng)整體自動(dòng)化調(diào)節(jié)水平等指標(biāo)來評價(jià)蒸汽管道的。而管道的保溫材料、焊接質(zhì)量、敷設(shè)質(zhì)量以及管道的支架等是否符合要求是國內(nèi)外規(guī)范對城市供熱管網(wǎng)的評價(jià)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

1.2影響蒸汽供熱管道運(yùn)行安全因素

1.2.1管道腐蝕

管道腐蝕是影響蒸汽供熱管道安全運(yùn)行的主要因素。管道的腐蝕主要分為內(nèi)腐蝕和外腐蝕兩種情況。內(nèi)腐蝕主要是由于蒸汽供熱管道運(yùn)行過程中，作為熱媒的蒸汽溫度高壓力大，對管路沖擊削薄。相較于其他熱媒介質(zhì)，蒸汽的電導(dǎo)率偏高，雜質(zhì)離子較多，因此管道易發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)腐蝕。外腐蝕是指管道金屬材質(zhì)與外部的環(huán)境比如土壤和大氣等腐蝕性介質(zhì)相接處引起的腐蝕。同時(shí)，由于管內(nèi)蒸汽熱媒的高溫特點(diǎn)使得外部水分加熱等因素引起水分在保溫層下聚集，從而造成高腐蝕性的腐蝕區(qū)域，對管道產(chǎn)生保溫層下腐蝕。針對蒸汽供熱管道的腐蝕問題，現(xiàn)有的防范主要是通過加強(qiáng)水質(zhì)管理和管道的沖洗以及設(shè)置防腐層等措施進(jìn)行。

1.2.2設(shè)計(jì)和管理不當(dāng)

設(shè)計(jì)和管理不當(dāng)也是造成蒸汽供熱管道運(yùn)行事故的主要原因之一。因蒸汽溫度高的特點(diǎn)產(chǎn)生的熱膨脹問題在蒸汽供熱管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略。故在設(shè)計(jì)時(shí)需預(yù)先計(jì)算對應(yīng)的管道熱膨脹量，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)置對應(yīng)的膨脹補(bǔ)償方式。蒸汽供熱管道的熱膨脹補(bǔ)償一般分為自然補(bǔ)償和膨脹節(jié)補(bǔ)償。自然補(bǔ)償通常通過設(shè)置彎頭實(shí)現(xiàn)，膨脹節(jié)補(bǔ)償則需進(jìn)一步計(jì)算補(bǔ)償量。管道之間連接焊縫和管支架的布置也是設(shè)計(jì)管道的重要部分，設(shè)計(jì)前應(yīng)了解當(dāng)?shù)氐慕ㄔO(shè)工況，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和國家規(guī)范。

1.2.3水擊

蒸汽供熱管道相較于其它類型的供熱管道，具有沿程阻力小以及便于用戶端熱量和壓力調(diào)節(jié)等優(yōu)勢。但在用熱負(fù)荷過大的情況下易造成供熱失調(diào)的現(xiàn)象，甚至?xí)?dǎo)致蒸汽滯留在管道內(nèi)。在溫度低于該壓力下蒸汽的飽和溫度情況下蒸汽會發(fā)生冷凝。一旦疏水器不能及時(shí)排出過量的冷凝水，這將導(dǎo)致蒸汽供熱管道產(chǎn)生壓力波動(dòng)造成水擊現(xiàn)象，對蒸汽供熱管道的安全性能產(chǎn)生極大的威脅。

2蒸汽供熱管道泄漏點(diǎn)定位

蒸汽供熱管道的泄漏問題是影響城市蒸汽供熱管網(wǎng)安全運(yùn)行的主要因素。蒸汽發(fā)生泄漏不僅造成能源的巨大浪費(fèi)，還會影響民生工程以及對相關(guān)人員造成生命威脅。

2.1蒸汽供熱管道泄漏的主要原因

2.1.1自然因素

造成蒸汽供熱管道泄漏的主要原因之一是管道腐蝕，其主要是由于管道的運(yùn)行壓力較大，蒸汽在輸送過程中對管道進(jìn)行一定的沖擊，造成管道的損傷。此外蒸汽供熱管道一般埋于地下，而土壤酸堿度和含水率等情況都將一定程度上腐蝕管道。地震、大雪、暴雨等自然災(zāi)害不僅會影響蒸汽供熱管網(wǎng)的正常運(yùn)行，甚至還會導(dǎo)致管道泄漏。

2.1.2人為因素

管道的設(shè)計(jì)不合理會影響管網(wǎng)的正常運(yùn)行。針對施工方，管道的材質(zhì)以及施工質(zhì)量都是影響管道泄漏的主要因素。蒸汽供熱管道在使用期間，地表承載等問題會導(dǎo)致管道受力不均勻?qū)е缕茡p，進(jìn)而引發(fā)泄漏問題。

2.2管道泄漏相關(guān)的研究

由于腐蝕、磨損以及施工等因素的影響，蒸汽供熱管道的泄漏時(shí)有發(fā)生。目前國內(nèi)外學(xué)者主要采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，通過參數(shù)和結(jié)構(gòu)化的分析，得到蒸汽泄漏后沿定義路徑管道各處以及周邊土壤的溫度場或力場等，并根據(jù)對場的分布進(jìn)行分析進(jìn)而確定泄漏點(diǎn)的位置。

2.2.1管道泄漏相關(guān)模型的研究

根據(jù)泄漏孔徑（d）和管徑（D）的大小，國內(nèi)外專家學(xué)者提出3種典型的管道泄漏模型，其適用范圍如表1所示。小孔泄漏模型主要適用于由腐蝕（內(nèi)腐蝕、外腐蝕）等因素生成小孔，進(jìn)而導(dǎo)致管道泄漏的情形。對于第三方破壞引起的管道泄漏，其泄漏孔口既不是小孔又不是完全破裂，這就需管道-小孔泄漏模型進(jìn)行計(jì)算。管道模型的適用情形是當(dāng)管道中發(fā)生水擊等不利因素造成管道完全斷裂。

針對供熱管網(wǎng)泄漏問題，一些國內(nèi)外學(xué)者建立管道泄漏監(jiān)測模型。如雷翠紅基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法建立非線性模式識別模型，并對該模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明此模型適用于中小型泄漏，且效果明顯，但針對管道大尺度泄漏時(shí)精度仍有待提高。劉才等通過專家數(shù)據(jù)庫，利用仿真的方法建立管道實(shí)時(shí)傳輸模型，通過對其分析表明該模型適用于監(jiān)測中小尺度管道泄漏。此模型為通過數(shù)值模擬的方法定位泄漏點(diǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

埋地?zé)崃艿佬孤┖螅喙艿涝浇耐寥溃揭资艿接绊懀喙艿酪欢ň嚯x后，土壤的溫濕度幾乎不受影響。基于以上理論，一些國內(nèi)外學(xué)者提出熱力管道泄漏擴(kuò)散模型，如朱前、吳國忠等人在研究熱油管道泄漏擴(kuò)散過程中將半無限大的土壤區(qū)域簡化為一個(gè)立方體狀的熱力影響區(qū)域，并建立物理模型，埋地?zé)崃艿缽较蚪孛嫒鐖D1所示。基于該模型，通過實(shí)驗(yàn)和模擬的方法來研究熱油泄漏擴(kuò)散后周邊土壤溫度以及濕度等特性的變化，進(jìn)而驗(yàn)證模型的正確性。同時(shí)劉國斌在該模型的基礎(chǔ)上，基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，通過研究分析埋地?zé)崴峁艿佬孤U(kuò)散的規(guī)律表明模型的正確性。熱力管道泄漏擴(kuò)散模型主要適用于以熱油和熱水為主的熱力管道，但蒸汽供熱管道泄漏擴(kuò)散后溫度場的分布與熱水管道及熱油管道泄漏后分布類似，且其都屬于熱力管道，因此該模型也為研究蒸汽供熱管道泄漏擴(kuò)散提供參考依據(jù)。

2.2.2管道泄漏實(shí)驗(yàn)及相關(guān)理論的研究

基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，國內(nèi)外學(xué)者針對管道泄漏等問題進(jìn)行了研究，并取得一定的成果，但大都針對燃?xì)夤艿蓝裕P(guān)于熱力管道泄漏方面的研究較少。

趙龍燦通過數(shù)值模擬的方法對熱力管道泄漏擴(kuò)散進(jìn)行研究。結(jié)果表明管道泄漏后其周邊土壤的溫度以及磁場會發(fā)生變化，基于此，提出一種新型定位供熱管道漏點(diǎn)的方法即磁-溫梯度檢測法，并通過一系列的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，該方法操作較為簡單具有一定的工程價(jià)值，但其適用性不強(qiáng)，只能檢測管道正上方的泄漏。

袁朝慶基于管道泄漏檢測的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，通過實(shí)驗(yàn)以及理論分析等方法針對熱力管道泄漏進(jìn)行研究并通過工程實(shí)例為管道泄漏光纖光柵溫度監(jiān)測系統(tǒng)檢測管道泄漏提供了理論依據(jù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

結(jié)束語

熱源、供熱管網(wǎng)以及熱用戶組成了集中供暖系統(tǒng)。我國蒸汽供熱系統(tǒng)因自動(dòng)化水平較低等緣故導(dǎo)致其運(yùn)行損耗較大和事故頻發(fā)。因此，城市蒸汽供熱管道應(yīng)從規(guī)范設(shè)計(jì)到運(yùn)行操作再到事故處理等各方面都需進(jìn)一步提高，同時(shí)快速準(zhǔn)確的定位蒸汽供熱管道泄漏點(diǎn)也極為重要。

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