基于應變片的城鎮燃氣管道泄漏監測實驗臺搭建及測試

隨著我國城鎮化加快推進和人民生活水平的提高，城鎮燃氣管道輸送被廣泛應用于國民經濟的各個領域。但隨著管齡的增長，腐蝕、焊縫缺陷、振動及磨損、外力破壞等原因經常會引起城鎮燃氣管道的泄漏，不僅影響了管道的正常運行，還對生產安全、社會穩定、土壤、環境、生態等造成了巨大的潛在威脅。目前，城鎮燃氣管道發生泄漏時，多采用人工方式沿線尋找泄漏點，偏重依賴測漏人員的經驗，準確度低、耗時耗力。因此，對城鎮燃氣管道尤其是埋地燃氣管道泄漏進行實時在線監測、及時發現泄漏并準確定位，對于消除管道安全隱患至關重要。

目前，燃氣管道在線泄漏監測多基于負壓波法、聲波法、流量平衡法和分布式光纖法等，并以負壓波法的應用最為廣泛。負壓波法通過監測燃氣管道沿線設置的壓力傳感器的變化趨勢，即可判斷是否發生泄漏，并進行定位報警，可以應對突發泄漏工況。但對于因腐蝕引發的小孔、微孔、多點及緩慢泄漏，傳統的負壓波技術通常無法監測到壓力梯度的變化情況，監測和定位的效果較差。

基于電阻應變片的應變效應，以及其測量靈敏度和精度高（最小應變讀數為1 με），測量范圍廣

（可測1～20 000 με），頻率響應好（可以測量從靜態到數十萬赫的動態應變），應變片尺寸小、重量輕（最小的應變片柵長0.1 mm），可在各種復雜環境下測量（如高溫、低溫、高速旋轉、強磁場等環境測量）等特點，可以有效捕捉因負壓波引起的應變片前后壓差產生的微應變以及受流體沖擊引起的形變變化，并可將其轉換為電信號輸出。因流體的連續性，泄漏引起的管道內流體速度變化滯后于壓力變化。由于此時間差的存在，使得用同一組電阻應變片捕捉瞬態壓力降和泄漏后的斷面平均流速成為可能。基于泄漏產生的負壓波傳播的方向性，沿管道圓周設置電阻應變片組，可根據首先捕捉到瞬態壓力降的電阻應變片的位置判斷泄漏點在管道橫截面的大致方位，并可根據泄漏前后斷面流速的變化判斷泄漏的嚴重程度。為驗證上述想法，搭建了實驗臺并進行了初步測試。

一、實驗臺搭建

（一）實驗臺整體構成

實驗臺可按照功能劃分為供應段、測試段、排放段三部分（圖1、圖2）。

供應段提供實驗用的氣體，可選用氮氣或壓縮空氣，通過氮氣瓶或空壓機供應，經調壓至所需壓力。

在測試段等間距設置三臺基于應變片的監測裝置，1號泄漏點設置在

1號監測裝置上游側，2號泄漏點設置在1號監測裝置和2號監測裝置之間。

排放段設有可調控開度的泄壓閥，通過調控閥門開度，獲得一定壓力、流量的穩定流動狀態，為實驗測試提供不同的流態條件。

供應段、排放段設有壓力變送器、流量變送器，可連續監測實驗管道內氣體的壓力、流量變化。

數據采集系統可實現對壓力變送器、流量變送器及三臺監測裝置連續采集。

（二）泄漏點

實驗臺設置兩處泄漏點，每處設置了四種孔徑的泄漏孔，分別為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm，由閥門控制開啟模擬小孔泄漏（圖3、圖4）。

（三）監測裝置

實驗臺主體管道選用的DN100的無縫鋼管，監測裝置與管道主體采用法蘭連接。監測裝置的載體選用連接用同型號的法蘭盤，在盤面開槽，應變片置于槽內，沿法蘭盤內沿設置了16片應變片，應變片前端距法蘭盤內沿13 mm，能夠更好地監測管道斷面流速變化（圖5）。

（四）數據采集及顯示系統

數據采集及顯示系統由應變片變送器、數據傳輸線、串口服務器、交換機、485模塊、數采軟件及計算機構成。該系統能夠實現對壓力變送器、流量變送器及三臺監測裝置各路電阻應變片監測數據的連續采集以及實時波動曲線顯示和歷史曲線查詢、數據導出等功能（圖6）。

二、實驗設計

實驗設計主要有兩種：一種是靜壓實驗，即開啟氣源至管道內達到預定實驗壓力，關閉氣源，開啟不同孔徑的泄漏點閥門，模擬泄漏；另一種是動壓實驗，即通過調整調壓器出口壓力以及泄壓閥開度，使測試管道內的氣體壓力和流速達到某一穩定狀態，開啟不同孔徑的泄漏點閥門，模擬泄漏。實驗采集泄漏前后，供應段、排放段上壓力、流量以及三臺監測裝置的各路應變片形變數據及曲線。每種工況重復三次以上。

三、初步測試

（一）靜壓實驗

按照靜壓實驗設計，管道內初始壓力為50 kPa，分別對泄漏點2處四種孔徑的泄漏孔做了初步測試，均捕捉到了泄漏引起的應變片顯著形變數據。

1號監測點（C截面）距泄漏孔最近的應變片形變曲線如圖7所示，從左到右分別是泄漏孔5 mm、10 mm、15 mm、20 mm引發的應變片形變曲線，形變曲線縱坐標為形變值、橫坐標為時間軸。從形變曲線來看，泄漏前，管道內氣體沒有流動，應變片未發生形變，應變片形變曲線呈現平直狀態；泄漏瞬間，在負壓波及氣流沖擊下，引起應變片發生顯著形變，短時間內形變曲線呈現幾乎垂直的邊沿，說明伸入管道內的應變片能夠有效捕捉到泄漏的發生。

（二）動壓實驗

按照動壓實驗設計，管道內初始壓力為50 kPa，一定流速條件下，分別對泄漏點2處四種孔徑的泄漏孔做了初步測試，均捕捉到了泄漏引起的應變片顯著形變數據。1號監測點（C截面）距泄漏孔最近的應變片形變曲線如圖8所示，從左到右分別是泄漏孔5 mm、10 mm、15 mm、20 mm引發的應變片形變曲線，形變曲線縱坐標為形變值、橫坐標為時間軸。從圖8（a）、圖8（b）來看，因初始流速較小、流態平穩，泄漏前，氣流沖擊引發的應變片形變較為平穩，形變曲線呈現平直狀態；圖8（c）、圖8（d）呈現的是初始流速較大的情況，可以看出氣體流動處于波動狀態，引發的應變片的形變也在變化，形變曲線較好地呈現出了這種波動。與靜壓實驗測試結果類似，在泄漏瞬間，應變片形變發生了顯著變化，短時間內形變曲線也呈現幾乎垂直的邊沿；尤其是從圖8（c）、圖8（d）可以看出，泄漏引起的形變梯度明顯大于泄漏前的形變梯度，說明伸入管道內的應變片能夠有效捕捉到泄漏的發生。

四、結束語

為驗證基于應變片的管道泄漏監測裝置的有效性，本研究設計搭建了一套管道泄漏監測實驗平臺。經過測試，初步證實該裝置能夠有效捕捉到泄漏瞬間引起的應變片形變數據，也證明該平臺能夠用于管道泄漏監測實驗。通過后期數據采集及分析，該平臺可用于研究應變片形變與壓力、流量之間對應關系，分析負壓波沿管道縱、橫向傳播規律，建立泄漏定位公式和泄漏嚴重程度判斷模型，從而驗證基于應變片的監測裝置能否實現泄漏點在管道縱、橫斷面上的精準定位以及泄漏嚴重程度的判斷，為基于應變片的城鎮燃氣管道泄漏監測定位裝置的實踐應用提供支撐，其推廣應用將有效提高水、氣、熱、油等流體管道泄漏在線監測定位水平。

參考文獻

[1]孫海峰．埋地鋼質燃氣管道泄漏檢測與定位[J]．石油和化工設備，2022，25（7）：143-146.

[2]王梓鑒，朱躍，王建，等．負壓波法的管道泄漏檢測與定位實驗研究[J]．中國化工貿易，2020，12（19）：123，125.

[3]國劍鋒．基于VMD的負壓波天然氣管道泄漏定位方法研究[D].大慶：東北石油大學，2022.

[4]張勇．基于負壓波的天然氣管道泄漏檢測識別方法研究[D]．大慶：東北石油大學，2023.

[5]田興浩．基于改進負壓波法的居民燃氣系統泄漏檢測方法研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業大學，2023.

[6]劉珈琳．基于改進負壓波的燃氣管道泄漏定位技術應用[J]．化工安全與環境，2023，36（9）：19-22.

[7]白光，白永強，姚偉，等．一種流體管道泄漏在線監測與定位裝置及其控制方法：113236985A[P]．2021-08-10.

[8]馮文興，王兆芹，程五一．高壓輸氣管道小孔與大孔泄漏模型的比較分析[J]．安全與環境工程，2009（4）：108-110.

[9]張維一，龔家彪．圓管中充分發展紊流的流速分布與平均流速位置的研究[J]．計量學報，1983（1）：1-6.

（責任編輯：張秋辰）