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【论文精选】在役埋地PE燃气管道现场检测方案

2019-02-10 13:16 9

作者:王小璐

第一作者单位:北京市公用事业科学研究所

摘自《煤气与热力》2017年4月刊

由于聚乙烯(PE)管道耐腐蚀性强、重量轻、柔性好、搬运及向沟槽下管较方便

[1]

,因此越来越多地应用于城市埋地中低压燃气管道建设中。埋地PE燃气管道的出厂检验、型式检验和定型检验方法已经在GB 15558《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统》系列中明确规定。但是,由于很多PE燃气管道运行时间较长、基础资料管理薄弱,导致前期出厂产品验收和现场施工资料缺失。因此,当燃气公司需要对在役埋地PE燃气管道进行评估时,现场取样进行实验室检测显然不具有可操作性,目前针对这种情况的现场检测方法也没有形成一套完整详细的标准体系。

1   现有埋地PE燃气管道现场检测技术难点

①PE 燃气管道施工时,应随管道埋设金属示踪线,但有些工程没有埋设金属示踪线,有些工程施工不规范或腐蚀造成示踪线未连接或断开,断点后面的管道就无法定位。因此在检测过程中,需要准确定位PE燃气管道的位置及埋深。由于PE管道是非金属管道,不导电不导磁,因此探测定位的难度很大。

②PE燃气管道泄漏点难以确定。由于泄漏燃气会沿着土壤缝隙流动,因此在一定范围内都能检测出燃气泄漏。但检测出有燃气泄漏的地方不一定就是燃气泄漏点,要准确定位泄漏点有一定难度。

③PE 燃气管道的连接是管道安装过程中最重要的工序,是保证结构完整性、安全运营和持久强度的重要环节,连接的质量直接关系到管道的运行寿命。电熔焊接和热熔焊接是PE燃气管道的主要连接方法。如何对在役PE燃气管道进行焊口的非破坏性检测评定,是目前的主要研究方向。

2   解决办法

①PE 燃气管道的定位方法

目前,PE 燃气管道的定位方法有电磁法、探地雷达法等。电磁法主要应用在有示踪线或安装带示踪警示功能的保护板的PE 燃气管道上,探地雷达法主要用来探查复杂部位管道和没有示踪线的PE 燃气管道。

a.探地雷达法

探地雷达法的基本原理是利用不同物质的介电常数(导电性)的差异,通过发射天线向地下发射一系列宽频带短脉冲电磁波,电磁波在地下介质内波阻抗分界面上发生反射和透射,采用接收天线接收反射波信号,通过雷达主机记录反射波的时间、相位、振幅、波长等数据,对其进行同相轴变化分析, 经过计算机处理、图像合成等手段,得到反映地下目标物的分布位置和状态,从而区分出地下管道等目标物体。检测原理见图1。

1   探地雷达法检测原理

利用探地雷达(GPR)系统测量出t,由式(3)可求得d

3

在探测工作开始前,应在整个测区内选取10~20处埋深已知的管道位置,根据式(3)进行波速v的计算。然后,根据测区的工程地质勘察报告,了解场地的土层情况,确定采样时窗(从采集第一个样品到采集最后一个样品相隔的时间)和雷达频率等。

在现场检测中,周围环境会对探地雷达的探测结果产生干扰。例如管道与周围回填物的导电性差异,导电性差异越大,雷达反应也越明显。管道上部回填土的含水率越高,回填土对雷达波的吸收越多,越不利于雷达的分辨,导致探测深度减小。受地下其他非目标物体的干扰,容易得到“伪异常”,因此通常探测深度为0~6 m。雷达发射频率高则探测深度小,发射频率低则探测深度大。若雷达的分辨率降低,则对小口径管道基本没有反应。因此对于埋深较大的小口径燃气管道,探地雷达法很难定位。

b.燃气管道定位仪

目前市场上出现了一种新研发的燃气管道定位仪(见图2),包括信号发生器、两条针状地线和探杆。信号发生器发射3~9 kHz的电磁波,两条针状地线分别与信号发生器相连,用于接收电磁波并将其导入地下。导入地下的电磁波在遇到非金属管道后会被反射,反射电磁波被探杆接收,探杆根据反射电磁波产生的磁场做出沿磁场方向转动的反应。通过探杆在不同强度电磁波区域内的行为判断非金属管道的位置、埋深和管径。该燃气管道定位仪的优点是探测埋深与管径无关,最大探测管顶埋深可达10 m。在实际现场检测中,受诸多干扰因素影响,需要采用探地雷达和燃气管道定位仪相互结合的方式进行检测,才能提高检测准确度。

2   燃气管道定位仪探测原理

② PE燃气管道泄漏点的确定方法

目前PE燃气管道泄漏点的确定方法是气体嗅敏仪法或声发射检漏技术。由于管道埋在地下,不容易对泄漏点准确定位,因此可在PE 燃气管道附近燃气泄漏的可疑范围内的地面打多个孔,通过检测孔内气体浓度判断漏气点。

城市埋地燃气管道的检测是在保持被测管道正常运行,不开挖管道,不影响城市正常交通、市容等状态下进行的,因此需要利用声发射检漏技术。即当管道发生泄漏时,在泄漏点处由于管内外压差,使管道中的天然气在泄漏点处形成多相湍射流,该射流不但使管道内的天然气流动发生紊乱,而且天然气与管道相互作用,向外辐射能量,在管壁上产生高频声波,该声波携带着泄漏点信息(泄漏孔形状和大小等)沿管壁向两侧传播。对这些声波信号进行采集和分析处理,就可以对泄漏位置进行判断

[2]

。此时需要采用两个声发射传感器检测声波信号,将两个声发射传感器固定在被测管道的两端,连接好声发射传感器的信号传输线缆。声发射检漏技术的检测原理见图3。

3   声发射检漏技术的检测原理

泄漏发生后,泄漏点到1 号声发射传感器的距离计算公式为:

根据式(4)得出的d

4

即可进行泄漏点定位。

由于燃气管道泄漏产生的信号为连续性声发射信号,而且声发射信号会在管道传播过程中发生衰减、频散,以及多模态的现象,一般情况下无法直接提取到两个声发射传感器接收信号的时间差。信号的相关性反映信号的线性联系或相互依赖关系。通过对两个声发射传感器接收到的同一声源发出的信号波形进行相关计算,可以获得两个信号之间的时间差。v

2

是计量单位对声发射机进行校准后在一定偏差范围内给出的已知值。然后利用式(4)即可确定泄漏点的位置。通过该方法确定的泄漏点位置与泄漏点的实际位置相比,误差较小。如果前期结合小波消噪技术对2个声发射传感器采集到的信号进行消噪处理,可以提高定位精度。

声发射检漏技术具有较高的灵敏度,对泄漏点的定位也很精确,具有良好的应用前景。

③焊口非破坏性检验方法

a.外观检查。结合施工验收资料,按照CJJ 63—2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》的要求进行开挖坑后的现场检测。热熔连接包括翻边对称性、接头对正性检验等,电熔连接包括接头的承插连接和鞍形连接等外观检查。

b.目前针对PE管道电熔焊接接头质量的现场检测技术是采用超声相控阵动态聚焦并结合B扫描成像技术,针对PE管道热熔焊接接头质量的现场检测技术是耦合聚焦超声检测技术。这些现场检测技术可以对缺陷进行定位及确定缺陷大小。

超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。换能器由多个相互独立的压电晶片在空间按一定方式排列组成一个阵列,每个晶片称为一个阵元,当各阵元以同一频率的信号进行激励时,其发出的声波是相干的。运用电子控制技术,使阵列中各阵元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面,在效果上相当于改变了换能器的空间排列形式。同样,在超声波反射回来的接收过程中,按一定规则和时序控制接收阵元信号并进行信号合成,再将合成结果以适当形式显示,由此实现了超声波声束的动态聚焦。最后再将各个聚焦点信号成像,做出B扫描成像图。

耦合聚焦超声检测技术通过配制一种声速和声阻抗与聚乙烯相匹配的耦合剂,使球形曲晶片聚焦的声束通过耦合剂时产生会聚,在扫查时聚焦区能始终贯穿接头熔合区。例如,5孔部件的耦合聚焦超声检测成像见图4。

4   5孔部件的耦合聚焦超声检测成像

3   在役埋地PE燃气管道现场检测方案

①资料收集与调查

进行原始资料调查,包括出厂检验、竣工档案等资料,掌握管材与管件的材质、物理和力学性能、生产工艺等基本资料,这些都与管道寿命直接相关。这些全面的资料结合现场检测情况,可以对管道系统的使用寿命进行较详细的评估。

②现场PE燃气管道定位

结合竣工资料、管道图了解被测区域的情况,包括区域内的简单地质情况、区域内有无建筑物等。针对没有示踪线的管道,可以采用探地雷达和燃气管道定位仪相结合的方式探测PE管道的位置、埋深、走向等。

③非开挖外部宏观检查

对PE燃气管道布置情况,管道上方是否占压,是否穿越堆积易燃易爆材料和具有腐蚀性液体的场地,是否穿跨越河流、铁路,是否存在燃气泄漏,是否设置燃气管道标志桩等情况进行勘查分析。对存在燃气泄漏的管道要定位泄漏点。

④开挖坑内管道安全性能评价

焊口质量的评定需要进行开挖,在开挖坑内进行。在开挖坑内可以对坑内管道进一步进行燃气泄漏、埋深的更准确检测,还可以进行焊口质量、回填土质量、警示带敷设高度等的检测。

⑤对整个管网进行风险评估

通过以上现场检测项目的开展,基本能够了解管道的安全现状,对整个管网进行评估,给出管理及运行维护建议。

4   建议

加强对在役埋地PE燃气管道的全过程管理,按GB 15558《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统》系列规范的要求进行管材、管件、阀门的出厂检验资料验收,按照CJJ 63—2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》的要求加强现场施工管理和验收,对回填土进行筛分后,分步回填,避免造成二次破坏。保存好原始资料和运行维护资料。结合管道图和运行维护记录加强运行维护管理,对埋地PE燃气管道加大巡检力度,防止第三方破坏。同时注意绿地中树木的生长情况,预防因树木根茎生长对埋地PE燃气管道造成影响。如发生燃气泄漏和居民报修情况,应及时予以修复并做好维修或更换记录。

参考文献:

[1]杨立茹, 秦岩. PE管在燃气输配应用中的注意事项[J]. 山东煤炭科技,2009(3):68-71.

[2]王朝晖,张来斌,辛若家,等. 声发射技术在管道泄漏检测中的应用[J]. 中国石油大学学报(自然科学版),2007,31(5):88.

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