CN103712755A - 一种模拟天然气在土壤中泄漏的试验装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种模拟天然气在土壤中泄漏的试验装置和方法，试验装置包括了压缩气体钢瓶、减压阀、气体流量计、PC计算机、耐压软管、硬质管道、气体缓冲筒、可燃气探头、多通道可燃气探头控制器、防水屏蔽电缆和刚性软管等，其中气体缓冲筒和可燃气探头埋置于室外的土壤中，通过钢性软管可能对埋在地下的可燃气探头进行标零标定。试验方法为打开天然气压缩气体钢瓶的减压阀，依次通过气体流量计、而压软管、硬质管道向气体缓冲筒充满天然气，利用埋在地下的可燃气探头采集气体缓冲筒中泄漏出来的气体浓度，研究天然气管道泄漏后天然气在土壤中的扩散规律，从而为天然气管道泄漏事故的防范和处置提供技术支持。
Description
技术领域
本发明是一种模拟天然气在土壤中泄漏的试验装置与方法，涉及可燃气的测量、多孔介质中气体扩散和气路管道系统等技术领域。
背景技术
截止2005年世界上建成的各种管道长度已经超过250万公里，其总长度已经超过了世界铁路的总里程世界上绝大部分的天然气，85％以上的原油运输都是通过管道运输来实现的。截至2013年初，中国油气管道总长度已超过10万公里。然而，像所有的工程设备一样，管道也可能发生事故。随着管道运输业的不断发展，管道的增多，管龄的增长，以及不可避免的腐蚀、磨损、缺陷等自然或人为损坏的原因，使管道泄漏事故频繁发生，引起世人关注。对于石油、天然气等能源输送管道，输送介质的泄漏不仅会造成宝贵自然资源的浪费、环境污染并影响油气田的正常生产，还会直接威胁油气管道、设施的安全运行，甚至威胁到周围居民的生命财产安全。管道投入运行的早期和后期是事故的高发期，特别是服务后期，管道事故发生的可能性随着服务期限的增加而急剧增加。目前我国许多管道服务时间都已超过20多年，处于事故高发期，必须采取有效措施，及时发现事故的隐患并最大限度地减少灾害造成的损失，管道泄漏的研究不仅对管道案例十分重要，而且从长远来看，其经济效益相当可观。
按照管道被破坏的严重情况，一般可以将事故分为泄漏孔径≤20mm、穿孔20mm＜孔径＜管径和破裂孔径＝管径3级，这其中管道泄漏占事故总量的54％，穿孔和破裂分别占事故总量的29％和17％。天然气管道大多埋于地下，检查不便。管道的缺陷，长期运行后形成的材料失效、腐蚀，都极易造成泄漏事故。目前的管道运行监测系统多是监测管道运行的压力、声音和震动信号，而小型泄漏产生的信号常常比较弱，不容易被监测系统捕捉，具有一定的隐蔽性。不过，如果小泄漏不能及时发现，其长时间的泄漏积累的可燃气体很可能引起火灾、爆炸等事故。为了尽早发现和预防事故，并用泄漏可能导致的结果为事故后处理提供建议，发明针对埋地天然气管道的穿孔泄漏的模拟与实验研究提代了试验装置和方法，能够用于定量分析泄漏发生后土壤内与土壤表面的天然气分布情况。预期本发明可以为泄漏事故的监测提供比较准确的理论依据；为事故发生后的人群疏散与事故救援工作提供数据保障；为管道建设选址提供参考依据；有助于建立健全在役管道风险评价体系。
针对天然气管道泄漏事故发生后气体扩散，国内的王树乾、马世海、程浩力等学者们做了一定的研究工作，认为天然气以自由射流进入大气，管道压力越高，甲烷气体离地面越高，下风向传播距离越大，湍流效果越明显，与空气混合越快。随着管道压力增大，泄漏气体造成的爆炸危险范围高度明显增大，这会导致建筑物高层人员疏散难度加大；而当管道压力较小时，地面附近危险性较高。天然气高浓度区明显大于石油气，天然气的危险区域几乎充满了下风向半径为55m的半圆区域内，而石油气则基本集中在燃气的迎风面一侧。目前，国内外大多数相关研究主要集中于天然气在大气环境中泄漏扩散规律的理论研究和数值模拟，但对易燃易爆气体在土壤中扩散过程研究的很少，基于大尺度实验方法天然气在土壤中泄漏规律更少。
专利CN200410020046.6公开了一种基于干涉原理的分布式光纤油气管道泄漏监测方法及监测装置。该监测系统要求在管道附近沿管道并排铺设一根光缆，利用光缆中的光纤组成一个光纤微振动传感器。专利CN200620119429、CN200610113044.0均为基于Sagnac光纤干涉仪的管道泄漏监测装置，专利CN200610072879.6是一种基于分布式光纤声学传感技术的管道泄漏监测装置及方法。专利CN100510673C公开了一种天然气管道泄漏激光遥感探测装置及其探测方法。上述专利均不能实现土壤中天然气泄漏的定量检测。
针对埋地管道泄漏扩散的实验研究，Hideki Okamoto和Yasushiro Gomi在《Journal of LossPrevention in the Process Industries》杂志2011第24期发表了《Empirical research on diffusionbehavior ofleaked gas in the ground》一文，针对可燃气埋地管道进行了全尺寸的实验研究，得到了气体浓度随时间的变化情况，确认了气体密度、浓度对分子扩散的影响。此外，实验还证明，气体需要相当长的时间才能扩散到地面处。通过实验与理论计算的对比，证明了达西定律与费克扩散定律在全尺寸地下管道问题中的适用性。谢昱姝，吴宗之，吕良海，姚伟，白光等人在《中国安全生产科学技术》杂志2012年第8卷第4期发表了《城市管道天然气在土壤中泄漏扩散实验研究》一文，采用全尺度气体泄漏实验系统，对泄漏后天然气在土壤中的扩散过程进行研究。该实验主要针对低压低流速的事故情境，结果表明：埋地管道泄漏后天然气在土壤中的扩散过程主要分为4个阶段：孕育阶段、陡然增长阶段、缓慢增长阶段与稳定阶段。天然气扩散到检测点所需要的时间与距泄漏口的距离呈现近似的幂指数关系。当检测点处于泄漏口附近时，泄漏压力起主导作用；当检测点位于较远离泄漏口的区域时，泄漏量起主要的作用。以上两篇文章一是均采用室内建立全尺寸实验装置，不完全符合实际应用背景；二是两篇文章均没有采用气体缓冲筒，不能够模拟泄漏孔附近真实的压力梯度的大小和方向；三是两篇文章均不能对可燃气探头进行在线校准，埋入土壤较长时间可燃气会存在零点和浓度漂移，检测的浓度会有很大误差。
发明内容
为了真实地模拟野外埋置的天然气管道泄漏过程，为天然气泄漏事故的防范和处置提供技术支撑，本发明提供了一种模拟天然气在土壤中泄漏的试验装置与方法，能够更为真实地模拟天然气泄漏时管道附近土壤的孔隙结构和泄漏孔附近天然气的压力梯度，并能够更准确地测定泄漏过程中土壤中的天然气浓度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：试验装置可有选择地包括压缩气体钢瓶、减压阀、气体流量计、PC计算机、耐压软管、硬质管道、气体缓冲筒、可燃气探头、多通道可燃气探头控制器、防水屏蔽电缆、刚性软管、串口通信线、压缩气体、泄漏孔、气体压力传感器、空气压缩机、大棚、土坑、气室、网状不锈钢孔、防水透气面料、堵头和防水电磁阀。试验装置采用气体缓冲筒并在气体缓冲筒中安装防水的压力传感器模拟泄漏孔附近真实的压力梯度；可燃气探头连接防水屏蔽电缆和钢性软管并做防水处理，是为了能够埋置于室外的土壤中长时间正常工作并实时地通过防水屏蔽电缆向，并能够根据需要向气室内接入防水的钢性软管通入标气实现可燃气探头的在线标零与校准；软管与硬质气路部件的接头采用塔形接头和喉卡连接防止进水和漏气；气体缓冲筒的气路通过L形的硬质管道接出地面，硬质管道水平部分通过缠绕生胶带的螺纹连接于气体缓冲筒，能够最大程度地减小硬质管道对天然气泄漏流场的影响；钢性软管一端连入可燃气探头的气室，另一端可以通过耐压软管和减压阀与压缩气体钢瓶的连接，这样既可以通过向钢性软管中注入氮气或压缩空气对埋在土壤下的可燃气探头进行标零，也可以通过向软管中注入甲烷标气对对埋在土壤下的可燃气探头进行标定；气体缓冲筒长度和泄漏孔尺寸的选取考虑到直径尺寸的影响，经计算缓冲筒长度为直径的3倍、泄漏孔走私2mm能够较好地模拟泄漏孔的压力梯度；泄漏孔位置的选取综合考虑到了充分利用气体缓冲筒的缓冲作用，并有利于减小气体缓冲筒对两两对称布点的可燃气探头检测数据影响的不一致性；硬质管道的典型材料为镀锌管，一是材料易得可以直接采用普通镀锌水管，二是能够一定程度上防锈；硬质管道的形状为L形，主要是为了硬质管道水平部分与气体缓冲筒连接，长度为1.5m-3m是为了防止垂直部分离泄漏点太近会影响天然气泄漏在土壤的扩散；硬质管道垂直部分长度为1.3m-1.5m主要是为了能够露出地面更容易与耐压软管连接；气体流量计为质量流量计能够更准确地计算泄漏点的源强，质量流量计具备控制气体的流量功能时能够更好地控制泄漏点的源强；可燃气探头采用非分光红外传感器是为了防止采用催化燃烧传感器时土壤内空气含量低容易造成检测数据不准；可燃气探头的气室通过网状不锈钢孔及外覆的防水透气面料与土壤接触，是为了防止土壤中的水气进入气室影响检测浓度；采用自然扩散方式检测，是防止泵吸方式影响土壤中的流场；可燃气探头检测量程选为可燃气爆炸限的1％-100％，检测精度不低于可燃气爆炸限的1％，可燃气浓度超过100％爆炸限时能报知浓度超限，是为了可燃气探头既能灵敏地检测可燃气爆炸限1％～100％的气体，也能在浓度超限时不产生漏报；可燃气探头外壳能够防爆，电缆接口部位能够防水，是为了防止可燃气爆炸和土壤中的水气造成探头损坏；防水屏蔽电缆既能向可燃气探头供电，又能回传可燃气探头的检测数据，是为了减少电缆数量进而降低对土壤中天然气中流场的影响；多通道可燃气探头控制器能够通过防水屏蔽电缆为4-16个埋在土壤中的天燃气探头供电并实时采集土壤中天燃气浓度数据，主要考虑到探头数量过少不能验证数值模拟的结果，探头过多则成本过高并会严重影响天燃气在土壤中的流场；可燃气探头以气体缓冲筒为中心，每两个可燃气探头1组，每组可燃气探头两两对称埋在土壤中，是为了每两个可燃气探头间的数据可以相互印证并利用两个探头读数的算术平均值减少测量误差、偶然误差，以及土壤不能够完全各向同性造成的系统误差；每两组可燃气探头之间垂直高度差不小于0.2m，是为了检测土壤中不同高度的浓度分布；垂直相邻的两组可燃气探头从俯视上看为“十”字交叉配置，主要是为了最大程度上满足泄漏点附近土壤中天然气浓度分布的检测；每两组可燃气探头离泄漏孔水平距离愈近高度愈高是为了防止离泄漏孔太近影响天然气在土壤中的扩散流场；每两组可燃气探头之间水平距离差不小于0.5m，是为了检测土壤中水平上离泄漏孔不同距离的浓度分布；可燃气探头与泄漏孔之间的水平距离不小于0.5m，同样是为了防止离泄漏孔太近影响天然气在土壤中的扩散流场；气体缓冲筒的筒壁上用法兰加“O”型密封圈紧固方式密封防水的气体压力传感器，这样既可以实时测量缓冲筒内部的气体压力，又能通过缓冲筒外部的防水屏蔽电缆与地面的PC计算机连接，并且不会影响气体缓冲筒的密封性；防水的气体压力传感器与防水屏蔽线缆的接口端采用防水处理，防水屏蔽线缆与硬制管道并行布线，可以方便施工并防止雨水和土壤中的水气影响防水的气体压力传感器的测量性能；甲烷标气浓度选取为50％爆炸限、平衡气是空气，一是为了防止甲烷超过过爆炸限影响试验安全性，二是通过数值计算能够从低浓度反演出纯甲烷气体及天然气的扩散规律，三是平衡气为空气时可以采用催化燃烧原理的可燃气探头，能够降低试验装置的成本。试验方法中采用室外挖土坑经雨季自然压实的方法能够较好地模拟天然气泄漏时的土壤结构；每轮试验前采用空气压缩机吹散土壤孔隙中和吸附的甲烷气体比使用压缩空气钢瓶和高纯氮气钢瓶成本低很多；检查气路是否漏气，能够保证土壤中天然气的泄漏源强均来自于泄漏孔，且通过气体流量计可获得源强的大小；埋入气体缓冲筒的土壤经雨季或多次淋灌自然压实后，在试验地点上方搭建了一个四周密闭的大棚，可以防止泄漏试验期间因风、雨等气象条件变化影响试验数据的致性和重复性，大棚内部贴近地面还安装了一个可燃气探头，用于测量地面的泄漏气体浓度；埋入土中的可燃气探头可以在试验前采用洛阳铲打孔的方式埋入，一是防止雨季中雨水损坏可燃器探头，二是能够最大程度地避免破坏雨季后的土壤状况；每次泄漏试验前通过钢性软管向埋在土壤中的可燃气探头的气室中通入氮气进行标零，通入甲烷标气进行标定，然后进行试验，能够充分保证可燃气探头的检测精度；通过安装在气体缓冲筒两端连接两个L形硬质管道，并用电磁阀控制泄漏孔的泄漏，可以在泄漏试验正式开始前将天燃气动态充满气体缓冲筒，用电磁阀打开泄漏孔后能够更好地模拟泄漏初始段的实际情况；通过安装在气体缓冲筒两端连接两个L形硬质管道，并用电磁阀控制泄漏孔的泄漏，可以在泄漏试验正式开始前将天燃气动态充满气体缓冲筒，用电磁阀打开泄漏孔后能够更好地模拟泄漏初始段的实际情况。在进行模拟天然气在土壤中泄漏的试验时，气路检漏方法有两种：第一种气路检漏方法为将压缩气体钢瓶、减压阀、气体流量计、耐压软管、硬质管道和气体缓冲筒依次进行连接，开启减压阀，氮气或空气从压缩气体钢瓶流出，依次经过减压阀、气体流量计、耐压软管、硬质管道进入气体缓冲筒，调整减压阀出口压力约0.15MPa，根据气体缓冲筒体积、气体流量计累计读数和减压阀出口压力利用质量守恒方程和理想气体方程判断天然气压缩气体在气体缓冲筒中的压力与减压阀压力基本一致，即气流达到稳态时，如果气体流量计瞬时读数小于0.5L/min，则认为气路不漏气；第二种气路检漏方法为将压缩气体钢瓶、减压阀、气体流量计、耐压软管、硬质管道、安装有气体压力传感器和防水电磁阀的气体缓冲筒、硬质管道和堵头依次进行连接，关闭防水电磁阀，开启减压阀，氮气或空气从压缩气体钢瓶流出，依次经过减压阀、气体流量计、耐压软管、硬质管道进入气体缓冲筒，调整减压阀出口压力约0.15MPa，待气体流量计的气体流量基本达到稳态后，如果防水的气体压力传感器读数与减压阀出口压力差值小于0.01MPa，则认为气路不漏气。
附图说明
图1是本发明的模拟天然气在土壤中泄漏的试验装置的一种基本结构标意图；
图2是采用在线标零标定的可燃气探头气室结构示意图；
图3是本发明的模拟天然气在土壤中泄漏的试验装置的试验方法的基本流程图；
图4是本发明的气路检漏方法的基本流程图；
图中1.压缩气体钢瓶，2.减压阀，3.气体流量计，4.PC计算机，5-1.耐压软管a，5-2.耐压软管b，6-1.硬质管道a，6-2.硬质管道b，7.气体缓冲筒，8-1.可燃气探头a，8-2.可燃气探头b，8-3.可燃气探头c，8-4.可燃气探头d，8-5.可燃气探头e，8-6.可燃气探头f，8-7.可燃气探头g，9.多通道可燃气探头控制器，10.防水屏蔽电缆a，11.刚性软管，12.串口通信线，13.压缩气体，14.泄漏孔，15.气体压力传感器，16.空气压缩机，17.大棚，18.土坑，19.气室，20.网状不锈钢孔，21.防水透气面料，22.防水屏蔽电缆b，23.堵头，24.可燃气探头h，25.防水电磁阀。
具体实施方式
如图1和图3所示为本发明的基本实施方式。模拟天然气在土壤中泄漏的试验装置如图1所示包括压缩气体钢瓶1、减压阀2、气体流量计3、PC计算机4、耐压软管a5-1、耐压软管b5-2、耐压软管c5-3、硬质管道a6-1、硬质管道b6-2、可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6、可燃气探头g8-7、可燃气探头h24、气体缓冲筒7、多通道可燃气探头控制器9、防水屏蔽电缆a10、刚性软管11、串口通信线12、压缩气体13、泄漏孔14、气体压力传感器15、空气压缩机16、大棚17、土坑18、防水屏蔽电缆b22、堵头23和防水电磁阀25。其中，压缩气体钢瓶1通过自带的螺纹与减压阀2紧密连接；减压阀2通过耐压软管a5-1与气体流量计3的气体入口端紧密连接；气体流量计3的气体出口通过耐压软管b5-2与硬质管道a6-1连接；气体流量计3和PC计算机4通过串口通信线12连接；气体缓冲筒7为封闭的空心圆柱，气体缓冲筒侧面开有泄漏孔(14)，气体缓冲筒的一端平面的中心通过螺孔与硬质管道a6-1连接；硬质管道a6-1包括水平部分和垂直部分呈L形，硬质管道a6-1水平部分通过缠绕生胶带的螺纹连接于气体缓冲筒7，硬质管道a6-1垂直部分通过喉卡与耐压软管b5-2连接；可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6、可燃气探头g8-7、可燃气探头h24和多通道可燃气探头控制器9与通过防水屏蔽电缆a10连接；气体缓冲筒7的泄漏孔14可以用防水电磁阀25进行控制进行开关；防水的气体压力传感器15采用法兰紧固方式密封安装于气体缓冲筒7的壁上，不会影响气体缓冲筒7的密封性，用于测定气体缓冲筒7内部的气体压力，其供电和数据接口位于气体缓冲筒7外部；气体压力传感器15和防水电磁阀25控制和数据线为防水屏蔽线缆b22，在地下与硬制管道a6-1并行布线，在地上与PC计算机4连接；气体缓冲筒7和可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6埋置于室外的土壤中，部分硬质管道a6-1、硬质管道b6-2、防水屏蔽电缆a10、防水屏蔽电缆b22埋置于土壤中；可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6、可燃气探头g8-7、可燃气探头h24具有甲烷气体浓度定量检测功能，防水防尘能够埋置在土壤中正常工作；试验地点上方搭建的大棚17四周密闭，能够防止试验期间因风、雨等气象条件变化影响试验数据的致性和重复性，可燃气探头g8-7安装在大棚17内部贴近地面的位置，用于测量地面的泄漏气体浓度；气体缓冲筒7的直径为100-1050mm，长度为300-3000mm，材料为钢、铸铁或聚烯材料，直径为1-20mm的1-4个均匀分布的泄漏孔位于气体缓冲筒7沿长度方向的一半位置，气体缓冲筒7水平埋在土壤下1.2m处；气体缓冲筒7的典型直径为300mm，典型长度为1000mm，典型材料为不锈钢材料，沿长度方向一半的位置开有的1个直径为2mm泄漏孔14，开孔方向为正上方或正下方；气体流量计3为质量流量计，并且具备控制气体流量的功能；硬质管道a6-1和硬质管道b6-2的材料为镀锌管，硬质管道a6-1水平部分长度为1.5m-3m与气体缓冲筒7连接，硬质管道a6-1垂直部分长度为1.3m-1.5m与耐压软管b5-2连接；气体缓冲筒7连接硬质管道a6-1的另一端再连接一个L形的硬质管道b6-2并接出地面，用于气体缓冲筒内气体的排出，硬质管道b6-2水平部分长度为1.5m-3m与气体缓冲筒7连接，硬质管道b6-2垂直部分长度为1.3m-1.5m，垂直部分地面出气口处安装有一个可燃气探头h24，硬质管道b6-2的地面出气口可用堵头23堵死；可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6、可燃气探头g8-7和可燃气探头h24均采用自然扩散方式检测，可燃气探头g8-7和可燃气探头h24采用泵吸方式检测；可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6的气室19通过网状不锈钢孔20及外覆的防水透气面料21与土壤接触，通过钢性软管11、耐压软管c5-3、减压阀2与压缩气体钢瓶1连接；所述甲烷标气浓度为50％爆炸限；可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6、可燃气探头g8-7和可燃气探头h24检测量程均为可燃气爆炸限的1％-100％，可燃气浓度超过100％爆炸限时能报知浓度超限，检测精度不低于可燃气爆炸限的1％；可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6、可燃气探头g8-7和可燃气探头h24外壳能够防爆，防水屏蔽电缆a10接口部位能够防水；防水屏蔽电缆a10既能向可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6、可燃气探头g8-7和可燃气探头h24供电，又能向多通道可燃气探头控制器9回传可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6、可燃气探头g8-7和可燃气探头h24的检测数据；多通道可燃气探头控制器9能够通过防水屏蔽电缆a10为4-16个埋在土壤中的可燃气探头供电并实时采集土壤中天燃气浓度数据；埋在土壤中的可燃气探头以气体缓冲筒7为中心，每两个可燃气探头可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6一组，每组可燃气探头两两对称埋在土壤中，每两组可燃气探头之间垂直高度差不小于0.2m，每两组可燃气探头离泄漏孔14水平距离愈近高度愈高，垂直相邻的两组可燃气探头从俯视上看为“十”字交叉配置，每两组可燃气探头之间水平距离差不小于0.5m，可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6与泄漏孔14之间的水平距离不小于0.5m；压缩气体13包括压缩天然气、压缩空气、压缩氮气和甲烷标气，其中甲烷标气的平衡气是空气；钢性软管11与防水屏蔽电缆a10并行布线，一端连入可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6的气室19，另一端可以通过耐压软管c5-3和减压阀2与压缩气体钢瓶1的连接，钢性软管11接入可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6的部位进行防水处理，可以通过向钢性软管11中注入氮气对可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6进行标零，也可以通过向钢性软管11中注入甲烷标气对可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6进行标定；空气压缩机16能够通过塔形接头和喉卡与耐压软管a5-1相连接，从而与硬质管道6、气体缓冲筒7形成气路连接；空气压缩机16还能够通过耐压软管c5-3和钢性软管11，与可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6的气室19形成气路连接。模拟天然气在土壤中泄漏的试验装置的试验方法如图3所示，该方法的试验步骤操作步骤如下：
第一步在平坦的土地上开挖长不小于3m、宽不小于2m、深不小于1.2m长方形土坑18；
第二步将安装防水电磁阀25和防水的气体压力传感器15的气体缓冲筒7，以及硬质管道a6-1、硬质管道b6-2、耐压软管a5-1、耐压软管b5-2、气体流量计3、减压阀2、压缩气体钢瓶1进行连接；
第三步将PC计算机4和气体流量计3通过串口通信线12进行连接，并联机工作；
第四步将L形硬质管道b6-2的出气口用堵头23堵死，利用防水电磁阀25将气体缓冲筒7的泄漏孔14关闭，将减压阀2与压缩氮气或空气钢瓶1连接，并检查气路是否漏气，如果漏气则进行装置检修直至不漏气为止；
第五步在装置不漏气的情况下，将安装防水电磁阀25和防水的气体压力传感器15的气体缓冲筒7，连同硬质管道a6-1、硬质管道b6-2的水平部分和部分防水屏蔽电缆b22置于坑底，硬质管道硬质管道a6-1、硬质管道b6-2的垂直部分和防水屏蔽电缆b22上端露于地面；
第六步将当地的土壤碾碎后用筛子筛除掉石子、植物根和其他杂物后，回填土坑18并保证硬质管道a6-1和硬质管道b6-2水平部分水平放置，每向土坑18填埋土壤10cm压实一次；
第七步气体缓冲筒7、硬质管道a6-1和硬质管道b6-2埋入土壤中后需经过一个雨季或多次淋灌土壤自然压实，之后在试验地点上方搭建四周密闭的大棚17；
第八步将连接防水屏蔽电缆a10和钢性软管11的可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6埋置于土壤中，可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6采用洛阳铲打孔的方式埋入，每填埋可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6土壤10cm后压实土壤一次；
第九步通过压缩气体钢瓶1、减压阀2、耐压软管c5-3、钢性软管11与多路可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6的气室19形成多条气路连接，通过向的气室19中快速注入高纯氮气对可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6进行标零，通过向的气室19中快速注入甲烷标气对可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6进行标定；
第十步通过压缩气体钢瓶1、减压阀2、耐压软管c5-3直接向可燃气探头g8-7和可燃气探头h24的气室19中快速吹入高纯氮气对可燃气探头g8-7和可燃气探头h24进行标零，快速注入甲烷标气对可燃气探头g8-7和可燃气探头h24进行标定；
第十一步将盛有甲烷标气的压缩气体钢瓶1、减压阀2、耐压软管a5-1、气体流量计3、耐压软管b5-2、硬质管道a6-1、气体缓冲筒7、硬质管道b6-2进行连接，将硬质管道b6-2的露于地面端的堵头23打开，利用防水电磁阀25将气体缓冲筒7的泄漏孔14关闭；
第十二步开启硬质管道b6-2出气口处的可燃气探头h24，开启气体流量计3，开启减压阀2，待可燃气探头h24的甲烷浓度检测值与压缩气体钢瓶1中甲烷标气浓度值基本一致时堵死硬质管道b6-2出气口处的堵头23；
第十三步开启可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6和可燃气探头g8-7，利用防水电磁阀25将气体缓冲筒7的泄漏孔14打开，调节减压阀2出口压力并记录，通过PC计算机4控制气体流量计3的流量并连续记录气体流量计3瞬时和累计流量，通过多通道可燃气探头控制器9连续记录可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5、可燃气探头f8-6和可燃气探头g8-7的甲烷检测数据，在埋在土壤中可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5和可燃气探头f8-6检测数据达到稳态后，完成一轮模拟天然气在土壤中泄漏的试验；
第十四步一轮模拟泄漏试验结束后，新一轮泄漏试验开始前，将空气压缩机16通过耐压软管a5-1、气体流量计3、耐压软管b5-2、硬质管道a6-1与气体缓冲筒7形成一路气路连接；将空气压缩机16通过耐压软管c5-3、钢性软管11与多路可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5和可燃气探头f8-6的气室19形成多条气路连接；堵死硬质管道b6-2出气口处的堵头23，利用防水电磁阀25将气体缓冲筒7的泄漏孔14打开，通过持续向气体缓冲筒7和可燃气探头a8-1、可燃气探头b8-2、可燃气探头c8-3、可燃气探头d8-4、可燃气探头e8-5和可燃气探头f8-6的气室19中注入新鲜空气吹散土壤孔隙中及土壤颗粒吸附的甲烷气体，然后再进行新一轮泄漏试验。
如图3所示为本发明中埋在土壤中的可燃气探头8防水防尘的实施方式。可燃气探头8采用非分光红外传感器，采用自然扩散方式检测，可燃气探头8的气室19通过网状不锈钢孔20及外覆的防水透气面料21与土壤接触，通过防水屏蔽线缆a10和钢性软管11分别与地面的装置形成电路和气路连接。
如图4所示为本发明中气路检漏方法的具体实施方式。该气路检漏方法的操作步骤如下：将硬质管道b6-2垂直部分的出气口用堵头23封闭，利用防水电磁阀25将气体缓冲筒7的泄漏孔14关闭，开启减压阀，氮气或空气从压缩气体钢瓶1流出，依次经过减压阀2、耐压软管a5-1、气体流量计3、耐压软管b5-2、硬质管道a6-1进入气体缓冲筒7，调整减压阀2出口压力约0.15MPa，待气体流量计3的气体流量基本达到稳态后，如果防水的气体压力传感器15读数与减压阀2出口压力差值小于0.01MPa，则认为气路不漏气。
Claims (4)
1.一种模拟天然气在土壤中泄漏的试验装置，包括压缩气体钢瓶(1)、减压阀(2)、气体流量计(3)、PC计算机(4)、耐压软管a(5-1)、耐压软管b(5-2)、硬质管道a(6-1)、可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)、可燃气探头f(8-6)，其特征是：该试验装置还包括了气体缓冲筒(7)、多通道可燃气探头控制器(9)、防水屏蔽电缆a(10)、防水屏蔽电缆b(22)、刚性软管(11)、串口通信线(12)、压缩气体(13)、泄漏孔(14)、气体压力传感器(15)、空气压缩机(16)、耐压软管c(5-3)、大棚(17)、土坑(18)、硬质管道b(6-2)、堵头(23)、可燃气探头g(8-7)、可燃气探头h(24)和防水电磁阀(25)；压缩气体钢瓶(1)通过自带的螺纹与减压阀(2)紧密连接；减压阀(2)通过耐压软管a(5-1)与气体流量计(3)的气体入口端紧密连接；气体流量计(3)的气体出口通过耐压软管b(5-2)与硬质管道a(6-1)连接；气体流量计(3)和PC计算机(4)通过串口通信线(12)连接；气体缓冲筒(7)为封闭的空心圆柱，气体缓冲筒侧面开有泄漏孔(14)，气体缓冲筒的一端平面的中心通过螺孔与硬质管道a(6-1)连接；硬质管道a(6-1)包括水平部分和垂直部分呈L形，硬质管道a(6-1)水平部分通过缠绕生胶带的螺纹连接于气体缓冲筒(7)，硬质管道a(6-1)垂直部分通过喉卡与耐压软管b(5-2)连接；可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)、可燃气探头f(8-6)、可燃气探头g(8-7)、可燃气探头h(24)和多通道可燃气探头控制器(9)与通过防水屏蔽电缆a(10)连接；气体缓冲筒(7)的泄漏孔(14)采用防水电磁阀(25)控制开关；防水的气体压力传感器(15)采用法兰紧固方式密封安装于气体缓冲筒(7)的壁上，不影响气体缓冲筒(7)的密封性，用于测定气体缓冲筒(7)内部的气体压力，其供电和数据接口位于气体缓冲筒(7)外部；气体压力传感器(15)和防水电磁阀(25)控制和数据线为防水屏蔽线缆b(22)，在地下与硬制管道a(6-1)并行布线，在地上与PC计算机(4)连接；气体缓冲筒(7)和可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)、可燃气探头f(8-6)埋置于室外的土壤中，部分硬质管道a(6-1)、硬质管道b(6-2)、防水屏蔽电缆a(10)、防水屏蔽电缆b(22)埋置于土壤中；试验地点上方搭建的大棚(17)四周密闭，可燃气探头g(8-7)安装在大棚(17)内部贴近地面的位置，用于测量地面的泄漏气体浓度；气体缓冲筒(7)的直径为100～1050mm，长度为300-3000mm，材料为钢、铸铁或聚烯材料，直径为1-20mm的1-4个均匀分布的泄漏孔位于气体缓冲筒(7)沿长度方向的一半位置，气体缓冲筒(7)水平埋在土壤下1.2m处；硬质管道a(6-1)和硬质管道b(6-2)的材料为镀锌管，硬质管道a(6-1)水平部分长度为1.5m-3m与气体缓冲筒(7)连接，硬质管道a(6-1)垂直部分长度为1.3m-1.5m与耐压软管b(5-2)连接；气体缓冲筒(7)连接硬质管道a(6-1)的另一端再连接一个L形的硬质管道b(6-2)并接出地面，用于气体缓冲筒内气体的排出，硬质管道b(6-2)水平部分长度为1.5m-3m与气体缓冲筒(7)连接，硬质管道b(6-2)垂直部分长度为1.3m-1.5m，垂直部分地面出气口处安装一个可燃气探头h(24)，硬质管道b(6-2)的地面出气口用堵头(23)堵死；可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)、可燃气探头f(8-6)、可燃气探头g(8-7)和可燃气探头h(24)采用自然扩散方式检测，可燃气探头g(8-7)和可燃气探头h(24)采用泵吸方式检测；可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)、可燃气探头f(8-6)的气室(19)通过网状不锈钢孔(20)及外覆的防水透气面料(21)与土壤接触，通过钢性软管(11)、耐压软管c(5-3)、减压阀(2)与压缩气体钢瓶(1)连接；所述甲烷标气浓度为50％爆炸限；可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)、可燃气探头f(8-6)、可燃气探头g(8-7)和可燃气探头h(24)检测量程均为可燃气爆炸限的1％-100％，可燃气浓度超过100％爆炸限时报知浓度超限，检测精度不低于可燃气爆炸限的1％；防水屏蔽电缆a(10)向可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)、可燃气探头f(8-6)、可燃气探头g(8-7)和可燃气探头h(24)供电，或向多通道可燃气探头控制器(9)回传可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)、可燃气探头f(8-6)、可燃气探头g(8-7)和可燃气探头h(24)的检测数据。
2.如权利要求2所述的模拟天然气在土壤中泄漏的试验装置，其特征是：气体缓冲筒(7)的直径为300mm，长度为1000mm，材料为不锈钢材料，沿长度方向一半的位置开有1个直径为2mm泄漏孔(14)，开孔方向为正上方或正下方；多通道可燃气探头控制器(9)通过防水屏蔽电缆a(10)为4-16个埋在土壤中的可燃气探头供电并实时采集土壤中天燃气浓度数据；埋在土壤中的可燃气探头以气体缓冲筒(7)为中心，每两个可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)和可燃气探头f(8-6)1组，每组可燃气探头两两对称埋在土壤中，每两组可燃气探头之间垂直高度差不小于0.2m，离泄漏孔(14)水平距离最近的可燃气探头组安装位置最高，垂直相邻的两组可燃气探头为“十”字交叉配置，每两组可燃气探头1之间水平距离差不小于0.5m，可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)和可燃气探头f(8-6)与泄漏孔(14)之间的水平距离不小于0.5m；压缩气体(13)包括压缩天然气、压缩空气、压缩氮气和甲烷标气，其中甲烷标气的平衡气是空气；钢性软管(11)与防水屏蔽电缆a(10)并行布线，一端连入可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)和可燃气探头f(8-6)的气室(19)，另一端可以通过耐压软管c(5-3)和减压阀(2)与压缩气体钢瓶(1)的连接，钢性软管(11)接入可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)和可燃气探头f(8-6)的部位进行防水处理，可以通过向钢性软管(11)中注入氮气对可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)和可燃气探头f(8-6)进行标零，也可以通过向钢性软管(11)中注入甲烷标气对可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)和可燃气探头f(8-6)进行标定；空气压缩机(16)能够通过塔形接头和喉卡与耐压软管a(5-1)相连接，从而与硬质管道(6)、气体缓冲筒(7)形成气路连接；空气压缩机(16)还能够通过耐压软管c(5-3)和钢性软管(11)，与可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)和可燃气探头f(8-6)的气室(19)形成气路连接。
3.一种模拟天然气在土壤中泄漏的试验装置的试验方法，其特征是该方法的操作步骤如下：
第一步在平坦的土地上开挖长不小于3m、宽不小于2m、深不小于1.2m长方形土坑(18)；
第二步将安装防水电磁阀(25)和防水的气体压力传感器(15)的气体缓冲筒(7)，以及硬质管道a(6-1)、硬质管道b(6-2)、耐压软管a(5-1)、耐压软管b(5-2)、气体流量计(3)、减压阀(2)、压缩气体钢瓶(1)进行连接；
第三步将PC计算机(4)和气体流量计(3)通过串口通信线(12)进行连接，并联机工作；
第四步将L形硬质管道b(6-2)的出气口用堵头(23)堵死，利用防水电磁阀(25)将气体缓冲筒(7)的泄漏孔(14)关闭，将减压阀(2)与压缩氮气或空气钢瓶(1)连接，并检查气路是否漏气，如果漏气则进行装置检修直至不漏气为止；
第五步在装置不漏气的情况下，将安装防水电磁阀(25)和防水的气体压力传感器(15)的气体缓冲筒(7)，连同硬质管道a(6-1)、硬质管道b(6-2)的水平部分和部分防水屏蔽电缆b(22)置于坑底，硬质管道硬质管道a(6-1)、硬质管道b(6-2)的垂直部分和防水屏蔽电缆b(22)上端露于地面；
第六步将当地的土壤碾碎后用筛子筛除掉石子、植物根和其他杂物后，回填土坑(18)并保证硬质管道a(6-1)和硬质管道b(6-2)水平部分水平放置，每填埋土坑(18)10cm压实土壤一次；
第七步气体缓冲筒(7)、硬质管道a(6-1)和硬质管道b(6-2)埋入土壤中后需经过一个雨季或多次淋灌土壤自然压实，之后在试验地点上方搭建四周密闭的大棚(17)；
第八步将连接防水屏蔽电缆a(10)和钢性软管(11)的可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)和可燃气探头f(8-6)采用洛阳铲打孔的方式埋置于土壤中，每填埋可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)和可燃气探头f(8-6)10cm土壤后压实土壤一次；
第九步通过压缩气体钢瓶(1)、减压阀(2)、耐压软管c(5-3)、钢性软管(11)与多路可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)和可燃气探头f(8-6)的气室(19)形成多条气路连接，通过向可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)和可燃气探头f(8-6)的气室(19)中快速注入高纯氮气对可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)和可燃气探头f(8-6)进行标零，快速注入甲烷标气对可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)和可燃气探头f(8-6)进行标定；
第十步通过压缩气体钢瓶(1)、减压阀(2)、耐压软管c(5-3)直接向可燃气探头g(8-7)和可燃气探头h(24)的气室(19)中快速吹入高纯氮气对可燃气探头g(8-7)和可燃气探头h(24)进行标零，快速注入甲烷标气对可燃气探头g(8-7)和可燃气探头h(24)进行标定；
第十一步将盛有甲烷标气的压缩气体钢瓶(1)、减压阀(2)、耐压软管a(5-1)、气体流量计(3)、耐压软管b(5-2)、硬质管道a(6-1)、气体缓冲筒(7)、硬质管道b(6-2)进行连接，将硬质管道b(6-2)的露于地面端的堵头(23)打开，利用防水电磁阀(25)将气体缓冲筒(7)的泄漏孔(14)关闭；
第十二步开启硬质管道b(6-2)出气口处的可燃气探头h(24)，开启气体流量计(3)，开启减压阀(2)，待可燃气探头h(24)的甲烷浓度检测值与压缩气体钢瓶(1)中甲烷标气浓度值基本一致时堵死硬质管道b(6-2)出气口处的堵头(23)；
第十三步开启可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)、可燃气探头f(8-6)和可燃气探头g(8-7)，利用防水电磁阀(25)将气体缓冲筒(7)的泄漏孔(14)打开，调节减压阀(2)出口压力并记录，通过PC计算机(4)控制气体流量计(3)的流量并连续记录气体流量计(3)瞬时和累计流量，通过多通道可燃气探头控制器(9)连续记录可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)、可燃气探头f(8-6)和可燃气探头g(8-7)的甲烷检测数据，在埋在土壤中可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)和可燃气探头f(8-6)检测数据达到稳态后，完成一轮模拟天然气在土壤中泄漏的试验；
第十四步一轮模拟泄漏试验结束后，新一轮泄漏试验开始前，将空气压缩机(16)通过耐压软管a(5-1)、气体流量计(3)、耐压软管b(5-2)、硬质管道a(6-1)与气体缓冲筒(7)形成一路气路连接；将空气压缩机(16)通过耐压软管c(5-3)、钢性软管(11)与多路可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)和可燃气探头f(8-6)的气室(19)形成多条气路连接；堵上硬质管道b(6-2)出气口处的堵头(23)，利用防水电磁阀(25)将气体缓冲筒(7)的泄漏孔(14)打开，通过持续向气体缓冲筒(7)和可燃气探头a(8-1)、可燃气探头b(8-2)、可燃气探头c(8-3)、可燃气探头d(8-4)、可燃气探头e(8-5)和可燃气探头f(8-6)的气室(19)中注入新鲜空气吹散土壤孔隙中及土壤颗粒吸附的甲烷气体，然后再进行新一轮泄漏试验。
4.一种如权利要求3所述的模拟天然气在土壤中泄漏的试验方法，其特征是：气路检漏方法为将硬质管道b(6-2)的垂直部分出气口用堵头(23)封闭，利用防水电磁阀(25)将气体缓冲筒(7)的泄漏孔(14)关闭，开启减压阀，氮气或空气从压缩气体钢瓶(1)流出，依次经过减压阀(2)、耐压软管a(5-1)、气体流量计(3)、耐压软管b(5-2)、硬质管道a(6-1)进入气体缓冲筒(7)，调整减压阀(2)出口压力约0.15MPa，待气体流量计(3)的气体流量基本达到稳态后，如果防水的气体压力传感器(15)读数与减压阀(2)出口压力差值小于0.01MPa，则认为气路不漏气。
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