CN107816638A - 一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验装置及方法，包括：相互连接的稳压装置和泄漏槽；在所述泄漏槽的两端分别设置第一阀门和第二阀门；泄漏槽泄漏稳定后，同时关闭第一阀门和第二阀门，进入非稳态泄漏状态；根据发生非稳态泄漏前后第一阀门和第二阀门之间的管道内的气体质量之差，以及泄漏时间，确定非稳态泄漏的平均流量。本发明有益效果：与已有的实验系统相比，该实验系统可以模拟实际运行的管道发生泄漏时泄漏量的测量，同时可以测量气源稳定即泄漏孔两端的阀门不关闭时的稳态泄漏模型的泄漏量，也可以测量当泄漏发生时关闭泄漏孔两端阀门的非稳态泄漏模型的泄漏量。

Description

一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及埋地管道气体泄漏技术领域，尤其涉及一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验装置及方法。

背景技术

近年来，全国雾霾天气等环境问题的加剧使得环境问题再次受到广泛的重视。天然气作为一种洁净环保的优质能源，在我国能源革命中占据重要地位，几乎不含有粉尘、硫和其它有害物质，产生相同热值的前提下，其燃烧产物产生的温室气体远少于其他化石燃料。燃气管道的铺设方式一般为埋地铺设，其破坏的原因主要有腐蚀穿孔、违规操作，设备老化或维护不及时管材的缺陷等。一旦管道发生破坏，并且没有得到及时的处理，结果轻者中断燃气和电力供应，严重的导致事故周边人员疏散，甚至造成火灾或爆炸事故，危害群众的生命财产安全。

目前对管道发生事故后的泄漏扩散研究和燃烧或爆炸的灾害评价都是基于泄漏量已知的前提下所做的计算，而实际事故中泄漏量是随时间变化的，因此精确测量管道发生事故后的泄漏量成为关键。

现有的埋地管道泄漏实验装置一般都是一端连接储罐保持压力恒定，另一端埋入土壤中发生泄漏，与实际运行中的管道发生泄漏的情况不符，并且只能做稳态泄漏实验，没有考虑到管道检测系统检测到泄漏位置，将泄漏孔两端的截断阀关闭从而产生的非稳态泄漏。

由于是测量埋地气体管道的泄漏量，所以控制泄漏孔的阀门是没入土壤中的，如何有效地控制土壤中阀门的开关并且尽可能减少阀门操作对阀门附近土壤的影响也是一个至关重要的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验装置及方法，本发明装置设计的实验环道可以模拟管道运行过程中发生的泄漏，符合工程实际，并且可以做连续供气的稳态泄漏和泄漏孔两端截断阀关闭的非稳态泄漏。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明公开了一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验装置，包括：相互连接的稳压装置和泄漏槽；在所述泄漏槽的两端分别设置第一阀门和第二阀门；

泄漏槽泄漏稳定后，同时关闭第一阀门和第二阀门，进入非稳态泄漏状态；根据发生非稳态泄漏前后第一阀门和第二阀门之间的管道内的气体质量之差，以及泄漏时间，确定非稳态泄漏的平均流量。

进一步地，所述泄漏槽上设有至少一个泄漏阀门，所述泄漏阀门通过泄漏阀门垫片与加长杆连接，所述加长杆延伸至土壤外，通过所述加长杆调节泄漏阀门的开度。

进一步地，所述阀门垫片包括：用于与设置在阀门上的阀杆匹配并连接的第一孔以及用于与加长杆一端匹配并连接的第二孔；加长杆转动带动阀门垫片转动，进而带动阀门上的阀杆转动，实现阀门的开闭控制。

进一步地，所述延伸至土壤外的加长杆一端设置转动手柄。

进一步地，所述稳压装置包括：第一缓冲罐和减压阀；所述第一缓冲罐与泄漏槽入口连接，在所述第一缓冲罐与泄漏槽的连接管路上设置第一减压阀。

进一步地，所述稳压装置还包括：第二缓冲罐，所述第二缓冲罐与泄漏槽的出口连接，所述第二缓冲罐的出口位置设置出口阀门。

进一步地，所述泄漏槽前后的管路上分别设置泄漏槽前流量计和泄漏槽后流量计。

进一步地，在所述泄漏槽与设置在泄漏槽前的第一阀门之间的管路上设置压力表。

本发明公开了一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验方法，包括：非稳态工况模拟；

所述非稳态工况模拟具体为：

泄漏槽稳定泄漏后，同时关闭设置在泄漏槽两端的第一阀门和第二阀门，记录当前时刻以及此时泄漏槽两端管道的压力；

当泄漏槽两端管道的压力等于大气压时，再次记录时间；

根据第一阀门和第二阀门之间的管道距离以及泄漏前后管道的压力分别计算泄漏前后第一阀门和第二阀门之间的管道内气体的质量；

根据泄漏前后第一阀门和第二阀门之间的管道内气体的质量以及泄漏时间确定非稳态泄漏的平均泄漏流量。

进一步地，还包括：稳态泄漏工况模拟，具体为：

调节泄漏槽前端管路的压力稳定在实验设定值上；

气体经过泄漏槽进入第二缓冲罐，调节第二缓冲罐出口阀门的开度，保持第二缓冲罐内的压力稳定；

打开泄漏孔处的阀门，进入稳态泄漏工况，记录当前时间；

泄漏槽前管路气体流量与泄漏槽后管路气体流量之差即为当前时刻的泄漏量。

本发明有益效果：

与已有的实验系统相比，该实验系统可以模拟实际运行的管道发生泄漏时泄漏量的测量，同时可以测量气源稳定即泄漏孔两端的阀门不关闭时的稳态泄漏模型的泄漏量，也可以测量当泄漏发生时关闭泄漏孔两端阀门的非稳态泄漏模型的泄漏量。

该实验系统在泄漏段两侧都采取了缓冲罐来稳压，并且泄漏段入口前还采用减压阀进行二次稳压。

泄漏量的计算方便、高效，稳态泄漏量的计算直接用泄漏段两侧的流量计之差即可得到，非稳态泄漏已知泄漏前后管内的平均圧力，利用气体状态方程即可得出泄漏前后气体质量之差。

通过对阀门的改造，尽可能减少阀门操作对阀门附近土壤的影响，通过操作长槽外部的加长杆手柄来控制土壤中阀门的开关，使实验操作方便，高效。该实验系统可以做单孔泄漏，也可以做多孔同时泄漏。

附图说明

图1是本发明专利用于测量埋地气体管道泄漏量的实验流程图；

图2是长槽内部的结构示意图；

图3是泄漏阀门垫片的结构示意图；

图4(a)是加长杆的主视图；

图4(b)是加长杆的主视图；

图中，1-气体入口阀门，2-冷凝器，3-压缩机，4-过滤器，5-气体出口阀门，6-第三阀门，7-第一缓冲罐，8-安全阀，10-减压阀，12-流量计，13-第一阀门，14-压力表，15-泄漏槽，16-第二阀门，17-流量计，20-第二缓冲罐，22-第二缓冲罐出口阀门；

1501-主管线，1502-泄漏支管，1503-长槽，1504-加长杆手柄，1505-土壤，1506-泄漏阀门垫片，1507-加长杆连接头；

150601-垫片主体实心部分，150602-与加长杆配合的阀门垫片半圆环形的孔，150603-与球阀阀杆配合的方孔。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明公开了一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验装置，如图1所示，主体部分为泄漏槽(15)，辅助的有稳压部分、计量测压部分和冷凝部分。具体包括：

气体经过冷凝器(2)，通过压缩机(3)增压进入过滤器(4)，进入第一缓冲罐(7)进行初次稳压，再经过减压阀(10)进行调压，使减压阀出口压力稳定到实验设定的压力值，减压阀(10)出来的气体进入泄漏槽(15)，一部分气体泄漏进入土壤中，另一部分气体进入第二缓冲罐(20)，调节第二缓冲罐出口阀门(22)的开度，从而使第二缓冲罐(20)内的压力保持稳定。

在泄漏槽的两端分别设置第一阀门和第二阀门，在泄漏槽与第一阀门之间的管路上设置压力表。

在泄漏槽前后的管路上分别设置泄漏槽前流量计和泄漏槽后流量计。

冷凝器(2)入口与气体入口连接，冷凝器(2)出口气体进入压缩机(3)增压与第一缓冲罐(7)连接。

第一缓冲罐(7)入口与压缩机(3)出口相连接，第一缓冲罐(7)出口经过减压阀(10)与泄漏槽(15)连接，其顶部设有安全阀(8)。

泄漏槽(15)入口与减压阀(10)连接，一部分气体经过泄漏支管泄漏到土壤中，另一部分气体沿着主管线方向进入第二缓冲罐(20)。

第二缓冲罐(20)入口与泄漏槽(15)出口相连接，第二缓冲罐(20)出口经过出口阀门(22)直接与大气连通，其顶部设有安全阀。

泄漏槽(15)内主要有土壤、泄漏支管以及控制泄漏孔开关的阀门，考虑到管道运行过程中泄漏阀门会没入土壤中，操作困难，为了方便控制阀门的开关并且尽量减少阀门操作对周围土壤的影响，对阀门进行改造。

作为一种实施方式，泄漏阀门通过泄漏阀门垫片与加长杆连接，加长杆延伸至土壤外，通过所述加长杆调节泄漏阀门的开度。

阀门垫片包括：用于与设置在阀门上的阀杆匹配并连接的第一孔以及用于与加长杆一端匹配并连接的第二孔；加长杆转动带动阀门垫片转动，进而带动阀门上的阀杆转动，实现阀门的开闭控制。

优选的，本实施例中选用的阀门为球阀，对球阀进行改造，将原有的阀门手柄拆卸下来，替换成如图3所示的阀门垫片，厚度约为5mm，阀门垫片主要分为三部分，阀门垫片两个半圆环形的孔(150602)与加长杆连接头(1507)相配合，阀门垫片中间的方孔(150603)与球阀阀杆相配合，再加上螺帽进行固定，还有阴影部分为垫片主体实心部分(150601)。在泄漏槽(15)对应位置开一个孔，加工适当加长杆的长度，使加长杆另一端的加长杆手柄位于泄漏槽外部，通过转动加长杆手柄(1504)来控制泄漏阀门的开关；本实施例中，当加长杆手柄与地面垂直时，泄漏阀门处于关闭状态，当加长杆手柄与地面平行时，泄漏阀门处于开启状态。

需要说明的是，本实施例仅给出了阀门垫片的一种结构形式，阀门垫片上与加长杆连接头(1507)相配合的孔的形状根据加长杆连接头(1507)的形状确定，可以为半圆形、圆环形、方形等等；阀门垫片上与阀杆相配合的孔的形状根据阀杆的形状确定，可以为方形、圆形等等。

需要说明的是，本实施例仅给出了对球阀进行改造的实施方式，对于其他类型的阀门，改造原理与本实施例一致。

本发明利用相似原理，同比例缩小现场管道、泄漏孔和土壤埋深等参数的尺寸，设计环道实验系统，模拟实际埋地气体管线发生泄漏，可用于测量连续供气的稳态泄漏和泄漏槽两端阀门关闭的非稳态泄漏两种工况。

本泄漏实验通过改变埋深、泄漏孔径、管道运行压力，管道流量等参数，研究各参数对气体泄漏量的影响，并且在泄漏长槽内有三个泄漏阀门，可以模拟多个泄漏孔同时泄漏的工况，本实施例仅介绍一个泄漏孔发生泄漏的工况，将其余两个泄漏孔关闭即可。

需要说明的是，多个泄漏孔同时泄漏时，具体的实验原理和试验方法与一个泄漏孔发生泄漏的工况相同。

测量稳态泄漏时，气体经过压缩机(3)增压进入第一缓冲罐(7)稳压后，再调节减压阀(10)使泄漏槽(15)前的压力表(14)的示数稳定在实验设定值上，气体经过泄漏槽(15)进去第二缓冲罐(20)，调节第二缓冲罐出口阀门(22)的开度，从而保持第二缓冲罐内的压力稳定，气体稳定运行后，打开泄漏孔处的阀门，使干线管道的气体通过泄漏支管进入土壤中，来模拟稳态泄漏工况，并且记录时间，泄漏槽前流量计(12)与泄漏槽后流量计(17)的示数之差即为泄漏量。

为了模拟非稳态泄漏，在泄漏槽(15)两端分别设有第一阀门(13)和第二阀门(16)，稳态泄漏工况同上，待泄漏稳定后，记录压力表(14)的示数，同时关闭泄漏孔两端的第一阀门(13)和第二阀门(16)，关闭压缩机，让管道内的气体自由释放到土壤中去，进行非稳态泄漏模拟；由于泄漏结束时管道内的压力等于大气压，两阀门间的管段体积已知，利用气体状态方程式，可计算出非稳态泄漏前后管道内气体的质量，发生非稳态泄漏前后管道内气体质量之差与泄漏时间的比值即为非稳态泄漏的平均流量。

具体操作步骤如下：

1、首先对实验土壤进行处理，筛选出粒径较大的石块和黏土，保证土壤颗粒的一致性，取样测量土壤颗粒的密度、孔隙度和颗粒直径等参数。约每30cm进行一次回填和压实土壤，当土壤埋深达到实验设定值，开始实验。如图1所示，初始时刻整个系统的阀门都处于关闭状态，首开依次开启第三阀门(6)以及第一缓冲罐与第二缓冲罐之间的各个阀门，保证第一缓冲罐与第二缓冲罐之间的管路形成通路；启动压缩机(3)，待其转速稳定后，缓慢打开气体入口阀门(1)，逐渐开大气体出口阀门(5)，实验环道、缓冲罐(7)和缓冲罐(20)内的压力会逐渐升高，当缓冲罐内部的压力约超过泄漏压力设定值0.2MPa时，逐渐开启第二缓冲罐出口阀门(22)，调节第二缓冲罐出口阀门(22)的开度，使管道沿线压力保持稳定。再调节减压阀(10)，使减压阀出口的压力维持在实验设定值。

2、当压力表(14)和流量计(12)的示数稳定后，转动泄漏槽外面的加长杆手柄(1504)，使其与地面平行，此时泄漏阀门处于开启状态，气体在土壤中泄漏扩散，同时记录初始时刻，流量计(12)和流量计(17)的示数随时间的变化关系。当流量计示数稳定后，流量计(12)与流量计(17)示数之差即为泄漏达到稳定时泄漏量，通过两流量计示数随时间的变化关系做差，得出从发生泄漏开始到泄漏达到稳定状态时气体泄漏量随时间的变化关系，图像的面积就是泄漏总量。以上操作是保持气源连续供气的稳态泄漏模型。

3、当泄漏量保持稳定后，记录压力表(14)的示数和初始时刻，同时关闭第一阀门(13)和第二阀门(16)，模拟检测到泄漏位置，并将距离泄漏位置两端最近的两个阀门关闭的非稳态泄漏过程。

关闭压缩机(3)以及第一缓冲罐和第二缓冲罐两端的阀门，当压力表(14)的示数等于大气压时，再次记录时间，根据两阀门之间的管道距离可以计算出管道的体积，已知非稳态泄漏前后管内的平均圧力，利用气体状态方程即可以得到管道内气体的质量，泄漏前后气体质量之差与泄漏时间的比值即为非稳态泄漏的平均泄漏流量。

4、以上操作步骤得到了一组在特定管道运行压力、泄漏孔直径、土壤埋深等参数条件下的稳态泄漏和非稳态泄漏模型的泄漏量。再做下这一组实验之前需要翻新土壤，使土壤内的气体充分消散。再分别改变运行压力、泄漏孔直径、土壤埋深等参数进行下一组实验，实验步骤如上述几个步骤所示。

5、当实验结束后，当实验结束后，依次关闭第三阀门(6)、压缩机(3)、泄漏阀门，打开第二缓冲罐出口阀门(22)，当第一缓冲罐(7)和第二缓冲罐(20)中的压力约等于大气压时，依次关闭实验装置管路上的各个阀门，返回初始状态。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验装置，其特征在于，包括：相互连接的稳压装置和泄漏槽；在所述泄漏槽的两端分别设置第一阀门和第二阀门；

泄漏槽泄漏稳定后，同时关闭第一阀门和第二阀门，进入非稳态泄漏状态；根据发生非稳态泄漏前后第一阀门和第二阀门之间的管道内的气体质量之差，以及泄漏时间，确定非稳态泄漏的平均流量。

2.如权利要求1所述的一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验装置，其特征在于，所述泄漏槽上设有至少一个泄漏阀门，所述泄漏阀门通过泄漏阀门垫片与加长杆连接，所述加长杆延伸至土壤外，通过所述加长杆调节泄漏阀门的开度。

3.如权利要求2所述的一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验装置，其特征在于，所述阀门垫片包括：用于与设置在阀门上的阀杆匹配并连接的第一孔以及用于与加长杆一端匹配并连接的第二孔；加长杆转动带动阀门垫片转动，进而带动阀门上的阀杆转动，实现阀门的开闭控制。

4.如权利要求2所述的一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验装置，其特征在于，所述延伸至土壤外的加长杆一端设置转动手柄。

5.如权利要求1所述的一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验装置，其特征在于，所述稳压装置包括：第一缓冲罐和减压阀；所述第一缓冲罐与泄漏槽入口连接，在所述第一缓冲罐与泄漏槽的连接管路上设置第一减压阀。

6.如权利要求5所述的一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验装置，其特征在于，所述稳压装置还包括：第二缓冲罐，所述第二缓冲罐与泄漏槽的出口连接，所述第二缓冲罐的出口位置设置出口阀门。

7.如权利要求1所述的一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验装置，其特征在于，所述泄漏槽前后的管路上分别设置泄漏槽前流量计和泄漏槽后流量计。

8.如权利要求1所述的一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验装置，其特征在于，在所述泄漏槽与设置在泄漏槽前的第一阀门之间的管路上设置压力表。

9.一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验方法，其特征在于，包括：非稳态工况模拟；

所述非稳态工况模拟具体为：

泄漏槽稳定泄漏后，同时关闭设置在泄漏槽两端的第一阀门和第二阀门，记录当前时刻以及此时泄漏槽两端管道的压力；

当泄漏槽两端管道的压力等于大气压时，再次记录时间；

根据第一阀门和第二阀门之间的管道距离以及泄漏前后管道的压力分别计算泄漏前后第一阀门和第二阀门之间的管道内气体的质量；

根据泄漏前后第一阀门和第二阀门之间的管道内气体的质量以及泄漏时间确定非稳态泄漏的平均泄漏流量。

10.如权利要求9所述的一种适用于埋地气体管道泄漏量测量的实验方法，其特征在于，还包括：稳态泄漏工况模拟，具体为：

调节泄漏槽前端管路的压力稳定在实验设定值上；

气体经过泄漏槽进入第二缓冲罐，调节第二缓冲罐出口阀门的开度，保持第二缓冲罐内的压力稳定；

打开泄漏孔处的阀门，进入稳态泄漏工况，记录当前时间；

泄漏槽前管路气体流量与泄漏槽后管路气体流量之差即为当前时刻的泄漏量。