（发明专利号：201910680329X；实用新型专利号：2019211874873）

高新杰

前言

长输天然气管道途径山区、丘陵、平原、沼泽和水网等地区。管道沿线遍布湖泊、河流、池塘、沟渠等水域，这些水域容易产生沼气，目前在日常巡线过程中，若发现管道经过的水域有气泡产生，需要对该区域进行开挖，以进一步确认是天然气管道泄漏还是沼气导致的气泡，这种开挖确认的方式费时费力，成本高，代价大（降压运行以及用户压减等），确认周期长，安全隐患大，并且容易产生次生风险。

目前国外有一种“燃气管网综合检测装置”，例如德国GMS4000等，该装置内置气相色谱分析，可以准确辨识沼气和天然气，但该装置无气体收集器，无法收集被测气体，且造价昂贵，该装置约15万元/套。

1.研发思路及方案

为解决上述问题，研发团队以天然气与沼气物理及化学特性不同为着力点，以安全、准确、快速、实用为出发点，重点分析了沼气与天然气的组分差异：

沼气的主要成分是甲烷。沼气主要由约50%-80%甲烷（CH4）、20%-40%二氧化碳（CO2）、0%-5%氮气（N2）、小于1%的氢气（H2）等气体组成。

天然气主要成分为甲烷，其中气田气甲烷含量约为94~98%，油田伴生气甲烷含量约为83%，GB17820-2018（国家标准天然气）中规定，天然气商品气中二氧化碳（CO2）含量应≤4%。

通过分析发现，天然气与沼气最大的组分差异为二氧化碳及甲烷的含量，该团队最终确定了解决方案，即通过发明一套完整的检测装置，准确测定被测气体中二氧化碳和甲烷的含量，再根据检测结果科学判定被测气体为天然气还是沼气。

2.检测装置及工作原理

该套装置只需要将气体收集器、导气管、干燥管、气泵、采气袋按照顺序紧密连接。将气体收集器装满水倒扣水中，缓慢移至疑似泄露的冒泡处，通过排水法收集疑似泄漏的气体（样气），打开电动泵（防爆）将气体增压抽取至采气袋中。

泄漏气体进行高纯度收集后，利用“比长式二氧化碳检测管”判断泄漏气体中二氧化碳浓度，利用XP-3140准确判断泄漏气体中甲烷浓度，根据天然气和沼气二氧化碳含量相差较大的特点，快速、准确判断水域气体泄漏是否属于沼气益散，或是天然气泄漏，或是二者混合气体的泄漏。

图1水下天然气管道疑似泄漏快速检测装置

3.装置管理及技术要求

3.1用途及适用范围

用途：快速准确判断水网地区天然气管道疑似泄露。

适用范围：湖泊、河流、池塘、沟渠等水域。

工作温度：0-40℃

3.2主要技术指标及要求

比长式二氧化碳检测管检测浓度为0.5-20%。

比长式二氧化碳检测管通气体积50ml。

比长式二氧化碳检测管通气时间100s。

比长式二氧化碳检测管最小分度值1%。

比长式二氧化碳检测管原色：白色，呈色：紫色。

XP-3140工作正常且在检定有效期内。

采气泵气膜组件密封良好。

导气管为硅胶管（硅胶性态稳定）。

进气方式：正压推气式。

3.3使用方法

3.3.1 将气体收集器、导气管1、干燥管、导气管2、气泵、导气管3按照顺序紧密连接。

3.3.2 将气体收集器装满水倒扣水中，缓慢移至疑似泄露的冒泡处，通过排水法收集疑似泄漏的气体（样气）。

3.3.3 打开电动泵，抽取样气对所有装置的管路进行冲洗。

3.3.4 打开采气袋上的进口阀门（同时确保出口阀门处于关闭状态），将导气管3与采气袋进口阀门进行紧密连接。

3.3.5 采气袋装满后关闭采气袋进口阀门，关闭采气泵。

3.3.6 将上述装置、仪器等部件依次分离并归位。

3.3.7 将采样器与采气袋出口阀门紧密连接，打开阀门，用采样器从采气袋中抽取样气，样气抽取完毕后关闭阀门。

3.3.8 用配备的小砂轮片把比长式二氧化碳检测管两端切开，用短胶管将‘O’线一端与采样器进行紧密连接。

3.3.9 推动手把在100秒时间内，均匀的把样气通过比长式二氧化碳检测管推出采样器。

3.3.10 按照比长式二氧化碳检测管变色柱上端指示的数字读出测定结果（即二氧化碳含量），并做好记录。

3.3.11 将XP-3140气体采集管与采气袋出口阀门紧密连接，打开阀门，用XP-3140检测样气中甲烷含量，并做好记录。

3.4结果判定

3.4.1若二氧化碳含量大于等于20%，甲烷含量大于等于50%，则泄漏气体为沼气。

3.4.2若二氧化碳含量小于等于4%，甲烷含量大于等于83%，则泄漏气体为天然气。

3.5注意事项

3.5.1装置使用过程中必须严格遵守主要技术指标及要求。

3.5.2样气抽取过程中时刻观察气体收集器水位情况，防止将水抽取至导气管内。

3.5.3干燥管内为变色硅胶，干燥状态下硅胶为蓝色，受潮后变成红色，若干燥管内硅胶红色部分超过三分之一，则需要更换干燥管。

3.5.4样气抽取过程中时刻观察采气袋充气情况，防止过充。

3.5.5单位换算：百分浓度%=ppm值*0.0001；mg/m³=1.521ppm。

3.5.6受内外部检测环境影响，比长式二氧化碳检测管检测偏差约为±10%-15%，即8.1中若二氧化碳含量大于等于17%，也可作为判定依据；8.2、若二氧化碳含量小于等于4.6%，也可作为判定依据。

3.5.7作业人员应穿戴好劳保防护用品，水域作业应做好防溺水工作（例如穿戴好救生衣等），且切实做好全过程防火、防爆、防静电措施。

4.装置检测及实验

2019年8月，本装置依托川气东送管道安徽管理处完成了功能测试及可靠性验证，各项技术指标满足要求，二氧化碳及甲烷含量测定准确，可以在8分钟内判明泄漏气体为沼气还是天然气。

图2 沼气收集

图3 二氧化碳含量测定

图4 甲烷含量测定

为做好公司知识产权保护，该装置已申请国家发明及实用新型专利（发明专利号：201910680329X，实用新型专利号：2019211874873），并具有很高的“高价值”专利潜力。

5.总结

本装置结构设计巧妙，安全高效，制作成本低，安装快捷方便、灵活性强，携带方便，检测结果准确度高且科学有效，能够快速判断被测气体性质。

经济效益：

该装置制作成本约0.2万元/套，而“燃气管网综合检测装置”约15万元/套，每台节约费用约14.5万元。若川气东送管道每个巡线分队配备一套检测设备，与国外设备对比，公司自主发明的检测装置可节约费用约360万元。

管理效益：

水下天然气管道疑似泄漏快速检测装置是针对天然气管道穿越水网等地区时，管道穿水区域若发生疑似天然气泄漏，能够实现不开挖的方式快速准确区分是管道泄漏的天然气还是地下沼气，减少应急判断等待时间，为应急抢险工作提供决策性依据。