一种地下密闭空间内可燃或有毒气体的检测装置与方法与流程

1.本发明属于气体检测技术领域，具体来说涉及一种地下密闭空间内可燃或有毒气体的检测装置与方法。


背景技术：

2.在石油化工装置中，可燃气体大多为烃类、且多为c3以及比c3重的烃类，有毒气体多为h2s或苯。一旦发生泄漏，这些气体由于比重大于空气，将向地面沉降。当气体渗入地面以下的地下密闭空间(阀井、地沟等)后将长时间积聚，形成不易疏散的高浓度气云团。可燃气体气云团遇到明火将造成闪爆，有毒气体气云团对在密闭空间内活动的人员可直接致害或致命。国家标准gb/t50493-2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》，在第4.4.4章节要求，“有人进入巡检操作且可能积聚比空气重的可燃气体或有毒气体的工艺阀井、管沟等场所，应设可燃气体和(或)有毒气体探测器”，提出了该场合的检测需求。
3.传统的可燃或有毒气体检测方法主要有以下几种：
①
直接安装法-地下安装：气体探测器的探头安装于地下气体积聚区域，探头位置即为检测位置。优点是直接检测，无滞后，经济性好。缺点是气体探测器需外接电缆，地下密闭空间如有积水且当积水漫过探头位置时，将造成探头永久性失效，探头处的电路板经常容易进水损坏。
②
直接安装法-地上安装：探头安装在地下井或管沟等地下密闭空间上方，等地下密闭空间积聚满气体、开始在地上开口处形成一定浓度的云团后才可以检测到，一般多用于敞口污水池。优点是可以避免积水问题，也可以间接反映该地下密闭空间内的气体积聚状态。缺点是安全性没有保证，只能间接反映开口位置的气体积聚状态，滞后大。地下密闭空间可能已经形成危险，但是地上由于空气流通、无法形成稳定的气团，达不到检测报警的浓度。施工或维修人员无法准确判断，会造成危险。
③
无采样前处理的泵吸入法：直接将采样管伸入地下沟或井内，将气体探测器安装于地面上适当高度，气体探测器采用泵吸式采样。优点是气体探测器电子元件位置高，不会被水浸泡。缺点是当管沟或井内进水后，水漫过采样管的采样口，仍旧可能被泵吸入采样管，造成探头永久失效。
④
带采样前处理的泵吸入法：类似于方法
③
，但是在采样管上加装采样前处理除水装置。当少量喷溅水滴或水汽被吸入时，可通过水气分离除水器排水。主要缺点是当旱季长时间干燥无水时，水气分离除水器、蓄水/排水器、排水管中无水，气容大，造成采样滞后较大。当地下密闭空间的顶部设有盖板、大量积水积满时，采样管开口浸没于水面下、一直吸入积水，会造成下游气体检测器的探头失效，也对电动采样泵的工作不利。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种地下密闭空间内可燃或有毒气体的检测装置与方法，主要解决现有技术所存在的积水会造成气体探测器探头失效的问题。
5.为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种地下密闭空间内可燃或有毒气体的检测装置，设有气体探测器、电动采样泵、采样管，气体探测器位于地面上方，设有探头
测量腔，采样管入口位于地下密闭空间内，地下密闭空间的顶部设有盖板，其特征在于：所述装置还设有锥形管，锥形管内设有活动密封球，锥形管的顶部设有密封盖，底部设有开口、与大气相通，地下密闭空间内设有软管和浮球，软管的底部通过固定支架与浮球相连，采样管由软管、采样卡套管、泵入口采样管和泵出口采样管组成，采样卡套管的入口与软管的顶部出口相连，采样卡套管的出口和泵入口采样管的入口与锥形管的上部相连，泵入口采样管的出口和泵出口采样管的入口与电动采样泵相连，泵出口采样管的出口与气体探测器相连。
6.采用上述装置进行地下密闭空间内可燃或有毒气体检测的方法，其特征在于：地下密闭空间内开始积水、积水面上升时，浮球漂浮在积水面上，并带动软管的底部入口和固定支架一起向上运动，使软管的底部入口一直位于积水面以上，电动采样泵经过泵入口采样管、锥形管、采样卡套管和软管从地下密闭空间内、积水面的上方抽取可燃或有毒气体，并将气体经过泵出口采样管送至气体探测器。
7.当水全部积满地下密闭空间后，积水从软管的底部入口进入软管和采样卡套管，采样卡套管内的水柱升高，锥形管内位于活动密封球上方的空间的真空度增加，该空间的气体压力与活动密封球下方的大气压力在活动密封球上产生压差，当采样卡套管内的水柱高度超过临界吸入水柱高度时，该压差对活动密封球产生的向上推力大于活动密封球的重量，活动密封球被向上推开，大气中的空气经锥形管的底部开口、活动密封球与锥形管之间的间隙进入锥形管上部以及采样卡套管，采样卡套管内的水柱降低，临界吸入水柱高度在0.5米以下，当采样卡套管内的水柱升高到临界吸入水柱高度时，活动密封球受到的对应压差为δp，δp＝g
球
/s
界
＝(4ρ
球
r3g)/(3r
界2
)。采样卡套管内的最大吸入水柱高度比临界吸入水柱高度高出100毫米以下。
8.地下密闭空间内无积水时，电动采样泵经过泵入口采样管、锥形管、采样卡套管和软管从地下密闭空间内抽取可燃或有毒气体，并将气体经过泵出口采样管送至气体探测器。
9.采用本发明，具有如下的有益效果：本发明通过本质安全的设计，在地下密闭空间内出现积水、甚至全部积满水的情况下，都能很好地避免水进入气体探测器、造成探头失效(详见本发明说明书具体实施方式部分的说明)。地下密闭空间由于天气等原因、尤其是在雨季，经常积水；气体探测器只要接触一次水，就会造成探头失效。但是施工、维护、维修等工作需要人员进入地下密闭空间时，就需要知道地下密闭空间内是否积聚有可燃或有毒气体，这是长期客观存在的要求。本发明为在地下密闭空间内出现积水的情况下进行可燃或有毒气体的检测提供了一条途径，在无积水的情况下同样能正常检测。本发明设计简单、适用面宽，无需特殊设备、特殊材质及特殊制造技术要求，经济性好，工程上易于实施。
10.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。附图和具体实施方式并不限制本发明要求保护的范围。
附图说明
11.图1是本发明的一种地下密闭空间内可燃或有毒气体的检测装置的配置示意图。
12.图2是图1中锥形管和活动密封球的放大示意图。
13.图1和图2中，相同附图标记表示相同的技术特征。附图标记表示：1—气体探测器；
2—电动采样泵；3—锥形管；4—采样卡套管；5—软管；6—浮球；7—固定支架；8—导向钢丝；91—上固定支撑；92—下固定支撑；10—密封盖；11—过滤网；12—安装板；13—活动密封球；14—卡套接头；15—地下密闭空间；16—泵入口采样管；17—泵出口采样管；18—地面；19—积水面；20—盖板。
具体实施方式
14.参见图1和图2，本发明的一种地下密闭空间内可燃或有毒气体的检测装置(简称为装置)，设有气体探测器1、电动采样泵2、采样管。气体探测器1位于地面18上方，设有探头测量腔，采样管入口位于地下密闭空间15内。地下密闭空间15的顶部设有盖板20，盖板20的上表面与地面18平齐。地下密闭空间15通过缝隙、开孔等与大气相通。所述装置还设有锥形管3，锥形管3内设有活动密封球13。锥形管3的顶部设有密封盖10，底部设有开口、与大气相通。地下密闭空间15内设有软管5和浮球6，软管5的底部通过固定支架7与浮球6相连。软管5的顶部为出口、底部为入口，底部入口位于浮球6上方。
15.采样管由软管5、采样卡套管4、泵入口采样管16和泵出口采样管17组成，软管5的底部入口作为整个采样管的入口。采样卡套管4的入口与软管5的顶部出口相连，采样卡套管4的出口和泵入口采样管16的入口穿过锥形管3的密封盖10、与锥形管3的上部相连，泵入口采样管16的出口和泵出口采样管17的入口与电动采样泵2相连，泵出口采样管17的出口与气体探测器1相连。
16.参见图1，地下密闭空间15内竖直设有导向钢丝8，软管5呈螺旋形围绕导向钢丝8缠绕，且导向钢丝8从浮球6上的竖直通孔穿过。导向钢丝8的顶部固定于上固定支撑91上，导向钢丝8的底部固定于下固定支撑92上或固定于地下密闭空间15的底部。上固定支撑91和下固定支撑92一般设置在地下密闭空间15角落的位置。当地下密闭空间15内没有积水时，浮球6下落至下固定支撑92处或地下密闭空间15的底部，软管5伸展开。
17.参见图1，采样卡套管4由埋地管线和地上管线组成，埋地管线的入口作为采样卡套管4的入口、与软管5的顶部出口相连。埋地管线穿过地下密闭空间15的侧壁、水平埋设于地下密闭空间15外部的地下。地下密闭空间15的位置一般都很特殊，盖板20上方要求相对空旷或为人行通道，不允许有突出障碍物伸出盖板20、影响行车或人行通道，以保证安全。盖板20经常考虑承重或人行通道安全，不允许开洞。埋地管线的设置方式，可以满足上述要求。
18.参见图1和图2，本发明的一种优选方案是，锥形管3的主体为倒置截头圆锥面形，底部与一段圆管焊接连接。圆管末端处设有过滤网11(最好是螺纹连接)，圆管底部作为锥形管3的底部开口、与大气相通。过滤网11的主要作用是防大风、防虫、防大颗粒沙尘。倒置截头圆锥面形的顶部直径d一般为120～160毫米，底部开口直径d(与圆管的内直径相同)小于活动密封球13的直径，高度a一般为100～160毫米。锥形管3采用上述的尺寸，有利于减少气容及采样滞后时间。活动密封球13的半径r一般为20～30毫米，锥形管3至地面18的安装高度h一般为1～1.5米。安装高度h从锥形管3上方、采样卡套管4和泵入口采样管16上高度相同的水平管段至地面18计算。
19.采样卡套管4的外径(直径)一般为4～6毫米，壁厚一般为1～1.5毫米，材质一般为不锈钢、可以弯曲。上述尺寸可以保证采样卡套管4的内径较小，使采样卡套管4的气容小、
样气传输快、滞后少，又不至于堵塞。软管5的材质一般为橡胶，最好是弹性较高的橡胶管，例如医用止血弹性捆扎管。浮球6的材质最好为密度小于水的轻质材料，例如泡沫塑料。活动密封球13可以使用软材质，以增加密封效果；但考虑到与锥形管3之间的摩擦，活动密封球13最好是使用坚硬的金属材质(例如不锈钢，最好是316不锈钢)，密度不高于316不锈钢。锥形管3的材质可以任意选用坚硬且表面容易光滑处理的材质(例如不锈钢，最好是316不锈钢)，保证其与活动密封球13之间的密封。为保证密封效果，活动密封球13及锥形管3的加工精度及表面光洁度要高一些，当前的数控机床可以满足加工要求。
20.参见图1，本发明的一种优选方案是，气体探测器1、电动采样泵2、锥形管3、泵入口采样管16、泵出口采样管17固定在安装板12上。安装板12上还设有卡套接头14。采样卡套管4的一部分设于卡套接头14与锥形管3的上部之间并固定在安装板12上，该部分采样卡套管4在卡套接头14处与采样卡套管4的其余部分相连。本发明将所述部件集成在一块安装板12上，便于制造厂成套供货。采样卡套管4在卡套接头14处连接，易于工程实施。
21.采用上述装置进行地下密闭空间内可燃或有毒气体检测的方法，分为以下几种情况。
22.①
地下密闭空间15内无积水时，电动采样泵2经过泵入口采样管16、锥形管3、采样卡套管4和软管5从地下密闭空间15内抽取可燃或有毒气体以及空气，并将气体经过泵出口采样管17送至气体探测器1。气体被检测后排入大气，相当于形成一个分析仪表的快速回路。
23.②
地下密闭空间15内开始积水、积水面19上升时，浮球6漂浮在积水面19上，并带动软管5的底部入口和固定支架7一起向上运动，使软管5的底部入口一直位于积水面19以上，可以抽取并检测积水面19上方的气体，并防止积水经过软管5、采样卡套管4、锥形管3、泵入口采样管16和泵出口采样管17进入气体探测器1。从地下密闭空间15内抽取的气体按情况
①
的路径流动。
24.第
①
、
②
种情况，采样卡套管4、泵入口采样管16以及锥形管3内位于活动密封球13上方的空间的真空度不够大，活动密封球13由于重力作用堵在锥形管3下部，锥形管3内位于活动密封球13上方的空间形成密闭空间。
25.③
极端情况下，当水全部积满地下密闭空间15后，浮球6和压缩的软管5被上固定支撑91挡住、强行没入水中，软管5的底部入口也没入水中。积水从软管5的底部入口进入软管5和采样卡套管4，采样卡套管4内的水柱升高，采样卡套管4未进水部分、泵入口采样管16以及锥形管3内位于活动密封球13上方的空间的真空度增加。锥形管3内位于活动密封球13上方的空间的气体压力与活动密封球13下方的大气压力在活动密封球13上产生压差。当采样卡套管4内的水柱高度超过临界吸入水柱高度h时，该压差对活动密封球13产生的向上推力大于活动密封球13的重量，活动密封球13被其下方大气中的空气向上推开。大气中的空气经锥形管3的底部开口、过滤网11、活动密封球13与锥形管3之间的间隙进入锥形管3上部以及采样卡套管4。活动密封球13升得越高，进入锥形管3上部以及采样卡套管4内的空气越多。上述的真空度不能继续增加而且会下降，采样卡套管4内的水柱无法继续升高而且会降低，锥形管3内位于活动密封球13上方的空间与外部大气的压差减小。
26.临界吸入水柱高度h在采样卡套管4地上管线的一段竖直管段上形成。按照上述锥形管3以及活动密封球13的尺寸计算，h一般在0.5米以下，h从水柱顶部至地面18计算。当采
样卡套管4内的水柱升高到临界吸入水柱高度h时，活动密封球13受到的对应压差为δp，δp＝g
球
/s
界
＝(ρ
球
v
球
g)/s
界
＝(ρ
球
(4/3πr3)g)/(πr
界2
)＝(4ρ
球
r3g)/(3r
界2
)。
27.式中，g
球
为活动密封球13的重量；s
界
为活动密封球13与外界大气等效接触圆面的面积；ρ
球
为活动密封球13的密度；g为重力加速度；v
球
为活动密封球13的体积；r为活动密封球13的半径；r
界
为活动密封球13与外界大气等效接触圆面的半径。活动密封球13与外界大气等效接触圆面，是活动密封球13未被向上推开时与锥形管3接触的圆所围成的圆面。活动密封球13受到的压差等效的推力可等效为作用在该圆面上向上的力。式中，各个量的单位可按常识确定并进行换算。
28.例如，采用图2所示的锥形管3和活动密封球13，锥形管3至地面18的安装高度h为1米。倒置截头圆锥面形的顶部直径d为120毫米，底部开口直径d为40毫米，高度a为160毫米。活动密封球13为实心圆球，半径r为25毫米，材质为316不锈钢，密度为7.98克/立方厘米。可以计算出活动密封球13与外界大气等效接触圆面的半径r
界
为24.3毫米，活动密封球13受到的压差δp为2.759kpa(千帕)，折算为282毫米水柱，该水柱高度即为临界吸入水柱高度h。当采样卡套管4内的水柱升高到地面18以上282毫米时，活动密封球13就处于即将被向上推开的临界状态，活动密封球13的重量等于其所受压差产生的向上推力；所述水柱超过地面18以上282毫米时，活动密封球13就会被向上推开。锥形管3至地面18的安装高度h为1米，即使活动密封球13与锥形管3有一点摩擦力，h也留有足够的裕量，保证水无法进入锥形管3。
29.采样卡套管4内的最大吸入水柱高度一般比临界吸入水柱高度h高出100毫米以下。最大吸入水柱高度在采样卡套管4地上管线的一段竖直管段上形成，从水柱顶部至地面18计算。
30.当活动密封球13换为更轻的材质时，临界吸入水柱高度h将更小，水吸入锥形管3将更困难；但是需要考虑活动密封球13的重力需克服锥形管3上游气体流动与管路所带来的摩擦阻力产生的真空度。典型的电动采样泵2的额定流速为500～700毫升/分钟，带来的摩擦阻力基本上可以忽略不计。电动采样泵2的入口最高真空度可达-500mbar(毫巴，表压)。
31.在上述的过程中，即使有少量的采样卡套管4内的小水柱因为喷溅等原因被吸入到锥形管3内，也将掉入锥形管3底部、从锥形管3的底部开口向下流出，而不会进入锥形管3下游的泵入口采样管16、泵出口采样管17以及气体探测器1。
32.上述第
①
、
②
种情况，本发明装置都能正常地从地下密闭空间15内抽取可燃或有毒气体并进行检测。第
③
种情况不能正常抽取气体并进行检测，但可以防止水被吸入气体探测器1、造成探头损坏。