声学成像技术在承压设备气体泄漏检测应用的研究

声学成像技术在承压设备气体泄漏检测应用的研究

刘志贤1，冯彩茹1，马博1，杨新健2，蔡勤3

内蒙古自治区特种设备检验研究院，内蒙古自治区 呼和浩特 010000；

2、珠海市安粤科技有限公司，广东 珠海市519000；

3、广东省特种设备检测研究院珠海检测院，广东 珠海市519000）

摘要：为解决在嘈杂环境下远距离检测气体泄漏的问题，本文通过研究声学成像技术的原理，来找出声学成像技术在气体泄漏检测的影响因素，如泄漏口结构尺寸、气体介质物性、环境特点、检测仪器性能等，为检测人员提供可靠的泄漏检测策略，应对复杂的检测环境，将气体泄漏源的声音信号转变成可视化的图像，便于快速定位气体泄漏源，提高气体泄漏的检测效率。

关键字：声学成像，气体泄漏，承压设备，声波

Research on the Application of Acoustic Imaging Technology in Gas Leak Detection of Pressure Special Equipment

Liu Zhixian1,Feng Cairu1,MaBo1,Yang Xinjian2, Cai Qin3

(1. Inner Mongolia Institute of Special Equipment Inspection and Research , Hohhot, Inner Mongolia Autonomous Region, 010000

2. Anyue Technology Co., Ltd., Zhuhai City, Guangdong Province, 519000

3.Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research Zhuhai Branch,Zhuhai City, Guangdong Province, 519000)

Abstract: In order to solve the problem of long-distance detection of gas leaks in noisy environments, this article studies the principles of acoustic imaging technology to identify the influencing factors of acoustic imaging technology in gas leak detection, such as the size of the leak structure, gas medium properties, environmental characteristics, and detector performance. It provides reliable leak detection strategies for detection personnel to cope with complex detection environments, converts the sound signals of gas leak sources into visual images, facilitates the rapid localization of gas leak sources, and improves the efficiency of gas leak detection..

Keywords: Acoustic Imaging, Gas Leakage, Pressure Equipment, Ultrasonic Technology

0 前言

承压类特种设备在运行过程中，法兰密封面、阀门、设备损伤部位等处会发生气体泄漏，给设备运行、企业运维管理和检验检测工作带来巨大的安全隐患，尤其是具有毒性、易燃易爆的气体，对人员的伤害更大。在以往统计的安全事故中，有很大部分是由于气体泄漏造成的[1]。

承压类特种设备进行气体泄漏检测，有相关的法规要求，如《固定式压力容器安全技术监察规程》TSG 21-2016、《压力管道安全技术监察规程—工业管道》TSG D0001-2009、《压力管道定期检验规则—工业管道》TSG D7005-2018，对压力容器、压力管道在制造、安装、维修、使用、年度检查、检验等过程中，对设备的泄漏检测都有相关的技术要求[2~4]。

1 泄漏检测技术分类

根据接触方式的不同，泄漏检测技术大致可以分成接触式检测技术和非接触式检测技术。其中，接触式检测技术主要有气泡泄漏检测、卤素泄漏检测、氦质谱泄漏检测等，非接触式检测技术主要有超声泄漏检测、激光遥距泄漏检测、红外泄漏检测等[5]。

气泡泄漏检测，是工程应用中使用较多的方法，是通过将被检件内部直接用气体加压，在被检件外部施加检测溶液，使泄漏气体通过溶液时形成气泡，从而确定被检件是否泄漏。该方法需要近距离检测，溶液喷涂到的部位才能被检测到，灵敏度相对较高，不受环境噪声干扰。

超声检测，通过探测从泄漏孔流出的气体而产生超声波信号的能量，来确定泄漏的部位。声学成像泄漏检测，属于超声泄漏检测的一种。

2 声学成像泄漏检测

声学成像泄漏检测及时，利用相控阵原理，按一定规律布置传声器阵列，用以扫描和接收所要观察的空间范围内的声波，通过测量声波到达各传声器的相位差异来确定声源的位置，同时测量声源的幅值，并以图像的方式显示声源在空间的分布，取得空间声场分布云图——声像图。其中以图像的颜色和亮度代表声音的强弱，如图1所示。

图1 声学成像技术在泄漏检测的原理模型

3 承压设备气体泄漏的特点

3.1 气体种类多

承压类特种设备的气体介质种类繁多，物理特性和化学特性各不相同，这对气体泄漏检测造成了不同程度的限制，比如压缩空气、氮气等气体无色无味，化学特性比较稳定，用化学分析的方法较难检测到气体成分；而要检测环境中是否含有甲烷气体，需要用到激光甲烷检测仪，而不能使用化学分析方法；如果气体含湿量较大，气泡泄漏检测的方法会受到较大的干扰，造成灵敏度较低。

3.2 泄漏量小

承压类特种设备中的气体介质大多具有一定危害性，如有毒、易燃易爆、刺激性等。因此，这些设备的密封措施较为完善，一般不会发生泄漏的情况。而在一些特殊的情况下，可能会存在微小的泄漏，比如在年久失修的设备、介质腐蚀性较强的设备、压力较大的设备等。不同的泄漏检测技术又不同的检测灵敏度，然而，对于极度微小的泄漏，大部分的泄漏检测技术都有其局限性。

3.3 结构复杂

承压类特种设备包括锅炉、压力容器和压力管道，包含了装设在设备上的阀门、法兰、支吊架等，造成了结构复杂的现场条件。当发生气体泄漏时，复杂的结构不仅会限制泄漏检测技术的应用，还会阻挡远距离检测技术接收泄漏源的信号。如人员难以抵达的部位较难实施气泡泄漏检测技术，而被遮盖或阻挡的泄漏源几乎不能被超声波技术检测到。

3.4 声音条件复杂

承压类特种设备运行环境中，存在较多的声源，这些声源来源于运行的动设备、车间的通风设备、运行的车辆等，各种声音的分贝较高，声源频段幅度较大。另外，动设备经常有从停机到运行或者从运行到停机的过程，会产生频率逐渐变化的声音。这些声音，都会成为干扰源，影响声学成像技术检测气体泄漏的声源。

4 声学成像技术气体泄漏检测策略

4.1 微量泄漏

微量泄漏由于声源信号能量很小，在空气传播过程中，衰减很快，因此较难被检测出来。

声学成像技术的检测仪器具有一个有极限检测流量，大约为0.5mL/s~10mL/s。仪器的极限检测流量随着环境干扰因素变化，这个数值会增大，也就是泄漏点被检出会变得更加困难。

根据《无损检测 超声泄漏检测方法》GB/T 34638-2017和《承压设备无损检测  第8部分：泄漏检测》NB/T 47013.8-2012，超声原理的泄漏检测方法灵敏度与被检测设备的介质压力、泄漏孔尺寸、泄漏孔位置与探头间距等因素有关[6、7]。

因此，对于微量泄漏源，在越安静的环境中，极限检测流量越小，检出几率越大。同时，检测仪器越靠近泄漏部位，声源能量衰减越少，检出几率越大。

4.2 遮挡泄漏源

泄漏源的声音信号峰值直线传输到检测仪器传感器是，泄漏源被检出的几率是最大的。当泄漏源于仪器传感器中间有遮挡物时，声源信号绕过遮挡物到达仪器传感器，声音信号能量会快速衰减，声音强度会下降，频率也会大大降低。因此，在被遮挡的直线方向上，检出能力是最低的。

对于遮挡物环境，应从多角度探测，尽可能让声音信号能直线传输到达仪器传感器。一般地，不建议运用声学成像技术直接检测保温层下的气体泄漏。

4.3 泄漏孔结构尺寸

同样条件下，泄漏孔的结构尺寸越小，泄漏孔处的气体流速快，声源信号频率高，泄漏源的声音越容易被仪器检测出来。相反的，气体介质从较大尺寸的泄漏孔排出时，流速和压力急速下降，介质在泄漏孔产生的声源信号频率是很低的，较难被仪器检测出来。

应用声学成像技术在泄漏检测时，应选择小孔或缝隙处，泄漏源更容易被检出。对于安全阀的泄漏，建议关注阀芯处的泄漏源声音信号，而不应检测安全阀排放管口的气体。

4.4 支管部位

承压设备尤其是压力管道的支管部位容易产生节流现象，如图2所示。节流过程是指流体流动时由于通道界面突然缩小（如孔板、阀门等）而使压力降低的现象[8]。受节流现象影响的流体产生局部的压力脉动，会以波的形式通过周围的空气向外传播而形成声音信号。

图2 节流现象示意图

一般在支管部位，利用声学成像技术能检测出声音信号。这时，检测人员需要判断该部位是否存在泄漏你孔，如法兰、阀门、裂纹、微孔等，如果不存在，则可基本确定是支管节流现象造成的，进一步排除泄漏的可能，如图3所示。

图3 支管节流现象产生的声音信号图

4.5 反射干扰

当不确定画面中声源的是实际声源还是声源的反射虚像时，可以尝试从不同的角度去捕捉声源，如果在多个角度都能捕捉到声源，那么这个声源一般就是实际声源位置，反射的声源虚像在不同位置下可能会出现位置漂移甚至消失。

4.6 环境干扰噪声

环境噪声的频率较低，一般分布在2~20kHz范围内，在承压设备运行环境下，动设备的运行声音、人员施工的声音、车辆运行声音等，对于高频的泄漏源声音来说，这些声音都属于环境干扰噪声。

运用声学成像技术的泄漏检测仪器，在环境干扰噪声频段较多、声音分贝较高的情况下，通过以下操作来获得更准确的泄漏源定位。

(1)在低频段容易受到环境噪声干扰，根据声源的实际情况，推荐使用中高频段来捕捉声源的位置。

(2)可以选择一个相对较窄的频带范围来定位声源，这样可以排除掉其他频段的干扰噪声。

5 总结

声学成像的泄漏检测技术，在承压类设备的气体泄漏检测运用中，具有远距离检测、大范围成像、效率较高、气体种类适用性较强等优势。同时，可通过以下措施来提高现场的泄漏检测能力和灵敏度。

(1)选择安静的环境，可减少环境噪声的干扰，使检测仪器更快获得所要捕捉的气体泄漏源的声音信号。在环境干扰噪音较多的情况下，通过调节频段来排除干扰噪声，捕捉声源的位置。

(2)从多个角度去探测，使声音信号直线传播到仪器传感器。

(3)选择法兰密封面、阀芯、狭缝等狭小孔隙去探测泄漏源，但同时要注意泄漏源结构尺寸过小会导致泄漏量减小，这是需要配合其他检测方法进一步探测。

(4)根据现场检测条件来判断其他的干扰信号，如声音的反射信号、支管节流的声音信号等。

参考文献

[1]黎启柏，卢广权.气体泄漏检测方法及其工程应用[J].机床与液压，2005（11），130-131.

[2]TSG 21-2016，2016，固定式压力容器安全技术监察规程[S].

[3]TSG D0001-2009，2009,压力管道安全技术监察规程——工业管道[S].

[4]TSG D7005-2018，2018，压力管道定期检验规则——工业管道[S].

[5]王涛，王东颖，范伟.气体泄漏检测新方法的研究进展[J].液压与气动，2015（10），1-11.

[6]GB/T 34638-2017，2017，无损检测 超声泄漏检测方法[S].

[7]NB/T 47013.8-2012，2012，承压设备无损检测 第8部分：泄漏检测[S].

[8]华自强，张忠进，高青等．工程热力学(第四版)[M]．北京：高等教育出版社，2009，123-129.

第一作者个人简介：刘志贤（1983.10~），男，本科，内蒙古自治区特种设备检验研究院压力容器与压力管道部副部长，高级工程师，从事压力容器、压力管道检验及无损检测，气瓶、移动式压力容器充装评审等工作。

通讯作者简介：杨新健，男，硕士研究生，副总经理，高级工程师，从事特种设备检验检测和技术研究，邮箱：443922629@qq.com，电话：18826906026

基金：2022年珠海市社会发展领域科技计划项目一般项目《沿海城市复杂条件下城镇埋地聚乙烯燃气管道全面检验关键技术研究》项目编号：2220004000253