液體閥門泄漏檢測裝置的研制及試驗研究

廖慶斌 王曉東 胡必忠

武漢第二船舶研究所，武漢，430064

0 引言

液體閥門在船舶中大量使用，各種閥門泄漏危害表現越來越明顯，因此液體閥門的密封檢測顯得尤為重要[1－2]。閥門的密封檢測也稱為閥門的泄漏檢測，而閥門的泄漏可分為內泄漏（內漏）和外泄漏（外漏）。閥門不能嚴密的關閉而導致的泄漏稱為內漏，常發生在閥座與運動件的接觸面上。閥門外漏是指閥內介質直接漏到環境中。根據工程經驗，對船上大量使用的各種閥門而言，閥門的外漏易于發現，發生概率相對較小，且易于發現和處理，對船舶的安全隱患也較小。船舶閥門最大的安全隱患來自于內漏，內漏不但難于發現，并且由于部分閥門安裝位置的限制，檢測工藝也難于開展，目前我國船舶閥門的內漏檢測技術相對單一，工序煩瑣，難于對船上所有閥門進行例行檢查和應急檢查。本文主要是對液體閥門的內漏密封檢測裝置的研制和試驗。由于船舶中以水系統閥門占絕大多數，因此，本文以水系統閥門作為研究的對象。

目前，對承壓高、安全性要求強的船舶液體閥門泄漏，只有依賴于扣罐打壓、全船試水等傳統工序來檢查，檢測代價高和檢測時間長。這一現狀的造成主要是因為在用閥門的微小內泄漏難于發現，并且目前常用的檢測方法無法實現在線檢測，需要離線進行，而且也不可能對每個閥門都同時進行檢測。對哪些閥門要作重點檢測，哪些閥門無需檢測，哪些閥門是危險性大而急需檢測更換的，判斷起來缺乏科學依據，而船廠工人依據建造經驗的判斷和船員依據運行經驗的判斷有可能使真正危險的閥門得不到及時檢測，這影響生產和船只的使用安全，對一些沒有內泄漏的閥門進行拆卸更換還造成了浪費。

隨著我國大噸位、高技術含量船舶的設計，船舶閥門的安全性更加凸顯出來，開展船舶閥門密封檢測技術研究，有利于提升閥門檢測手段的技術含量，簡化測試方法，改進傳統煩瑣的檢測工藝，加快船舶的建造進程，為我國船舶設計的安全性提供技術保障。

1 樣機簡介

閥門泄漏檢測裝置采用基于聲發射[3－5]的檢測原理進行設計，為了適應船用閥門泄露檢測的需要，所設計的船用閥門泄漏檢測裝置應具有便于在船上開展實時檢測，即檢測裝置應具有較好的便攜性，能適合船上的使用環境，檢測結果直觀，便于判斷閥門是否發生了泄漏。由于目前國內暫無適用于船上使用的閥門泄漏檢測裝置[6]，因此，在該裝置的研制和設計上，以裝置檢測的可靠性、穩定性和測試數據的有效性作為設計的首要目標。

1.1 閥門泄漏檢測裝置的檢測原理

聲發射原本是指材料內部因應力引起的能量在瞬間釋放而產生的機械波，這種機械波按聲波的規律傳播。閥門泄漏時本身并不釋放能量，因此，從嚴格意義上說，閥門泄漏所激發的應力波并不是聲發射現象，但由于泄漏點液體在壓力作用下，從閥門漏孔處激射而出時與閥體相互作用，在閥體上同樣會激發出一定頻率的應力，這種應力波帶有閥門泄漏的信息，在閥門內以聲速傳播，從這個意義上講，閥門泄漏所激發的應力波也可以認為是一種聲發射現象。

液體從閥門泄漏孔泄漏出來的同時產生中心頻率為f的超聲波：

式中，v為射流速度；d為泄漏孔的直徑；β為系數，一般取β＝0.2。

射流速度v與泄漏孔兩端的壓差成正比，壓差變大且漏孔直徑變小，頻率峰值向高頻移動。發射的聲功率與射流速度v的8次方成正比。

1.2 檢測裝置的各組成部件

檢測裝置的核心部件是檢測傳感器，在檢測傳感器的研制上，采用了諧振式的高靈敏度的壓電傳感器，其典型的幅頻特征函數為[7]

式中，fn為固有簡諧頻率；ξ為傳感器的阻尼比；S為靈敏度。

為了提高傳感器的靈敏度及信噪比，傳感器的工作點取在其諧振頻率點fn處。在本文檢測裝置的設計中，為了適用于檢測頻率可調以及在不同泄漏量的情況下靈敏度可調，在設計時將諧振頻率點fn設計成可調的，同時靈敏度S也為可調的。

由于工作空間的限制，船上有很大數量的閥門安裝在難于抵達的部位，這樣給泄漏檢測裝置在船上的使用提出了空間上的要求，為了適用這種情況，在設計泄漏檢測裝置時，依據檢測原理和聲波傳輸的特點，在檢測傳感器的觸點位置前設計了波導桿，波導桿由傳聲性能優良的鋼材制造。在波導桿和主機的連接處，采用插入式插針連接方式，這種設計確保連接的可靠性和防水、防潮能力。在測試主機的設計上，考慮到所采用零部件的數量和質量以及加工難等情況，將主機設計成手持式槍式結構，質量約0.9kg，這使得在船上帶著測試儀器進行泄漏檢測不會帶來太多的體力消耗。為了確保檢測裝置在不同的人使用時，其檢測結果不發生差別，因此，在檢測裝置的輸出方面采用了兩種輸出方式，一種是數字式LED屏顯示，這種方式不同的人得到的結果是一樣的；一種是用于輔助的聲音輸出方式，由于不同的人在聲音的感知度上是不一樣的，所以不同的人在使用檢測裝置時，得到的結論可能會有所區別，但是這種方式直觀，并且專職人員通過訓練后，將能比較準確地判斷泄漏量的大小，所以在設計時保留了這種方式。在耳機的設計上，采用了能在檢測時同時佩戴安全帽的高保真耳機設計。整個檢測裝置的組成如圖1所示。

圖1 檢測裝置組成圖

1.3 泄漏檢測裝置的工作原理

圖2是檢測裝置主測試部件（主機）的工作電路圖。該部件由中央處理器和數字控制單元、顯示屏、DB轉換單元、差頻振蕩電路、振動增益放大器等元器件組成。

圖2 檢測裝置的工作電路圖

工作時，首先調定檢測裝置的測試頻率（本測試裝置的測試頻率從20～100kHz可調），然后將波導桿接觸到閥體和閥前的相應測試位置，得到輸入信號，再通過DB轉換、差頻振蕩電路、增益放大器等將超聲波信號轉換成聽域信號，分別輸出到LED顯示屏和耳機上。

2 試驗臺架

為了對泄露檢測裝置進行試驗驗證，專門設計了相應的閥門泄漏測試試驗臺架，如圖3所示，整套試驗臺架由模擬閥前水壓的長3m、耐壓4.5MPa的水管段，往水管段中打壓用的打壓泵，模擬閥前安裝條件的焊接座板，用以測量泄漏量的支管段以及各個配套的閥門組成。

圖3 試驗臺架圖

為了便于表述，文中所述的測量位置中的閥后和閥前，分別對應于圖4和圖5。閥前也就是液體進入閥門的一端，閥后指的是液體通過截止閥后的一端，測試時，將檢測裝置的導波桿置于閥體上，泄漏聲最大處，本文都統稱其為閥后（或閥體）。

圖4 閥后（閥體）測試位置

圖5 閥前測試位置

3 試驗結果及分析

3.1 試驗情況概述

根據文獻[5]關于聲發射理論在閥門泄漏檢測中的頻率分析，以及應用本試驗裝置掃頻測試的結果發現，液體閥門檢測的理想頻率段可能在20～40kHz之間的某個頻率點上，雖然工程上有氣體閥門泄漏檢測的裝置，但是關于液體閥門泄漏檢測的裝置，尤其是對泄漏率小的閥門泄漏檢測裝置未見報道。因此，本文的首要任務就是確定閥門泄漏檢測裝置在檢測液體閥門泄漏時，其檢測頻率應該在哪一個頻率點上，確定了泄露檢測裝置的測試頻率點后，接下來就是確定閥后、閥前的壓差以及泄漏量對檢測性能的影響。

試驗時，先將閥門（圖3所示的截止閥B64050GB／T584－1999）調節到一定的開度，用泵保持耐壓管段內的水壓值固定在某一試驗值，待泄漏端穩定后（將閥門開到一定開度后，等待約1～2min），測量支管段的泄漏量，可知這也就是閥門在這一開度下的泄漏量。由于試驗時測量泄漏量的量杯最大容積為1.0L，因此，在較大泄漏量的情況下，測量時間會相應地短一些（具體測試情況參見以下各個試驗記錄表格）。

為了分析閥后管段內有水壓是否對檢測結果有影響，試驗時構造了一種瞬態檢測方法，以定性分析閥后管段壓力的影響。為得到上述試驗結論，試驗過程如下：

（1）閥門泄漏檢測裝置測試頻率的確定。將水管段內打壓到不同的壓力值，然后根據理論研究結論（對于液體泄流，其超聲檢測頻率段主要在20～40kHz之間）和閥門調定的一定的泄漏量（試驗時，泄漏量調節在5mL／s左右），進行測試頻率的確定試驗（對于同樣的泄漏量，分別調節檢測裝置的測試頻率）。試驗記錄表格如表1所示。

表1 測試頻率對測試效果影響記錄表

（2）閥門泄漏量和壓力的變化對檢測裝置檢測性能的影響試驗。根據在上述試驗中確定的測試頻率，將閥門泄漏檢測裝置調定在試驗得到的頻率點，將試驗管段內打壓到不同的壓力點（1.0～4.5MPa之間，每隔0.5MPa一個測試間隔點），然后調節不同的泄漏情況，檢驗泄漏檢測裝置的工作性能。試驗記錄表格如表2所示。

（3）閥后壓力對閥門泄漏檢測的影響試驗。將閥后管段內充滿不同壓力（0.5MPa、1.0MPa）的水，檢驗閥門泄漏檢測裝置的工作性能。試驗時，將閥前、閥后制造一定的壓力差值后，試驗人員根據開關閥門的經驗將閥門開到一定的開度，在開閥時，用泄漏檢測裝置測量泄漏聲。由于在這種條件下，測量閥門的泄漏量不可實施，因此，閥門開度難于評價，只能通過有無泄漏聲來直觀地表述。試驗記錄表格如表3所示。對于表1～表3中的試驗記錄數據，需要說明的是，對同一泄漏量，在維持壓力不變的情況下，均進行了多次測試，由于每次測試中，閥前、閥后的聲音量值會有1～2dB的差別，表中的數據，對于每一個流量值，都是經過不少于3次平均后得到的，盡量減小某一次測試的隨機性。另外，試驗時，為了確保耐壓管段內壓力保持不變，用電動打壓泵打壓，保持耐壓管段內的壓力不變，因此，在測量的時候，管段內的壓力有±0.1MPa的變化，并且在不同的工況下，由于開啟或關閉電動打壓泵，或者電動打壓泵的轉速不同，都會使得背景噪聲不同，因此測量時的數據會有一定的差別。

表2 泄漏量對測試效果影響記錄表（測試頻率為25kHz）

表3 閥后壓力對測試效果影響記錄表（測試頻率為25kHz）

3.2 試驗結果分析

根據表1中的記錄結果可以看出，在同樣泄漏量的情況下，當閥門泄漏檢測裝置的頻率置于25kHz時，閥后和閥前的聲音量差值最大，其次是35kHz頻率點處，在15kHz頻率點時，兩者間的差值最小。因此，從試驗數據可以看出，在應用閥門泄漏檢測裝置進行本試驗中的閥門泄漏檢測時，其測試頻率值應置于25kHz的測試頻率處，以便得到最大的觀測值，也便于清楚地表達泄漏的情況。結合式（1）和閥門泄漏發聲的原理可知，閥門泄漏發聲與閥門的結構形式、閥門的通徑大小都無關，而只用泄露孔徑的大小和閥門材料有關，船用閥門主體材料幾乎都為銅材，因此可以說，對于船用閥門的泄漏檢測問題，將測試頻率值置于25kHz處是合理的。

從表2可以看出，在閥門后管段內沒有壓力，并且在同樣的泄漏量的情況下，管段內的壓力越高，閥后和閥前的音量差值就越大，越利于應用該裝置來檢測閥門的泄漏情況；在管段內壓力一定，泄漏量變化的情況下，閥后、閥前的聲音量值呈減小的趨勢，在閥門完全關閉到緩慢開啟，模擬泄漏的過程中，隨著閥門開啟的越大，即泄漏量越大，閥后和閥前的聲音量差值就越大，但達到一定的開度后，閥后和閥前的聲音量差值達到最大值，隨著閥門的進一步打開，閥后和閥前的聲音量差值開始減小，限于試驗條件，本試驗沒有能夠摸索出從最大點開始的具體變化情況，但是根據理論分析[2]，閥門完全打開后，閥后和閥前的聲音量差值將幾乎沒有差別。

表3反應出來的情況類似于表2的測試效果，也就是說，管段后是否有水，并不影響閥門泄漏檢測裝置的使用，它使用的兩個約束條件是：閥后和閥前的壓力差值以及泄漏量的大小。從表2的測試數據可以看出，該裝置對液體閥門微小的泄漏也能檢測到，這對某些特殊部位的關鍵閥門而言，是相當重要的，它將可能的事故在萌芽狀態就檢測出來，以便盡早采取有針對性的措施。

4 結論

（1）本文研制了一種基于聲發射理論的、適用于船用閥門泄漏檢測的裝置，并設計了相應的試驗臺架對其檢測性能進行具體的試驗研究。該裝置具有便攜性強、操作方便、性能穩定、可靠性高等特點，其最大的優勢在于能檢測微小的泄漏。

（2）根據表1中的記錄結果可以確定，本文研制的閥門泄漏檢測裝置對水系統進行泄漏檢測的頻率應設定為25kHz。也就是說，應用閥門泄漏檢測裝置進行閥門泄漏檢測時，將測試頻率調定為25kHz。

（3）根據表2和表3的試驗結果，在閥后和閥前的壓力不低于1.0MPa、泄漏量不小于3.5 mL／s時，閥后和閥前的聲音量值的差值不低于2dB，有較明顯的泄漏聲，可以應用本閥門泄漏檢測裝置進行檢測；當閥后和閥前的壓力不小于3.5MPa、泄漏量不小于2.5mL／s時，閥后和閥前的聲音量值的差值在3dB以上，泄漏聲明顯，即可應用閥門泄漏檢測裝置進行檢測。

（4）閥后管段內是否有水壓，對測試效果沒有影響，影響測試效果的因素是閥后和閥前的壓力差值以及泄漏量的大小。

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