氣體泄漏檢測裝備新突破

文·圖/王剛 方來華 韓毅 李戰(zhàn)麗 楊裕云

氣體泄漏檢測裝備新突破

文·圖/王剛 方來華 韓毅 李戰(zhàn)麗 楊裕云

中國安全生產(chǎn)科學研究院、北京中安科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司的課題研發(fā)團隊，打破國外技術(shù)壟斷，最新研制出基于T2SL高性能制冷型紅外探測器的防爆氣體熱像儀,可應(yīng)用于易燃易爆有毒有害危化品氣體泄漏檢測。

近年來，隨著石油、石化行業(yè)的迅猛發(fā)展，易燃易爆、有毒有害危化品氣體的生產(chǎn)、儲存、使用、運輸過程中所面對的安全問題日益突出。由于石油石化行業(yè)大集群、大規(guī)模、大流通的產(chǎn)業(yè)特性，這些危化品氣體一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸或泄漏擴散事故，極易造成大面積的群死群傷事故。2010年7月28日，南京市棲霞區(qū)幕府東路南京市第四塑料廠廠區(qū)丙烯管道泄漏，發(fā)生爆炸事故，并引發(fā)大火，事故造成10人死亡，120人受傷；2014年8月1日凌晨，臺灣高雄市前鎮(zhèn)區(qū)多條街道陸續(xù)發(fā)生可燃氣體外泄，并引發(fā)多次大爆炸，造成32人死亡，321人受傷。這些事故都造成了巨大的生命和財產(chǎn)損失。因此，采用先進的技術(shù)裝備對易燃易爆、有毒有害氣體的泄漏隱患進行排查，可以從源頭上杜絕同類事故的發(fā)生。在“科技興安”戰(zhàn)略的大背景下，國家也在不同層面的安全科技發(fā)展規(guī)劃中，提出了相關(guān)裝備的研制計劃。

研究背景

目前最常用的危化品氣體泄漏檢測手段包括肥皂水法和聲光報警法。肥皂水法幾乎零成本，直觀有效，但需要逐個部位涂抹觀察，工作量大、適用性差；聲光報警法借助于便攜式定性檢漏儀（多采用半導(dǎo)體型氣體傳感器、電化學型氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、NDIR紅外氣體傳感器等）沿設(shè)備表面以一定的速度移動，對重點嫌疑部位的檢測可配合局部包扎法，靈敏度高，但其需要反復(fù)比較驗證才能確定漏氣部位，工作量大，且移動不穩(wěn)或現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、風大時容易造成難以測量或者誤報警。除此之外，上述2種傳統(tǒng)方法最大的缺點是：操作人員必須親自查看并檢測每個潛在泄漏點，因此必須接觸到每個器件進行檢測。這會使檢查人員面臨潛在的危險，包括接觸到肉眼不可見的潛在危害性化學物質(zhì)、觸電等危害。

隨著紅外技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，使得遠距離、非接觸式檢測危化氣體泄漏成為可能。目前國外已有相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品，并形成了市場壟斷，國內(nèi)尚無相關(guān)的成熟產(chǎn)品問世。

關(guān)鍵技術(shù)突破

針對我國危化氣體泄漏的安全現(xiàn)狀，中國安全生產(chǎn)科學研究院、北京中安科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司的研發(fā)團隊，提出了研制基于T2SL（二類超晶格，它是一種可應(yīng)用于制造具有2～30μm截斷波長的冷紅外光子探測器的材料/技術(shù)）高性能制冷型紅外探測器的防爆氣體熱像儀（以下簡稱“氣體熱像儀”）的科技攻關(guān)項目，用于易燃易爆有毒有害危化品氣體泄漏檢測。并獲得了國家“十三五”重點研發(fā)計劃課題的支持。

原理

圖1 紅外光譜圖

圖2 氣體熱像儀組成框圖

溫度高于絕對零度（-273.15 ℃或0 K）的任何物體均會發(fā)出紅外輻射，易燃易爆、有毒有害氣體同樣會發(fā)出紅外輻射。如圖1所示，我們常見的氣體，如苯、甲苯、乙醇、甲烷、乙烷、大部分VOC等氣體的紅外大氣窗口約為3～5 μm，而SF6、氨氣、三氯乙烯、醋酸等氣體的紅外大氣窗口約為8～14 μm。依據(jù)這個特性，采用不同檢測窗口的紅外探測器，再結(jié)合先進的圖像處理技術(shù)，可以設(shè)計出非接觸式的熱像檢漏設(shè)備，從而克服傳統(tǒng)檢測方式的缺點，通過肉眼即可“看”到氣體的泄漏點。

T2SL二類超晶格簡介

紅外焦平面探測器好比是氣體熱像設(shè)備的眼睛，它可以將泄漏的氣體發(fā)出的紅外輻射，轉(zhuǎn)化為可處理的電信號，從而以圖像的形式顯示出來。二類超晶格在國際上被認為是第三代紅外焦平面探測器的優(yōu)選材料。T2SL（二類超晶格）是一種可應(yīng)用于制造具有2～30 μm截斷波長的冷紅外光子探測器的材料/技術(shù)。波長范圍包含了短波紅外（SWIR），中波紅外（MWIR），長波紅外（LWIR）以及甚長波紅外（VLWIR）波長帶。這些波長帶分別粗略定義為2～3 μm，3～5 μm，8～14 μm以及大于14 μm。T2SL具有優(yōu)越的材料性能：能帶結(jié)構(gòu)可以通過組分、厚度以及應(yīng)變多種方法進行調(diào)節(jié)，器件響應(yīng)波長連續(xù)可調(diào)；量子效率高，暗電流小。與目前廣泛使用的銻化銦、碲鎘汞、單量子阱技術(shù)相比，二類超晶格材料具有成本低、背景限溫度高、器件可在高于77 K的高溫工作、噪聲等效溫差更低等特點，是一種具有優(yōu)越性能的紅外探測新材料。

熱像儀組成

以T2SL高性能制冷型紅外探測器為基礎(chǔ)的氣體熱像儀組成框圖如圖2所示。其中紅外探測器包括基于二類超晶格的焦平面陣列、讀出電路、真空杜瓦結(jié)構(gòu)、冷濾光片及制冷機等。紅外圖像經(jīng)過探測器，將紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺缓筮M入放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換電路，輸入高速DSP+FPGA紅外圖像處理板卡，然后通過顯示屏將反映目標（泄漏氣體）紅外輻射分布的電子視頻信號顯示出來。系統(tǒng)采用了氣體紅外分子窄帶鑒別技術(shù)、超高靈敏度被動紅外成像技術(shù)、紅外圖像增強處理技術(shù)，同時系統(tǒng)還依據(jù)二類超晶格這種材料的紅外響應(yīng)曲線設(shè)計了合適的非均勻校正算法。

防爆設(shè)計

氣體熱像儀由于經(jīng)常應(yīng)用在檢測易燃易爆氣體泄漏的現(xiàn)場，故設(shè)計要充分考慮防爆性能。以廠用檢測VOC類氣體為例，依據(jù)GB3836-2001的要求，筆者認為設(shè)備的防爆型式為“隔爆兼本安型”比較合適；依據(jù)設(shè)備應(yīng)用的氣體環(huán)境和檢測的氣體類型，氣體熱像儀應(yīng)達到ⅡB類設(shè)備標準。最終研制出的氣體熱像儀通過了國家專業(yè)機構(gòu)的防爆檢測，防爆等級為“Exd [ib]ⅡB T6 Gb”。

設(shè)備特性

圖3 防爆紅外氣體熱像儀可單人操作

圖4 可檢測的氣體

圖5 某化工廠液氨罐側(cè)邊閥門及其泄漏檢測顯示

圖6 某成品油儲罐呼吸閥及其正常泄漏檢測顯示

圖7 某公司乙烯罐體上部安全閥及其泄漏檢測顯示

圖8 某公司閥門絲杠下端及其乙烯泄漏檢測顯示

氣體熱像儀配合三腳架，無需繁瑣的步驟，像DV一樣，單人即可操作（見圖3）。可根據(jù)所檢測氣體所處的紅外大氣窗口的不同，選取不同波段的紅外探測器，可測的氣體種類如圖4所示。氣體熱像儀采用長焦紅外鏡頭，可以在百米遠距離對危化品氣體的泄漏進行檢測。檢測精度高，即使是微小的氣體泄漏，也可以清楚地觀察到，并快速發(fā)現(xiàn)泄漏位置，消除安全隱患。氣體熱像儀采用了高亮度、高清晰度、多角度翻轉(zhuǎn)的OLED液晶顯示屏，和高亮度、高對比度的軍用級OLED目鏡進行觀測，無論在室內(nèi)還是室外都可以清晰看到泄漏圖像。

由圖5～8的幾例應(yīng)用案例可以看出，氣體熱像儀可以遠距離檢測到我們?nèi)庋劭床坏降奈⑿怏w泄漏，并將其在顯示設(shè)備上顯示出來。這大大增強了具有易燃易爆氣體泄漏風險企業(yè)的設(shè)備維護效率，并且增強了現(xiàn)場檢測人員的人身安全。

發(fā)展前景

氣體熱像儀打破了國外廠家對相關(guān)技術(shù)的壟斷。可以檢測出天然氣、VOC氣體、烷類氣體、油氣混合氣體、石化混合氣體等氣體的泄漏，可以應(yīng)用在石油、石化等行業(yè)的罐體、管道等關(guān)鍵部位的氣體泄漏檢測上，具有靈敏度高、探測距離遠、攜帶方便、檢測氣體種類多等優(yōu)點。氣體熱像儀的應(yīng)用，可以減少危化品對企業(yè)生產(chǎn)安全威脅，降低職業(yè)健康風險，減少由于爆炸性氣體泄漏而發(fā)生的重大事故，減少生命和財產(chǎn)損失；可以減少泄漏氣體對環(huán)境的污染；可以降低企業(yè)產(chǎn)品損失。氣體熱像儀必將在石油、石化、天然氣等行業(yè)的安全生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

編輯 趙 原