基于超聲波的閥門泄漏綜合檢測技術應用

吳建平，莊法坤，璩 健，陳 銘，陳 昇，李 偉

（1.中韓（武漢）石油化工有限公司，湖北武漢 430082；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029）

0 引言

石油化工裝置因工藝需求，大量使用閥門[1]。閥門作為生產(chǎn)過程中的一個重要零部件，基本功能是接通或切斷管路介質(zhì)的流通。根據(jù)工藝需要，閥門開閉頻繁，若使用維修不當，易出現(xiàn)跑冒滴漏現(xiàn)象[2]。由此引發(fā)裝置火災、爆炸或造成產(chǎn)品質(zhì)量低劣、設備腐蝕等問題，甚至造成停產(chǎn)等事故。因此，提高閥門泄漏檢測和維護水平，對于保障裝置長周期運行和產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

閥門泄漏檢測一直是困擾企業(yè)的難題，檢測及維修費用昂貴。按照結構，閥門可以分為球閥、閘閥、蝶閥等類型，由閥體、閥座、閥芯、填料和相關連接件構成，結構復雜、潛在泄漏部位較多，且存在閥門內(nèi)漏和外漏兩種類型，由此造成閥門檢測困難。目前，閥門泄漏檢測還沒有統(tǒng)一的系統(tǒng)分類方法，當前研究工作多集中在內(nèi)漏檢測，常采用聲發(fā)射技術檢測或監(jiān)測閥門的泄漏狀態(tài)[3-4]。當雷諾系數(shù)Re4000 時，流體的狀態(tài)為湍流。此湍流對密封表面產(chǎn)生沖擊而激發(fā)彈性波，即泄漏聲發(fā)射信號。彈性波會沿著閥體傳播到材料表面，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測的表面位移，探測器由于壓電效應能將材料的機械振動轉化為電信號被放大和處理記錄[5]。但是，煉化裝置閥門使用現(xiàn)場環(huán)境復雜，噪聲比較強烈，且分布在整個幅值帶和頻域范圍內(nèi)，如何區(qū)分噪聲與真實泄漏聲發(fā)射信號之間的差異，將影響到內(nèi)漏檢測的有效性。同時，聲發(fā)射技術在檢測閥門外漏方面，當前的研究和應用并不多。因此，為全面檢測、評估閥門的內(nèi)外漏情況，亟需探索新型檢測方法。

本文基于超聲波技術，分析閥門泄漏模式同超聲波信號之間的關系，并開展基于超聲波技術的現(xiàn)場應用，以驗證該方法的有效性，進而為閥門泄漏的綜合檢測評價提供一種有效方法。

1 基于超聲的閥門泄漏綜合檢測技術概述

1.1 閥門泄漏機理分析

閥門是由多個部件連接構成，兩邊通過法蘭或螺紋連接到設備或管道上，密封點較多，因而潛在泄漏部位較多。通過閥門運行情況統(tǒng)計，閥門泄漏的主要型式主要有填料密封泄漏、法蘭密封泄漏、閥體密封泄漏和閥門內(nèi)漏。

（1）閥門填料泄漏。正常情況下，閥門填料被壓緊，填充閥桿與閥體之間的間隙，從而起到密封作用。填料在長時間使用過程中，受高溫、介質(zhì)腐蝕特性的影響會出現(xiàn)老化，而緊固部位也會由于高溫、振動等因素造成緊固力下降，造成介質(zhì)從閥門填料外漏。

（2）法蘭密封泄漏。閥門兩端通過法蘭連接在管道或設備上，墊片填充了法蘭對之間的間隙實現(xiàn)密封。法蘭連接是一個復雜系統(tǒng)，受到墊片質(zhì)量、安裝、高溫、操作參數(shù)波動、附加力等因素影響，極易造成墊片失效或緊固力下降，進而導致法蘭密封失效、介質(zhì)外漏。

（3）閥體密封泄漏。閥門由于結構復雜，制造過程中往往采用分段鑄造、總體組裝的加工型式，因此，不同閥體之間一般采用開拆卸的螺栓墊片連接。墊片長期使用發(fā)生老化后，介質(zhì)從閥體部位發(fā)生泄漏。

（4）閥門內(nèi)漏。閥門通過閥芯與閥座之間的啟閉完成其預定功能，因此閥芯與閥座之間的密封性能將直接影響到閥門功能。在閥門長期使用過程中，受介質(zhì)沖刷、腐蝕、汽蝕和機械磨損影響，閥芯與閥座密封面之間的間隙隨之擴大，極易引起閥門內(nèi)漏，無法滿足工藝上要求閥門關嚴的應用場景。

1.2 閥門內(nèi)外漏綜合檢測方法分析

當被檢測管道或容器等壁面有破損時，超聲波就會從破損處傳遞，尤其是當腔體內(nèi)外有較大壓力差或為流體時，在壓力作用下，流體從破損處急速沖出形成湍流，產(chǎn)生振動頻率與破損尺寸相關的聲波。在另一面，可以利用超聲波接收器檢測到該超聲波，超聲波接收器距離破損處越近，檢測到的信號就越強。

對于閥門內(nèi)漏，泄漏產(chǎn)生的超聲波頻率與漏孔尺寸和閥門內(nèi)外的壓強差有關，當漏孔較大時，在一定距離范圍內(nèi)人耳就可以聽到泄漏聲，當漏孔很小且超出一定距離之外，則人耳聽不見泄漏聲，而且泄漏還會產(chǎn)生頻率大于20 kHz 的超聲波，雖然其頻率超出了人耳聽力范圍，但它們?nèi)匀荒茉诳諝庵袀鞑ィǔ１蝗藗兎Q為空載超聲波[6]。

研究表明，當發(fā)現(xiàn)泄漏時，對于壓力差和泄漏孔徑兩個參數(shù)，壓力差比泄漏孔徑對泄漏噴射速度的影響要大。當壓差增大時，泄漏速度有明顯增大，而在一定范圍內(nèi)泄漏孔直徑的微小改變對泄漏速度的影響是很大的[6]。

對于閥門內(nèi)漏，其泄漏產(chǎn)生的聲波原理同外漏是一致的，僅是壓力差特指閥座與閥芯密封面兩邊的壓差。

綜上，閥門內(nèi)漏和外漏產(chǎn)生聲波的原理是相同的，可以采用基于聲波的泄漏檢測方法，綜合檢測閥門內(nèi)外漏問題。

2 現(xiàn)場應用案例

為考察基于聲波的泄漏檢測方法檢測閥門內(nèi)外漏的有效性，選擇乙烯裝置內(nèi)丁烯-1 產(chǎn)品C4 過濾器相連接的閥門為檢測對象，查找密封泄漏點，如圖1 所示。檢測儀器選用SDT270 超聲波檢測儀。SDT 超聲波檢測儀可檢測設備的超聲波、振動、溫度等多種過程參數(shù)，主要技術參數(shù)：頻率范圍10128 kHz，測量分辨率為-20120 dBV，信噪比-5 dBV，響應時間大于10s。檢測泄漏時，SDT 儀器的測量單位值為RMS，為泄漏介質(zhì)產(chǎn)生聲波的均方根值。

圖1 過濾器及其相連閥門

閥門泄漏綜合檢測過程中，需根據(jù)檢測類型的不同確定檢測位置和檢測傳感器。外漏檢測時，需要采用柔性傳感器（圖2a），只需測量閥門密封點位置及其附近的環(huán)境本底值即可，根據(jù)兩者的數(shù)據(jù)差異，判斷閥門是否發(fā)生泄漏。內(nèi)漏檢測時，需要采用接觸式傳感器（圖2b），按照圖3 所示檢測位置在A、B、C三點分別測量聲波值，當B 點的聲波值大于A 點和C 點的聲波檢測值時，閥門發(fā)生內(nèi)漏，需要注意，測量時傳感器需緊貼設備表面。A 和B 距閥門的距離=1管徑，C 距閥門的距離=2管徑。

圖2 泄漏檢測傳感器

圖3 閥門內(nèi)漏檢測示意圖

圖4 閥門外漏

經(jīng)檢測，與丁烯-1 產(chǎn)品C4 過濾器相連接的某一閥門發(fā)生外漏。如圖4 方框處所示，丁烯-1 產(chǎn)品C4 過濾器附近環(huán)境本底聲波值為0.1 RMS，但該閥門法蘭連接處的聲波值高達20.8 RMS，遠遠大于環(huán)境本底值，表明該處已發(fā)生嚴重微泄漏。由圖4 中也可看出，該處為VOC（揮發(fā)性有機物）泄漏修復點，說明該閥門的法蘭連接發(fā)生過微泄漏且已修復，但現(xiàn)在再次發(fā)生泄漏。因此，采用基于聲波的泄漏檢測方法可以快速識別閥門的外漏。

閥門內(nèi)漏檢測結果如圖5所示，在與圖中方框內(nèi)閥門相連的管道上，按照圖3 要求，采用三點法測量閥門的聲波值，經(jīng)檢測，與圖3 中對應的A、B、C 三點的聲波值分別為2.6 RMS、10.8 RMS 和3.8 RMS，B 點聲波值高于其他兩點，閥門發(fā)生微量內(nèi)漏。沿閥門流體方向，在閥門下游的彎頭處測溫，溫度為35，若閥門關嚴則彎頭處應為常溫，而當前彎頭溫度高于常溫，表明閥門確實存在微量泄漏。因此，采用基于聲波的泄漏檢測方法可以用于檢測閥門的內(nèi)漏。

圖5 閥門內(nèi)漏

3 結論

本文針對閥門泄漏問題，研究采用超聲方法實現(xiàn)閥門內(nèi)漏和外漏的綜合檢測，并在煉化企業(yè)開展了工程應用，得到以下主要結論。

（1）雖然閥門內(nèi)漏和外漏的宏觀表現(xiàn)方式不同，但其產(chǎn)生聲波的原理相同，可以采用基于聲波的泄漏檢測方法，綜合檢測閥門內(nèi)外漏問題。

（2）應用SDT270 開展了閥門泄漏綜合檢測，需根據(jù)檢測類型的不同確定檢測位置和檢測傳感器。外漏檢測時，需要采用柔性傳感器靠近密封位置檢測，當密封點位置的聲波值高于環(huán)境本底值時，密封處發(fā)生外漏；內(nèi)漏檢測時，需要采用接觸式傳感器，當閥門（需在關嚴狀態(tài)）下游側1 倍管徑處的聲波值高于其他位置時，閥門發(fā)生內(nèi)漏。

（3）現(xiàn)場應用結果表明，基于聲波的泄漏檢測方法，可以有效識別出閥門的內(nèi)外泄漏，表明該方法可以推廣至成套裝置內(nèi)承壓設備閥門的內(nèi)外漏綜合檢測。