淺談壓力容器泄漏檢測方法現狀及發展

吳建平 陳 昇 曾凡粱 劉 成 何 萌

（1.中韓（武漢）石油化工有限公司 武漢 430082）

（2.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

近年來，壓力容器安全事故屢見不鮮（2018年9起[1]）。其中，由于壓力容器連接件之間的密封不嚴、腐蝕失效穿孔、人為管理不善等因素，引起的壓力容器泄漏，造成火災、爆炸、中毒重大安全事故時有發生，嚴重危及人員和財產安全，造成巨大經濟損失和政治影響。如2018年11月28日河北張家口盛華化工有限公司氯乙烯氣柜泄漏爆炸事故；2019年7月19日河南三門峽義馬氣化廠空氣分離裝置冷箱泄漏砂爆事故。因此，國家對壓力容器安全監管越來越嚴，如何將泄漏風險防范于未然是企業急迫且長期的需求。

目前，國內外壓力容器泄漏檢測方法種類多[2-9]，大致分為宏觀觀察（如聽聲音、看氣泡）、直接測量（如示蹤、吸入反應）、間接測量（多源于聲、光、電、射線方法）。但各類方法都有各自適用場合和優缺點，仍有較大發展空間。如宏觀觀察法多是定性測量且時間長、工作量大，大多需人工操作和判別是否泄漏；直接測量法準確性較高，但漏點排查難且工作量大、不安全；間接測量法范圍大、時間短，但易受環境影響、精度有待提高。此外，隨著智能化、信息化的發展，傳統技術很難同時滿足快速、定量定位、高靈敏度、高精度測量。如聲發射泄漏檢測如何實現定量定位準確預測；基于TDLAS激光泄漏檢測如何實現多組分高靈敏度、高精度檢測；煉化廠區復雜環境下如何實現無人化、無死角智能檢測；口岸油輪如何實現快速、遠距離、全方位、高靈敏度檢測。由此，本研究從壓力容器傳統內漏和外漏檢測技術現狀展開分析，結合當前市場需求，為泄漏檢測技術未來發展提出一些可行性的建議。

1 傳統外漏檢測技術現狀

1.1 宏觀觀察

宏觀觀察法是通過人眼觀察和人耳聽聲音來判斷是否泄漏，如皂泡法、聽音法[2]。皂泡法是通過涂肥皂水觀察是否有氣泡；聽音法是通過人耳或借助聲音放大器（如聽診器）聽聲音大小和頻率。宏觀觀察法具有簡單、方便、直觀、可靠且經濟的特點，但只能定性判斷是否泄漏且易受周圍環境影響。

1.2 直接測量

直接測量法是直接測量泄漏介質來展開測量。常用有示蹤測量法、吸入反應法、紅外熱成像法等。

●1.2.1 示蹤測量法

通過注入示漏物質（如水、氨氣、氦氣、鹵素、放射性同位素等），采用特定檢測儀器來輔助人眼觀察和定量測量，如水壓法、注氨法、氦質譜法、鹵素法等[2，3]。水壓法是通過泵向注滿水的容器中注水并觀察是否漏水，檢測儀器最小可檢泄漏率5×10-3cm3/s。注氨法是通過向容器內注入一定量的氨氣，并觀察容器外部pH指示劑的顯影帶（如溴酚藍試帶、溴代麝香草酚藍試帶）是否變色，真空容器內充入高于0.1MPa純氨時，檢測儀器最小可檢泄漏率可達1×10-8Pa·m3/s。氦質譜法是通過向容器內部充入一定量的氦氣，并用氦質譜儀分析泄漏氦氣濃度來折算泄漏率，真空容器內注入0.1MPa純氦時，檢測儀器最小可檢泄漏率可達1×10-12Pa·m3/s。示蹤測量法可定量估算泄漏量，但使用范圍有限，工作量大、響應時間長。

●1.2.2 吸入反應法

將介質吸入測量器內，通過化學反應產生電信號來測量介質濃度，可檢測百萬分之一級微量泄漏，如氣相色譜法、電化學法、催化燃燒法等[2，3，10]。

氣相色譜法是根據不同物質的化學性質，在色譜柱內填充與之發生化學反應的特定填充物，當介質通過色譜柱并反應生成化合物，其內傳感器檢測到該化合物后就會輸出電信號并放大，在記錄器上描繪出各組分的色譜峰，從而實現對物質的分析檢測。

電化學法是通過吸入環境中的氣體，用吸收液吸收，根據溶液的電化學性質與被測物質的化學或物理性質之間的關系，在電化學池中發生氧化還原反應，形成電位差，產生電流，將被測定物質的濃度轉化為一種電化學參量加以測量。

催化燃燒法是通過吸入環境中可燃氣體，在難熔金屬鉑絲表面發生氧化反應（無焰燃燒），產熱升溫，引起鉑絲電阻率變化，利用該電阻變化來測定可燃氣體濃度。

該類方法可準確的測量泄漏介質濃度，計算泄漏量，敏度高、誤差小，但需近距離吸入測量、工作量大、響應時間長且易受測量位置和操作限制、使用范圍有限。

●1.2.3 紅外熱成像法

紅外成像法是通過測量高壓介質泄漏后溫度場變化及擾動來判斷泄漏[2，3，11，12]。該法直觀、響應時間短，適用于簡單場景，而對于復雜場景，設備比較密集、外界干擾較多的場合，無法進行精確的測量。

1.3 間接測量

間接測量法類型較多，相對成熟的有壓差法、流量平衡法、光譜法（利用光與空氣分子相互租用機理來探測）、聲波法（利用泄漏發出的聲波大小來判斷）等。其中，壓差法和流量平衡法較常規，通過觀察壓力/流量是否出現突降來判斷是否泄漏，多與其他方法配合使用。

●1.3.1 光譜法

紅外吸收光譜法（IAS）[13，14]是利用物質對紅外線的特征吸收而建立的分析方法，波長范圍約為0.75～1000μm。通過一束不同波長的紅外射線照射被測氣體上，引起分子中振動能級和轉動能級的躍遷。每種分子由于其組成和結構決定了其獨有的紅外吸收光譜，通過檢測紅外線被吸收的情況得到被測氣體的紅外吸收光譜，利用光譜圖中吸收峰的波長、強度和形狀來判斷分子中的基團并進行結構分析。

差分吸收光譜法（DOAS）[15，16]是在紫外和可見波段范圍，利用被測氣體窄帶吸收特性和吸收強度（Lambert-Beer定律）來分析氣體成分和反演氣體濃度，常用于監測O3、NO2、SO2和苯系物等。光束在氣體中傳播會受到氣體吸收和散射（Rayleigh、Mie散射）等因素而使光強減弱。其中，散射引起的光譜變化為“寬帶”光譜（低頻部分），氣體分子吸收引起的光譜變化為“窄帶”光譜（高頻部分），通過高通濾波器將高頻部分快速分離出來并擬合，可準確得到被測大氣中光吸收物質的成分和濃度。

激光光聲光譜法（PAS）[17，18]是基于光聲效應的一種光譜測量方法。用一束強度可調制的單色光照射樣品氣體，樣品氣體選擇吸收特定頻率的光并轉化為熱能，導致氣體溫度變化，形成氣壓。當對激光進行周期性調制時，氣壓也會發生周期性變化，通過音叉等設備就可以檢測到光聲信號，從而實現分析待測氣體的濃度。

可調諧激光吸收光譜法（TDLAS）[19，20]是利用待測氣體對激光具有選擇吸收的特性，通過調制激光發射器，將激光調到特定頻率或波長，當激光穿過待測氣體時，會有部分光強被吸收，射出的激光被光接收器接收到并轉換為電信號，從而實現對待測氣體濃度的測定。

光譜法可適應不同距離、大范圍的快速測量、響應時間短、對特定氣體檢測靈敏度高，精度可達ppm/ppb級別，但易受環境影響，檢測氣體種類有限。

●1.3.2 聲波法

聲波法是通過聲波傳感器測量泄漏點發出的超聲波、負壓波、應力波，根據聲波分貝大小來判斷泄漏大小，根據前后測量時間差定位泄漏點[7-9]。該方法大多是定性判斷是否泄漏，定量判斷都是基于實驗室標定的經驗關聯式來估算泄漏量。聲波法靈敏度高、相應時間短、操作簡易，但易受周圍環境影響，難以定量準確估算泄漏量。

2 傳統內漏檢測方法

壓力容器內漏隱蔽，無法宏觀觀察，難以直接測量，大多采用間接測量法。間接測量法中壓差法和流量平衡法可定性判斷是否泄漏，但無法定位測量。目前，常用的方法是聲發射法。

表1 傳統外漏檢測方法對比

聲發射法是[2，21，22]通過聲波檢測儀測量可能出現泄漏點進口（A點）和出口（B點）超聲波聲貝，以及泄漏點下游一定距離位置（C點）的超聲波聲貝，通過這三點聲貝判斷檢測點是否泄漏。如圖1所示，如果A＞B＞C或A＜B＜C，則說明此閥門未漏；如果A＜B＞C，則說明此閥門漏。該方法具有靈敏度高、相應時間短、操作簡易，但易受周圍環境影響，難以定量準確估算泄漏量。

圖1 聲發射法測內漏測點布置

3 泄漏檢測技術未來發展

3.1 傳統方法性能提升與優化仍為主導

傳統泄漏檢測技術都有各自的適用場合和優缺點，其發展仍需各自發揮特長，應對市場需求，不斷進行軟硬件升級與優化。在遠距離、智能、高靈敏度、高精度、短響應時間、強抗干擾性等方面仍有較大發展空間，未來可結合機器深度學習技術實現無人化在線智能檢測。

3.2 新方法的研制仍有較大市場空間

隨著泄漏檢測對象越來越復雜、檢測要求越來越嚴苛，傳統技術難以測量或進入“盲測區”，如多組分氣體泄漏遠程高靈敏度檢測、密集群內遠距離快速高靈敏度檢測。亟需開發新方法來彌補傳統技術的瓶頸，尤其是光譜法，如中紅外OCL結合可調諧二極管激光吸收光譜和波長調制光譜（TDLAS-WMS）的激光紅外技術[23-25]，飛秒光學頻率梳（OFC）技術[26-28]等。新方法的研制將帶來泄漏檢測技術向多元化發展。

3.3 多元耦合、多層次、全方位智能綜合檢測技術將為主流

隨著智能化、信息化發展，泄漏檢測技術作為安全風險識別的“天眼”，未來將在風險智慧診斷、預警與防控方面起至關重要的作用。泄漏風險往往存在多因素（工藝、設備、管理等）、多方位（近、中、遠距離360°無死角）、多層次（設備內部結構層、設備周圍環境層、周圍大氣層）綜合作用，顯然單一檢測方法無法勝任所有場合。未來將是多種泄漏檢測方法及多種影響因素耦合，形成風險誘發因子多層次、全方位、高精度、高靈敏度監測，并配合5G物聯網、云平臺技術，實現在線智能動態監檢測與分析，為智慧診斷、預警與防控提供穩定、有效、可靠的數據支撐。

4 結論

傳統壓力容器傳統泄漏檢測各類方法都有各適用場合和優缺點，具體如下：

1）對于外漏檢測，宏觀檢測方法簡便、經濟，但響應時間長且難以定量判斷；直接測量法直觀、可靠，誤差小，但響應時間長、工作量大；間接測量法可遠距離測量、靈敏度高、響應時間短，但檢測范圍有限、易受環境影響。

2）對于內漏檢測，無法宏觀觀察，難以直接測量，大多采用間接測量法；間接測量法可定性判斷泄漏位置，但難以準確定量預測泄漏量。

未來壓力容器泄漏檢測技術仍有較大發展空間。傳統技術各自特有性能的提升與優化仍是主導；新泄漏檢測技術的研發仍有較大市場去彌補傳統技術的不足及空白；未來多元耦合、全方位、多層次、智能綜合泄漏檢測技術將成為主流。