基于超聲阻抗識別的閥門填料密封氣體泄漏在線檢測*

郭遠順 于新海 白 杉 尹朝林 張 濤

(1.華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點實驗室 上海 200237；2.中廣核研究院有限公司 廣東深圳 518000；3.中廣核核電運營有限公司 廣東深圳 518000)

隨著節(jié)能和環(huán)保意識的不斷加強，工業(yè)界對使用、制造或運輸有毒、危險流體介質(zhì)相關(guān)裝置中的揮發(fā)性有機物(VOC)的逸散也越來越重視。VOC的逸散主要來源于閥門(占比43%)和管道及設(shè)備的法蘭(占比3%)[1]，而閥門的VOC逸散主要來自閥門閥桿的填料密封處。在線運行的閥門所出現(xiàn)的故障或缺陷中，因填料失效而引起回路內(nèi)介質(zhì)外漏的事件占有很高的比例[2]。填料泄漏的主要原因是介質(zhì)分子對填料的6種作用形式，包括介質(zhì)分子的滲透泄漏(非界面)、介質(zhì)分子的“楔入”穿越(界面)、介質(zhì)分子的“全壓效應(yīng)”(界面)、介質(zhì)分子的撞擊力嵌入(氣體介質(zhì))、介質(zhì)分子的斥力擠出(液體介質(zhì))以及介質(zhì)分子的斥力擠入(液體介質(zhì))。若介質(zhì)分子對填料作用被阻止，即密封有效，未被阻止，則密封失效[3]。

目前閥門生產(chǎn)企業(yè)主要是根據(jù)標準“ISO/DIS 15848-1”，采用氦質(zhì)譜儀檢測閥桿填料密封泄漏率。但此方法只適合于閥門出廠試驗，由于試驗過程中需要包裹填料密封且需在閥門內(nèi)通入氦氣，所以無法實現(xiàn)閥門填料密封泄漏的在線檢測。在役的閥門填料密封泄漏檢測主要是基于光譜檢測儀或者分子濃度檢測儀。分子濃度檢測儀可以檢測閥門的微泄漏，但操作繁瑣、效率低，無法實現(xiàn)在線檢測。對于高溫介質(zhì)的閥門，工業(yè)現(xiàn)場也可以通過紅外熱成像儀對閥門填料密封泄漏進行檢測，但這只是一種定性的方法[4]。孫銳等人[5]基于氫氣氣體傳感器對氫氣閥門填料密封泄漏進行研究，但氣體傳感器對氣體具有選擇性，適用面較窄。戴文柏等[6]設(shè)計了一款用于閥門填料函泄漏量定量檢測的試驗裝置，但該裝置復(fù)雜且不能實現(xiàn)在線監(jiān)測。張鷹等人[7]發(fā)明了一種純機械式氣體泄漏監(jiān)測裝置及方法，但無法實現(xiàn)信號的實時傳輸，不適合閥門密封在線的自動監(jiān)測。馬志剛等[8]將MEMS熱式質(zhì)量流量計與引漏管快速無泄漏連接，通過流量計實時測量了泄漏氣體的流量。但MEMS熱式質(zhì)量流量計加工工藝復(fù)雜，成本高。如何實現(xiàn)閥門填料密封氣體泄漏在線檢測一直是行業(yè)關(guān)注的焦點，目前并沒有適用面廣、成本低、精度高的工業(yè)化技術(shù)方法。

針對以上問題，本文作者提出一種基于超聲阻抗識別的閥門填料密封氣體泄漏在線檢測技術(shù)。通過收集閥桿處泄漏的氣體，使之通入檢測液體中產(chǎn)生氣泡，通過超聲傳感器識別氣泡的阻抗來對氣泡進行計數(shù)，從而實現(xiàn)氣體泄漏量的測量。文中搭建了基于高速攝像的氣泡上浮動力學(xué)實驗裝置，系統(tǒng)研究了采用水和離子液體作為檢測液體對氣體泄漏檢測精度的影響，設(shè)計了超聲傳感信號采集和無線通訊的軟硬件系統(tǒng)，編制了APP程序，實現(xiàn)了閥門填料密封氣體泄漏遠程在線檢測。

1 實驗部分

1.1 檢測原理和方法

文中設(shè)計的檢測方法，是通過將泄漏氣體引入到液體中產(chǎn)生上浮的氣泡，對氣泡進行計數(shù)來換算成氣體流量，從而實現(xiàn)對泄漏氣體流量的測量。氣泡的計數(shù)是通過安裝于矩形液體管兩側(cè)的超聲傳感器來實現(xiàn)的。超聲傳感器基于壓電晶片的壓電效應(yīng)，當規(guī)律的電信號作用于壓電晶片，則壓電晶片產(chǎn)生機械振動，發(fā)出超聲波信號。當超聲波信號作用于壓力晶片時，晶片的機械振動又會轉(zhuǎn)換成電信號，電信號可以被接收和處理。文中，超聲波發(fā)射探頭產(chǎn)生的超聲波信號穿過傳感器外殼、液體管的管壁、管內(nèi)液體后被接收超聲波探頭采集到；而液體中的氣泡改變了液體總體的超聲波阻抗，通過超聲傳感器可測量阻抗變化的次數(shù)；阻抗變化的次數(shù)對應(yīng)于經(jīng)過傳感器測量區(qū)域的氣泡數(shù)，因而可精確對上浮氣泡計數(shù)，從而獲得泄漏的氣體流量。

1.2 檢測流程

閥桿填料密封泄漏檢測裝置主要分為4個部分：(1)收集閥桿填料處泄漏的氣體，并將該氣體導(dǎo)入檢測用的液體管中；(2)氣體在液體管中形成大小適當并穩(wěn)定上浮的氣泡；(3)通過超聲傳感器對氣泡進行檢測；(4)接收超聲傳感器的信號，對氣泡進行計數(shù)，實現(xiàn)氣體外泄的實時檢測。

圖1所示為閥門填料密封氣體泄漏在線檢測裝置示意圖。在閥蓋上加工有一個垂直于閥桿的通道和另一個平行于閥桿的通道，2個O形環(huán)分別組裝在閥蓋內(nèi)外表面，以確保泄漏氣體被通道收集。

圖1 閥門填料密封氣體泄漏在線檢測裝置示意Fig.1 Schematic of on-line detection of packing sealing leakage of valve

超聲波傳感器的直徑與厚度分別為8.0和1.0 mm，中心頻率為(50±1.5)kHz。當氣泡通過超聲波傳感器所在區(qū)域時，傳感器接收到的電壓值為0，否則保持電壓4.3 V。

文中基于ATmega328單片機開發(fā)填料泄漏實時檢測系統(tǒng)。單片機采集傳感器信號，統(tǒng)計單位時間內(nèi)產(chǎn)生的低電平信號數(shù)量。檢測主要用到的單片機內(nèi)部資源包括IO口、EEPROM數(shù)據(jù)存儲器、定時器/計數(shù)器、串行USART接口，以及發(fā)送用于數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)腉PRS模塊等。泄漏在線檢測服務(wù)端主要實現(xiàn)如下幾個部分：(1)基于Socket通信建立通信方式，接收從信號采集端發(fā)送來的數(shù)據(jù)；(2)基于MySQL建立數(shù)據(jù)庫，用于存儲信號采集端發(fā)送到服務(wù)端的數(shù)據(jù)；(3)搭建Web服務(wù)器，用于實現(xiàn)泄漏的遠程監(jiān)控，Web服務(wù)器在Linux系統(tǒng)上搭建，使用基于Python開發(fā)的Django作為開發(fā)框架；(4)搭建手機APP端，用于接收后端泄漏量數(shù)據(jù)并實現(xiàn)可視化。

1.3 檢測液體對氣泡上浮動力學(xué)的影響

1.3.1 試驗裝置的搭建

為選擇適合的檢測液體，同時確定矩形管的尺寸的合理性，對氣泡在水和離子液體中的氣泡上浮動力學(xué)進行了實驗研究，裝置如圖2所示。裝填有檢測液體的矩形管長8 mm、高80 mm、寬3～7 mm，材質(zhì)為有機玻璃。選擇空氣作為泄漏的氣體介質(zhì)，通過質(zhì)量流量計來控制泄漏空氣的流量。空氣通過插入矩形流道的金屬短圓管(內(nèi)徑0.9 mm)進入檢測液體管后形成氣泡。氣泡的上浮動力學(xué)行為由高速攝像機(Mikrotron MC1310)記錄。

圖2 氣泡上浮動力學(xué)的實驗裝置Fig.2 Experimental setup of bubble ascending hydrodyanmics

1.3.2 實驗數(shù)據(jù)處理

實驗中氣泡形狀、氣泡上浮速度計算所需測量參數(shù)如圖3所示。其中計算氣泡之間的距離時采用2個氣泡中心的距離。為了計算氣泡的當量直徑，測量了氣泡的水平直徑和豎直方向的直徑。氣泡的距離、運動速度、形狀、當量直徑計算公式分別如式(1)—(4)所示。

圖3 氣泡上浮動力學(xué)測量參數(shù)含義示意Fig.3 Schematic of measurement parameters related to bubble ascending hydrodynamics

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：(xi，yi)和(xi-1，yi-1)是前后2個氣泡中心在坐標系中的坐標，i從0開始，即第一個氣泡的坐標為(x0，y0)；Δt為氣泡上浮相應(yīng)距離所需要的時間；dv和dh分別是水平直徑和垂直直徑；L是表示任意一個氣泡到第一個氣泡的距離；v表示相鄰兩個氣泡之間的平均速度；E是氣泡形狀參量；deq是氣泡的當量直徑。

2 結(jié)果和討論

2.1 氣泡上浮動力學(xué)

不同氣體流量下在水和離子液體[bmim]PF6中的氣泡照片如圖4所示。隨著氣體流量的增大，相鄰2個氣泡的間隔越來越小。不同氣體流量下，氣泡上浮過程中當量直徑的變化如圖5所示。當氣體流量從0.1 mL/min增加到5 mL/min，在[bmim]PF6中氣泡當量直徑從3 mm增加到3.6 mm，增加了20%；相應(yīng)地在水中從3.4 mm增加到4.2 mm，增加了24%。水中氣泡的當量直徑高于離子液體中，隨著氣體流量增加氣泡增大的幅度也更顯著。對于利用超聲波檢測氣泡而言，氣泡當量直徑的穩(wěn)定將有利于泄漏氣體檢測精度的提高，在這方面離子液體優(yōu)于水。

圖4 不同氣體流量下氣泡在水和[bmim]PF6中的照片F(xiàn)ig.4 Photos of bubbles in water and [bmim]PF6 at different gas flow rates

圖5 水和[bmim]PF6中氣泡當量直徑隨上浮高度的變化Fig.5 Bubble equivalent diameter as a founction of bubble ascending height：(a)[bmim]PF6；(b)water

氣泡的形狀因子E在氣泡上浮過程中的變化如圖6所示。E值接近1，氣泡的形狀也就越接近球形。當氣體流量為0.1～5 mL/min時，在[bmim]PF6中氣泡E值為0.95～1.05，即氣泡的形狀是十分接近球形的。相應(yīng)地，水中氣泡E值在0.7～0.9之間變化，近似為橢球形。

圖6 水和[bmim]PF6中氣泡形狀因子E隨上浮高度的變化Fig.6 E as a founction of bubble ascending height： (a)[bmim]PF6；(b)water

氣泡位置偏移量隨氣泡上浮高度的變化如圖7所示。氣泡的位置偏移是以氣體入口中心線作為基準來測量的。離子液體中氣泡的軌跡近乎成一條直線，而且隨著氣體流量的增大，軌跡的變化并不明顯，此趨勢與DONG等[9]的報道結(jié)果是基本吻合的。與離子液體不同，水中氣泡的軌跡是一條擺動幅度明顯的曲線，隨著氣體流量的增大，軌跡的擺動幅度明顯增大。這是由于當水中的氣泡直徑大于一定值時，湍流渦旋脫離的不對稱性將導(dǎo)致氣泡在振蕩路徑中上升；隨著氣泡直徑的增加，振蕩幅度也會增加[10]。氣泡在離子液體中上浮過程的擺動幅度遠低于在水中的擺動幅度是由于離子液體的黏度遠高于水。

圖7 氣泡偏移量隨高度的變化Fig.7 Deviation of bubble as a founction of bubble ascending height：(a)[bmim]PF6；(b)water

圖8給出了不同流量下氣泡在水和離子液體中的上浮速度隨上浮高度的變化，可見氣泡上浮速度隨著氣體流量的增大而增加。在離子液體中氣泡的上浮速度近乎勻速，而水中的氣泡速度隨著高度的變化產(chǎn)生了明顯的波動，而且隨著流量的增大，波動的幅度也越大；另外氣泡在水中的上浮速度遠高于在離子液體中。在離子液體中，氣泡上浮速度穩(wěn)定有利于采用超聲波傳感器檢測單位時間上浮的氣泡數(shù)。

圖8 氣泡的上浮速度隨高度的變化Fig.8 Bubble as a founction of bubble ascending height： (a)[bmim]PF6；(b)water

當泄漏氣體流量大于一門檻值時相鄰氣泡之間就會發(fā)生碰撞，甚至2個氣泡合并成一個氣泡。氣泡的碰撞和合并現(xiàn)象的發(fā)生對氣泡的計數(shù)無疑是不利的。氣體流量為8 mL/min時氣泡在水和離子液體中上浮運動如圖9所示。可以看出，在離子液體中出現(xiàn)了后一個氣泡追上前一個氣泡，發(fā)生碰撞后聚并的現(xiàn)象。張欣[11]也發(fā)現(xiàn)在離子液體中氣速增加會促進氣泡發(fā)生聚并。而在水中，雖然也出現(xiàn)后一個氣泡追上前一個氣泡并且碰撞，但并未發(fā)生聚并。GUPTA和KUMAR[12]用格子玻爾茲曼方法模擬了氣泡上浮過程的聚并，發(fā)現(xiàn)上部氣泡留下的尾流導(dǎo)致下部氣泡的阻力降低，造成上下氣泡的相對速度不為0，2個氣泡之間的距離隨時間不斷減小最終氣泡接觸。DUINEVELD[13]研究了Weber數(shù)對氣泡聚并的影響，發(fā)現(xiàn)在純水中當氣泡半徑小于0.71 mm時總是會聚集，這是由于小氣泡的上浮速度小且接觸時間長，因此碰撞后不會反彈；當氣泡半徑大于0.71 mm時，Weber數(shù)小于臨界值0.18時會發(fā)生聚并。在圖9中，水中的氣泡直徑大于3 mm，氣體流量為0.1、1、5 mL/min時Weber數(shù)分別為45.7、57.5和51.8，遠大于0.18，所以氣泡不會聚并。

圖9 氣體流量為8 mL/min時氣泡在水和[bmim]PF6 中的上浮運動Fig.9 Ascending of bubbles in water and [bmim]PF6 with the leakage gas flow rate of 8 mL/min

由圖9可見，文中提出的基于超聲傳感器檢測氣泡來實現(xiàn)泄漏氣體的檢測方法適合檢測閥門填料的微小氣體泄漏，對于大量氣體泄漏檢測誤差較大。針對大流量，可研究氣體分流結(jié)構(gòu)，采用氣體旁路來分流大量的泄漏氣體，將微量的泄漏氣體引入到文中提出的檢測裝置中，事先標定引入檢測裝置的氣體流量和旁路分流的氣體流量的比值，根據(jù)該比值可計算整體的氣體泄漏量。通過設(shè)計不同的氣體分流結(jié)構(gòu)，可增加氣體泄漏檢測的范圍。

2.2 氣體泄漏檢測

根據(jù)圖4—9的結(jié)果，離子液體[bmim]PF6作為檢測液體相對于水具有如下優(yōu)勢：上升氣泡具更穩(wěn)定的等效直徑，氣泡更接近球形，上升軌跡更近似為直線，上升速度更穩(wěn)定。因此相對于水，采用[bmim]PF6進行泄漏氣體檢測精度更高。此外離子液體[bmim]PF6在大氣環(huán)境下基本不揮發(fā)，熱穩(wěn)定性好[14]，非常適合工業(yè)閥門填料密封的在線泄漏檢測。以[bmim]PF6為檢測液體，基于圖1所示的閥門氣體泄漏檢測實驗裝置，在空氣泄漏量為0.088～1.83 mL/min范圍內(nèi)開展空氣泄漏流量檢測。

安裝于液體管壁處的超聲波傳感器的兩個壓電晶片一個發(fā)送超聲波，另一個進行接收。當液體管的離子液體中無氣泡經(jīng)過超聲波傳感器所在區(qū)域時，接收到的超聲波信號幅值高，輸出高電平脈沖；當有氣泡經(jīng)過時，超聲波信號幅值變低，輸出低電平脈沖。通過對輸出的電平信號的下降延進行計數(shù)來獲得氣泡的數(shù)量。按照公式L=n×V/T計算泄漏率，其中L為泄漏率，n為信號下降延數(shù)量，V為單個氣泡體積，T為計數(shù)周期。采用ATmega328單片機進行電平信號采集和計算，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎eb服務(wù)器。在Web服務(wù)端編制APP程序。氣體泄漏量數(shù)據(jù)從Web服務(wù)器發(fā)送至手機APP程序，通過手機或其他移動終端可便捷地對閥門填料密封的氣體泄漏進行實時檢測，如圖10所示，橫坐標為當前時間，縱坐標為氣體泄漏量。通過設(shè)置氣體泄漏流量的預(yù)警和報警門檻值，實現(xiàn)預(yù)警和報警的微信提醒或者自動語音電話撥打提醒。同時，泄漏檢測產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)會形成大數(shù)據(jù)，結(jié)合智能算法，有利實現(xiàn)閥門填料密封的預(yù)測性維修，帶來顯著的經(jīng)濟和社會效益。

圖10 手機APP上實時顯示閥門填料密封的氣體泄漏量Fig.10 Real time display of gas leakage of valve packing seal on mobile APP

在閥門填料壓蓋引出管接入皂沫流量計，進行泄漏氣體的測量，測量結(jié)果作為基準數(shù)據(jù)。結(jié)果如表1所示。采用基于超聲阻抗識別的氣體泄漏檢測方法測量的檢測值的誤差小于5%，表明文中檢測方法具有良好的檢測精度。

表1 閥門填料密封氣體泄漏測量誤差Table 1 Measurement errors of air leakage of valve packing seal

3 結(jié)論

(1)提出一種基于超聲阻抗識別的閥門填料密封氣體泄漏在線檢測方法，搭建了基于高速攝像的氣泡上浮動力學(xué)實驗裝置，設(shè)計了超聲傳感信號采集和無線通訊的軟硬件系統(tǒng)，編制了APP程序，實現(xiàn)了閥門填料密封氣體泄漏遠程在線檢測。

(2)采用水和離子液體作為檢測液體對氣體泄漏檢測精度的影響，結(jié)果表明，相對于水，離子液體[bmim]PF6上升氣泡具更穩(wěn)定的等效直徑，氣泡更接近球形，上升軌跡更近似為直線，上升速度更穩(wěn)定，因此采用[bmim]PF6進行泄漏氣體檢測精度更高。此外離子液體[bmim]PF6在大氣環(huán)境下基本不揮發(fā)、熱穩(wěn)定性高，非常適合工業(yè)閥門填料密封的在線泄漏檢測。

(3)在空氣泄漏量為0.088～1.83 mL/min范圍內(nèi)，文中提出方法的測量誤差小于5%，具有良好的檢測精度。