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(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

近年來(lái)，壓力容器安全事故屢見(jiàn)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(yán)、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(zāi)、爆炸、中毒重大安全事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重危及人員和財(cái)產(chǎn)安全，造成巨大經(jīng)濟(jì)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(mén)峽義馬氣化廠空氣分離裝置冷箱泄漏砂爆事故。因此，國(guó)家對(duì)壓力容器安全監(jiān)管越來(lái)越嚴(yán)，如何將泄漏風(fēng)險(xiǎn)防范于未然是企業(yè)急迫且長(zhǎng)期的需求。

目前，國(guó)內(nèi)外壓力容器泄漏檢測(cè)方法種類(lèi)多[2-9]，大致分為宏觀觀察（如聽(tīng)聲音、看氣泡）、直接測(cè)量（如示蹤、吸入反應(yīng)）、間接測(cè)量（多源于聲、光、電、射線(xiàn)方法）。但各類(lèi)方法都有各自適用場(chǎng)合和優(yōu)缺點(diǎn)，仍有較大發(fā)展空間。如宏觀觀察法多是定性測(cè)量且時(shí)間長(zhǎng)、工作量大，大多需人工操作和判別是否泄漏；直接測(cè)量法準(zhǔn)確性較高，但漏點(diǎn)排查難且工作量大、不安全；間接測(cè)量法范圍大、時(shí)間短，但易受環(huán)境影響、精度有待提高。此外，隨著智能化、信息化的發(fā)展，傳統(tǒng)技術(shù)很難同時(shí)滿(mǎn)足快速、定量定位、高靈敏度、高精度測(cè)量。如聲發(fā)射泄漏檢測(cè)如何實(shí)現(xiàn)定量定位準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；基于TDLAS激光泄漏檢測(cè)如何實(shí)現(xiàn)多組分高靈敏度、高精度檢測(cè)；煉化廠區(qū)復(fù)雜環(huán)境下如何實(shí)現(xiàn)無(wú)人化、無(wú)死角智能檢測(cè)；口岸油輪如何實(shí)現(xiàn)快速、遠(yuǎn)距離、全方位、高靈敏度檢測(cè)。由此，本研究從壓力容器傳統(tǒng)內(nèi)漏和外漏檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀展開(kāi)分析，結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)需求，為泄漏檢測(cè)技術(shù)未來(lái)發(fā)展提出一些可行性的建議。

1 傳統(tǒng)外漏檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 宏觀觀察

宏觀觀察法是通過(guò)人眼觀察和人耳聽(tīng)聲音來(lái)判斷是否泄漏，如皂泡法、聽(tīng)音法[2]。皂泡法是通過(guò)涂肥皂水觀察是否有氣泡；聽(tīng)音法是通過(guò)人耳或借助聲音放大器（如聽(tīng)診器）聽(tīng)聲音大小和頻率。宏觀觀察法具有簡(jiǎn)單、方便、直觀、可靠且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，但只能定性判斷是否泄漏且易受周?chē)h(huán)境影響。

1.2 直接測(cè)量

直接測(cè)量法是直接測(cè)量泄漏介質(zhì)來(lái)展開(kāi)測(cè)量。常用有示蹤測(cè)量法、吸入反應(yīng)法、紅外熱成像法等。

●1.2.1 示蹤測(cè)量法

通過(guò)注入示漏物質(zhì)（如水、氨氣、氦氣、鹵素、放射性同位素等），采用特定檢測(cè)儀器來(lái)輔助人眼觀察和定量測(cè)量，如水壓法、注氨法、氦質(zhì)譜法、鹵素法等[2，3]。水壓法是通過(guò)泵向注滿(mǎn)水的容器中注水并觀察是否漏水，檢測(cè)儀器最小可檢泄漏率5×10-3cm3/s。注氨法是通過(guò)向容器內(nèi)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(lán)試帶、溴代麝香草酚藍(lán)試帶）是否變色，真空容器內(nèi)充入高于0.1MPa純氨時(shí)，檢測(cè)儀器最小可檢泄漏率可達(dá)1×10-8Pa·m3/s。氦質(zhì)譜法是通過(guò)向容器內(nèi)部充入一定量的氦氣，并用氦質(zhì)譜儀分析泄漏氦氣濃度來(lái)折算泄漏率，真空容器內(nèi)注入0.1MPa純氦時(shí)，檢測(cè)儀器最小可檢泄漏率可達(dá)1×10-12Pa·m3/s。示蹤測(cè)量法可定量估算泄漏量，但使用范圍有限，工作量大、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。

●1.2.2 吸入反應(yīng)法

將介質(zhì)吸入測(cè)量器內(nèi)，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電信號(hào)來(lái)測(cè)量介質(zhì)濃度，可檢測(cè)百萬(wàn)分之一級(jí)微量泄漏，如氣相色譜法、電化學(xué)法、催化燃燒法等[2，3，10]。

氣相色譜法是根據(jù)不同物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，在色譜柱內(nèi)填充與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的特定填充物，當(dāng)介質(zhì)通過(guò)色譜柱并反應(yīng)生成化合物，其內(nèi)傳感器檢測(cè)到該化合物后就會(huì)輸出電信號(hào)并放大，在記錄器上描繪出各組分的色譜峰，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的分析檢測(cè)。

電化學(xué)法是通過(guò)吸入環(huán)境中的氣體，用吸收液吸收，根據(jù)溶液的電化學(xué)性質(zhì)與被測(cè)物質(zhì)的化學(xué)或物理性質(zhì)之間的關(guān)系，在電化學(xué)池中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，形成電位差，產(chǎn)生電流，將被測(cè)定物質(zhì)的濃度轉(zhuǎn)化為一種電化學(xué)參量加以測(cè)量。

催化燃燒法是通過(guò)吸入環(huán)境中可燃?xì)怏w，在難熔金屬鉑絲表面發(fā)生氧化反應(yīng)（無(wú)焰燃燒），產(chǎn)熱升溫，引起鉑絲電阻率變化，利用該電阻變化來(lái)測(cè)定可燃?xì)怏w濃度。

該類(lèi)方法可準(zhǔn)確的測(cè)量泄漏介質(zhì)濃度，計(jì)算泄漏量，敏度高、誤差小，但需近距離吸入測(cè)量、工作量大、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)且易受測(cè)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(guò)測(cè)量高壓介質(zhì)泄漏后溫度場(chǎng)變化及擾動(dòng)來(lái)判斷泄漏[2，3，11，12]。該法直觀、響應(yīng)時(shí)間短，適用于簡(jiǎn)單場(chǎng)景，而對(duì)于復(fù)雜場(chǎng)景，設(shè)備比較密集、外界干擾較多的場(chǎng)合，無(wú)法進(jìn)行精確的測(cè)量。

1.3 間接測(cè)量

間接測(cè)量法類(lèi)型較多，相對(duì)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(jī)理來(lái)探測(cè)）、聲波法（利用泄漏發(fā)出的聲波大小來(lái)判斷）等。其中，壓差法和流量平衡法較常規(guī)，通過(guò)觀察壓力/流量是否出現(xiàn)突降來(lái)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(zhì)對(duì)紅外線(xiàn)的特征吸收而建立的分析方法，波長(zhǎng)范圍約為0.75～1000μm。通過(guò)一束不同波長(zhǎng)的紅外射線(xiàn)照射被測(cè)氣體上，引起分子中振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷。每種分子由于其組成和結(jié)構(gòu)決定了其獨(dú)有的紅外吸收光譜，通過(guò)檢測(cè)紅外線(xiàn)被吸收的情況得到被測(cè)氣體的紅外吸收光譜，利用光譜圖中吸收峰的波長(zhǎng)、強(qiáng)度和形狀來(lái)判斷分子中的基團(tuán)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

差分吸收光譜法（DOAS）[15，16]是在紫外和可見(jiàn)波段范圍，利用被測(cè)氣體窄帶吸收特性和吸收強(qiáng)度（Lambert-Beer定律）來(lái)分析氣體成分和反演氣體濃度，常用于監(jiān)測(cè)O3、NO2、SO2和苯系物等。光束在氣體中傳播會(huì)受到氣體吸收和散射（Rayleigh、Mie散射）等因素而使光強(qiáng)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(guò)高通濾波器將高頻部分快速分離出來(lái)并擬合，可準(zhǔn)確得到被測(cè)大氣中光吸收物質(zhì)的成分和濃度。

激光光聲光譜法（PAS）[17，18]是基于光聲效應(yīng)的一種光譜測(cè)量方法。用一束強(qiáng)度可調(diào)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(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致氣體溫度變化，形成氣壓。當(dāng)對(duì)激光進(jìn)行周期性調(diào)制時(shí)，氣壓也會(huì)發(fā)生周期性變化，通過(guò)音叉等設(shè)備就可以檢測(cè)到光聲信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)分析待測(cè)氣體的濃度。

可調(diào)諧激光吸收光譜法（TDLAS）[19，20]是利用待測(cè)氣體對(duì)激光具有選擇吸收的特性，通過(guò)調(diào)制激光發(fā)射器，將激光調(diào)到特定頻率或波長(zhǎng)，當(dāng)激光穿過(guò)待測(cè)氣體時(shí)，會(huì)有部分光強(qiáng)被吸收，射出的激光被光接收器接收到并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)氣體濃度的測(cè)定。

光譜法可適應(yīng)不同距離、大范圍的快速測(cè)量、響應(yīng)時(shí)間短、對(duì)特定氣體檢測(cè)靈敏度高，精度可達(dá)ppm/ppb級(jí)別，但易受環(huán)境影響，檢測(cè)氣體種類(lèi)有限。

●1.3.2 聲波法

聲波法是通過(guò)聲波傳感器測(cè)量泄漏點(diǎn)發(fā)出的超聲波、負(fù)壓波、應(yīng)力波，根據(jù)聲波分貝大小來(lái)判斷泄漏大小，根據(jù)前后測(cè)量時(shí)間差定位泄漏點(diǎn)[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(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式來(lái)估算泄漏量。聲波法靈敏度高、相應(yīng)時(shí)間短、操作簡(jiǎn)易，但易受周?chē)h(huán)境影響，難以定量準(zhǔn)確估算泄漏量。

2 傳統(tǒng)內(nèi)漏檢測(cè)方法

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

表1 傳統(tǒng)外漏檢測(cè)方法對(duì)比

聲發(fā)射法是[2，21，22]通過(guò)聲波檢測(cè)儀測(cè)量可能出現(xiàn)泄漏點(diǎn)進(jìn)口（A點(diǎn)）和出口（B點(diǎn)）超聲波聲貝，以及泄漏點(diǎn)下游一定距離位置（C點(diǎn)）的超聲波聲貝，通過(guò)這三點(diǎn)聲貝判斷檢測(cè)點(diǎn)是否泄漏。如圖1所示，如果A＞B＞C或A＜B＜C，則說(shuō)明此閥門(mén)未漏；如果A＜B＞C，則說(shuō)明此閥門(mén)漏。該方法具有靈敏度高、相應(yīng)時(shí)間短、操作簡(jiǎn)易，但易受周?chē)h(huán)境影響，難以定量準(zhǔn)確估算泄漏量。

圖1 聲發(fā)射法測(cè)內(nèi)漏測(cè)點(diǎn)布置

3 泄漏檢測(cè)技術(shù)未來(lái)發(fā)展

3.1 傳統(tǒng)方法性能提升與優(yōu)化仍為主導(dǎo)

傳統(tǒng)泄漏檢測(cè)技術(shù)都有各自的適用場(chǎng)合和優(yōu)缺點(diǎn)，其發(fā)展仍需各自發(fā)揮特長(zhǎng)，應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求，不斷進(jìn)行軟硬件升級(jí)與優(yōu)化。在遠(yuǎn)距離、智能、高靈敏度、高精度、短響應(yīng)時(shí)間、強(qiáng)抗干擾性等方面仍有較大發(fā)展空間，未來(lái)可結(jié)合機(jī)器深度學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人化在線(xiàn)智能檢測(cè)。

3.2 新方法的研制仍有較大市場(chǎng)空間

隨著泄漏檢測(cè)對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜、檢測(cè)要求越來(lái)越嚴(yán)苛，傳統(tǒng)技術(shù)難以測(cè)量或進(jìn)入“盲測(cè)區(qū)”，如多組分氣體泄漏遠(yuǎn)程高靈敏度檢測(cè)、密集群內(nèi)遠(yuǎn)距離快速高靈敏度檢測(cè)。亟需開(kāi)發(fā)新方法來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)的瓶頸，尤其是光譜法，如中紅外OCL結(jié)合可調(diào)諧二極管激光吸收光譜和波長(zhǎng)調(diào)制光譜（TDLAS-WMS）的激光紅外技術(shù)[23-25]，飛秒光學(xué)頻率梳（OFC）技術(shù)[26-28]等。新方法的研制將帶來(lái)泄漏檢測(cè)技術(shù)向多元化發(fā)展。

3.3 多元耦合、多層次、全方位智能綜合檢測(cè)技術(shù)將為主流

隨著智能化、信息化發(fā)展，泄漏檢測(cè)技術(shù)作為安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的“天眼”，未來(lái)將在風(fēng)險(xiǎn)智慧診斷、預(yù)警與防控方面起至關(guān)重要的作用。泄漏風(fēng)險(xiǎn)往往存在多因素（工藝、設(shè)備、管理等）、多方位（近、中、遠(yuǎn)距離360°無(wú)死角）、多層次（設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)層、設(shè)備周?chē)h(huán)境層、周?chē)髿鈱樱┚C合作用，顯然單一檢測(cè)方法無(wú)法勝任所有場(chǎng)合。未來(lái)將是多種泄漏檢測(cè)方法及多種影響因素耦合，形成風(fēng)險(xiǎn)誘發(fā)因子多層次、全方位、高精度、高靈敏度監(jiān)測(cè)，并配合5G物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)智能動(dòng)態(tài)監(jiān)檢測(cè)與分析，為智慧診斷、預(yù)警與防控提供穩(wěn)定、有效、可靠的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)壓力容器傳統(tǒng)泄漏檢測(cè)各類(lèi)方法都有各適用場(chǎng)合和優(yōu)缺點(diǎn)，具體如下：

1）對(duì)于外漏檢測(cè)，宏觀檢測(cè)方法簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)，但響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)且難以定量判斷；直接測(cè)量法直觀、可靠，誤差小，但響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、工作量大；間接測(cè)量法可遠(yuǎn)距離測(cè)量、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短，但檢測(cè)范圍有限、易受環(huán)境影響。

2）對(duì)于內(nèi)漏檢測(cè)，無(wú)法宏觀觀察，難以直接測(cè)量，大多采用間接測(cè)量法；間接測(cè)量法可定性判斷泄漏位置，但難以準(zhǔn)確定量預(yù)測(cè)泄漏量。

未來(lái)壓力容器泄漏檢測(cè)技術(shù)仍有較大發(fā)展空間。傳統(tǒng)技術(shù)各自特有性能的提升與優(yōu)化仍是主導(dǎo)；新泄漏檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)仍有較大市場(chǎng)去彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)的不足及空白；未來(lái)多元耦合、全方位、多層次、智能綜合泄漏檢測(cè)技術(shù)將成為主流。