浅谈压力容器泄漏检测方法现状及发展

时间：2024-07-28

吴建平陈昇曾凡粱刘成何萌

（1.中韩（武汉）石油化工有限公司武汉 430082）

（2.中国特种设备检测研究院北京 100029）

近年来，压力容器安全事故屡见不鲜（2018年9起[1]）。其中，由于压力容器连接件之间的密封不严、腐蚀失效穿孔、人为管理不善等因素，引起的压力容器泄漏，造成火灾、爆炸、中毒重大安全事故时有发生，严重危及人员和财产安全，造成巨大经济损失和政治影响。如2018年11月28日河北张家口盛华化工有限公司氯乙烯气柜泄漏爆炸事故；2019年7月19日河南三门峡义马气化厂空气分离装置冷箱泄漏砂爆事故。因此，国家对压力容器安全监管越来越严，如何将泄漏风险防范于未然是企业急迫且长期的需求。

目前，国内外压力容器泄漏检测方法种类多[2-9]，大致分为宏观观察（如听声音、看气泡）、直接测量（如示踪、吸入反应）、间接测量（多源于声、光、电、射线方法）。但各类方法都有各自适用场合和优缺点，仍有较大发展空间。如宏观观察法多是定性测量且时间长、工作量大，大多需人工操作和判别是否泄漏；直接测量法准确性较高，但漏点排查难且工作量大、不安全；间接测量法范围大、时间短，但易受环境影响、精度有待提高。此外，随着智能化、信息化的发展，传统技术很难同时满足快速、定量定位、高灵敏度、高精度测量。如声发射泄漏检测如何实现定量定位准确预测；基于TDLAS激光泄漏检测如何实现多组分高灵敏度、高精度检测；炼化厂区复杂环境下如何实现无人化、无死角智能检测；口岸油轮如何实现快速、远距离、全方位、高灵敏度检测。由此，本研究从压力容器传统内漏和外漏检测技术现状展开分析，结合当前市场需求，为泄漏检测技术未来发展提出一些可行性的建议。

1 传统外漏检测技术现状

1.1 宏观观察

宏观观察法是通过人眼观察和人耳听声音来判断是否泄漏，如皂泡法、听音法[2]。皂泡法是通过涂肥皂水观察是否有气泡；听音法是通过人耳或借助声音放大器（如听诊器）听声音大小和频率。宏观观察法具有简单、方便、直观、可靠且经济的特点，但只能定性判断是否泄漏且易受周围环境影响。

1.2 直接测量

直接测量法是直接测量泄漏介质来展开测量。常用有示踪测量法、吸入反应法、红外热成像法等。

●1.2.1 示踪测量法

通过注入示漏物质（如水、氨气、氦气、卤素、放射性同位素等），采用特定检测仪器来辅助人眼观察和定量测量，如水压法、注氨法、氦质谱法、卤素法等[2，3]。水压法是通过泵向注满水的容器中注水并观察是否漏水，检测仪器最小可检泄漏率5×10-3cm3/s。注氨法是通过向容器内注入一定量的氨气，并观察容器外部pH指示剂的显影带（如溴酚蓝试带、溴代麝香草酚蓝试带）是否变色，真空容器内充入高于0.1MPa纯氨时，检测仪器最小可检泄漏率可达1×10-8Pa·m3/s。氦质谱法是通过向容器内部充入一定量的氦气，并用氦质谱仪分析泄漏氦气浓度来折算泄漏率，真空容器内注入0.1MPa纯氦时，检测仪器最小可检泄漏率可达1×10-12Pa·m3/s。示踪测量法可定量估算泄漏量，但使用范围有限，工作量大、响应时间长。

●1.2.2 吸入反应法

将介质吸入测量器内，通过化学反应产生电信号来测量介质浓度，可检测百万分之一级微量泄漏，如气相色谱法、电化学法、催化燃烧法等[2，3，10]。

气相色谱法是根据不同物质的化学性质，在色谱柱内填充与之发生化学反应的特定填充物，当介质通过色谱柱并反应生成化合物，其内传感器检测到该化合物后就会输出电信号并放大，在记录器上描绘出各组分的色谱峰，从而实现对物质的分析检测。

电化学法是通过吸入环境中的气体，用吸收液吸收，根据溶液的电化学性质与被测物质的化学或物理性质之间的关系，在电化学池中发生氧化还原反应，形成电位差，产生电流，将被测定物质的浓度转化为一种电化学参量加以测量。

催化燃烧法是通过吸入环境中可燃气体，在难熔金属铂丝表面发生氧化反应（无焰燃烧），产热升温，引起铂丝电阻率变化，利用该电阻变化来测定可燃气体浓度。

该类方法可准确的测量泄漏介质浓度，计算泄漏量，敏度高、误差小，但需近距离吸入测量、工作量大、响应时间长且易受测量位置和操作限制、使用范围有限。

●1.2.3 红外热成像法

红外成像法是通过测量高压介质泄漏后温度场变化及扰动来判断泄漏[2，3，11，12]。该法直观、响应时间短，适用于简单场景，而对于复杂场景，设备比较密集、外界干扰较多的场合，无法进行精确的测量。

1.3 间接测量

间接测量法类型较多，相对成熟的有压差法、流量平衡法、光谱法（利用光与空气分子相互租用机理来探测）、声波法（利用泄漏发出的声波大小来判断）等。其中，压差法和流量平衡法较常规，通过观察压力/流量是否出现突降来判断是否泄漏，多与其他方法配合使用。

●1.3.1 光谱法

红外吸收光谱法（IAS）[13，14]是利用物质对红外线的特征吸收而建立的分析方法，波长范围约为0.75～1000μm。通过一束不同波长的红外射线照射被测气体上，引起分子中振动能级和转动能级的跃迁。每种分子由于其组成和结构决定了其独有的红外吸收光谱，通过检测红外线被吸收的情况得到被测气体的红外吸收光谱，利用光谱图中吸收峰的波长、强度和形状来判断分子中的基团并进行结构分析。

差分吸收光谱法（DOAS）[15，16]是在紫外和可见波段范围，利用被测气体窄带吸收特性和吸收强度（Lambert-Beer定律）来分析气体成分和反演气体浓度，常用于监测O3、NO2、SO2和苯系物等。光束在气体中传播会受到气体吸收和散射（Rayleigh、Mie散射）等因素而使光强减弱。其中，散射引起的光谱变化为“宽带”光谱（低频部分），气体分子吸收引起的光谱变化为“窄带”光谱（高频部分），通过高通滤波器将高频部分快速分离出来并拟合，可准确得到被测大气中光吸收物质的成分和浓度。

激光光声光谱法（PAS）[17，18]是基于光声效应的一种光谱测量方法。用一束强度可调制的单色光照射样品气体，样品气体选择吸收特定频率的光并转化为热能，导致气体温度变化，形成气压。当对激光进行周期性调制时，气压也会发生周期性变化，通过音叉等设备就可以检测到光声信号，从而实现分析待测气体的浓度。

可调谐激光吸收光谱法（TDLAS）[19，20]是利用待测气体对激光具有选择吸收的特性，通过调制激光发射器，将激光调到特定频率或波长，当激光穿过待测气体时，会有部分光强被吸收，射出的激光被光接收器接收到并转换为电信号，从而实现对待测气体浓度的测定。

光谱法可适应不同距离、大范围的快速测量、响应时间短、对特定气体检测灵敏度高，精度可达ppm/ppb级别，但易受环境影响，检测气体种类有限。

●1.3.2 声波法

声波法是通过声波传感器测量泄漏点发出的超声波、负压波、应力波，根据声波分贝大小来判断泄漏大小，根据前后测量时间差定位泄漏点[7-9]。该方法大多是定性判断是否泄漏，定量判断都是基于实验室标定的经验关联式来估算泄漏量。声波法灵敏度高、相应时间短、操作简易，但易受周围环境影响，难以定量准确估算泄漏量。

2 传统内漏检测方法

压力容器内漏隐蔽，无法宏观观察，难以直接测量，大多采用间接测量法。间接测量法中压差法和流量平衡法可定性判断是否泄漏，但无法定位测量。目前，常用的方法是声发射法。

表1 传统外漏检测方法对比

声发射法是[2，21，22]通过声波检测仪测量可能出现泄漏点进口（A点）和出口（B点）超声波声贝，以及泄漏点下游一定距离位置（C点）的超声波声贝，通过这三点声贝判断检测点是否泄漏。如图1所示，如果A＞B＞C或A＜B＜C，则说明此阀门未漏；如果A＜B＞C，则说明此阀门漏。该方法具有灵敏度高、相应时间短、操作简易，但易受周围环境影响，难以定量准确估算泄漏量。

图1 声发射法测内漏测点布置

3 泄漏检测技术未来发展

3.1 传统方法性能提升与优化仍为主导

传统泄漏检测技术都有各自的适用场合和优缺点，其发展仍需各自发挥特长，应对市场需求，不断进行软硬件升级与优化。在远距离、智能、高灵敏度、高精度、短响应时间、强抗干扰性等方面仍有较大发展空间，未来可结合机器深度学习技术实现无人化在线智能检测。

3.2 新方法的研制仍有较大市场空间

随着泄漏检测对象越来越复杂、检测要求越来越严苛，传统技术难以测量或进入“盲测区”，如多组分气体泄漏远程高灵敏度检测、密集群内远距离快速高灵敏度检测。亟需开发新方法来弥补传统技术的瓶颈，尤其是光谱法，如中红外OCL结合可调谐二极管激光吸收光谱和波长调制光谱（TDLAS-WMS）的激光红外技术[23-25]，飞秒光学频率梳（OFC）技术[26-28]等。新方法的研制将带来泄漏检测技术向多元化发展。

3.3 多元耦合、多层次、全方位智能综合检测技术将为主流

随着智能化、信息化发展，泄漏检测技术作为安全风险识别的“天眼”，未来将在风险智慧诊断、预警与防控方面起至关重要的作用。泄漏风险往往存在多因素（工艺、设备、管理等）、多方位（近、中、远距离360°无死角）、多层次（设备内部结构层、设备周围环境层、周围大气层）综合作用，显然单一检测方法无法胜任所有场合。未来将是多种泄漏检测方法及多种影响因素耦合，形成风险诱发因子多层次、全方位、高精度、高灵敏度监测，并配合5G物联网、云平台技术，实现在线智能动态监检测与分析，为智慧诊断、预警与防控提供稳定、有效、可靠的数据支撑。