基于超声波的阀门泄漏综合检测技术应用

吴建平，庄法坤，璩 健，陈 铭，陈 昇，李 伟

（1.中韩（武汉）石油化工有限公司，湖北武汉 430082；2.中国特种设备检测研究院，北京 100029）

0 引言

石油化工装置因工艺需求，大量使用阀门[1]。阀门作为生产过程中的一个重要零部件，基本功能是接通或切断管路介质的流通。根据工艺需要，阀门开闭频繁，若使用维修不当，易出现跑冒滴漏现象[2]。由此引发装置火灾、爆炸或造成产品质量低劣、设备腐蚀等问题，甚至造成停产等事故。因此，提高阀门泄漏检测和维护水平，对于保障装置长周期运行和产品质量具有重要意义。

阀门泄漏检测一直是困扰企业的难题，检测及维修费用昂贵。按照结构，阀门可以分为球阀、闸阀、蝶阀等类型，由阀体、阀座、阀芯、填料和相关连接件构成，结构复杂、潜在泄漏部位较多，且存在阀门内漏和外漏两种类型，由此造成阀门检测困难。目前，阀门泄漏检测还没有统一的系统分类方法，当前研究工作多集中在内漏检测，常采用声发射技术检测或监测阀门的泄漏状态[3-4]。当雷诺系数Re4000 时，流体的状态为湍流。此湍流对密封表面产生冲击而激发弹性波，即泄漏声发射信号。弹性波会沿着阀体传播到材料表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，探测器由于压电效应能将材料的机械振动转化为电信号被放大和处理记录[5]。但是，炼化装置阀门使用现场环境复杂，噪声比较强烈，且分布在整个幅值带和频域范围内，如何区分噪声与真实泄漏声发射信号之间的差异，将影响到内漏检测的有效性。同时，声发射技术在检测阀门外漏方面，当前的研究和应用并不多。因此，为全面检测、评估阀门的内外漏情况，亟需探索新型检测方法。

本文基于超声波技术，分析阀门泄漏模式同超声波信号之间的关系，并开展基于超声波技术的现场应用，以验证该方法的有效性，进而为阀门泄漏的综合检测评价提供一种有效方法。

1 基于超声的阀门泄漏综合检测技术概述

1.1 阀门泄漏机理分析

阀门是由多个部件连接构成，两边通过法兰或螺纹连接到设备或管道上，密封点较多，因而潜在泄漏部位较多。通过阀门运行情况统计，阀门泄漏的主要型式主要有填料密封泄漏、法兰密封泄漏、阀体密封泄漏和阀门内漏。

（1）阀门填料泄漏。正常情况下，阀门填料被压紧，填充阀杆与阀体之间的间隙，从而起到密封作用。填料在长时间使用过程中，受高温、介质腐蚀特性的影响会出现老化，而紧固部位也会由于高温、振动等因素造成紧固力下降，造成介质从阀门填料外漏。

（2）法兰密封泄漏。阀门两端通过法兰连接在管道或设备上，垫片填充了法兰对之间的间隙实现密封。法兰连接是一个复杂系统，受到垫片质量、安装、高温、操作参数波动、附加力等因素影响，极易造成垫片失效或紧固力下降，进而导致法兰密封失效、介质外漏。

（3）阀体密封泄漏。阀门由于结构复杂，制造过程中往往采用分段铸造、总体组装的加工型式，因此，不同阀体之间一般采用开拆卸的螺栓垫片连接。垫片长期使用发生老化后，介质从阀体部位发生泄漏。

（4）阀门内漏。阀门通过阀芯与阀座之间的启闭完成其预定功能，因此阀芯与阀座之间的密封性能将直接影响到阀门功能。在阀门长期使用过程中，受介质冲刷、腐蚀、汽蚀和机械磨损影响，阀芯与阀座密封面之间的间隙随之扩大，极易引起阀门内漏，无法满足工艺上要求阀门关严的应用场景。

1.2 阀门内外漏综合检测方法分析

当被检测管道或容器等壁面有破损时，超声波就会从破损处传递，尤其是当腔体内外有较大压力差或为流体时，在压力作用下，流体从破损处急速冲出形成湍流，产生振动频率与破损尺寸相关的声波。在另一面，可以利用超声波接收器检测到该超声波，超声波接收器距离破损处越近，检测到的信号就越强。

对于阀门内漏，泄漏产生的超声波频率与漏孔尺寸和阀门内外的压强差有关，当漏孔较大时，在一定距离范围内人耳就可以听到泄漏声，当漏孔很小且超出一定距离之外，则人耳听不见泄漏声，而且泄漏还会产生频率大于20 kHz 的超声波，虽然其频率超出了人耳听力范围，但它们仍然能在空气中传播，通常被人们称为空载超声波[6]。

研究表明，当发现泄漏时，对于压力差和泄漏孔径两个参数，压力差比泄漏孔径对泄漏喷射速度的影响要大。当压差增大时，泄漏速度有明显增大，而在一定范围内泄漏孔直径的微小改变对泄漏速度的影响是很大的[6]。

对于阀门内漏，其泄漏产生的声波原理同外漏是一致的，仅是压力差特指阀座与阀芯密封面两边的压差。

综上，阀门内漏和外漏产生声波的原理是相同的，可以采用基于声波的泄漏检测方法，综合检测阀门内外漏问题。

2 现场应用案例

为考察基于声波的泄漏检测方法检测阀门内外漏的有效性，选择乙烯装置内丁烯-1 产品C4 过滤器相连接的阀门为检测对象，查找密封泄漏点，如图1 所示。检测仪器选用SDT270 超声波检测仪。SDT 超声波检测仪可检测设备的超声波、振动、温度等多种过程参数，主要技术参数：频率范围10128 kHz，测量分辨率为-20120 dBV，信噪比-5 dBV，响应时间大于10s。检测泄漏时，SDT 仪器的测量单位值为RMS，为泄漏介质产生声波的均方根值。

图1 过滤器及其相连阀门

阀门泄漏综合检测过程中，需根据检测类型的不同确定检测位置和检测传感器。外漏检测时，需要采用柔性传感器（图2a），只需测量阀门密封点位置及其附近的环境本底值即可，根据两者的数据差异，判断阀门是否发生泄漏。内漏检测时，需要采用接触式传感器（图2b），按照图3 所示检测位置在A、B、C三点分别测量声波值，当B 点的声波值大于A 点和C 点的声波检测值时，阀门发生内漏，需要注意，测量时传感器需紧贴设备表面。A 和B 距阀门的距离=1管径，C 距阀门的距离=2管径。

图2 泄漏检测传感器

图3 阀门内漏检测示意图

图4 阀门外漏

经检测，与丁烯-1 产品C4 过滤器相连接的某一阀门发生外漏。如图4 方框处所示，丁烯-1 产品C4 过滤器附近环境本底声波值为0.1 RMS，但该阀门法兰连接处的声波值高达20.8 RMS，远远大于环境本底值，表明该处已发生严重微泄漏。由图4 中也可看出，该处为VOC（挥发性有机物）泄漏修复点，说明该阀门的法兰连接发生过微泄漏且已修复，但现在再次发生泄漏。因此，采用基于声波的泄漏检测方法可以快速识别阀门的外漏。

阀门内漏检测结果如图5所示，在与图中方框内阀门相连的管道上，按照图3 要求，采用三点法测量阀门的声波值，经检测，与图3 中对应的A、B、C 三点的声波值分别为2.6 RMS、10.8 RMS 和3.8 RMS，B 点声波值高于其他两点，阀门发生微量内漏。沿阀门流体方向，在阀门下游的弯头处测温，温度为35，若阀门关严则弯头处应为常温，而当前弯头温度高于常温，表明阀门确实存在微量泄漏。因此，采用基于声波的泄漏检测方法可以用于检测阀门的内漏。

图5 阀门内漏

3 结论

本文针对阀门泄漏问题，研究采用超声方法实现阀门内漏和外漏的综合检测，并在炼化企业开展了工程应用，得到以下主要结论。

（1）虽然阀门内漏和外漏的宏观表现方式不同，但其产生声波的原理相同，可以采用基于声波的泄漏检测方法，综合检测阀门内外漏问题。

（2）应用SDT270 开展了阀门泄漏综合检测，需根据检测类型的不同确定检测位置和检测传感器。外漏检测时，需要采用柔性传感器靠近密封位置检测，当密封点位置的声波值高于环境本底值时，密封处发生外漏；内漏检测时，需要采用接触式传感器，当阀门（需在关严状态）下游侧1 倍管径处的声波值高于其他位置时，阀门发生内漏。

（3）现场应用结果表明，基于声波的泄漏检测方法，可以有效识别出阀门的内外泄漏，表明该方法可以推广至成套装置内承压设备阀门的内外漏综合检测。