重大危险源泄漏下的超声波预警识别技术

＊黄小菲 任少龙 李智勇 黎宇诚

（北京慧飒科技有限责任公司 北京 100141）

1.问题的提出

2017年2月17日的国家安全座谈会上明确指出，要加强危险化学品等安全领域安全生产治理，遏制重特大事故的发生。

遏制重特大事故的发生，对应急管理领域提出了非常高的要求。要大大减少重特大事故发生，就要将重特大事故遏制在初始。

(1)我国依然面临严峻的重特大灾害威胁

我国在预防城市火灾和重大危险源泄漏上形势依然严峻。总体来看，我国近几年危化品事故有所下降。但是重特大事故发生的频率和死亡人数有所上升。

(2)我国高强度的安全系统持续投入并没有完全遏制灾害的发生

显而易见，当灾害发生已经不可避免，再多再好再快的报警和应急响应依然避免不了灾害损失和人员伤亡。极早期预警技术是遏制重特大事故发生的最为有效的高新技术，比目前报警更提前发现事故前兆。

2.灾害预防的六道防线的极早期预警技术

解决重特大事故发生的问题需要建立具备遏制能力的灾害预防体系。灾害预防应分别建立六道防线，包括隐患预防预测、极早期预警、报警、现场应急处置、智能疏散、应急指挥和救援。其中极早期预警技术包含隐患预防预测防线和极早期预警风险，承担遏制重特大事故发生的使命。

图1 灾害预防应急体系的六道防线

极早期预警防线是灾害预防体系中的第二道防线，旨在对可能引发事故的隐患特征识别或者事故特征的极早期识别。

3.重大危险源泄漏的超声波预警识别

当漏孔尺寸较小且雷诺数较高时，冲出气体就会形成湍流，湍流喷出的能量一部分转化为声能量形式，漏孔附近会产生一定频率的声波。随着漏孔不断增大，气体湍流产生的声波频率也随之下降，当声波频率中心频率进入人的听觉范围内，可以听到泄漏发出的啸叫声音，伴随泄漏量增加，此时浓度报警器触发报警。

充分利用固定式全向24h超声波实时探测技术，在压力容器微孔泄漏时发现事故微征兆，将为事故消除处置赢得时间，实现遏制事故的发生的目的。

(1)超声波技术探测压力容器泄漏基本原理

泄漏超声本质上是湍流和冲击噪声[2]。超声波频谱峰值区间在10kHz～40kHz。自然环境中的本底噪声频谱，大部分也集中在可听声波范围。在20kHz～40kHz超声波范围内可实现超声波检测。

这里本底噪声指超声波探测设备本身热噪声（电噪声）。背景噪声指的是在测量中与压力容器泄漏产生的超声波无关的环境噪声。从图2中可以看出，压力容器泄漏产生超声波在中心频率处幅度为0.084V，远远大于本底噪声和背景噪声，有很高的信噪比。

图2 压力容器泄漏的超声波与本地和背景噪声频谱

压力容器泄漏产生超声波频率在30kHz～70kHz频率范围。

其次,王泠然此诗以对隋堤柳树在炀帝南巡时盛况的想象,映衬唐时“数里曾无一枝好”的萧瑟景象,借此抒发历史的沧桑感,也是唐人隋堤柳吟咏常见的抒情模式。如李山甫《隋堤柳》:“曾傍龙舟拂翠华,至今凝恨倚天涯。但经春色还秋色,不觉杨家是李家。背日古阴从北朽,逐波疏影向南斜。年年只有晴风便,遥为雷塘送雪花”,[注]彭定求等:《全唐诗》(增订本)卷643,北京:中华书局,1999年,第7414-7415页。 孙光宪《杨柳枝词》:“万株枯槁怨亡隋,似吊吴台各自垂。好是淮阴明月里,酒楼横笛不胜吹。”[注]彭定求等:《全唐诗》(增订本)卷762,北京:中华书局,1999年,第8746页。

①小孔泄漏率

一般小孔指的是直径小于20mm的孔洞。假定压力不受泄漏影响而发生变化。

小孔泄漏率Q计算公式[3]：

其中，Q：质量泄漏率（kg/s）；

γ：介质绝热指数；（天然气绝热指数1.42）；

P1：管道内压力（MPa）；

P2：破裂处外界压力（MPa）；

A：小孔面积（m2）；

M：物质的摩尔质量（kg/kmol）；

R：气体常量，通常为8.314J/（kg·K）；

T1：泄漏点位置温度（K）。

②泄漏速度计算

泄漏孔处流速V可以通过泄漏率Q、漏孔截面积A、介质气体在破裂处密度ρ0简化计算。

(2)气体泄漏产生的超声波频谱特性

泄漏产生的超声波频带比较宽,一般在15kHz到70kHz之间。在不同的频率点，超声波的能量是不同的。频谱峰值也是随泄漏孔的尺寸和压力的变化而变化的。

图3 压力容器在不同压力下泄漏的超声波频谱

(3)压力容器裂纹扩展速率和提前预警时间预测

压力容器的破坏事故中40%是疲劳裂纹扩展引起的[4]。

浙江大学和国家压力容器与管道安全工程技术研究中心对湿H2S环境下典型压力容器用钢应力腐蚀裂纹扩展速率进行了试验验证[5]。

表1 三种材料裂纹扩展速度试验结果

实践证明重大危险源泄漏在采用超声波检测的极早期预警下，可以实时识别漏孔0.3mm～0.5mm的重大危险源泄漏，而通常气体浓度报警器在漏孔1.0mm左右才确认报警。漏孔从直径0.5mm扩展到1.0mm的时间依据上表参考数据上限（da/dt=0.02mm/h）为25h。实际当中由于材料、压力、破口形状的差异，提前预警时间与理论估计有一定偏差。