范玉楊，李 紅，李 季

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

在海洋石油平臺生產(chǎn)過程中，操作人員對氣體泄漏事故的重視程度越來越高，往往希望在設(shè)計過程中能夠盡早盡快地發(fā)現(xiàn)危險泄漏源。目前海洋石油平臺上常用的可燃氣體探測器為點式或開路式紅外線原理的可燃氣體探測器，這種探測器易受風(fēng)向和氣體擴散的影響。為了對氣體早期泄漏進行檢測，以免形成更大泄漏氣云引起火災(zāi)和爆炸，通常選用不同原理的探測器作為報警探測結(jié)果的補充。

本文所闡述的超聲波可燃氣體探測器就是一種能夠?qū)怏w泄漏初期產(chǎn)生的微小泄漏進行檢測的探測器。

1 現(xiàn)有氣體探測手段

目前海洋石油平臺上常用的可燃氣體探測器有2種:點式紅外氣體探測器和紅外線開路式氣體探測器。

在石油和氣體行業(yè)內(nèi)，這2種氣體探測器作為常用的檢測手段，得到了認可和接受。它們的設(shè)計均基于碳氫化合物會優(yōu)先吸收紅外線的原理。

這2種氣體探測器都需要有一定濃度的可燃氣接觸到氣體探測器 (50%或60%LEL爆炸下限)或是有一個阻斷光束通道的氣云 (極限值5LEL.M)，這種測量技術(shù)需要氣體聚集起來，并達到一定濃度或體積，然而在海上平臺的戶外環(huán)境中，加之風(fēng)力和風(fēng)向的影響，氣云會很快分散。

氣體泄漏事故調(diào)查表明，傳統(tǒng)的點式氣體探測器或是開路式氣體探測器探測能夠探測到的泄漏事故概率大約為65%。根據(jù)試驗結(jié)果和操作者在海上平臺的實際觀察經(jīng)驗表明，在通風(fēng)良好的海上平臺，對于氣體的微小泄漏，點式和開路式通常都無法探測到。

2 超聲波原理

超聲波的產(chǎn)生都是基于簡單的自然現(xiàn)象，當氣體通過很小的泄漏孔從高壓端向低壓端泄漏時，就會形成湍流，產(chǎn)出振動，形成超聲波。

流體流動可通過其雷諾數(shù)形式表示:

其中V表示流速，L為特性長度因次，η為流體動力粘性，ρ為流體密度。Re＜2000時，流體流動成層流，Re＞4000形成湍流，2000≤ Re≤4000為過渡期。

典型的湍流氣流會在差壓高于0.2MPa時變成音速，超過0.2MPa就會產(chǎn)生超聲波。湍流分子互相碰撞產(chǎn)生熱能和聲能，熱量快速分散，但聲能可被傳送到相當遠的距離，超聲波產(chǎn)生的振動頻率分析顯示超聲波的范圍是從20kHz～100kHz這一寬頻譜［1－2］。

超聲波探測器就是通過收音裝置接收超聲波，并通過壓電元件轉(zhuǎn)換成電信號。

3 性能分析

3.1 探測范圍影響因素

實際應(yīng)用中，超聲波可燃氣體探測器的檢測范圍通常受泄漏孔大小、氣體壓強、氣體泄漏速率、氣體組分和背景噪聲大小的影響［3－4］。通常氣體壓強和組分是已知的，通過假定泄漏孔尺寸計算氣體泄漏產(chǎn)生的超聲波聲強，從而確定探測范圍，需要考慮以下幾個參數(shù)。

1)最大氣體泄漏速率。氣體泄漏速率受氣體壓強和裂縫大小的影響，是衡量危險性氣體泄漏快慢的重要指示參數(shù)，在實際測量時通常采用公斤/秒(kg/s)。

2)氣體壓強。當氣體從裂縫處泄漏時會產(chǎn)生超聲波。當氣體從高壓強區(qū)流動到低壓強區(qū)，超聲波便會產(chǎn)生并以聲速進行傳播。因此，超聲波的強度以及探測器的探測范圍取決于氣體壓強和泄漏孔的大小。

3)超聲波背景噪聲。盡管超聲波氣體探測器探測的是高頻率的聲波范圍，但是在海上平臺的操作環(huán)境下仍然會有部分設(shè)備會發(fā)出超聲波。例如安全閥、氣動執(zhí)行器動作、壓縮機的葉輪轉(zhuǎn)動等，這些噪聲有持續(xù)的，也有間斷的，所以需要對背景噪聲進行測繪，對間斷報警值進行延時。

為了防止低頻的超聲波觸發(fā)報警器，必須知道其背景聲強。用背景噪聲檢測儀進行檢測，對報警儀的參數(shù)進行調(diào)整。在海上平臺實際應(yīng)用過程中，生產(chǎn)區(qū)域可以大致分為2大類:高噪?yún)^(qū) (70～80dB)和低噪?yún)^(qū) (40～69dB)。背景噪聲越高，探測范圍越小。

4)氣體組分。不同成分的氣體產(chǎn)生的超波波段不同也會影響探測范圍。

3.2 靈敏度

海上平臺的操作環(huán)境下壓縮機的葉輪轉(zhuǎn)動發(fā)出的超聲波是連續(xù)的，所以要使用測繪工具測量背景噪聲，找出在正常運行時不報警的最小靈敏度設(shè)置，通常超聲波氣體探測器有6個觸發(fā)等級，如表1所示。

表1 觸發(fā)設(shè)置和分貝數(shù)

建議要避免誤報警，在背景噪聲水平和觸發(fā)水平之間允許有至少6dB的數(shù)差，例如，如果測量到超聲波背景噪聲為60dB，超過這個值的最接近的觸發(fā)等級是64dB，那么觸發(fā)等級適宜定為74dB。

3.3 報警

探測器一旦探測到超過設(shè)定值的超聲波發(fā)生，便會報警。但在海上平臺的操作環(huán)境下，安全閥和氣動執(zhí)行器動作時常常發(fā)出相同頻段的超聲波，由于安全閥和氣動執(zhí)行器動作是不連續(xù)的，所以超聲波也是間斷的，但可燃氣體泄漏時發(fā)出超聲波是連續(xù)的。根據(jù)這個特點，通過報警延遲定時器進行延時即可排除這些誤報警。通?？稍O(shè)定延遲定時器的延遲持續(xù)時間分別為0 s、15 s、30 s和2min、4min、8min。例如設(shè)定延時時間為15 s，一旦儀表檢測到超過觸發(fā)水平的超聲波15 s后，儀表才會發(fā)出報警。

4 優(yōu)點和缺點

4.1 優(yōu)點

1)不受風(fēng)向的影響。

2)不受氣體快速擴散的影響。

3)可以進行即時檢測，不必等到泄漏氣體濃度的累積。

4)可以測量快速泄漏的微小氣體，將危險控制在初期。

5)可以通過模擬器和計算估算其檢測半徑，檢測范圍更有指向性，并于操作維修。

6)可以使用自檢裝置確認預(yù)設(shè)的檢測半徑。

4.2 缺點

1)無法探測氣體的濃度的相關(guān)報警值，所以超聲波氣體探測器作為點式或開路式氣體探測器的一種補充，用在高危區(qū)域探測事故初期的氣體泄漏更能發(fā)揮優(yōu)勢。

2)受超聲波氣體探測器的原理限制，不能提供泄漏氣體的組分。

3)受原理限制，不適用于探測液體和混相介質(zhì)泄漏。

4)易受安全閥和氣動執(zhí)行器動作時產(chǎn)生的間斷超聲波影響。

5)由于探測范圍受氣體介質(zhì)影響，具有一定的復(fù)雜性，實驗室很難模擬，所以探測范圍通常假定為100%甲烷進行計算，具有一定的偏差。

5 超聲波可燃氣體探測器應(yīng)用實例分析

在南海某氣田已經(jīng)成功應(yīng)用了超聲波可燃氣體探測器，下面以此項目為例分析此類探測器在工程實際應(yīng)用的探測范圍及效果。

5.1 論證探測效果

為了論證探測器的覆蓋范圍，確定探測器的布置位置，評估氣體泄漏速率的影響，確定報警值和延時時間。

1)以甲烷氣體為例，在74dB和84dB的背景噪聲環(huán)境下，管道內(nèi)流體壓力為7.15MPa下，分別對泄漏等級 ＜0.1kg/s，0.1 ～1kg/s的工況下分析結(jié)果如下。

(1)背景噪聲＜74dB。泄漏速率為0.1kg/s，探頭可探測的有效半徑約為12 m;泄漏速率為0.03kg/s，探頭可探測的半徑約為8m。

(2)背景噪聲＜84dB。泄漏速率為0.1kg/s，探頭可探測的半徑8m;泄漏速率為0.03kg/s，探頭可探測的半徑4 m。

2)以甲烷氣體為例，在74dB的背景噪聲環(huán)境下，管道內(nèi)流體壓力為0.3MPa下，泄漏等級＜0.1kg/s工況下分析結(jié)果如下。

對于壓力小于0.3MPa的氣體泄漏，探測范圍縮小到約為半徑1 m。

5.2 探測器布置位置

經(jīng)過以上分析，在南海氣田項目中超聲波可燃氣體探測器主要布置在壓力高于3MPaG的氣體工藝流程設(shè)備區(qū)域附近，列舉如下:①斷塞流捕集器;②清管球收發(fā)球筒和相關(guān)管線區(qū)域;③天然氣氣滌罐區(qū);④天然氣壓縮機區(qū);⑤燃料器罐，泵及過濾器區(qū)。

6 結(jié)束語

目前，有部分海上生產(chǎn)平臺和鉆井平臺安裝了超聲波可燃氣體探測器，相比點式和開路式氣體探測器，超聲波探測器也表現(xiàn)出一些優(yōu)勢，但是聲學(xué)原理氣體探測器的應(yīng)用沒有相關(guān)的標準規(guī)范依循，性能數(shù)據(jù)多出自于試驗，有待完善，所以超聲波可燃氣體探測器不能完全替代傳統(tǒng)的點式或開路式氣體探測器。如在海洋平臺上應(yīng)用超聲波可燃氣體探測器建議遵循以下幾點。

1)不建議參與邏輯關(guān)斷動作。

2)建議每年進行一次背景噪聲的測繪。平臺上后續(xù)增加設(shè)備后需進行背景噪聲測試，以確定是否沿用原報警值和延時時間。

3)工藝流程介質(zhì)壓力變化會影響探測器的探測范圍。需在設(shè)計初期考慮平臺配產(chǎn)壓力變化后的覆蓋范圍。

4)建議每6個月進行一次全功能檢查、測試。

［1］龔其春.葉騫.劉成良，等.新型氣體泄漏超聲檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計 ［J］.液壓與氣動，2005(3):75－78.

［2］李光海.王勇.劉時風(fēng).基于聲發(fā)射技術(shù)的管道泄漏檢測系統(tǒng) ［J］.自動化儀表2002，3(5):20～24.

［3］王朝暉，張來斌，辛若家.聲發(fā)射技術(shù)在管道泄漏檢測中的應(yīng)用［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報，2003，31(5):87－90.

［4］李兆南.龔斌.林木，等.壓力管道泄漏聲發(fā)射信號頻譜特性實驗研究 ［J］.聲學(xué)技術(shù)，2007(3).422～426.