梁建國

（山西華陽新材料科技集團有限公司煤層氣開發(fā)利用分公司，山西 陽泉 045008）

引言

近幾年，煤層氣的再利用引起了各界廣泛的關(guān)注，但如何控制在煤層氣管道運輸中減少漏氣也是一項重要的研究課題。當(dāng)煤層氣在管道內(nèi)運輸時，煤層氣管道內(nèi)呈現(xiàn)正壓狀態(tài)，一旦出現(xiàn)泄漏，漏孔的位置產(chǎn)生湍流噪聲，而且具有較寬的噪聲頻帶，頻率可達(dá)到超聲波的波段頻率[1-2]。檢漏儀的檢測原理主要是依據(jù)檢測超聲波為主，該儀器操作簡單、對操作人員要求低、時效性高，可廣泛地應(yīng)用于各類檢測漏氣作業(yè)。同時，檢漏儀在煤層氣管道輸送中起到關(guān)鍵性的輔助作用，為我國煤層氣的安全再利用打下了堅實的基礎(chǔ)。

1 檢漏儀的簡介

基于在正壓狀態(tài)下湍流噪聲的頻率可達(dá)到超聲波的特性，超聲波傳感器檢漏儀作為其關(guān)鍵元件，可檢出在煤層氣管道輸送中有無泄漏情況的發(fā)生。整個系統(tǒng)的檢測主要結(jié)合模擬電路與數(shù)字電路，工作架構(gòu)如圖1所示。

圖1 檢漏儀架構(gòu)圖

超聲波傳感器的工作原理是通過將檢測到的超聲波信號轉(zhuǎn)變成為電壓信號，是基于聲場與電場之間的耦合作用，作為超聲技術(shù)中的核心因素，越好的性能體現(xiàn)則直接影響到最優(yōu)的使用效果以及廣泛的應(yīng)用場景。區(qū)別于普通的傳感器，超聲波傳感器不需要有外接電源對其進(jìn)行電流的輸送，主要是通過產(chǎn)生壓電效應(yīng)來將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電壓信。本文所介紹檢漏儀中的超聲波傳感器中超聲換能器選擇材質(zhì)為壓電陶瓷，其關(guān)鍵參數(shù)為[1-2]標(biāo)稱頻率（40 kHz）、接收靈敏度（-65 dB）、靜電容量（240 025%PF）、阻抗（1 000 Ω）以及波速角度（45°）。錐形輻射器將傳送的超聲波進(jìn)行組合積聚，使得內(nèi)部的驅(qū)動振子發(fā)生彎曲振動，如此振動變化可使在電極間產(chǎn)生相對應(yīng)的電信號，完成聲場中超聲波信號向電信號的轉(zhuǎn)變。

一般泄漏產(chǎn)生的超聲波信號比較微小，需要前置放大電路對電流進(jìn)行放大。本文介紹的前置放大電路LF357來進(jìn)行前置運效，涉及參數(shù)有噪聲系數(shù)、轉(zhuǎn)換速率（50 m/s）、共模抑制比（100 dB）、輸入阻抗（1 012 Ω）以及增益寬帶（20 MHz）。

除此之外，信號放大時，儀器自身及周圍環(huán)境的噪聲均被放大，因此需要帶通濾波來對收集到的信號進(jìn)行消除過濾；消除背景以及儀器本身的雜音之后，采用二次放大對本就微弱的信號進(jìn)行進(jìn)一步的放大處理，且根據(jù)所檢測到的強弱信號，可由LED指示出在抽采過程中漏氣位置，再通過音頻處理器采取降頻操作轉(zhuǎn)換超聲波信號實現(xiàn)人耳可識別的音頻；AD轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并將其提供于ARM7，最后通過計算得出頻率值以及電壓峰值，并完成液晶顯示屏對這兩個值的顯示，實現(xiàn)直觀地可視化操作。整個儀器簡單便捷，易于操作。

2 檢漏儀的應(yīng)用測試實驗

通常，煤層氣運輸管道常用的材質(zhì)為PE管材/鑄鐵管道，因此為驗證檢漏儀在實際應(yīng)用過程的適用性，先對其進(jìn)行測試實驗。在模擬管道上，分別設(shè)置5個不同孔徑大小的孔洞，且每次只開放一個孔洞，即一個漏氣點，孔徑的大小即代表漏氣的多少。除此之外，管道內(nèi)的正壓系統(tǒng)主要是通過控制上游管路開合閥門的程度來進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)開啟漏氣孔時，采取由遠(yuǎn)及近的方式控制檢漏儀與漏氣位置間距離的有效檢測，觀察檢漏儀是否可以成功檢測出漏氣位置并發(fā)生報警給操作人員提示。在檢漏儀的檢測過程中，需長按檢漏儀操作盤上的測試鍵，并使儀器中的超聲檢測探頭正對所漏氣測試管道。如若管道有漏氣現(xiàn)象產(chǎn)生，LED指示燈亮，液晶顯示屏將顯示漏氣以及所漏氣體產(chǎn)生超聲波信號對應(yīng)的頻率。本文分別將該檢漏儀應(yīng)用于PE管材/鑄鐵管道進(jìn)行實驗檢測，漏氣檢測頻率與檢測距離L和檢測壓力P有較好的函數(shù)關(guān)系，并根據(jù)相關(guān)軟件進(jìn)行擬合處理，如公式（1）。

式中，f為超聲波頻率，其與為本次檢測的試驗回歸系數(shù)，該參數(shù)與泄漏孔的形狀及其所在的測試環(huán)境相關(guān)。

2.1 PE管道的漏氣檢測實驗

根據(jù)origin軟件，進(jìn)行函數(shù)關(guān)系式間的擬合。分別以PE管材的漏孔位置M3為例，推斷出相關(guān)檢測規(guī)律，如圖2和表1。

表1 PE管道M3漏氣檢測擬合相關(guān)參數(shù)

根據(jù)圖2，擬合結(jié)果表明，在壓強值相同時，漏孔處越小的孔徑產(chǎn)生的越高的超聲頻率；在相同的孔徑下，越大的壓強值則產(chǎn)生越高的超聲頻率。其余四個實驗漏孔位置也存在相同的實驗規(guī)律。

圖2 PE管道的M3漏氣檢測

2.2 鑄鐵管道的漏氣檢測實驗

與在PE管道中的檢測實驗一致，鑄鐵管道也設(shè)置五個漏氣孔，以鑄鐵管道的漏孔位置M3為例，推斷出相關(guān)檢測規(guī)律，擬合結(jié)果如圖3所示。

圖3 鑄鐵管道的M3的漏氣檢測

由圖4針對鑄鐵管道的M3的漏氣檢測，結(jié)果與PE管材結(jié)論較為一致，其余四個漏氣位置實驗規(guī)律均保持大致相同。

3 檢漏儀的應(yīng)用評價

本文應(yīng)用手持式檢漏儀在PE/鑄鐵煤層氣運輸管道進(jìn)行檢測漏氣位置實驗，所處7.32~10.19 kPa的正壓測試系統(tǒng)，能夠達(dá)到有效的檢測效果；并且能夠起到良好檢測效果的距離約為1.5 m左右；得到了漏氣檢測頻率f與檢測距離L和檢測壓強P之間較好的的函數(shù)關(guān)系。

通過該檢漏儀的顯示結(jié)果可對漏氣位置進(jìn)行效果評價，如若在某一確定的管道壓強值，所測出的超聲頻率越高，則證明該漏孔孔徑越??；如若是某一確定出的泄漏孔，高的超聲頻率則對應(yīng)高的壓強值，且該壓強值越大，在越遠(yuǎn)的檢測距離即可實現(xiàn)有效檢測。

檢漏儀不僅可以檢測出管道運輸中的漏氣位置，還可以對修補完成的漏孔位置進(jìn)行二次檢測是否成功堵漏。類似于漏氣位置的檢測，倘若堵漏成功，則檢漏儀LED指示燈不亮，反之，堵漏失敗，則仍會有超聲波信號的產(chǎn)生，LED指示燈亮。

4 結(jié)語

將檢漏儀應(yīng)用于PE/鑄鐵煤層氣運輸管道進(jìn)行檢測漏氣位置實驗，結(jié)果表明：在壓強值相同時，漏孔處越小的孔徑產(chǎn)生的越高的超聲頻率；在相同的孔徑下，越大的壓強值則產(chǎn)生越高的超聲頻率且可實現(xiàn)遠(yuǎn)的有效檢測距離；在堵漏效果檢測中，應(yīng)用效果良好。