梁建國

（山西華陽新材料科技集團(tuán)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(yùn)輸中減少漏氣也是一項(xiàng)重要的研究課題。當(dāng)煤層氣在管道內(nèi)運(yùn)輸時(shí)，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(cè)原理主要是依據(jù)檢測(cè)超聲波為主，該儀器操作簡(jiǎn)單、對(duì)操作人員要求低、時(shí)效性高，可廣泛地應(yīng)用于各類檢測(cè)漏氣作業(yè)。同時(shí)，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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 檢漏儀的簡(jiǎn)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(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)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(cè)到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)變成為電壓信號(hào)，是基于聲場(chǎng)與電場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(hào)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(dòng)振子發(fā)生彎曲振動(dòng)，如此振動(dòng)變化可使在電極間產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，完成聲場(chǎng)中超聲波信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)變。

一般泄漏產(chǎn)生的超聲波信號(hào)比較微小，需要前置放大電路對(duì)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(yùn)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(hào)放大時(shí)，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(duì)收集到的信號(hào)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(duì)本就微弱的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的放大處理，且根據(jù)所檢測(cè)到的強(qiáng)弱信號(hào)，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(hào)實(shí)現(xiàn)人耳可識(shí)別的音頻；AD轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并將其提供于ARM7，最后通過計(jì)算得出頻率值以及電壓峰值，并完成液晶顯示屏對(duì)這兩個(gè)值的顯示，實(shí)現(xiàn)直觀地可視化操作。整個(gè)儀器簡(jiǎn)單便捷，易于操作。

2 檢漏儀的應(yīng)用測(cè)試實(shí)驗(yàn)

通常，煤層氣運(yùn)輸管道常用的材質(zhì)為PE管材/鑄鐵管道，因此為驗(yàn)證檢漏儀在實(shí)際應(yīng)用過程的適用性，先對(duì)其進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在模擬管道上，分別設(shè)置5個(gè)不同孔徑大小的孔洞，且每次只開放一個(gè)孔洞，即一個(gè)漏氣點(diǎn)，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(shí)，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(cè)，觀察檢漏儀是否可以成功檢測(cè)出漏氣位置并發(fā)生報(bào)警給操作人員提示。在檢漏儀的檢測(cè)過程中，需長(zhǎng)按檢漏儀操作盤上的測(cè)試鍵，并使儀器中的超聲檢測(cè)探頭正對(duì)所漏氣測(cè)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(hào)對(duì)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(shí)驗(yàn)檢測(cè)，漏氣檢測(cè)頻率與檢測(cè)距離L和檢測(cè)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(cè)的試驗(yàn)回歸系數(shù)，該參數(shù)與泄漏孔的形狀及其所在的測(cè)試環(huán)境相關(guān)。

2.1 PE管道的漏氣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

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(cè)規(guī)律，如圖2和表1。

表1 PE管道M3漏氣檢測(cè)擬合相關(guān)參數(shù)

根據(jù)圖2，擬合結(jié)果表明，在壓強(qiáng)值相同時(shí)，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(qiáng)值則產(chǎn)生越高的超聲頻率。其余四個(gè)實(shí)驗(yàn)漏孔位置也存在相同的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

圖2 PE管道的M3漏氣檢測(cè)

2.2 鑄鐵管道的漏氣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

與在PE管道中的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)一致，鑄鐵管道也設(shè)置五個(gè)漏氣孔，以鑄鐵管道的漏孔位置M3為例，推斷出相關(guān)檢測(cè)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(cè)

由圖4針對(duì)鑄鐵管道的M3的漏氣檢測(cè)，結(jié)果與PE管材結(jié)論較為一致，其余四個(gè)漏氣位置實(shí)驗(yàn)規(guī)律均保持大致相同。

3 檢漏儀的應(yīng)用評(píng)價(jià)

本文應(yīng)用手持式檢漏儀在PE/鑄鐵煤層氣運(yùn)輸管道進(jìn)行檢測(cè)漏氣位置實(shí)驗(yàn)，所處7.32~10.19 kPa的正壓測(cè)試系統(tǒng)，能夠達(dá)到有效的檢測(cè)效果；并且能夠起到良好檢測(cè)效果的距離約為1.5 m左右；得到了漏氣檢測(cè)頻率f與檢測(cè)距離L和檢測(cè)壓強(qiáng)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(duì)漏氣位置進(jìn)行效果評(píng)價(jià)，如若在某一確定的管道壓強(qiáng)值，所測(cè)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(duì)應(yīng)高的壓強(qiáng)值，且該壓強(qiáng)值越大，在越遠(yuǎn)的檢測(cè)距離即可實(shí)現(xiàn)有效檢測(cè)。

檢漏儀不僅可以檢測(cè)出管道運(yùn)輸中的漏氣位置，還可以對(duì)修補(bǔ)完成的漏孔位置進(jìn)行二次檢測(cè)是否成功堵漏。類似于漏氣位置的檢測(cè)，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(huì)有超聲波信號(hào)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(yùn)輸管道進(jìn)行檢測(cè)漏氣位置實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：在壓強(qiáng)值相同時(shí)，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(qiáng)值則產(chǎn)生越高的超聲頻率且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)的有效檢測(cè)距離；在堵漏效果檢測(cè)中，應(yīng)用效果良好。