檢漏儀在煤層氣管道輸送中的應用

梁建國

（山西華陽新材料科技集團有限公司煤層氣開發利用分公司，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。當煤層氣在管道內運輸時，煤層氣管道內呈現正壓狀態，一旦出現泄漏，漏孔的位置產生湍流噪聲，而且具有較寬的噪聲頻帶，頻率可達到超聲波的波段頻率[1-2]。檢漏儀的檢測原理主要是依據檢測超聲波為主，該儀器操作簡單、對操作人員要求低、時效性高，可廣泛地應用于各類檢測漏氣作業。同時，檢漏儀在煤層氣管道輸送中起到關鍵性的輔助作用，為我國煤層氣的安全再利用打下了堅實的基礎。

1 檢漏儀的簡介

基于在正壓狀態下湍流噪聲的頻率可達到超聲波的特性，超聲波傳感器檢漏儀作為其關鍵元件，可檢出在煤層氣管道輸送中有無泄漏情況的發生。整個系統的檢測主要結合模擬電路與數字電路，工作架構如圖1所示。

圖1 檢漏儀架構圖

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，作為超聲技術中的核心因素，越好的性能體現則直接影響到最優的使用效果以及廣泛的應用場景。區別于普通的傳感器，超聲波傳感器不需要有外接電源對其進行電流的輸送，主要是通過產生壓電效應來將超聲波信號轉換為電壓信。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為壓電陶瓷，其關鍵參數為[1-2]標稱頻率（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行組合積聚，使得內部的驅動振子發生彎曲振動，如此振動變化可使在電極間產生相對應的電信號，完成聲場中超聲波信號向電信號的轉變。

一般泄漏產生的超聲波信號比較微小，需要前置放大電路對電流進行放大。本文介紹的前置放大電路LF357來進行前置運效，涉及參數有噪聲系數、轉換速率（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行進一步的放大處理，且根據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換超聲波信號實現人耳可識別的音頻；AD轉換將模擬信號轉換為數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 檢漏儀的應用測試實驗

通常，煤層氣運輸管道常用的材質為PE管材/鑄鐵管道，因此為驗證檢漏儀在實際應用過程的適用性，先對其進行測試實驗。在模擬管道上，分別設置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，管道內的正壓系統主要是通過控制上游管路開合閥門的程度來進行調節。當開啟漏氣孔時，采取由遠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。如若管道有漏氣現象產生，LED指示燈亮，液晶顯示屏將顯示漏氣以及所漏氣體產生超聲波信號對應的頻率。本文分別將該檢漏儀應用于PE管材/鑄鐵管道進行實驗檢測，漏氣檢測頻率與檢測距離L和檢測壓力P有較好的函數關系，并根據相關軟件進行擬合處理，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，該參數與泄漏孔的形狀及其所在的測試環境相關。

2.1 PE管道的漏氣檢測實驗

根據origin軟件，進行函數關系式間的擬合。分別以PE管材的漏孔位置M3為例，推斷出相關檢測規律，如圖2和表1。

表1 PE管道M3漏氣檢測擬合相關參數

根據圖2，擬合結果表明，在壓強值相同時，漏孔處越小的孔徑產生的越高的超聲頻率；在相同的孔徑下，越大的壓強值則產生越高的超聲頻率。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，鑄鐵管道也設置五個漏氣孔，以鑄鐵管道的漏孔位置M3為例，推斷出相關檢測規律，擬合結果如圖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，結果與PE管材結論較為一致，其余四個漏氣位置實驗規律均保持大致相同。

3 檢漏儀的應用評價

本文應用手持式檢漏儀在PE/鑄鐵煤層氣運輸管道進行檢測漏氣位置實驗，所處7.32~10.19 kPa的正壓測試系統，能夠達到有效的檢測效果；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之間較好的的函數關系。

通過該檢漏儀的顯示結果可對漏氣位置進行效果評價，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小；如若是某一確定出的泄漏孔，高的超聲頻率則對應高的壓強值，且該壓強值越大，在越遠的檢測距離即可實現有效檢測。

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生，LED指示燈亮。

4 結語

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