重大危險(xiǎn)源泄漏下的超聲波預(yù)警識(shí)別技術(shù)

＊黃小菲 任少龍 李智勇 黎宇誠(chéng)

（北京慧颯科技有限責(zé)任公司 北京 100141）

1.問題的提出

2017年2月17日的國(guó)家安全座談會(huì)上明確指出，要加強(qiáng)危險(xiǎn)化學(xué)品等安全領(lǐng)域安全生產(chǎn)治理，遏制重特大事故的發(fā)生。

遏制重特大事故的發(fā)生，對(duì)應(yīng)急管理領(lǐng)域提出了非常高的要求。要大大減少重特大事故發(fā)生，就要將重特大事故遏制在初始。

(1)我國(guó)依然面臨嚴(yán)峻的重特大災(zāi)害威脅

我國(guó)在預(yù)防城市火災(zāi)和重大危險(xiǎn)源泄漏上形勢(shì)依然嚴(yán)峻。總體來看，我國(guó)近幾年危化品事故有所下降。但是重特大事故發(fā)生的頻率和死亡人數(shù)有所上升。

(2)我國(guó)高強(qiáng)度的安全系統(tǒng)持續(xù)投入并沒有完全遏制災(zāi)害的發(fā)生

顯而易見，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生已經(jīng)不可避免，再多再好再快的報(bào)警和應(yīng)急響應(yīng)依然避免不了災(zāi)害損失和人員傷亡。極早期預(yù)警技術(shù)是遏制重特大事故發(fā)生的最為有效的高新技術(shù)，比目前報(bào)警更提前發(fā)現(xiàn)事故前兆。

2.災(zāi)害預(yù)防的六道防線的極早期預(yù)警技術(shù)

解決重特大事故發(fā)生的問題需要建立具備遏制能力的災(zāi)害預(yù)防體系。災(zāi)害預(yù)防應(yīng)分別建立六道防線，包括隱患預(yù)防預(yù)測(cè)、極早期預(yù)警、報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置、智能疏散、應(yīng)急指揮和救援。其中極早期預(yù)警技術(shù)包含隱患預(yù)防預(yù)測(cè)防線和極早期預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)，承擔(dān)遏制重特大事故發(fā)生的使命。

圖1 災(zāi)害預(yù)防應(yīng)急體系的六道防線

極早期預(yù)警防線是災(zāi)害預(yù)防體系中的第二道防線，旨在對(duì)可能引發(fā)事故的隱患特征識(shí)別或者事故特征的極早期識(shí)別。

3.重大危險(xiǎn)源泄漏的超聲波預(yù)警識(shí)別

當(dāng)漏孔尺寸較小且雷諾數(shù)較高時(shí)，沖出氣體就會(huì)形成湍流，湍流噴出的能量一部分轉(zhuǎn)化為聲能量形式，漏孔附近會(huì)產(chǎn)生一定頻率的聲波。隨著漏孔不斷增大，氣體湍流產(chǎn)生的聲波頻率也隨之下降，當(dāng)聲波頻率中心頻率進(jìn)入人的聽覺范圍內(nèi)，可以聽到泄漏發(fā)出的嘯叫聲音，伴隨泄漏量增加，此時(shí)濃度報(bào)警器觸發(fā)報(bào)警。

充分利用固定式全向24h超聲波實(shí)時(shí)探測(cè)技術(shù)，在壓力容器微孔泄漏時(shí)發(fā)現(xiàn)事故微征兆，將為事故消除處置贏得時(shí)間，實(shí)現(xiàn)遏制事故的發(fā)生的目的。

(1)超聲波技術(shù)探測(cè)壓力容器泄漏基本原理

泄漏超聲本質(zhì)上是湍流和沖擊噪聲[2]。超聲波頻譜峰值區(qū)間在10kHz～40kHz。自然環(huán)境中的本底噪聲頻譜，大部分也集中在可聽聲波范圍。在20kHz～40kHz超聲波范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)超聲波檢測(cè)。

這里本底噪聲指超聲波探測(cè)設(shè)備本身熱噪聲（電噪聲）。背景噪聲指的是在測(cè)量中與壓力容器泄漏產(chǎn)生的超聲波無關(guān)的環(huán)境噪聲。從圖2中可以看出，壓力容器泄漏產(chǎn)生超聲波在中心頻率處幅度為0.084V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本底噪聲和背景噪聲，有很高的信噪比。

圖2 壓力容器泄漏的超聲波與本地和背景噪聲頻譜

壓力容器泄漏產(chǎn)生超聲波頻率在30kHz～70kHz頻率范圍。

其次,王泠然此詩(shī)以對(duì)隋堤柳樹在煬帝南巡時(shí)盛況的想象,映襯唐時(shí)“數(shù)里曾無一枝好”的蕭瑟景象,借此抒發(fā)歷史的滄桑感,也是唐人隋堤柳吟詠常見的抒情模式。如李山甫《隋堤柳》:“曾傍龍舟拂翠華,至今凝恨倚天涯。但經(jīng)春色還秋色,不覺楊家是李家。背日古陰從北朽,逐波疏影向南斜。年年只有晴風(fēng)便,遙為雷塘送雪花”,[注]彭定求等:《全唐詩(shī)》(增訂本)卷643,北京:中華書局,1999年,第7414-7415頁(yè)。 孫光憲《楊柳枝詞》:“萬株枯槁怨亡隋,似吊吳臺(tái)各自垂。好是淮陰明月里,酒樓橫笛不勝吹。”[注]彭定求等:《全唐詩(shī)》(增訂本)卷762,北京:中華書局,1999年,第8746頁(yè)。

①小孔泄漏率

一般小孔指的是直徑小于20mm的孔洞。假定壓力不受泄漏影響而發(fā)生變化。

小孔泄漏率Q計(jì)算公式[3]：

其中，Q：質(zhì)量泄漏率（kg/s）；

γ：介質(zhì)絕熱指數(shù)；（天然氣絕熱指數(shù)1.42）；

P1：管道內(nèi)壓力（MPa）；

P2：破裂處外界壓力（MPa）；

A：小孔面積（m2）；

M：物質(zhì)的摩爾質(zhì)量（kg/kmol）；

R：氣體常量，通常為8.314J/（kg·K）；

T1：泄漏點(diǎn)位置溫度（K）。

②泄漏速度計(jì)算

泄漏孔處流速V可以通過泄漏率Q、漏孔截面積A、介質(zhì)氣體在破裂處密度ρ0簡(jiǎn)化計(jì)算。

(2)氣體泄漏產(chǎn)生的超聲波頻譜特性

泄漏產(chǎn)生的超聲波頻帶比較寬,一般在15kHz到70kHz之間。在不同的頻率點(diǎn)，超聲波的能量是不同的。頻譜峰值也是隨泄漏孔的尺寸和壓力的變化而變化的。

圖3 壓力容器在不同壓力下泄漏的超聲波頻譜

(3)壓力容器裂紋擴(kuò)展速率和提前預(yù)警時(shí)間預(yù)測(cè)

壓力容器的破壞事故中40%是疲勞裂紋擴(kuò)展引起的[4]。

浙江大學(xué)和國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心對(duì)濕H2S環(huán)境下典型壓力容器用鋼應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[5]。

表1 三種材料裂紋擴(kuò)展速度試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)踐證明重大危險(xiǎn)源泄漏在采用超聲波檢測(cè)的極早期預(yù)警下，可以實(shí)時(shí)識(shí)別漏孔0.3mm～0.5mm的重大危險(xiǎn)源泄漏，而通常氣體濃度報(bào)警器在漏孔1.0mm左右才確認(rèn)報(bào)警。漏孔從直徑0.5mm擴(kuò)展到1.0mm的時(shí)間依據(jù)上表參考數(shù)據(jù)上限（da/dt=0.02mm/h）為25h。實(shí)際當(dāng)中由于材料、壓力、破口形狀的差異，提前預(yù)警時(shí)間與理論估計(jì)有一定偏差。