液體閥門泄漏檢測(cè)裝置的研制及試驗(yàn)研究

廖慶斌 王曉東 胡必忠

武漢第二船舶研究所，武漢，430064

0 引言

液體閥門在船舶中大量使用，各種閥門泄漏危害表現(xiàn)越來(lái)越明顯，因此液體閥門的密封檢測(cè)顯得尤為重要[1－2]。閥門的密封檢測(cè)也稱為閥門的泄漏檢測(cè)，而閥門的泄漏可分為內(nèi)泄漏（內(nèi)漏）和外泄漏（外漏）。閥門不能嚴(yán)密的關(guān)閉而導(dǎo)致的泄漏稱為內(nèi)漏，常發(fā)生在閥座與運(yùn)動(dòng)件的接觸面上。閥門外漏是指閥內(nèi)介質(zhì)直接漏到環(huán)境中。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)船上大量使用的各種閥門而言，閥門的外漏易于發(fā)現(xiàn)，發(fā)生概率相對(duì)較小，且易于發(fā)現(xiàn)和處理，對(duì)船舶的安全隱患也較小。船舶閥門最大的安全隱患來(lái)自于內(nèi)漏，內(nèi)漏不但難于發(fā)現(xiàn)，并且由于部分閥門安裝位置的限制，檢測(cè)工藝也難于開(kāi)展，目前我國(guó)船舶閥門的內(nèi)漏檢測(cè)技術(shù)相對(duì)單一，工序煩瑣，難于對(duì)船上所有閥門進(jìn)行例行檢查和應(yīng)急檢查。本文主要是對(duì)液體閥門的內(nèi)漏密封檢測(cè)裝置的研制和試驗(yàn)。由于船舶中以水系統(tǒng)閥門占絕大多數(shù)，因此，本文以水系統(tǒng)閥門作為研究的對(duì)象。

目前，對(duì)承壓高、安全性要求強(qiáng)的船舶液體閥門泄漏，只有依賴于扣罐打壓、全船試水等傳統(tǒng)工序來(lái)檢查，檢測(cè)代價(jià)高和檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)。這一現(xiàn)狀的造成主要是因?yàn)樵谟瞄y門的微小內(nèi)泄漏難于發(fā)現(xiàn)，并且目前常用的檢測(cè)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，需要離線進(jìn)行，而且也不可能對(duì)每個(gè)閥門都同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)哪些閥門要作重點(diǎn)檢測(cè)，哪些閥門無(wú)需檢測(cè)，哪些閥門是危險(xiǎn)性大而急需檢測(cè)更換的，判斷起來(lái)缺乏科學(xué)依據(jù)，而船廠工人依據(jù)建造經(jīng)驗(yàn)的判斷和船員依據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的判斷有可能使真正危險(xiǎn)的閥門得不到及時(shí)檢測(cè)，這影響生產(chǎn)和船只的使用安全，對(duì)一些沒(méi)有內(nèi)泄漏的閥門進(jìn)行拆卸更換還造成了浪費(fèi)。

隨著我國(guó)大噸位、高技術(shù)含量船舶的設(shè)計(jì)，船舶閥門的安全性更加凸顯出來(lái)，開(kāi)展船舶閥門密封檢測(cè)技術(shù)研究，有利于提升閥門檢測(cè)手段的技術(shù)含量，簡(jiǎn)化測(cè)試方法，改進(jìn)傳統(tǒng)煩瑣的檢測(cè)工藝，加快船舶的建造進(jìn)程，為我國(guó)船舶設(shè)計(jì)的安全性提供技術(shù)保障。

1 樣機(jī)簡(jiǎn)介

閥門泄漏檢測(cè)裝置采用基于聲發(fā)射[3－5]的檢測(cè)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了適應(yīng)船用閥門泄露檢測(cè)的需要，所設(shè)計(jì)的船用閥門泄漏檢測(cè)裝置應(yīng)具有便于在船上開(kāi)展實(shí)時(shí)檢測(cè)，即檢測(cè)裝置應(yīng)具有較好的便攜性，能適合船上的使用環(huán)境，檢測(cè)結(jié)果直觀，便于判斷閥門是否發(fā)生了泄漏。由于目前國(guó)內(nèi)暫無(wú)適用于船上使用的閥門泄漏檢測(cè)裝置[6]，因此，在該裝置的研制和設(shè)計(jì)上，以裝置檢測(cè)的可靠性、穩(wěn)定性和測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性作為設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。

1.1 閥門泄漏檢測(cè)裝置的檢測(cè)原理

聲發(fā)射原本是指材料內(nèi)部因應(yīng)力引起的能量在瞬間釋放而產(chǎn)生的機(jī)械波，這種機(jī)械波按聲波的規(guī)律傳播。閥門泄漏時(shí)本身并不釋放能量，因此，從嚴(yán)格意義上說(shuō)，閥門泄漏所激發(fā)的應(yīng)力波并不是聲發(fā)射現(xiàn)象，但由于泄漏點(diǎn)液體在壓力作用下，從閥門漏孔處激射而出時(shí)與閥體相互作用，在閥體上同樣會(huì)激發(fā)出一定頻率的應(yīng)力，這種應(yīng)力波帶有閥門泄漏的信息，在閥門內(nèi)以聲速傳播，從這個(gè)意義上講，閥門泄漏所激發(fā)的應(yīng)力波也可以認(rèn)為是一種聲發(fā)射現(xiàn)象。

液體從閥門泄漏孔泄漏出來(lái)的同時(shí)產(chǎn)生中心頻率為f的超聲波：

式中，v為射流速度；d為泄漏孔的直徑；β為系數(shù)，一般取β＝0.2。

射流速度v與泄漏孔兩端的壓差成正比，壓差變大且漏孔直徑變小，頻率峰值向高頻移動(dòng)。發(fā)射的聲功率與射流速度v的8次方成正比。

1.2 檢測(cè)裝置的各組成部件

檢測(cè)裝置的核心部件是檢測(cè)傳感器，在檢測(cè)傳感器的研制上，采用了諧振式的高靈敏度的壓電傳感器，其典型的幅頻特征函數(shù)為[7]

式中，fn為固有簡(jiǎn)諧頻率；ξ為傳感器的阻尼比；S為靈敏度。

為了提高傳感器的靈敏度及信噪比，傳感器的工作點(diǎn)取在其諧振頻率點(diǎn)fn處。在本文檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)中，為了適用于檢測(cè)頻率可調(diào)以及在不同泄漏量的情況下靈敏度可調(diào)，在設(shè)計(jì)時(shí)將諧振頻率點(diǎn)fn設(shè)計(jì)成可調(diào)的，同時(shí)靈敏度S也為可調(diào)的。

由于工作空間的限制，船上有很大數(shù)量的閥門安裝在難于抵達(dá)的部位，這樣給泄漏檢測(cè)裝置在船上的使用提出了空間上的要求，為了適用這種情況，在設(shè)計(jì)泄漏檢測(cè)裝置時(shí)，依據(jù)檢測(cè)原理和聲波傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，在檢測(cè)傳感器的觸點(diǎn)位置前設(shè)計(jì)了波導(dǎo)桿，波導(dǎo)桿由傳聲性能優(yōu)良的鋼材制造。在波導(dǎo)桿和主機(jī)的連接處，采用插入式插針連接方式，這種設(shè)計(jì)確保連接的可靠性和防水、防潮能力。在測(cè)試主機(jī)的設(shè)計(jì)上，考慮到所采用零部件的數(shù)量和質(zhì)量以及加工難等情況，將主機(jī)設(shè)計(jì)成手持式槍式結(jié)構(gòu)，質(zhì)量約0.9kg，這使得在船上帶著測(cè)試儀器進(jìn)行泄漏檢測(cè)不會(huì)帶來(lái)太多的體力消耗。為了確保檢測(cè)裝置在不同的人使用時(shí)，其檢測(cè)結(jié)果不發(fā)生差別，因此，在檢測(cè)裝置的輸出方面采用了兩種輸出方式，一種是數(shù)字式LED屏顯示，這種方式不同的人得到的結(jié)果是一樣的；一種是用于輔助的聲音輸出方式，由于不同的人在聲音的感知度上是不一樣的，所以不同的人在使用檢測(cè)裝置時(shí)，得到的結(jié)論可能會(huì)有所區(qū)別，但是這種方式直觀，并且專職人員通過(guò)訓(xùn)練后，將能比較準(zhǔn)確地判斷泄漏量的大小，所以在設(shè)計(jì)時(shí)保留了這種方式。在耳機(jī)的設(shè)計(jì)上，采用了能在檢測(cè)時(shí)同時(shí)佩戴安全帽的高保真耳機(jī)設(shè)計(jì)。整個(gè)檢測(cè)裝置的組成如圖1所示。

圖1 檢測(cè)裝置組成圖

1.3 泄漏檢測(cè)裝置的工作原理

圖2是檢測(cè)裝置主測(cè)試部件（主機(jī)）的工作電路圖。該部件由中央處理器和數(shù)字控制單元、顯示屏、DB轉(zhuǎn)換單元、差頻振蕩電路、振動(dòng)增益放大器等元器件組成。

圖2 檢測(cè)裝置的工作電路圖

工作時(shí)，首先調(diào)定檢測(cè)裝置的測(cè)試頻率（本測(cè)試裝置的測(cè)試頻率從20～100kHz可調(diào)），然后將波導(dǎo)桿接觸到閥體和閥前的相應(yīng)測(cè)試位置，得到輸入信號(hào)，再通過(guò)DB轉(zhuǎn)換、差頻振蕩電路、增益放大器等將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成聽(tīng)域信號(hào)，分別輸出到LED顯示屏和耳機(jī)上。

2 試驗(yàn)臺(tái)架

為了對(duì)泄露檢測(cè)裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，專門設(shè)計(jì)了相應(yīng)的閥門泄漏測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)架，如圖3所示，整套試驗(yàn)臺(tái)架由模擬閥前水壓的長(zhǎng)3m、耐壓4.5MPa的水管段，往水管段中打壓用的打壓泵，模擬閥前安裝條件的焊接座板，用以測(cè)量泄漏量的支管段以及各個(gè)配套的閥門組成。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)架圖

為了便于表述，文中所述的測(cè)量位置中的閥后和閥前，分別對(duì)應(yīng)于圖4和圖5。閥前也就是液體進(jìn)入閥門的一端，閥后指的是液體通過(guò)截止閥后的一端，測(cè)試時(shí)，將檢測(cè)裝置的導(dǎo)波桿置于閥體上，泄漏聲最大處，本文都統(tǒng)稱其為閥后（或閥體）。

圖4 閥后（閥體）測(cè)試位置

圖5 閥前測(cè)試位置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)情況概述

根據(jù)文獻(xiàn)[5]關(guān)于聲發(fā)射理論在閥門泄漏檢測(cè)中的頻率分析，以及應(yīng)用本試驗(yàn)裝置掃頻測(cè)試的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，液體閥門檢測(cè)的理想頻率段可能在20～40kHz之間的某個(gè)頻率點(diǎn)上，雖然工程上有氣體閥門泄漏檢測(cè)的裝置，但是關(guān)于液體閥門泄漏檢測(cè)的裝置，尤其是對(duì)泄漏率小的閥門泄漏檢測(cè)裝置未見(jiàn)報(bào)道。因此，本文的首要任務(wù)就是確定閥門泄漏檢測(cè)裝置在檢測(cè)液體閥門泄漏時(shí)，其檢測(cè)頻率應(yīng)該在哪一個(gè)頻率點(diǎn)上，確定了泄露檢測(cè)裝置的測(cè)試頻率點(diǎn)后，接下來(lái)就是確定閥后、閥前的壓差以及泄漏量對(duì)檢測(cè)性能的影響。

試驗(yàn)時(shí)，先將閥門（圖3所示的截止閥B64050GB／T584－1999）調(diào)節(jié)到一定的開(kāi)度，用泵保持耐壓管段內(nèi)的水壓值固定在某一試驗(yàn)值，待泄漏端穩(wěn)定后（將閥門開(kāi)到一定開(kāi)度后，等待約1～2min），測(cè)量支管段的泄漏量，可知這也就是閥門在這一開(kāi)度下的泄漏量。由于試驗(yàn)時(shí)測(cè)量泄漏量的量杯最大容積為1.0L，因此，在較大泄漏量的情況下，測(cè)量時(shí)間會(huì)相應(yīng)地短一些（具體測(cè)試情況參見(jiàn)以下各個(gè)試驗(yàn)記錄表格）。

為了分析閥后管段內(nèi)有水壓是否對(duì)檢測(cè)結(jié)果有影響，試驗(yàn)時(shí)構(gòu)造了一種瞬態(tài)檢測(cè)方法，以定性分析閥后管段壓力的影響。為得到上述試驗(yàn)結(jié)論，試驗(yàn)過(guò)程如下：

（1）閥門泄漏檢測(cè)裝置測(cè)試頻率的確定。將水管段內(nèi)打壓到不同的壓力值，然后根據(jù)理論研究結(jié)論（對(duì)于液體泄流，其超聲檢測(cè)頻率段主要在20～40kHz之間）和閥門調(diào)定的一定的泄漏量（試驗(yàn)時(shí)，泄漏量調(diào)節(jié)在5mL／s左右），進(jìn)行測(cè)試頻率的確定試驗(yàn)（對(duì)于同樣的泄漏量，分別調(diào)節(jié)檢測(cè)裝置的測(cè)試頻率）。試驗(yàn)記錄表格如表1所示。

表1 測(cè)試頻率對(duì)測(cè)試效果影響記錄表

（2）閥門泄漏量和壓力的變化對(duì)檢測(cè)裝置檢測(cè)性能的影響試驗(yàn)。根據(jù)在上述試驗(yàn)中確定的測(cè)試頻率，將閥門泄漏檢測(cè)裝置調(diào)定在試驗(yàn)得到的頻率點(diǎn)，將試驗(yàn)管段內(nèi)打壓到不同的壓力點(diǎn)（1.0～4.5MPa之間，每隔0.5MPa一個(gè)測(cè)試間隔點(diǎn)），然后調(diào)節(jié)不同的泄漏情況，檢驗(yàn)泄漏檢測(cè)裝置的工作性能。試驗(yàn)記錄表格如表2所示。

（3）閥后壓力對(duì)閥門泄漏檢測(cè)的影響試驗(yàn)。將閥后管段內(nèi)充滿不同壓力（0.5MPa、1.0MPa）的水，檢驗(yàn)閥門泄漏檢測(cè)裝置的工作性能。試驗(yàn)時(shí)，將閥前、閥后制造一定的壓力差值后，試驗(yàn)人員根據(jù)開(kāi)關(guān)閥門的經(jīng)驗(yàn)將閥門開(kāi)到一定的開(kāi)度，在開(kāi)閥時(shí)，用泄漏檢測(cè)裝置測(cè)量泄漏聲。由于在這種條件下，測(cè)量閥門的泄漏量不可實(shí)施，因此，閥門開(kāi)度難于評(píng)價(jià)，只能通過(guò)有無(wú)泄漏聲來(lái)直觀地表述。試驗(yàn)記錄表格如表3所示。對(duì)于表1～表3中的試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，需要說(shuō)明的是，對(duì)同一泄漏量，在維持壓力不變的情況下，均進(jìn)行了多次測(cè)試，由于每次測(cè)試中，閥前、閥后的聲音量值會(huì)有1～2dB的差別，表中的數(shù)據(jù)，對(duì)于每一個(gè)流量值，都是經(jīng)過(guò)不少于3次平均后得到的，盡量減小某一次測(cè)試的隨機(jī)性。另外，試驗(yàn)時(shí)，為了確保耐壓管段內(nèi)壓力保持不變，用電動(dòng)打壓泵打壓，保持耐壓管段內(nèi)的壓力不變，因此，在測(cè)量的時(shí)候，管段內(nèi)的壓力有±0.1MPa的變化，并且在不同的工況下，由于開(kāi)啟或關(guān)閉電動(dòng)打壓泵，或者電動(dòng)打壓泵的轉(zhuǎn)速不同，都會(huì)使得背景噪聲不同，因此測(cè)量時(shí)的數(shù)據(jù)會(huì)有一定的差別。

表2 泄漏量對(duì)測(cè)試效果影響記錄表（測(cè)試頻率為25kHz）

表3 閥后壓力對(duì)測(cè)試效果影響記錄表（測(cè)試頻率為25kHz）

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表1中的記錄結(jié)果可以看出，在同樣泄漏量的情況下，當(dāng)閥門泄漏檢測(cè)裝置的頻率置于25kHz時(shí)，閥后和閥前的聲音量差值最大，其次是35kHz頻率點(diǎn)處，在15kHz頻率點(diǎn)時(shí)，兩者間的差值最小。因此，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在應(yīng)用閥門泄漏檢測(cè)裝置進(jìn)行本試驗(yàn)中的閥門泄漏檢測(cè)時(shí)，其測(cè)試頻率值應(yīng)置于25kHz的測(cè)試頻率處，以便得到最大的觀測(cè)值，也便于清楚地表達(dá)泄漏的情況。結(jié)合式（1）和閥門泄漏發(fā)聲的原理可知，閥門泄漏發(fā)聲與閥門的結(jié)構(gòu)形式、閥門的通徑大小都無(wú)關(guān)，而只用泄露孔徑的大小和閥門材料有關(guān)，船用閥門主體材料幾乎都為銅材，因此可以說(shuō)，對(duì)于船用閥門的泄漏檢測(cè)問(wèn)題，將測(cè)試頻率值置于25kHz處是合理的。

從表2可以看出，在閥門后管段內(nèi)沒(méi)有壓力，并且在同樣的泄漏量的情況下，管段內(nèi)的壓力越高，閥后和閥前的音量差值就越大，越利于應(yīng)用該裝置來(lái)檢測(cè)閥門的泄漏情況；在管段內(nèi)壓力一定，泄漏量變化的情況下，閥后、閥前的聲音量值呈減小的趨勢(shì)，在閥門完全關(guān)閉到緩慢開(kāi)啟，模擬泄漏的過(guò)程中，隨著閥門開(kāi)啟的越大，即泄漏量越大，閥后和閥前的聲音量差值就越大，但達(dá)到一定的開(kāi)度后，閥后和閥前的聲音量差值達(dá)到最大值，隨著閥門的進(jìn)一步打開(kāi)，閥后和閥前的聲音量差值開(kāi)始減小，限于試驗(yàn)條件，本試驗(yàn)沒(méi)有能夠摸索出從最大點(diǎn)開(kāi)始的具體變化情況，但是根據(jù)理論分析[2]，閥門完全打開(kāi)后，閥后和閥前的聲音量差值將幾乎沒(méi)有差別。

表3反應(yīng)出來(lái)的情況類似于表2的測(cè)試效果，也就是說(shuō)，管段后是否有水，并不影響閥門泄漏檢測(cè)裝置的使用，它使用的兩個(gè)約束條件是：閥后和閥前的壓力差值以及泄漏量的大小。從表2的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，該裝置對(duì)液體閥門微小的泄漏也能檢測(cè)到，這對(duì)某些特殊部位的關(guān)鍵閥門而言，是相當(dāng)重要的，它將可能的事故在萌芽狀態(tài)就檢測(cè)出來(lái)，以便盡早采取有針對(duì)性的措施。

4 結(jié)論

（1）本文研制了一種基于聲發(fā)射理論的、適用于船用閥門泄漏檢測(cè)的裝置，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)其檢測(cè)性能進(jìn)行具體的試驗(yàn)研究。該裝置具有便攜性強(qiáng)、操作方便、性能穩(wěn)定、可靠性高等特點(diǎn)，其最大的優(yōu)勢(shì)在于能檢測(cè)微小的泄漏。

（2）根據(jù)表1中的記錄結(jié)果可以確定，本文研制的閥門泄漏檢測(cè)裝置對(duì)水系統(tǒng)進(jìn)行泄漏檢測(cè)的頻率應(yīng)設(shè)定為25kHz。也就是說(shuō)，應(yīng)用閥門泄漏檢測(cè)裝置進(jìn)行閥門泄漏檢測(cè)時(shí)，將測(cè)試頻率調(diào)定為25kHz。

（3）根據(jù)表2和表3的試驗(yàn)結(jié)果，在閥后和閥前的壓力不低于1.0MPa、泄漏量不小于3.5 mL／s時(shí)，閥后和閥前的聲音量值的差值不低于2dB，有較明顯的泄漏聲，可以應(yīng)用本閥門泄漏檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)；當(dāng)閥后和閥前的壓力不小于3.5MPa、泄漏量不小于2.5mL／s時(shí)，閥后和閥前的聲音量值的差值在3dB以上，泄漏聲明顯，即可應(yīng)用閥門泄漏檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)。

（4）閥后管段內(nèi)是否有水壓，對(duì)測(cè)試效果沒(méi)有影響，影響測(cè)試效果的因素是閥后和閥前的壓力差值以及泄漏量的大小。

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