基于超聲阻抗識(shí)別的閥門(mén)填料密封氣體泄漏在線檢測(cè)*

郭遠(yuǎn)順 于新海 白 杉 尹朝林 張 濤

(1.華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200237；2.中廣核研究院有限公司 廣東深圳 518000；3.中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司 廣東深圳 518000)

隨著節(jié)能和環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，工業(yè)界對(duì)使用、制造或運(yùn)輸有毒、危險(xiǎn)流體介質(zhì)相關(guān)裝置中的揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)的逸散也越來(lái)越重視。VOC的逸散主要來(lái)源于閥門(mén)(占比43%)和管道及設(shè)備的法蘭(占比3%)[1]，而閥門(mén)的VOC逸散主要來(lái)自閥門(mén)閥桿的填料密封處。在線運(yùn)行的閥門(mén)所出現(xiàn)的故障或缺陷中，因填料失效而引起回路內(nèi)介質(zhì)外漏的事件占有很高的比例[2]。填料泄漏的主要原因是介質(zhì)分子對(duì)填料的6種作用形式，包括介質(zhì)分子的滲透泄漏(非界面)、介質(zhì)分子的“楔入”穿越(界面)、介質(zhì)分子的“全壓效應(yīng)”(界面)、介質(zhì)分子的撞擊力嵌入(氣體介質(zhì))、介質(zhì)分子的斥力擠出(液體介質(zhì))以及介質(zhì)分子的斥力擠入(液體介質(zhì))。若介質(zhì)分子對(duì)填料作用被阻止，即密封有效，未被阻止，則密封失效[3]。

目前閥門(mén)生產(chǎn)企業(yè)主要是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)“ISO/DIS 15848-1”，采用氦質(zhì)譜儀檢測(cè)閥桿填料密封泄漏率。但此方法只適合于閥門(mén)出廠試驗(yàn)，由于試驗(yàn)過(guò)程中需要包裹填料密封且需在閥門(mén)內(nèi)通入氦氣，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)閥門(mén)填料密封泄漏的在線檢測(cè)。在役的閥門(mén)填料密封泄漏檢測(cè)主要是基于光譜檢測(cè)儀或者分子濃度檢測(cè)儀。分子濃度檢測(cè)儀可以檢測(cè)閥門(mén)的微泄漏，但操作繁瑣、效率低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。對(duì)于高溫介質(zhì)的閥門(mén)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)也可以通過(guò)紅外熱成像儀對(duì)閥門(mén)填料密封泄漏進(jìn)行檢測(cè)，但這只是一種定性的方法[4]。孫銳等人[5]基于氫氣氣體傳感器對(duì)氫氣閥門(mén)填料密封泄漏進(jìn)行研究，但氣體傳感器對(duì)氣體具有選擇性，適用面較窄。戴文柏等[6]設(shè)計(jì)了一款用于閥門(mén)填料函泄漏量定量檢測(cè)的試驗(yàn)裝置，但該裝置復(fù)雜且不能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。張鷹等人[7]發(fā)明了一種純機(jī)械式氣體泄漏監(jiān)測(cè)裝置及方法，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸，不適合閥門(mén)密封在線的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。馬志剛等[8]將MEMS熱式質(zhì)量流量計(jì)與引漏管快速無(wú)泄漏連接，通過(guò)流量計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量了泄漏氣體的流量。但MEMS熱式質(zhì)量流量計(jì)加工工藝復(fù)雜，成本高。如何實(shí)現(xiàn)閥門(mén)填料密封氣體泄漏在線檢測(cè)一直是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，目前并沒(méi)有適用面廣、成本低、精度高的工業(yè)化技術(shù)方法。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文作者提出一種基于超聲阻抗識(shí)別的閥門(mén)填料密封氣體泄漏在線檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)收集閥桿處泄漏的氣體，使之通入檢測(cè)液體中產(chǎn)生氣泡，通過(guò)超聲傳感器識(shí)別氣泡的阻抗來(lái)對(duì)氣泡進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)氣體泄漏量的測(cè)量。文中搭建了基于高速攝像的氣泡上浮動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，系統(tǒng)研究了采用水和離子液體作為檢測(cè)液體對(duì)氣體泄漏檢測(cè)精度的影響，設(shè)計(jì)了超聲傳感信號(hào)采集和無(wú)線通訊的軟硬件系統(tǒng)，編制了APP程序，實(shí)現(xiàn)了閥門(mén)填料密封氣體泄漏遠(yuǎn)程在線檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 檢測(cè)原理和方法

文中設(shè)計(jì)的檢測(cè)方法，是通過(guò)將泄漏氣體引入到液體中產(chǎn)生上浮的氣泡，對(duì)氣泡進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)?yè)Q算成氣體流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏氣體流量的測(cè)量。氣泡的計(jì)數(shù)是通過(guò)安裝于矩形液體管兩側(cè)的超聲傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。超聲傳感器基于壓電晶片的壓電效應(yīng)，當(dāng)規(guī)律的電信號(hào)作用于壓電晶片，則壓電晶片產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，發(fā)出超聲波信號(hào)。當(dāng)超聲波信號(hào)作用于壓力晶片時(shí)，晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)可以被接收和處理。文中，超聲波發(fā)射探頭產(chǎn)生的超聲波信號(hào)穿過(guò)傳感器外殼、液體管的管壁、管內(nèi)液體后被接收超聲波探頭采集到；而液體中的氣泡改變了液體總體的超聲波阻抗，通過(guò)超聲傳感器可測(cè)量阻抗變化的次數(shù)；阻抗變化的次數(shù)對(duì)應(yīng)于經(jīng)過(guò)傳感器測(cè)量區(qū)域的氣泡數(shù)，因而可精確對(duì)上浮氣泡計(jì)數(shù)，從而獲得泄漏的氣體流量。

1.2 檢測(cè)流程

閥桿填料密封泄漏檢測(cè)裝置主要分為4個(gè)部分：(1)收集閥桿填料處泄漏的氣體，并將該氣體導(dǎo)入檢測(cè)用的液體管中；(2)氣體在液體管中形成大小適當(dāng)并穩(wěn)定上浮的氣泡；(3)通過(guò)超聲傳感器對(duì)氣泡進(jìn)行檢測(cè)；(4)接收超聲傳感器的信號(hào)，對(duì)氣泡進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)氣體外泄的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

圖1所示為閥門(mén)填料密封氣體泄漏在線檢測(cè)裝置示意圖。在閥蓋上加工有一個(gè)垂直于閥桿的通道和另一個(gè)平行于閥桿的通道，2個(gè)O形環(huán)分別組裝在閥蓋內(nèi)外表面，以確保泄漏氣體被通道收集。

圖1 閥門(mén)填料密封氣體泄漏在線檢測(cè)裝置示意Fig.1 Schematic of on-line detection of packing sealing leakage of valve

超聲波傳感器的直徑與厚度分別為8.0和1.0 mm，中心頻率為(50±1.5)kHz。當(dāng)氣泡通過(guò)超聲波傳感器所在區(qū)域時(shí)，傳感器接收到的電壓值為0，否則保持電壓4.3 V。

文中基于ATmega328單片機(jī)開(kāi)發(fā)填料泄漏實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。單片機(jī)采集傳感器信號(hào)，統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的低電平信號(hào)數(shù)量。檢測(cè)主要用到的單片機(jī)內(nèi)部資源包括IO口、EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行USART接口，以及發(fā)送用于數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)腉PRS模塊等。泄漏在線檢測(cè)服務(wù)端主要實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)部分：(1)基于Socket通信建立通信方式，接收從信號(hào)采集端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)；(2)基于MySQL建立數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)信號(hào)采集端發(fā)送到服務(wù)端的數(shù)據(jù)；(3)搭建Web服務(wù)器，用于實(shí)現(xiàn)泄漏的遠(yuǎn)程監(jiān)控，Web服務(wù)器在Linux系統(tǒng)上搭建，使用基于Python開(kāi)發(fā)的Django作為開(kāi)發(fā)框架；(4)搭建手機(jī)APP端，用于接收后端泄漏量數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)可視化。

1.3 檢測(cè)液體對(duì)氣泡上浮動(dòng)力學(xué)的影響

1.3.1 試驗(yàn)裝置的搭建

為選擇適合的檢測(cè)液體，同時(shí)確定矩形管的尺寸的合理性，對(duì)氣泡在水和離子液體中的氣泡上浮動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，裝置如圖2所示。裝填有檢測(cè)液體的矩形管長(zhǎng)8 mm、高80 mm、寬3～7 mm，材質(zhì)為有機(jī)玻璃。選擇空氣作為泄漏的氣體介質(zhì)，通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)來(lái)控制泄漏空氣的流量?？諝馔ㄟ^(guò)插入矩形流道的金屬短圓管(內(nèi)徑0.9 mm)進(jìn)入檢測(cè)液體管后形成氣泡。氣泡的上浮動(dòng)力學(xué)行為由高速攝像機(jī)(Mikrotron MC1310)記錄。

圖2 氣泡上浮動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental setup of bubble ascending hydrodyanmics

1.3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)中氣泡形狀、氣泡上浮速度計(jì)算所需測(cè)量參數(shù)如圖3所示。其中計(jì)算氣泡之間的距離時(shí)采用2個(gè)氣泡中心的距離。為了計(jì)算氣泡的當(dāng)量直徑，測(cè)量了氣泡的水平直徑和豎直方向的直徑。氣泡的距離、運(yùn)動(dòng)速度、形狀、當(dāng)量直徑計(jì)算公式分別如式(1)—(4)所示。

圖3 氣泡上浮動(dòng)力學(xué)測(cè)量參數(shù)含義示意Fig.3 Schematic of measurement parameters related to bubble ascending hydrodynamics

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：(xi，yi)和(xi-1，yi-1)是前后2個(gè)氣泡中心在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，i從0開(kāi)始，即第一個(gè)氣泡的坐標(biāo)為(x0，y0)；Δt為氣泡上浮相應(yīng)距離所需要的時(shí)間；dv和dh分別是水平直徑和垂直直徑；L是表示任意一個(gè)氣泡到第一個(gè)氣泡的距離；v表示相鄰兩個(gè)氣泡之間的平均速度；E是氣泡形狀參量；deq是氣泡的當(dāng)量直徑。

2 結(jié)果和討論

2.1 氣泡上浮動(dòng)力學(xué)

不同氣體流量下在水和離子液體[bmim]PF6中的氣泡照片如圖4所示。隨著氣體流量的增大，相鄰2個(gè)氣泡的間隔越來(lái)越小。不同氣體流量下，氣泡上浮過(guò)程中當(dāng)量直徑的變化如圖5所示。當(dāng)氣體流量從0.1 mL/min增加到5 mL/min，在[bmim]PF6中氣泡當(dāng)量直徑從3 mm增加到3.6 mm，增加了20%；相應(yīng)地在水中從3.4 mm增加到4.2 mm，增加了24%。水中氣泡的當(dāng)量直徑高于離子液體中，隨著氣體流量增加氣泡增大的幅度也更顯著。對(duì)于利用超聲波檢測(cè)氣泡而言，氣泡當(dāng)量直徑的穩(wěn)定將有利于泄漏氣體檢測(cè)精度的提高，在這方面離子液體優(yōu)于水。

圖4 不同氣體流量下氣泡在水和[bmim]PF6中的照片F(xiàn)ig.4 Photos of bubbles in water and [bmim]PF6 at different gas flow rates

圖5 水和[bmim]PF6中氣泡當(dāng)量直徑隨上浮高度的變化Fig.5 Bubble equivalent diameter as a founction of bubble ascending height：(a)[bmim]PF6；(b)water

氣泡的形狀因子E在氣泡上浮過(guò)程中的變化如圖6所示。E值接近1，氣泡的形狀也就越接近球形。當(dāng)氣體流量為0.1～5 mL/min時(shí)，在[bmim]PF6中氣泡E值為0.95～1.05，即氣泡的形狀是十分接近球形的。相應(yīng)地，水中氣泡E值在0.7～0.9之間變化，近似為橢球形。

圖6 水和[bmim]PF6中氣泡形狀因子E隨上浮高度的變化Fig.6 E as a founction of bubble ascending height： (a)[bmim]PF6；(b)water

氣泡位置偏移量隨氣泡上浮高度的變化如圖7所示。氣泡的位置偏移是以氣體入口中心線作為基準(zhǔn)來(lái)測(cè)量的。離子液體中氣泡的軌跡近乎成一條直線，而且隨著氣體流量的增大，軌跡的變化并不明顯，此趨勢(shì)與DONG等[9]的報(bào)道結(jié)果是基本吻合的。與離子液體不同，水中氣泡的軌跡是一條擺動(dòng)幅度明顯的曲線，隨著氣體流量的增大，軌跡的擺動(dòng)幅度明顯增大。這是由于當(dāng)水中的氣泡直徑大于一定值時(shí)，湍流渦旋脫離的不對(duì)稱(chēng)性將導(dǎo)致氣泡在振蕩路徑中上升；隨著氣泡直徑的增加，振蕩幅度也會(huì)增加[10]。氣泡在離子液體中上浮過(guò)程的擺動(dòng)幅度遠(yuǎn)低于在水中的擺動(dòng)幅度是由于離子液體的黏度遠(yuǎn)高于水。

圖7 氣泡偏移量隨高度的變化Fig.7 Deviation of bubble as a founction of bubble ascending height：(a)[bmim]PF6；(b)water

圖8給出了不同流量下氣泡在水和離子液體中的上浮速度隨上浮高度的變化，可見(jiàn)氣泡上浮速度隨著氣體流量的增大而增加。在離子液體中氣泡的上浮速度近乎勻速，而水中的氣泡速度隨著高度的變化產(chǎn)生了明顯的波動(dòng)，而且隨著流量的增大，波動(dòng)的幅度也越大；另外氣泡在水中的上浮速度遠(yuǎn)高于在離子液體中。在離子液體中，氣泡上浮速度穩(wěn)定有利于采用超聲波傳感器檢測(cè)單位時(shí)間上浮的氣泡數(shù)。

圖8 氣泡的上浮速度隨高度的變化Fig.8 Bubble as a founction of bubble ascending height： (a)[bmim]PF6；(b)water

當(dāng)泄漏氣體流量大于一門(mén)檻值時(shí)相鄰氣泡之間就會(huì)發(fā)生碰撞，甚至2個(gè)氣泡合并成一個(gè)氣泡。氣泡的碰撞和合并現(xiàn)象的發(fā)生對(duì)氣泡的計(jì)數(shù)無(wú)疑是不利的。氣體流量為8 mL/min時(shí)氣泡在水和離子液體中上浮運(yùn)動(dòng)如圖9所示。可以看出，在離子液體中出現(xiàn)了后一個(gè)氣泡追上前一個(gè)氣泡，發(fā)生碰撞后聚并的現(xiàn)象。張欣[11]也發(fā)現(xiàn)在離子液體中氣速增加會(huì)促進(jìn)氣泡發(fā)生聚并。而在水中，雖然也出現(xiàn)后一個(gè)氣泡追上前一個(gè)氣泡并且碰撞，但并未發(fā)生聚并。GUPTA和KUMAR[12]用格子玻爾茲曼方法模擬了氣泡上浮過(guò)程的聚并，發(fā)現(xiàn)上部氣泡留下的尾流導(dǎo)致下部氣泡的阻力降低，造成上下氣泡的相對(duì)速度不為0，2個(gè)氣泡之間的距離隨時(shí)間不斷減小最終氣泡接觸。DUINEVELD[13]研究了Weber數(shù)對(duì)氣泡聚并的影響，發(fā)現(xiàn)在純水中當(dāng)氣泡半徑小于0.71 mm時(shí)總是會(huì)聚集，這是由于小氣泡的上浮速度小且接觸時(shí)間長(zhǎng)，因此碰撞后不會(huì)反彈；當(dāng)氣泡半徑大于0.71 mm時(shí)，Weber數(shù)小于臨界值0.18時(shí)會(huì)發(fā)生聚并。在圖9中，水中的氣泡直徑大于3 mm，氣體流量為0.1、1、5 mL/min時(shí)Weber數(shù)分別為45.7、57.5和51.8，遠(yuǎn)大于0.18，所以氣泡不會(huì)聚并。

圖9 氣體流量為8 mL/min時(shí)氣泡在水和[bmim]PF6 中的上浮運(yùn)動(dòng)Fig.9 Ascending of bubbles in water and [bmim]PF6 with the leakage gas flow rate of 8 mL/min

由圖9可見(jiàn)，文中提出的基于超聲傳感器檢測(cè)氣泡來(lái)實(shí)現(xiàn)泄漏氣體的檢測(cè)方法適合檢測(cè)閥門(mén)填料的微小氣體泄漏，對(duì)于大量氣體泄漏檢測(cè)誤差較大。針對(duì)大流量，可研究氣體分流結(jié)構(gòu)，采用氣體旁路來(lái)分流大量的泄漏氣體，將微量的泄漏氣體引入到文中提出的檢測(cè)裝置中，事先標(biāo)定引入檢測(cè)裝置的氣體流量和旁路分流的氣體流量的比值，根據(jù)該比值可計(jì)算整體的氣體泄漏量。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的氣體分流結(jié)構(gòu)，可增加氣體泄漏檢測(cè)的范圍。

2.2 氣體泄漏檢測(cè)

根據(jù)圖4—9的結(jié)果，離子液體[bmim]PF6作為檢測(cè)液體相對(duì)于水具有如下優(yōu)勢(shì)：上升氣泡具更穩(wěn)定的等效直徑，氣泡更接近球形，上升軌跡更近似為直線，上升速度更穩(wěn)定。因此相對(duì)于水，采用[bmim]PF6進(jìn)行泄漏氣體檢測(cè)精度更高。此外離子液體[bmim]PF6在大氣環(huán)境下基本不揮發(fā)，熱穩(wěn)定性好[14]，非常適合工業(yè)閥門(mén)填料密封的在線泄漏檢測(cè)。以[bmim]PF6為檢測(cè)液體，基于圖1所示的閥門(mén)氣體泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置，在空氣泄漏量為0.088～1.83 mL/min范圍內(nèi)開(kāi)展空氣泄漏流量檢測(cè)。

安裝于液體管壁處的超聲波傳感器的兩個(gè)壓電晶片一個(gè)發(fā)送超聲波，另一個(gè)進(jìn)行接收。當(dāng)液體管的離子液體中無(wú)氣泡經(jīng)過(guò)超聲波傳感器所在區(qū)域時(shí)，接收到的超聲波信號(hào)幅值高，輸出高電平脈沖；當(dāng)有氣泡經(jīng)過(guò)時(shí)，超聲波信號(hào)幅值變低，輸出低電平脈沖。通過(guò)對(duì)輸出的電平信號(hào)的下降延進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)獲得氣泡的數(shù)量。按照公式L=n×V/T計(jì)算泄漏率，其中L為泄漏率，n為信號(hào)下降延數(shù)量，V為單個(gè)氣泡體積，T為計(jì)數(shù)周期。采用ATmega328單片機(jī)進(jìn)行電平信號(hào)采集和計(jì)算，通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎eb服務(wù)器。在Web服務(wù)端編制APP程序。氣體泄漏量數(shù)據(jù)從Web服務(wù)器發(fā)送至手機(jī)APP程序，通過(guò)手機(jī)或其他移動(dòng)終端可便捷地對(duì)閥門(mén)填料密封的氣體泄漏進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，如圖10所示，橫坐標(biāo)為當(dāng)前時(shí)間，縱坐標(biāo)為氣體泄漏量。通過(guò)設(shè)置氣體泄漏流量的預(yù)警和報(bào)警門(mén)檻值，實(shí)現(xiàn)預(yù)警和報(bào)警的微信提醒或者自動(dòng)語(yǔ)音電話撥打提醒。同時(shí)，泄漏檢測(cè)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)形成大數(shù)據(jù)，結(jié)合智能算法，有利實(shí)現(xiàn)閥門(mén)填料密封的預(yù)測(cè)性維修，帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

圖10 手機(jī)APP上實(shí)時(shí)顯示閥門(mén)填料密封的氣體泄漏量Fig.10 Real time display of gas leakage of valve packing seal on mobile APP

在閥門(mén)填料壓蓋引出管接入皂沫流量計(jì)，進(jìn)行泄漏氣體的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。結(jié)果如表1所示。采用基于超聲阻抗識(shí)別的氣體泄漏檢測(cè)方法測(cè)量的檢測(cè)值的誤差小于5%，表明文中檢測(cè)方法具有良好的檢測(cè)精度。

表1 閥門(mén)填料密封氣體泄漏測(cè)量誤差Table 1 Measurement errors of air leakage of valve packing seal

3 結(jié)論

(1)提出一種基于超聲阻抗識(shí)別的閥門(mén)填料密封氣體泄漏在線檢測(cè)方法，搭建了基于高速攝像的氣泡上浮動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)了超聲傳感信號(hào)采集和無(wú)線通訊的軟硬件系統(tǒng)，編制了APP程序，實(shí)現(xiàn)了閥門(mén)填料密封氣體泄漏遠(yuǎn)程在線檢測(cè)。

(2)采用水和離子液體作為檢測(cè)液體對(duì)氣體泄漏檢測(cè)精度的影響，結(jié)果表明，相對(duì)于水，離子液體[bmim]PF6上升氣泡具更穩(wěn)定的等效直徑，氣泡更接近球形，上升軌跡更近似為直線，上升速度更穩(wěn)定，因此采用[bmim]PF6進(jìn)行泄漏氣體檢測(cè)精度更高。此外離子液體[bmim]PF6在大氣環(huán)境下基本不揮發(fā)、熱穩(wěn)定性高，非常適合工業(yè)閥門(mén)填料密封的在線泄漏檢測(cè)。

(3)在空氣泄漏量為0.088～1.83 mL/min范圍內(nèi)，文中提出方法的測(cè)量誤差小于5%，具有良好的檢測(cè)精度。