范玉楊，李 紅，李 季

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

在海洋石油平臺(tái)生產(chǎn)過(guò)程中，操作人員對(duì)氣體泄漏事故的重視程度越來(lái)越高，往往希望在設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠盡早盡快地發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)泄漏源。目前海洋石油平臺(tái)上常用的可燃?xì)怏w探測(cè)器為點(diǎn)式或開(kāi)路式紅外線原理的可燃?xì)怏w探測(cè)器，這種探測(cè)器易受風(fēng)向和氣體擴(kuò)散的影響。為了對(duì)氣體早期泄漏進(jìn)行檢測(cè)，以免形成更大泄漏氣云引起火災(zāi)和爆炸，通常選用不同原理的探測(cè)器作為報(bào)警探測(cè)結(jié)果的補(bǔ)充。

本文所闡述的超聲波可燃?xì)怏w探測(cè)器就是一種能夠?qū)怏w泄漏初期產(chǎn)生的微小泄漏進(jìn)行檢測(cè)的探測(cè)器。

1 現(xiàn)有氣體探測(cè)手段

目前海洋石油平臺(tái)上常用的可燃?xì)怏w探測(cè)器有2種:點(diǎn)式紅外氣體探測(cè)器和紅外線開(kāi)路式氣體探測(cè)器。

在石油和氣體行業(yè)內(nèi)，這2種氣體探測(cè)器作為常用的檢測(cè)手段，得到了認(rèn)可和接受。它們的設(shè)計(jì)均基于碳?xì)浠衔飼?huì)優(yōu)先吸收紅外線的原理。

這2種氣體探測(cè)器都需要有一定濃度的可燃?xì)饨佑|到氣體探測(cè)器 (50%或60%LEL爆炸下限)或是有一個(gè)阻斷光束通道的氣云 (極限值5LEL.M)，這種測(cè)量技術(shù)需要?dú)怏w聚集起來(lái)，并達(dá)到一定濃度或體積，然而在海上平臺(tái)的戶外環(huán)境中，加之風(fēng)力和風(fēng)向的影響，氣云會(huì)很快分散。

氣體泄漏事故調(diào)查表明，傳統(tǒng)的點(diǎn)式氣體探測(cè)器或是開(kāi)路式氣體探測(cè)器探測(cè)能夠探測(cè)到的泄漏事故概率大約為65%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和操作者在海上平臺(tái)的實(shí)際觀察經(jīng)驗(yàn)表明，在通風(fēng)良好的海上平臺(tái)，對(duì)于氣體的微小泄漏，點(diǎn)式和開(kāi)路式通常都無(wú)法探測(cè)到。

2 超聲波原理

超聲波的產(chǎn)生都是基于簡(jiǎn)單的自然現(xiàn)象，當(dāng)氣體通過(guò)很小的泄漏孔從高壓端向低壓端泄漏時(shí)，就會(huì)形成湍流，產(chǎn)出振動(dòng)，形成超聲波。

流體流動(dòng)可通過(guò)其雷諾數(shù)形式表示:

其中V表示流速，L為特性長(zhǎng)度因次，η為流體動(dòng)力粘性，ρ為流體密度。Re＜2000時(shí)，流體流動(dòng)成層流，Re＞4000形成湍流，2000≤ Re≤4000為過(guò)渡期。

典型的湍流氣流會(huì)在差壓高于0.2MPa時(shí)變成音速，超過(guò)0.2MPa就會(huì)產(chǎn)生超聲波。湍流分子互相碰撞產(chǎn)生熱能和聲能，熱量快速分散，但聲能可被傳送到相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，超聲波產(chǎn)生的振動(dòng)頻率分析顯示超聲波的范圍是從20kHz～100kHz這一寬頻譜［1－2］。

超聲波探測(cè)器就是通過(guò)收音裝置接收超聲波，并通過(guò)壓電元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

3 性能分析

3.1 探測(cè)范圍影響因素

實(shí)際應(yīng)用中，超聲波可燃?xì)怏w探測(cè)器的檢測(cè)范圍通常受泄漏孔大小、氣體壓強(qiáng)、氣體泄漏速率、氣體組分和背景噪聲大小的影響［3－4］。通常氣體壓強(qiáng)和組分是已知的，通過(guò)假定泄漏孔尺寸計(jì)算氣體泄漏產(chǎn)生的超聲波聲強(qiáng)，從而確定探測(cè)范圍，需要考慮以下幾個(gè)參數(shù)。

1)最大氣體泄漏速率。氣體泄漏速率受氣體壓強(qiáng)和裂縫大小的影響，是衡量危險(xiǎn)性氣體泄漏快慢的重要指示參數(shù)，在實(shí)際測(cè)量時(shí)通常采用公斤/秒(kg/s)。

2)氣體壓強(qiáng)。當(dāng)氣體從裂縫處泄漏時(shí)會(huì)產(chǎn)生超聲波。當(dāng)氣體從高壓強(qiáng)區(qū)流動(dòng)到低壓強(qiáng)區(qū)，超聲波便會(huì)產(chǎn)生并以聲速進(jìn)行傳播。因此，超聲波的強(qiáng)度以及探測(cè)器的探測(cè)范圍取決于氣體壓強(qiáng)和泄漏孔的大小。

3)超聲波背景噪聲。盡管超聲波氣體探測(cè)器探測(cè)的是高頻率的聲波范圍，但是在海上平臺(tái)的操作環(huán)境下仍然會(huì)有部分設(shè)備會(huì)發(fā)出超聲波。例如安全閥、氣動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作、壓縮機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)等，這些噪聲有持續(xù)的，也有間斷的，所以需要對(duì)背景噪聲進(jìn)行測(cè)繪，對(duì)間斷報(bào)警值進(jìn)行延時(shí)。

為了防止低頻的超聲波觸發(fā)報(bào)警器，必須知道其背景聲強(qiáng)。用背景噪聲檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)報(bào)警儀的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在海上平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，生產(chǎn)區(qū)域可以大致分為2大類(lèi):高噪?yún)^(qū) (70～80dB)和低噪?yún)^(qū) (40～69dB)。背景噪聲越高，探測(cè)范圍越小。

4)氣體組分。不同成分的氣體產(chǎn)生的超波波段不同也會(huì)影響探測(cè)范圍。

3.2 靈敏度

海上平臺(tái)的操作環(huán)境下壓縮機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)出的超聲波是連續(xù)的，所以要使用測(cè)繪工具測(cè)量背景噪聲，找出在正常運(yùn)行時(shí)不報(bào)警的最小靈敏度設(shè)置，通常超聲波氣體探測(cè)器有6個(gè)觸發(fā)等級(jí)，如表1所示。

表1 觸發(fā)設(shè)置和分貝數(shù)

建議要避免誤報(bào)警，在背景噪聲水平和觸發(fā)水平之間允許有至少6dB的數(shù)差，例如，如果測(cè)量到超聲波背景噪聲為60dB，超過(guò)這個(gè)值的最接近的觸發(fā)等級(jí)是64dB，那么觸發(fā)等級(jí)適宜定為74dB。

3.3 報(bào)警

探測(cè)器一旦探測(cè)到超過(guò)設(shè)定值的超聲波發(fā)生，便會(huì)報(bào)警。但在海上平臺(tái)的操作環(huán)境下，安全閥和氣動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作時(shí)常常發(fā)出相同頻段的超聲波，由于安全閥和氣動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作是不連續(xù)的，所以超聲波也是間斷的，但可燃?xì)怏w泄漏時(shí)發(fā)出超聲波是連續(xù)的。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，通過(guò)報(bào)警延遲定時(shí)器進(jìn)行延時(shí)即可排除這些誤報(bào)警。通?？稍O(shè)定延遲定時(shí)器的延遲持續(xù)時(shí)間分別為0 s、15 s、30 s和2min、4min、8min。例如設(shè)定延時(shí)時(shí)間為15 s，一旦儀表檢測(cè)到超過(guò)觸發(fā)水平的超聲波15 s后，儀表才會(huì)發(fā)出報(bào)警。

4 優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

4.1 優(yōu)點(diǎn)

1)不受風(fēng)向的影響。

2)不受氣體快速擴(kuò)散的影響。

3)可以進(jìn)行即時(shí)檢測(cè)，不必等到泄漏氣體濃度的累積。

4)可以測(cè)量快速泄漏的微小氣體，將危險(xiǎn)控制在初期。

5)可以通過(guò)模擬器和計(jì)算估算其檢測(cè)半徑，檢測(cè)范圍更有指向性，并于操作維修。

6)可以使用自檢裝置確認(rèn)預(yù)設(shè)的檢測(cè)半徑。

4.2 缺點(diǎn)

1)無(wú)法探測(cè)氣體的濃度的相關(guān)報(bào)警值，所以超聲波氣體探測(cè)器作為點(diǎn)式或開(kāi)路式氣體探測(cè)器的一種補(bǔ)充，用在高危區(qū)域探測(cè)事故初期的氣體泄漏更能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

2)受超聲波氣體探測(cè)器的原理限制，不能提供泄漏氣體的組分。

3)受原理限制，不適用于探測(cè)液體和混相介質(zhì)泄漏。

4)易受安全閥和氣動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的間斷超聲波影響。

5)由于探測(cè)范圍受氣體介質(zhì)影響，具有一定的復(fù)雜性，實(shí)驗(yàn)室很難模擬，所以探測(cè)范圍通常假定為100%甲烷進(jìn)行計(jì)算，具有一定的偏差。

5 超聲波可燃?xì)怏w探測(cè)器應(yīng)用實(shí)例分析

在南海某氣田已經(jīng)成功應(yīng)用了超聲波可燃?xì)怏w探測(cè)器，下面以此項(xiàng)目為例分析此類(lèi)探測(cè)器在工程實(shí)際應(yīng)用的探測(cè)范圍及效果。

5.1 論證探測(cè)效果

為了論證探測(cè)器的覆蓋范圍，確定探測(cè)器的布置位置，評(píng)估氣體泄漏速率的影響，確定報(bào)警值和延時(shí)時(shí)間。

1)以甲烷氣體為例，在74dB和84dB的背景噪聲環(huán)境下，管道內(nèi)流體壓力為7.15MPa下，分別對(duì)泄漏等級(jí) ＜0.1kg/s，0.1 ～1kg/s的工況下分析結(jié)果如下。

(1)背景噪聲＜74dB。泄漏速率為0.1kg/s，探頭可探測(cè)的有效半徑約為12 m;泄漏速率為0.03kg/s，探頭可探測(cè)的半徑約為8m。

(2)背景噪聲＜84dB。泄漏速率為0.1kg/s，探頭可探測(cè)的半徑8m;泄漏速率為0.03kg/s，探頭可探測(cè)的半徑4 m。

2)以甲烷氣體為例，在74dB的背景噪聲環(huán)境下，管道內(nèi)流體壓力為0.3MPa下，泄漏等級(jí)＜0.1kg/s工況下分析結(jié)果如下。

對(duì)于壓力小于0.3MPa的氣體泄漏，探測(cè)范圍縮小到約為半徑1 m。

5.2 探測(cè)器布置位置

經(jīng)過(guò)以上分析，在南海氣田項(xiàng)目中超聲波可燃?xì)怏w探測(cè)器主要布置在壓力高于3MPaG的氣體工藝流程設(shè)備區(qū)域附近，列舉如下:①斷塞流捕集器;②清管球收發(fā)球筒和相關(guān)管線區(qū)域;③天然氣氣滌罐區(qū);④天然氣壓縮機(jī)區(qū);⑤燃料器罐，泵及過(guò)濾器區(qū)。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前，有部分海上生產(chǎn)平臺(tái)和鉆井平臺(tái)安裝了超聲波可燃?xì)怏w探測(cè)器，相比點(diǎn)式和開(kāi)路式氣體探測(cè)器，超聲波探測(cè)器也表現(xiàn)出一些優(yōu)勢(shì)，但是聲學(xué)原理氣體探測(cè)器的應(yīng)用沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范依循，性能數(shù)據(jù)多出自于試驗(yàn)，有待完善，所以超聲波可燃?xì)怏w探測(cè)器不能完全替代傳統(tǒng)的點(diǎn)式或開(kāi)路式氣體探測(cè)器。如在海洋平臺(tái)上應(yīng)用超聲波可燃?xì)怏w探測(cè)器建議遵循以下幾點(diǎn)。

1)不建議參與邏輯關(guān)斷動(dòng)作。

2)建議每年進(jìn)行一次背景噪聲的測(cè)繪。平臺(tái)上后續(xù)增加設(shè)備后需進(jìn)行背景噪聲測(cè)試，以確定是否沿用原報(bào)警值和延時(shí)時(shí)間。

3)工藝流程介質(zhì)壓力變化會(huì)影響探測(cè)器的探測(cè)范圍。需在設(shè)計(jì)初期考慮平臺(tái)配產(chǎn)壓力變化后的覆蓋范圍。

4)建議每6個(gè)月進(jìn)行一次全功能檢查、測(cè)試。

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