超声波泄漏检测仪在船舶泄漏检测中的应用文献综述
2020-04-15 17:29:31
1、绪论
1.1目的和意义
随着我国海上军事技术及海运事业的日益发展，船舶安全问题被广泛关注。根据海事事故调查报告的统计，在已经发生的船舶事故中，由于管路系统出现故障而直接引起或间接引起的事故数不胜数[1]。
2000年3月，鲁黄渔9064号船在航行途中机舱着火，火势猛烈，船员在扑救无效情况下弃船逃生，船舶沉没。调查结果显示：该船燃油柜在巨大风浪作用下摇摆移位，拉动与之相连的燃油管路变形破裂，大量燃油泄漏，在柴油机排气管高温作用下被点燃，引发机舱失火，火灾蔓延以致无法扑灭，最终导致船舶沉没。2009年6月，上海吴淞口某挖泥船在作业过程中，柴油机压油管破裂，高压燃油喷射到柴油机缸盖上引起火灾并发生爆炸，造成船舶失控以及两名船员重伤的严重后果。由于船舶管道接口的断续性、管道自身材料的老化腐蚀和破损、船舶机械振动等原因，处在高温高压等极端工作条件下的船舶动力管系难于避免会出现故障。管路泄漏，轻者会导致设备失效、货物损坏，影响船舶正常航行和营运，重者甚至造成人员伤亡、沉没事故和环境灾难，因此对这一问题我们必须高度重视。
现有的管道泄漏检测方法在机理和技术方面存在着很大区别，目前并无统一的分类标准。根据测试设备和手段的不同，可分为“基于硬件的方法”和“基于软件的方法”；按照检测目标对象的不同，可分为“管壁参数检测法”、“泄漏介质检测法”和“流体参数检测法”；按照对管道运行的影响程度可分为“介入式检测法”和“非介入式检测法”等等[2]。分类结果如表 1-1 所示。
表 1-1管道泄漏检测方法
| 泄漏介质检测法 | 声光电磁检测法 | 流体信号检测法 | 人工智能检测法 |
| 空气采样法 放射物检测法 热红外成像法 光纤/电缆检漏法 | 应力波法 声发射检测法 超声波检测法 涡流检测法 漏磁通检测法 | 负压波法 压力/流量检测法 实时模型法 瞬变流检测法
| 统计决策法 小波分析法 频域分析法 希尔伯特变换法 互相关分析法 人工神经网络法 支持向量机法 |
但对于遍布全船的船舶管路系统，由于这些管系长期工作在恶劣环境中，船舶管系的工况环境使得其泄漏检测明显区别于其他管路，表现出很强的特殊性和复杂性，应用于传统管路的泄漏检测方法已经不能简单推广于船舶管系的故障检测。且由于现代船舶正向着“专业化”、“大型化”、“高度自动化”方向迅猛发展，大量特种船舶被广泛应用，加剧了船舶管系泄漏造成严重事故的风险，也对船舶泄漏检测提出了新的要求[3]：（1）泄漏检测灵敏性，管路发生泄漏时，能够检测管路的微小泄漏；（2）故障检测实时性，管路发生故障时，能够及时发现故障，并立刻发出故障警报；（3）故障检测准确性，管路发生故障时，检测系统能准确检测故障的发生，检测系统可靠性高；（4）检测系统易适用性，检测系统能适应各种环境，在恶劣的工况环境下，检测系统能够正常运行，即系统具有通用性；（5）检测系统的易安装维护性，在检测系统安装时，对安装要求低，当检测系统出现故障时，系统调整要简单方便。
面对这些新要求，传统的管道泄漏检测方法针对于船舶泄漏检测，均有些不足之处[4]：如易受环境因素的影响、检测周期过长、无法实时检测、连续性较差、成本及施行费用过高等等。超声波泄漏检测技术则以其超强的适应能力、较高的灵敏度、简单的操作要求、实时的故障检测、较低的成本费用且对人体、环境无害的优势，对船舶管系泄漏检测具有较高的适配性。超声波泄漏检测仪也作为超声检漏技术的成果，越来越广泛的应用于船舶泄漏检测之中。
在我国从世界海运大国向海运强国转变的当前，我们急需大力开展以保障船舶安全以及清洁海洋安全、高效、绿色航运为目标的科学研究。而作为影响船舶安全以及造成水域污染的重要因素，对于船舶管系泄漏检测的研究亦应倍受重视。作为船舶泄漏检测的新方式，探究超声波泄漏检测仪在船舶泄漏检测中的应用，对于保障船舶设备安全运转，提高船舶安全性能，保障船员的生命安全，降低船员的工作强度和改善工作环境，以及保护海洋环境和构建内河绿色航运体系等重大需求具有重要的现实意义。
1.2国内外研究现状
由于管道安全的特殊性，国外工业发达国家早在二十世纪五六十年代已投入大量资金，用于开展管道检测技术的研究[5]。但对于船舶管系检测来说，由于检测的复杂性，管道介质的多样性，管道所处地的多样性，以及泄漏形式的多样性，使得还没有一种简单可靠、通用的方法解决管道泄漏检测问题。但近年来，随着自动化仪表、计算机技术、微电子技术和数字信号处理技术等科技的飞速发展，为研制高效新型检测设备提供了有力的技术支持。目前，超声波泄漏检测作为新一代的泄漏检测技术，正逐渐的取代传统泄漏检测技术。超声波泄漏检测仪也作为新一代的泄漏检测仪器，以其更强的适应性、更高的灵敏度以及可实时获得检测结果等特点成为了主流泄漏检测仪器，为保证管道的安全运行、减少管道事故造成的危害和损失发挥了重大作用。
1.2.1国外发展状况
德国学者R.Isermann和H．Siebert经过多年研究[6]，提出将输入输出的流量和压力信号经过处理后进行相关分析的泄漏检测方法。该方法能够有效地检测出较小的泄漏，提高了检测的灵敏度和准确度，对以后的研究具有较大的启发意义。ToshioFukuda在1797年提出了一种基于压力梯度时间序列分析的管道泄漏检测方法[7]。南非占之创公司1985年开发了基于声谱分析技术的INSPECTAFFT锅炉管道监测系统。L．Billman和R．Ise[8]在1987年提出采用非线性模型的非线性状态观测器的方法。A．Benkherouf[9]在1988年提出卡尔曼滤波器方法，这类方法能够跟踪管道故障的变化，对管道中间状态也可以估计。荷兰的壳牌公司在90年开发了统计概率检测方法，该方法已集成化为一实际的应用软件(ATMOSPIPE)，成功应用于石油、天然气、液化天然气、化工成品等多种管道运输中。Witness[10]在2001年提出了采用频域分析的频域响应法该，方法相比于时域分析，具有节约计算时间，提高检测速度的优点。
关于超声波检漏仪器，目前世界上比较知名的生产公司有美国的UE[11]公司、比利时SDT[12]公司以及法国的Leakshoter[13]公司等。其中美国的UE公司，自1973年成立以来，便一直是公认的机载超声技术的全球领导者。例如其生产的 ULTRAPROBE 9000数位式超声波全功能检测仪[14]，该超声波泄漏检测仪可以侦听的频率范围为（20～100）kHz，响应时间小于10ms并可选声音扫描模式和听诊器模式。并且该超声泄漏检测仪的灵敏度非常高，可以在15.24m处探测到直径为0.127mm、压力为0.33kg的泄漏点。在特殊情况下，该系统还可选用型号UE-UFMTG-1991的360°全向超声波信号发生器，该信号发生器在内部设置有4组传感器，可以覆盖360°空间范围。另外，该信号发生器还设计了吸盘式底座功能，使用时可以将该超声波信号发生器固定到一处地方。目前，UE公司生产的多种超声波检漏仪，已从传统的模拟式检测系统发展到数字式检测系统，其ULTRAPROBE系列的超声波检漏仪经过产品的换代更新，也已发展到15000型号系列，集频率、温度、声压测试于一体，广泛应用于机械故障诊断、电气检查、压力容器检漏等方面。
目前[15]，随着计算机的广泛使用以及控制理论的发展，以软件为主，软硬件结合的泄漏检测方法逐渐成为当前研究的热点，如SCADA系统，一般由数据采集、数据处理、数据通信、数据存储及访问、人机界面等几个主要部分组成，可对多参量进行实时的监测。法国的Leakshoter公司生产的最新产品LKS1000超声波泄漏检测仪，便因其可视化功能以及超高分辨率、高动态测量范围、高精尖的灵敏度、广泛的应用、便捷的操作系统等深得全球广大用户的喜爱。
1.2.2国内发展状况
我国管道故障检测技术的研究则起步较晚，最早做的系统研究起步于20世纪80年代，我国一些科技人员在应力波法、负压力波法、管道实时模型法等方面进行了研究，但大部分技术处于引进国外先进技术消化吸收和自主研发配套的初级阶段。此后，随着我国经济与科学技术的发展，在系统仿真以及超声波泄漏检测等这些方面也开始发展起来。迄今，经过科研人员几十年不懈的努力，我国在超声的各个领域都开展了一些研究与应用，也都取得了一些成就，其中一些项目甚至已经达到了世界领先水平。关于超声波泄漏检测仪，目前国产的型号有UT100K,UT500SA,UT500等等。
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2. 研究的基本内容与方案
{title}2、基本内容
超声波泄漏检测技术，是利用超声波技术探测泄漏的方法，具有操作简便、快捷、环保和低成本的特点。其工作原理是，如果一个容器内或管道内充满流体,当其内部压强大于外部压强时,由于内外压差较大,一旦容器有漏孔,流体就会从漏孔冲出。当漏孔尺寸较小且雷诺数较高时,冲出气体就会形成湍流,湍流在漏孔附近会产生一定频率的声波,声波振动的频率与漏孔尺寸有关,漏孔较大时人耳可听到泄漏的声音,漏孔很小且声波频率大于20kHz时,人耳就听不到了,但它们能在空气中传播,被称作空载超声波。超声波是高频短波信号,其强度随着传播距离的增加而迅速衰减，并且超声波具有指向性。利用这些特征通过专业仪器即超声波泄漏检测仪，即可判断出正确的泄漏位置。
超声波泄漏检测仪其工作方式可分为被动态与主动态：当对输气管道进行实时检查时，可单独使用它，利用它捕捉气体泄漏时所产生的微小的超声波信号，即可判断出正确的泄漏位置。这种工作方式被称为被动态：而将超声波泄漏检测仪器的主机与超声波信号发生器配合使用时，可对被检查物进行非实时检查，即由超声波信号发生器 发射一定频率的超声波信号，一旦发生泄漏，超声波将由漏孔漏出，用超声波泄漏检测仪器的主机捕捉漏出的超声波信号，即可判断出正确的泄漏位置。这种工作方式被称为主动态。与被动态工作方式相比，主动态工作方式不适合于实时检查，但是具有更高的可靠性。
本文将从超声波泄漏检测仪入手，对超声泄漏检测技术的工作原理与工作方式进行解读，并对传统泄漏检测技术进行简要分析，与其进行对比，进而对船舶泄漏检测中的具体情形进行详细分析，认真探究超声泄漏检测技术在船舶泄漏检测中的应用情况。
4、参考文献
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[10]Witness·Sarah L·Gassman and M．HanifChaudhry．Leak Detection in Pipes byFrequency ResponseMethod[J]·Journal ofhydraulic engineering，2001，127(2)：134—147
[11]http://www.uesystems.com/
[12]https://www.sdtultrasound.com/
[13]http://www.leakshooter.co.uk/
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1．目的及意义1、绪论
1.1目的和意义
随着我国海上军事技术及海运事业的日益发展，船舶安全问题被广泛关注。根据海事事故调查报告的统计，在已经发生的船舶事故中，由于管路系统出现故障而直接引起或间接引起的事故数不胜数[1]。
2000年3月，鲁黄渔9064号船在航行途中机舱着火，火势猛烈，船员在扑救无效情况下弃船逃生，船舶沉没。调查结果显示：该船燃油柜在巨大风浪作用下摇摆移位，拉动与之相连的燃油管路变形破裂，大量燃油泄漏，在柴油机排气管高温作用下被点燃，引发机舱失火，火灾蔓延以致无法扑灭，最终导致船舶沉没。2009年6月，上海吴淞口某挖泥船在作业过程中，柴油机压油管破裂，高压燃油喷射到柴油机缸盖上引起火灾并发生爆炸，造成船舶失控以及两名船员重伤的严重后果。由于船舶管道接口的断续性、管道自身材料的老化腐蚀和破损、船舶机械振动等原因，处在高温高压等极端工作条件下的船舶动力管系难于避免会出现故障。管路泄漏，轻者会导致设备失效、货物损坏，影响船舶正常航行和营运，重者甚至造成人员伤亡、沉没事故和环境灾难，因此对这一问题我们必须高度重视。
现有的管道泄漏检测方法在机理和技术方面存在着很大区别，目前并无统一的分类标准。根据测试设备和手段的不同，可分为“基于硬件的方法”和“基于软件的方法”；按照检测目标对象的不同，可分为“管壁参数检测法”、“泄漏介质检测法”和“流体参数检测法”；按照对管道运行的影响程度可分为“介入式检测法”和“非介入式检测法”等等[2]。分类结果如表 1-1 所示。
表 1-1管道泄漏检测方法
