液体阀门泄漏检测装置的研制及试验研究

廖庆斌 王晓东 胡必忠

武汉第二船舶研究所，武汉，430064

0 引言

液体阀门在船舶中大量使用，各种阀门泄漏危害表现越来越明显，因此液体阀门的密封检测显得尤为重要[1－2]。阀门的密封检测也称为阀门的泄漏检测，而阀门的泄漏可分为内泄漏（内漏）和外泄漏（外漏）。阀门不能严密的关闭而导致的泄漏称为内漏，常发生在阀座与运动件的接触面上。阀门外漏是指阀内介质直接漏到环境中。根据工程经验，对船上大量使用的各种阀门而言，阀门的外漏易于发现，发生概率相对较小，且易于发现和处理，对船舶的安全隐患也较小。船舶阀门最大的安全隐患来自于内漏，内漏不但难于发现，并且由于部分阀门安装位置的限制，检测工艺也难于开展，目前我国船舶阀门的内漏检测技术相对单一，工序烦琐，难于对船上所有阀门进行例行检查和应急检查。本文主要是对液体阀门的内漏密封检测装置的研制和试验。由于船舶中以水系统阀门占绝大多数，因此，本文以水系统阀门作为研究的对象。

目前，对承压高、安全性要求强的船舶液体阀门泄漏，只有依赖于扣罐打压、全船试水等传统工序来检查，检测代价高和检测时间长。这一现状的造成主要是因为在用阀门的微小内泄漏难于发现，并且目前常用的检测方法无法实现在线检测，需要离线进行，而且也不可能对每个阀门都同时进行检测。对哪些阀门要作重点检测，哪些阀门无需检测，哪些阀门是危险性大而急需检测更换的，判断起来缺乏科学依据，而船厂工人依据建造经验的判断和船员依据运行经验的判断有可能使真正危险的阀门得不到及时检测，这影响生产和船只的使用安全，对一些没有内泄漏的阀门进行拆卸更换还造成了浪费。

随着我国大吨位、高技术含量船舶的设计，船舶阀门的安全性更加凸显出来，开展船舶阀门密封检测技术研究，有利于提升阀门检测手段的技术含量，简化测试方法，改进传统烦琐的检测工艺，加快船舶的建造进程，为我国船舶设计的安全性提供技术保障。

1 样机简介

阀门泄漏检测装置采用基于声发射[3－5]的检测原理进行设计，为了适应船用阀门泄露检测的需要，所设计的船用阀门泄漏检测装置应具有便于在船上开展实时检测，即检测装置应具有较好的便携性，能适合船上的使用环境，检测结果直观，便于判断阀门是否发生了泄漏。由于目前国内暂无适用于船上使用的阀门泄漏检测装置[6]，因此，在该装置的研制和设计上，以装置检测的可靠性、稳定性和测试数据的有效性作为设计的首要目标。

1.1 阀门泄漏检测装置的检测原理

声发射原本是指材料内部因应力引起的能量在瞬间释放而产生的机械波，这种机械波按声波的规律传播。阀门泄漏时本身并不释放能量，因此，从严格意义上说，阀门泄漏所激发的应力波并不是声发射现象，但由于泄漏点液体在压力作用下，从阀门漏孔处激射而出时与阀体相互作用，在阀体上同样会激发出一定频率的应力，这种应力波带有阀门泄漏的信息，在阀门内以声速传播，从这个意义上讲，阀门泄漏所激发的应力波也可以认为是一种声发射现象。

液体从阀门泄漏孔泄漏出来的同时产生中心频率为f的超声波：

式中，v为射流速度；d为泄漏孔的直径；β为系数，一般取β＝0.2。

射流速度v与泄漏孔两端的压差成正比，压差变大且漏孔直径变小，频率峰值向高频移动。发射的声功率与射流速度v的8次方成正比。

1.2 检测装置的各组成部件

检测装置的核心部件是检测传感器，在检测传感器的研制上，采用了谐振式的高灵敏度的压电传感器，其典型的幅频特征函数为[7]

式中，fn为固有简谐频率；ξ为传感器的阻尼比；S为灵敏度。

为了提高传感器的灵敏度及信噪比，传感器的工作点取在其谐振频率点fn处。在本文检测装置的设计中，为了适用于检测频率可调以及在不同泄漏量的情况下灵敏度可调，在设计时将谐振频率点fn设计成可调的，同时灵敏度S也为可调的。

由于工作空间的限制，船上有很大数量的阀门安装在难于抵达的部位，这样给泄漏检测装置在船上的使用提出了空间上的要求，为了适用这种情况，在设计泄漏检测装置时，依据检测原理和声波传输的特点，在检测传感器的触点位置前设计了波导杆，波导杆由传声性能优良的钢材制造。在波导杆和主机的连接处，采用插入式插针连接方式，这种设计确保连接的可靠性和防水、防潮能力。在测试主机的设计上，考虑到所采用零部件的数量和质量以及加工难等情况，将主机设计成手持式枪式结构，质量约0.9kg，这使得在船上带着测试仪器进行泄漏检测不会带来太多的体力消耗。为了确保检测装置在不同的人使用时，其检测结果不发生差别，因此，在检测装置的输出方面采用了两种输出方式，一种是数字式LED屏显示，这种方式不同的人得到的结果是一样的；一种是用于辅助的声音输出方式，由于不同的人在声音的感知度上是不一样的，所以不同的人在使用检测装置时，得到的结论可能会有所区别，但是这种方式直观，并且专职人员通过训练后，将能比较准确地判断泄漏量的大小，所以在设计时保留了这种方式。在耳机的设计上，采用了能在检测时同时佩戴安全帽的高保真耳机设计。整个检测装置的组成如图1所示。

图1 检测装置组成图

1.3 泄漏检测装置的工作原理

图2是检测装置主测试部件（主机）的工作电路图。该部件由中央处理器和数字控制单元、显示屏、DB转换单元、差频振荡电路、振动增益放大器等元器件组成。

图2 检测装置的工作电路图

工作时，首先调定检测装置的测试频率（本测试装置的测试频率从20～100kHz可调），然后将波导杆接触到阀体和阀前的相应测试位置，得到输入信号，再通过DB转换、差频振荡电路、增益放大器等将超声波信号转换成听域信号，分别输出到LED显示屏和耳机上。

2 试验台架

为了对泄露检测装置进行试验验证，专门设计了相应的阀门泄漏测试试验台架，如图3所示，整套试验台架由模拟阀前水压的长3m、耐压4.5MPa的水管段，往水管段中打压用的打压泵，模拟阀前安装条件的焊接座板，用以测量泄漏量的支管段以及各个配套的阀门组成。

图3 试验台架图

为了便于表述，文中所述的测量位置中的阀后和阀前，分别对应于图4和图5。阀前也就是液体进入阀门的一端，阀后指的是液体通过截止阀后的一端，测试时，将检测装置的导波杆置于阀体上，泄漏声最大处，本文都统称其为阀后（或阀体）。

图4 阀后（阀体）测试位置

图5 阀前测试位置

3 试验结果及分析

3.1 试验情况概述

根据文献[5]关于声发射理论在阀门泄漏检测中的频率分析，以及应用本试验装置扫频测试的结果发现，液体阀门检测的理想频率段可能在20～40kHz之间的某个频率点上，虽然工程上有气体阀门泄漏检测的装置，但是关于液体阀门泄漏检测的装置，尤其是对泄漏率小的阀门泄漏检测装置未见报道。因此，本文的首要任务就是确定阀门泄漏检测装置在检测液体阀门泄漏时，其检测频率应该在哪一个频率点上，确定了泄露检测装置的测试频率点后，接下来就是确定阀后、阀前的压差以及泄漏量对检测性能的影响。

试验时，先将阀门（图3所示的截止阀B64050GB／T584－1999）调节到一定的开度，用泵保持耐压管段内的水压值固定在某一试验值，待泄漏端稳定后（将阀门开到一定开度后，等待约1～2min），测量支管段的泄漏量，可知这也就是阀门在这一开度下的泄漏量。由于试验时测量泄漏量的量杯最大容积为1.0L，因此，在较大泄漏量的情况下，测量时间会相应地短一些（具体测试情况参见以下各个试验记录表格）。

为了分析阀后管段内有水压是否对检测结果有影响，试验时构造了一种瞬态检测方法，以定性分析阀后管段压力的影响。为得到上述试验结论，试验过程如下：

（1）阀门泄漏检测装置测试频率的确定。将水管段内打压到不同的压力值，然后根据理论研究结论（对于液体泄流，其超声检测频率段主要在20～40kHz之间）和阀门调定的一定的泄漏量（试验时，泄漏量调节在5mL／s左右），进行测试频率的确定试验（对于同样的泄漏量，分别调节检测装置的测试频率）。试验记录表格如表1所示。

表1 测试频率对测试效果影响记录表

（2）阀门泄漏量和压力的变化对检测装置检测性能的影响试验。根据在上述试验中确定的测试频率，将阀门泄漏检测装置调定在试验得到的频率点，将试验管段内打压到不同的压力点（1.0～4.5MPa之间，每隔0.5MPa一个测试间隔点），然后调节不同的泄漏情况，检验泄漏检测装置的工作性能。试验记录表格如表2所示。

（3）阀后压力对阀门泄漏检测的影响试验。将阀后管段内充满不同压力（0.5MPa、1.0MPa）的水，检验阀门泄漏检测装置的工作性能。试验时，将阀前、阀后制造一定的压力差值后，试验人员根据开关阀门的经验将阀门开到一定的开度，在开阀时，用泄漏检测装置测量泄漏声。由于在这种条件下，测量阀门的泄漏量不可实施，因此，阀门开度难于评价，只能通过有无泄漏声来直观地表述。试验记录表格如表3所示。对于表1～表3中的试验记录数据，需要说明的是，对同一泄漏量，在维持压力不变的情况下，均进行了多次测试，由于每次测试中，阀前、阀后的声音量值会有1～2dB的差别，表中的数据，对于每一个流量值，都是经过不少于3次平均后得到的，尽量减小某一次测试的随机性。另外，试验时，为了确保耐压管段内压力保持不变，用电动打压泵打压，保持耐压管段内的压力不变，因此，在测量的时候，管段内的压力有±0.1MPa的变化，并且在不同的工况下，由于开启或关闭电动打压泵，或者电动打压泵的转速不同，都会使得背景噪声不同，因此测量时的数据会有一定的差别。

表2 泄漏量对测试效果影响记录表（测试频率为25kHz）

表3 阀后压力对测试效果影响记录表（测试频率为25kHz）

3.2 试验结果分析

根据表1中的记录结果可以看出，在同样泄漏量的情况下，当阀门泄漏检测装置的频率置于25kHz时，阀后和阀前的声音量差值最大，其次是35kHz频率点处，在15kHz频率点时，两者间的差值最小。因此，从试验数据可以看出，在应用阀门泄漏检测装置进行本试验中的阀门泄漏检测时，其测试频率值应置于25kHz的测试频率处，以便得到最大的观测值，也便于清楚地表达泄漏的情况。结合式（1）和阀门泄漏发声的原理可知，阀门泄漏发声与阀门的结构形式、阀门的通径大小都无关，而只用泄露孔径的大小和阀门材料有关，船用阀门主体材料几乎都为铜材，因此可以说，对于船用阀门的泄漏检测问题，将测试频率值置于25kHz处是合理的。

从表2可以看出，在阀门后管段内没有压力，并且在同样的泄漏量的情况下，管段内的压力越高，阀后和阀前的音量差值就越大，越利于应用该装置来检测阀门的泄漏情况；在管段内压力一定，泄漏量变化的情况下，阀后、阀前的声音量值呈减小的趋势，在阀门完全关闭到缓慢开启，模拟泄漏的过程中，随着阀门开启的越大，即泄漏量越大，阀后和阀前的声音量差值就越大，但达到一定的开度后，阀后和阀前的声音量差值达到最大值，随着阀门的进一步打开，阀后和阀前的声音量差值开始减小，限于试验条件，本试验没有能够摸索出从最大点开始的具体变化情况，但是根据理论分析[2]，阀门完全打开后，阀后和阀前的声音量差值将几乎没有差别。

表3反应出来的情况类似于表2的测试效果，也就是说，管段后是否有水，并不影响阀门泄漏检测装置的使用，它使用的两个约束条件是：阀后和阀前的压力差值以及泄漏量的大小。从表2的测试数据可以看出，该装置对液体阀门微小的泄漏也能检测到，这对某些特殊部位的关键阀门而言，是相当重要的，它将可能的事故在萌芽状态就检测出来，以便尽早采取有针对性的措施。

4 结论

（1）本文研制了一种基于声发射理论的、适用于船用阀门泄漏检测的装置，并设计了相应的试验台架对其检测性能进行具体的试验研究。该装置具有便携性强、操作方便、性能稳定、可靠性高等特点，其最大的优势在于能检测微小的泄漏。

（2）根据表1中的记录结果可以确定，本文研制的阀门泄漏检测装置对水系统进行泄漏检测的频率应设定为25kHz。也就是说，应用阀门泄漏检测装置进行阀门泄漏检测时，将测试频率调定为25kHz。

（3）根据表2和表3的试验结果，在阀后和阀前的压力不低于1.0MPa、泄漏量不小于3.5 mL／s时，阀后和阀前的声音量值的差值不低于2dB，有较明显的泄漏声，可以应用本阀门泄漏检测装置进行检测；当阀后和阀前的压力不小于3.5MPa、泄漏量不小于2.5mL／s时，阀后和阀前的声音量值的差值在3dB以上，泄漏声明显，即可应用阀门泄漏检测装置进行检测。

（4）阀后管段内是否有水压，对测试效果没有影响，影响测试效果的因素是阀后和阀前的压力差值以及泄漏量的大小。

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