海洋石油平台超声波可燃气体探测器应用分析

范玉杨，李 红，李 季

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

在海洋石油平台生产过程中，操作人员对气体泄漏事故的重视程度越来越高，往往希望在设计过程中能够尽早尽快地发现危险泄漏源。目前海洋石油平台上常用的可燃气体探测器为点式或开路式红外线原理的可燃气体探测器，这种探测器易受风向和气体扩散的影响。为了对气体早期泄漏进行检测，以免形成更大泄漏气云引起火灾和爆炸，通常选用不同原理的探测器作为报警探测结果的补充。

本文所阐述的超声波可燃气体探测器就是一种能够对气体泄漏初期产生的微小泄漏进行检测的探测器。

1 现有气体探测手段

目前海洋石油平台上常用的可燃气体探测器有2种:点式红外气体探测器和红外线开路式气体探测器。

在石油和气体行业内，这2种气体探测器作为常用的检测手段，得到了认可和接受。它们的设计均基于碳氢化合物会优先吸收红外线的原理。

这2种气体探测器都需要有一定浓度的可燃气接触到气体探测器 (50%或60%LEL爆炸下限)或是有一个阻断光束通道的气云 (极限值5LEL.M)，这种测量技术需要气体聚集起来，并达到一定浓度或体积，然而在海上平台的户外环境中，加之风力和风向的影响，气云会很快分散。

气体泄漏事故调查表明，传统的点式气体探测器或是开路式气体探测器探测能够探测到的泄漏事故概率大约为65%。根据试验结果和操作者在海上平台的实际观察经验表明，在通风良好的海上平台，对于气体的微小泄漏，点式和开路式通常都无法探测到。

2 超声波原理

超声波的产生都是基于简单的自然现象，当气体通过很小的泄漏孔从高压端向低压端泄漏时，就会形成湍流，产出振动，形成超声波。

流体流动可通过其雷诺数形式表示:

其中V表示流速，L为特性长度因次，η为流体动力粘性，ρ为流体密度。Re＜2000时，流体流动成层流，Re＞4000形成湍流，2000≤ Re≤4000为过渡期。

典型的湍流气流会在差压高于0.2MPa时变成音速，超过0.2MPa就会产生超声波。湍流分子互相碰撞产生热能和声能，热量快速分散，但声能可被传送到相当远的距离，超声波产生的振动频率分析显示超声波的范围是从20kHz～100kHz这一宽频谱［1－2］。

超声波探测器就是通过收音装置接收超声波，并通过压电元件转换成电信号。

3 性能分析

3.1 探测范围影响因素

实际应用中，超声波可燃气体探测器的检测范围通常受泄漏孔大小、气体压强、气体泄漏速率、气体组分和背景噪声大小的影响［3－4］。通常气体压强和组分是已知的，通过假定泄漏孔尺寸计算气体泄漏产生的超声波声强，从而确定探测范围，需要考虑以下几个参数。

1)最大气体泄漏速率。气体泄漏速率受气体压强和裂缝大小的影响，是衡量危险性气体泄漏快慢的重要指示参数，在实际测量时通常采用公斤/秒(kg/s)。

2)气体压强。当气体从裂缝处泄漏时会产生超声波。当气体从高压强区流动到低压强区，超声波便会产生并以声速进行传播。因此，超声波的强度以及探测器的探测范围取决于气体压强和泄漏孔的大小。

3)超声波背景噪声。尽管超声波气体探测器探测的是高频率的声波范围，但是在海上平台的操作环境下仍然会有部分设备会发出超声波。例如安全阀、气动执行器动作、压缩机的叶轮转动等，这些噪声有持续的，也有间断的，所以需要对背景噪声进行测绘，对间断报警值进行延时。

为了防止低频的超声波触发报警器，必须知道其背景声强。用背景噪声检测仪进行检测，对报警仪的参数进行调整。在海上平台实际应用过程中，生产区域可以大致分为2大类:高噪区 (70～80dB)和低噪区 (40～69dB)。背景噪声越高，探测范围越小。

4)气体组分。不同成分的气体产生的超波波段不同也会影响探测范围。

3.2 灵敏度

海上平台的操作环境下压缩机的叶轮转动发出的超声波是连续的，所以要使用测绘工具测量背景噪声，找出在正常运行时不报警的最小灵敏度设置，通常超声波气体探测器有6个触发等级，如表1所示。

表1 触发设置和分贝数

建议要避免误报警，在背景噪声水平和触发水平之间允许有至少6dB的数差，例如，如果测量到超声波背景噪声为60dB，超过这个值的最接近的触发等级是64dB，那么触发等级适宜定为74dB。

3.3 报警

探测器一旦探测到超过设定值的超声波发生，便会报警。但在海上平台的操作环境下，安全阀和气动执行器动作时常常发出相同频段的超声波，由于安全阀和气动执行器动作是不连续的，所以超声波也是间断的，但可燃气体泄漏时发出超声波是连续的。根据这个特点，通过报警延迟定时器进行延时即可排除这些误报警。通常可设定延迟定时器的延迟持续时间分别为0 s、15 s、30 s和2min、4min、8min。例如设定延时时间为15 s，一旦仪表检测到超过触发水平的超声波15 s后，仪表才会发出报警。

4 优点和缺点

4.1 优点

1)不受风向的影响。

2)不受气体快速扩散的影响。

3)可以进行即时检测，不必等到泄漏气体浓度的累积。

4)可以测量快速泄漏的微小气体，将危险控制在初期。

5)可以通过模拟器和计算估算其检测半径，检测范围更有指向性，并于操作维修。

6)可以使用自检装置确认预设的检测半径。

4.2 缺点

1)无法探测气体的浓度的相关报警值，所以超声波气体探测器作为点式或开路式气体探测器的一种补充，用在高危区域探测事故初期的气体泄漏更能发挥优势。

2)受超声波气体探测器的原理限制，不能提供泄漏气体的组分。

3)受原理限制，不适用于探测液体和混相介质泄漏。

4)易受安全阀和气动执行器动作时产生的间断超声波影响。

5)由于探测范围受气体介质影响，具有一定的复杂性，实验室很难模拟，所以探测范围通常假定为100%甲烷进行计算，具有一定的偏差。

5 超声波可燃气体探测器应用实例分析

在南海某气田已经成功应用了超声波可燃气体探测器，下面以此项目为例分析此类探测器在工程实际应用的探测范围及效果。

5.1 论证探测效果

为了论证探测器的覆盖范围，确定探测器的布置位置，评估气体泄漏速率的影响，确定报警值和延时时间。

1)以甲烷气体为例，在74dB和84dB的背景噪声环境下，管道内流体压力为7.15MPa下，分别对泄漏等级 ＜0.1kg/s，0.1 ～1kg/s的工况下分析结果如下。

(1)背景噪声＜74dB。泄漏速率为0.1kg/s，探头可探测的有效半径约为12 m;泄漏速率为0.03kg/s，探头可探测的半径约为8m。

(2)背景噪声＜84dB。泄漏速率为0.1kg/s，探头可探测的半径8m;泄漏速率为0.03kg/s，探头可探测的半径4 m。

2)以甲烷气体为例，在74dB的背景噪声环境下，管道内流体压力为0.3MPa下，泄漏等级＜0.1kg/s工况下分析结果如下。

对于压力小于0.3MPa的气体泄漏，探测范围缩小到约为半径1 m。

5.2 探测器布置位置

经过以上分析，在南海气田项目中超声波可燃气体探测器主要布置在压力高于3MPaG的气体工艺流程设备区域附近，列举如下:①断塞流捕集器;②清管球收发球筒和相关管线区域;③天然气气涤罐区;④天然气压缩机区;⑤燃料器罐，泵及过滤器区。

6 结束语

目前，有部分海上生产平台和钻井平台安装了超声波可燃气体探测器，相比点式和开路式气体探测器，超声波探测器也表现出一些优势，但是声学原理气体探测器的应用没有相关的标准规范依循，性能数据多出自于试验，有待完善，所以超声波可燃气体探测器不能完全替代传统的点式或开路式气体探测器。如在海洋平台上应用超声波可燃气体探测器建议遵循以下几点。

1)不建议参与逻辑关断动作。

2)建议每年进行一次背景噪声的测绘。平台上后续增加设备后需进行背景噪声测试，以确定是否沿用原报警值和延时时间。

3)工艺流程介质压力变化会影响探测器的探测范围。需在设计初期考虑平台配产压力变化后的覆盖范围。

4)建议每6个月进行一次全功能检查、测试。

［1］龚其春.叶骞.刘成良，等.新型气体泄漏超声检测系统的研究与设计 ［J］.液压与气动，2005(3):75－78.

［2］李光海.王勇.刘时风.基于声发射技术的管道泄漏检测系统 ［J］.自动化仪表2002，3(5):20～24.

［3］王朝晖，张来斌，辛若家.声发射技术在管道泄漏检测中的应用［J］.中国石油大学学报，2003，31(5):87－90.

［4］李兆南.龚斌.林木，等.压力管道泄漏声发射信号频谱特性实验研究 ［J］.声学技术，2007(3).422～426.