气体泄漏检测装备新突破

文·图/王刚 方来华 韩毅 李战丽 杨裕云

气体泄漏检测装备新突破

文·图/王刚 方来华 韩毅 李战丽 杨裕云

中国安全生产科学研究院、北京中安科创科技发展有限公司的课题研发团队，打破国外技术垄断，最新研制出基于T2SL高性能制冷型红外探测器的防爆气体热像仪,可应用于易燃易爆有毒有害危化品气体泄漏检测。

近年来，随着石油、石化行业的迅猛发展，易燃易爆、有毒有害危化品气体的生产、储存、使用、运输过程中所面对的安全问题日益突出。由于石油石化行业大集群、大规模、大流通的产业特性，这些危化品气体一旦发生火灾、爆炸或泄漏扩散事故，极易造成大面积的群死群伤事故。2010年7月28日，南京市栖霞区幕府东路南京市第四塑料厂厂区丙烯管道泄漏，发生爆炸事故，并引发大火，事故造成10人死亡，120人受伤；2014年8月1日凌晨，台湾高雄市前镇区多条街道陆续发生可燃气体外泄，并引发多次大爆炸，造成32人死亡，321人受伤。这些事故都造成了巨大的生命和财产损失。因此，采用先进的技术装备对易燃易爆、有毒有害气体的泄漏隐患进行排查，可以从源头上杜绝同类事故的发生。在“科技兴安”战略的大背景下，国家也在不同层面的安全科技发展规划中，提出了相关装备的研制计划。

研究背景

目前最常用的危化品气体泄漏检测手段包括肥皂水法和声光报警法。肥皂水法几乎零成本，直观有效，但需要逐个部位涂抹观察，工作量大、适用性差；声光报警法借助于便携式定性检漏仪（多采用半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、NDIR红外气体传感器等）沿设备表面以一定的速度移动，对重点嫌疑部位的检测可配合局部包扎法，灵敏度高，但其需要反复比较验证才能确定漏气部位，工作量大，且移动不稳或现场环境复杂、风大时容易造成难以测量或者误报警。除此之外，上述2种传统方法最大的缺点是：操作人员必须亲自查看并检测每个潜在泄漏点，因此必须接触到每个器件进行检测。这会使检查人员面临潜在的危险，包括接触到肉眼不可见的潜在危害性化学物质、触电等危害。

随着红外技术和电子技术的发展，使得远距离、非接触式检测危化气体泄漏成为可能。目前国外已有相关技术和产品，并形成了市场垄断，国内尚无相关的成熟产品问世。

关键技术突破

针对我国危化气体泄漏的安全现状，中国安全生产科学研究院、北京中安科创科技发展有限公司的研发团队，提出了研制基于T2SL（二类超晶格，它是一种可应用于制造具有2～30μm截断波长的冷红外光子探测器的材料/技术）高性能制冷型红外探测器的防爆气体热像仪（以下简称“气体热像仪”）的科技攻关项目，用于易燃易爆有毒有害危化品气体泄漏检测。并获得了国家“十三五”重点研发计划课题的支持。

原理

图1 红外光谱图

图2 气体热像仪组成框图

温度高于绝对零度（-273.15 ℃或0 K）的任何物体均会发出红外辐射，易燃易爆、有毒有害气体同样会发出红外辐射。如图1所示，我们常见的气体，如苯、甲苯、乙醇、甲烷、乙烷、大部分VOC等气体的红外大气窗口约为3～5 μm，而SF6、氨气、三氯乙烯、醋酸等气体的红外大气窗口约为8～14 μm。依据这个特性，采用不同检测窗口的红外探测器，再结合先进的图像处理技术，可以设计出非接触式的热像检漏设备，从而克服传统检测方式的缺点，通过肉眼即可“看”到气体的泄漏点。

T2SL二类超晶格简介

红外焦平面探测器好比是气体热像设备的眼睛，它可以将泄漏的气体发出的红外辐射，转化为可处理的电信号，从而以图像的形式显示出来。二类超晶格在国际上被认为是第三代红外焦平面探测器的优选材料。T2SL（二类超晶格）是一种可应用于制造具有2～30 μm截断波长的冷红外光子探测器的材料/技术。波长范围包含了短波红外（SWIR），中波红外（MWIR），长波红外（LWIR）以及甚长波红外（VLWIR）波长带。这些波长带分别粗略定义为2～3 μm，3～5 μm，8～14 μm以及大于14 μm。T2SL具有优越的材料性能：能带结构可以通过组分、厚度以及应变多种方法进行调节，器件响应波长连续可调；量子效率高，暗电流小。与目前广泛使用的锑化铟、碲镉汞、单量子阱技术相比，二类超晶格材料具有成本低、背景限温度高、器件可在高于77 K的高温工作、噪声等效温差更低等特点，是一种具有优越性能的红外探测新材料。

热像仪组成

以T2SL高性能制冷型红外探测器为基础的气体热像仪组成框图如图2所示。其中红外探测器包括基于二类超晶格的焦平面阵列、读出电路、真空杜瓦结构、冷滤光片及制冷机等。红外图像经过探测器，将红外辐射转变为电信号，然后进入放大、滤波和A/D转换电路，输入高速DSP+FPGA红外图像处理板卡，然后通过显示屏将反映目标（泄漏气体）红外辐射分布的电子视频信号显示出来。系统采用了气体红外分子窄带鉴别技术、超高灵敏度被动红外成像技术、红外图像增强处理技术，同时系统还依据二类超晶格这种材料的红外响应曲线设计了合适的非均匀校正算法。

防爆设计

气体热像仪由于经常应用在检测易燃易爆气体泄漏的现场，故设计要充分考虑防爆性能。以厂用检测VOC类气体为例，依据GB3836-2001的要求，笔者认为设备的防爆型式为“隔爆兼本安型”比较合适；依据设备应用的气体环境和检测的气体类型，气体热像仪应达到ⅡB类设备标准。最终研制出的气体热像仪通过了国家专业机构的防爆检测，防爆等级为“Exd [ib]ⅡB T6 Gb”。

设备特性

图3 防爆红外气体热像仪可单人操作

图4 可检测的气体

图5 某化工厂液氨罐侧边阀门及其泄漏检测显示

图6 某成品油储罐呼吸阀及其正常泄漏检测显示

图7 某公司乙烯罐体上部安全阀及其泄漏检测显示

图8 某公司阀门丝杠下端及其乙烯泄漏检测显示

气体热像仪配合三脚架，无需繁琐的步骤，像DV一样，单人即可操作（见图3）。可根据所检测气体所处的红外大气窗口的不同，选取不同波段的红外探测器，可测的气体种类如图4所示。气体热像仪采用长焦红外镜头，可以在百米远距离对危化品气体的泄漏进行检测。检测精度高，即使是微小的气体泄漏，也可以清楚地观察到，并快速发现泄漏位置，消除安全隐患。气体热像仪采用了高亮度、高清晰度、多角度翻转的OLED液晶显示屏，和高亮度、高对比度的军用级OLED目镜进行观测，无论在室内还是室外都可以清晰看到泄漏图像。

由图5～8的几例应用案例可以看出，气体热像仪可以远距离检测到我们肉眼看不到的微小气体泄漏，并将其在显示设备上显示出来。这大大增强了具有易燃易爆气体泄漏风险企业的设备维护效率，并且增强了现场检测人员的人身安全。

发展前景

气体热像仪打破了国外厂家对相关技术的垄断。可以检测出天然气、VOC气体、烷类气体、油气混合气体、石化混合气体等气体的泄漏，可以应用在石油、石化等行业的罐体、管道等关键部位的气体泄漏检测上，具有灵敏度高、探测距离远、携带方便、检测气体种类多等优点。气体热像仪的应用，可以减少危化品对企业生产安全威胁，降低职业健康风险，减少由于爆炸性气体泄漏而发生的重大事故，减少生命和财产损失；可以减少泄漏气体对环境的污染；可以降低企业产品损失。气体热像仪必将在石油、石化、天然气等行业的安全生产中得到广泛应用。

编辑 赵 原