陈藜元，王玉峰，韩沁炜

（西华大学西华学院，四川成都 610039）

储罐是一种专门用于储备放置原油和液体化工原料及其产品的储存设备。由于其体积巨大、分布集中的特点，且化工产品大都具有一定的腐蚀性和危险性，一旦发生泄漏，将造成严重后果。因此，储罐的泄漏检测尤为重要。

目前大型金属储罐的常用检测方法有三类[1]，分别是常规检测、开罐检测和在线检测。其中，在线检测的声发射无损检测技术相对成熟，可以检测出储罐内部缺陷的情况。但由于其设备昂贵，对检测人员要求较高，尚不能广泛使用。

以上几种方法虽常见，但使用方法单一，优缺点明显。若将多种检测方法结合起来，则可以大大改变现有的检测情况，提高检测效率。本文采用将电子鼻和声发射无损检测相结合的方法，充分利用电子鼻的可实时检测，成本低廉的优点，以及声发射无损检测的精确性，来实现对储罐泄漏的检测。

1 泄漏检测方案

本文设计了一种以电子鼻为主，声发射无损检测技术为辅的检测方案，将多个气敏传感器按规律布置在大型储罐表面，通过气敏传感器所测得的气体浓度分析罐体是否发生泄漏，若发现泄漏，可将泄漏点的位置缩小至某一范围，再通过声发射探测仪器确定储罐缺陷的具体情况。

这种监测系统，可以在泄漏的第一时间发出警报，并将泄漏点的位置缩小到某一范围，可以大大提高查漏的效率，以便采取有效的补救措施。

2 检测方法介绍

2.1 电子鼻

电子鼻主要由三个部分组成：气敏传感器、信号预处理和模式识别[2]。

气敏传感器是电子鼻用来检测气体浓度和成分的基本元件。气体中的化学成分与敏感材料相互作用，气敏传感器将作用于活性材料上的化学输入转换为电信号。多个传感器对一种气体的响应构成传感器阵列对该气体的响应谱，这种响应谱就是气体的广谱响应谱[3]。

为了对气体进行定性或定量分析，需要对传感器上的信号进行预处理。即对传感器阵列传入的电信号进行滤波、交换和特征提取。通过预处理传感器的响应模式，可以实现漂移补偿、信息压缩和减少信号随样品波动。特征提取是最重要的步骤，常用的方法包括相对法、差分法、对数法和归一化法等。

模式识别是对特征提取后的信息进行进一步处理，以完成对气体信号的定性和定量识别，获取混合气体的组成和浓度信息。模式识别方法主要有统计模式识别技术、人工神经网络和进化神经网络。

2.2 声发射检测技术

声发射检测技术是一种动态的无损检测技术，它仅显示和记录扩展的缺陷，与缺陷的尺寸无关，并根据其危险程度对缺陷进行分类。

当材料或组件遭受断裂或内部应力超过极限，将经历不可逆的变形，并接收以瞬态弹性波形式释放的应变能时，可以应用声发射检测法。通过示波器，可以观察到连续且不规则的声发射波形，该波形具有由泄漏激发的小幅度波动。当罐体破裂时，弹性波将被释放并通过某种介质传播到材料或组件的表面，从而在表面上引起机械振动。此时，声发射传感器将表面的瞬时位移转换为电信号，然后放大，处理，记录显示波形和特征参数，最后进行数据分析和解释以评估声发射源的特性。一般而言，泄漏越多，激发信号的幅度越高。所使用的声发射传感器的频率越低，则泄漏源可以被监测得越远，但是它将受到环境噪声的影响。目前，它主要用于航空航天、石油化工、电力等行业的管道、阀门、集装箱和仓储。

3 电子鼻位置与泄漏点定位

3.1 气敏传感器分布影响因素

气敏传感器的优化分布直接影响着监测系统的响应速度和灵敏程度。

气敏传感器可显示出该位置的气体浓度，当储罐某点发生泄漏时，往往是离泄漏点最近的传感器首先检测到气体，即传感器的分布需要考虑气体的扩散。气体的扩散与很多因素有关，如温度、湿度、风向和气体本身的特性。温度越高，气体扩散越快，传感器检测到气体所需时间越短；当风向固定时，气体扩散不会保持泄漏点周围均匀扩散的特性，而是顺风扩散，因此位于泄漏点下游的传感器将更早地检测到气体泄漏；当泄漏气体密度大于空气密度时，气体下沉，而当泄漏气体密度大于空气密度时，气体上升。因此，对于不同的物质和不同的环境，气体传感器的位置是不同的。

气体传感器的分布不仅与气体和外部环境条件有关，而且与储罐的具体条件有关。

3.2 传感器分布

理想条件下，将储罐视为表面光滑的立式圆筒形储罐，由于重力原因，圆柱形罐壁主要受存贮介质的静液压力。静液压力由罐顶至罐底呈三角形分布，在储罐制作过程中，罐壁并不能从上到下逐渐增厚。罐底所受压力大，更容易出现化学品泄漏的问题。所以气敏传感器在大型储罐下部和底部分布较多。

气敏传感器采用三角定位分布，一圈等间距放置三个气敏传感器，每个探测器都可与离自身最近的探测器构成三角形，如图2所示。这种分布方法可以有效确定泄漏点，同时高效利用气敏传感器。

图2 气敏传感器分布立体图

实际生产中，大型储罐是由多块钢材焊接起来的，焊缝相比罐体更容易发生泄漏，而罐底承重压力大，又有接口等，风险最高。因此，在布置气体传感器时，在满足三角定位的条件下，传感器应尽可能地分布在接缝附近，如图3所示。

图3 储罐接缝图

3.3 泄漏点定位计算

3.3.1 理想情况下三角定位计算

在理想条件下，气体以泄漏点为圆心向四周扩散，气体浓度与扩散距离呈正态分布关系。假定泄漏点附近三个传感器A、B、C 第一时间检测出气体，且三个传感器测得气体浓度分别为X1、X2、X3。

因为ABC 第一时间检测出气体，根据气体扩散分析，泄漏点一定位于A，B，C 点组成的三角区域内。

若X1＞＞X2、X3，则泄漏点就在C 点附近S1范围内，如图4所示，直接采用声发射仪器进行探测，采取措施。

图4 泄漏点在C点示意图

若X3＞X1，X3＞X2，则判定泄漏点位于A，B，C 构成三角形的质心靠近点C 部分，再比较X1、X2，根据比较结果锁定泄漏位置。若X1=X2，则泄漏点到A，B 的距离相近，泄漏点位于S2区域；若X1＞X2，则泄漏点则泄漏点距A 点更近，泄漏点位于S3区域；若X1＜X2，则泄漏点距B 点更近，泄漏点位于S4区域，如图5。

图5 三角定位示意图

3.3.2 实际情况下三角定位计算

由于实际情况中存在风向和重力浮力等影响因素，离泄漏点近的气敏传感器不一定能先检测到气体。例如，风从右向左吹过泄漏点，虽然泄漏点右侧的气敏传感器A 离泄漏点更近，但气体随风向左扩散，离泄漏点更远的B 传感器却会更早检测出气体且浓度更大，这势必会对泄漏点位置范围的确定造成干扰，所以在定位过程中，需要考虑风向，且需考虑多个传感器。

图6 三角定位计算示意图

以两圈传感器组成的传感器网络为例，如图6，由A、B C、D、E、F 六个传感器组成，读数分别为X1、X2、X3、X4、X5、X6。（黑圆表示上层传感器A、B、D，白圈表示下层传感器C、E、F，三角形表示泄漏点的位置1、2、3、4）。

当泄漏点在1号区域时，由于罐体呈圆弧形，气体从1号处向两边扩散，六个传感器均有数值。

当泄漏点在2号区域时，由于风向，气体从2号区域向左侧扩散，仅有A、C 两个传感器有数值，且X3＞X2。

当泄漏点在3号区域时，仅A 传感器有数值。

当泄漏点在4号区域时，仅A、F 传感器有数值，且由于罐体遮挡，处于背风面，气体扩散受风向影响不大，所以可参考理想情况下的定位方法进行定位。

当X1、X2、X3、X4、X5、X6均有数值时，泄漏点位于区域1；当X1、X3有数值时，泄漏点位于区域2；当X1有数值时，泄漏点位于区域3；当X2、X3有数值时，泄漏点位于区域4，还可通过理想情况下的计算方法进一步缩小泄漏点所在范围。

4 结束语

1）气敏传感器按规律布置于储罐表面，实时检测化工气体浓度，当浓度超过安全值，开始发出警报，并通过所测气体浓度分析传感器与泄漏点的距离，利用三角定位算法确定泄漏点的大致位置，最后使用声发射仪器在此范围内检测，探明泄漏点情况。

2）三角定位法能较好地确定泄漏点的大致位置，将这种方法运用到电子鼻，即气敏传感器的气敏网络中，配合声发射检测法，来进行化工气体泄漏的检测。但是投入到使用还需要引入更多的变量，如气体特性、当地环境、储罐条件等，才能更好地进行检测定位工作。