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SF6 氣體泄漏檢測:紅外成像法與定量檢漏法的分工

來源:北京康高特儀器設備有限公司 發布時間:2026-09-17 16:01:12 作者: 瀏覽次數:1694次 分類:技術文章

文章概述: SF6 氣體泄漏檢測常被當成一件事,標準卻把它拆成了兩半。GB/T 11023-2018 在定義「檢漏」時說明,檢漏包括探漏和累計的泄漏量的測量。探漏管漏在哪里,累計泄漏量測量管漏了多少。二者對應不同的測量原理,也對應不同的現場作業方式。分工寫在定義里。 紅外成像法位于定性一側。DL/T 2224-2021 規定儀器檢測波段為 10μm 至 11μm、噪聲等效溫差不大于 0.05K、氣體探測靈敏度不大于 1μL/s,并對現場溫度、濕度、風速與檢測距離給出約束。風速在定點檢測環節不大于 1m/s 時效果良好,超過 1m/s 需覆蓋迎風面與背風面。它給出的是位置。量值要靠定量。 定量檢漏給出可與限值比對的漏率,四種方法分別是扣罩法、局部包扎法、壓力降法與掛瓶法。GB/T 11022 對 SF6SF6 混合氣體的封閉壓力系統規定,每個隔室相對漏氣率標準值為每年 0.5%。四種方法都依賴測量體積,體積估錯則漏率跟著偏。現場順序是先成像定位后定量測量,中間不能顛倒。

一、檢漏在標準中的兩條線

現場常把「SF6 檢漏」當成一件事來做。標準不這么看。

GB/T 11023-2018《高壓開關設備六氟化硫氣體密封試驗方法》在第 3 章定義「檢漏」時把它拆成了兩半,檢測漏氣點,檢測泄漏氣體濃度。同一條的注寫得更為直接,檢漏包括探漏和累計的泄漏量的測量。這個拆分不是文字游戲,它對應兩套完全不同的測量原理,也對應兩套不同的現場作業方式。

1、檢漏定義里的兩半

到 3.15 條,「探漏」的定義是圍繞充氣隔室緩慢移動檢漏儀的探頭,或者使用其他成像儀器,以定位漏氣點的行為。注中點出常用的成像探漏方法有紅外成像探漏法和激光成像探漏法等。

兩條定義把分工擺到了臺面上,探漏管的是「漏在哪里」,累計泄漏量測量管的是「漏了多少」。前者給位置,不給量值,后者給量值,不給位置。一臺儀器很難同時把兩件事做好,原因在測量原理上,不在制造水平上。兩者不能互換。定位靠的是對泄漏氣體的空間分辨能力,定量靠的是對氣體總量的時間積分,兩者對探測器的要求方向相反。

2、章節結構里的位置

標準的章節安排順著這條線走,第 5.1 節是定性檢漏,第 5.2 節是定量檢漏。GB/T 11023-2018 相對 1989 版的一項修訂,是在定性檢漏里新增了紅外成像探漏與氮質譜檢漏兩種方法,并在附錄 C 補入紅外成像探漏原理及圖譜示例。

紅外成像從進入這份標準起,位置一直在定性一側。這一點常被現場忽略,用成像法得到的圖,在標準體系里歸類為探漏結果,而不是漏氣率測量結果。歸類決定了它能做什么,也決定了它不能做什么。

二、紅外成像法的物理基礎

1、吸收波段、圖像對比度

SF6 分子在 10μm 至 11μm 這個波段有很強的吸收峰,空氣在這個波段的吸收要弱得多。兩者疊在一起,形成了紅外圖像上的對比度。

DL/T 2224-2021《電氣設備六氟化硫氣體泄漏紅外成像現場測試方法》把這個原理寫進了條款。儀器限定在 10μm 至 11μm 波段工作,用高靈敏度量子阱探測器被動感應該波段的輻射。泄漏出來的氣體在探測器上呈現為煙霧狀的流動影像。

2、被動成像的成像對象

這里的關鍵詞是被動,儀器自己不發紅外光,只是接收背景輻射穿過氣體柱之后剩下的那部分。氣體柱越厚、濃度越高,穿過去到達探測器的輻射越少,影像越暗。

所以屏幕上看到的是氣體的投影,不是氣體自身發出的信號。影子的深與淺,取決于氣體柱對外部輻射的吸收量,也取決于背景與設備之間的溫差。溫度毫無差別的一臺設備,氣體柱再濃也投不出影子。這條機理直接決定了兩件事,一是為什么要在有溫差的時段作業,二是為什么標準要求背景輻射均衡。機理并不復雜。

三、紅外成像儀的性能門檻

DL/T 2224-2021 對儀器性能列出了幾項硬指標,采購與驗收時可以直接照抄。

1、性能指標

檢測波段 10μm 至 11μm。噪聲等效溫差在環境溫度 25℃±5℃ 時不大于 0.05K,氣體探測靈敏度不大于 1μL/s。探測器分辨率不低于 320 乘 240 像素。幀頻不低于 50Hz。

這幾項里,氣體探測靈敏度與檢測波段容易被忽略。一臺測溫用的紅外熱像儀即使波段覆蓋了 10μm 至 11μm,也沒有氣體探測靈敏度這項指標。它看的是溫度分布,不是氣體柱的吸收。兩者在屏幕上都是灰度圖,含義完全不同,把溫度圖當氣體圖讀,得到的結論會完全跑偏。

測溫類熱像儀本身另有產品標準,GB/T 19870-2018《工業檢測型紅外熱像儀》規定的是這一類產品的性能要求,與 DL/T 2224-2021 面向氣體泄漏檢測的要求并不是一回事。選型時兩份都要看,一份管測溫性能,另一份管氣體探測能力。缺任何一份,選型依據都不完整。

2、功能配置與校準

功能方面,標準要求儀器具備視頻錄制與圖像拍攝能力,具備普通模式和高靈敏度模式兩種檢測模式,具備可見光圖像顯示、自動或手動聚焦、激光指示定位、多倍連續數碼變焦,以及本機存儲或輸出到外置存儲器的能力。

其中高靈敏度模式不是可選項,補氣周期偏長的氣室要靠它才能看到影像。儀器本身還需按周期送檢,超期未檢的讀數不應參與判定,這一條在定量側同樣成立。

3、儀器與方法的匹配

紅外成像儀與 SF6 泄漏檢測之間是綁定關系,不是通用設備換個應用場景的關系。儀器若不按 DL/T 2224-2021 的性能要求選型,測出來的影像既不能作為正式的探漏記錄,也無法與歷史數據在同一口徑上對比。選型時把標準給出的五項性能指標逐條列進核對表,逐項確認之后再進場作業,可以避免把一批無效數據混進設備檔案。這一步不能省。

四、紅外成像的現場條件

1、溫濕度、距離

DL/T 2224-2021 對現場環境提了明確約束,環境溫度在 -10℃ 至 +40℃ 之間,相對濕度不大于 85% 且無凝露,檢測距離在 0.5m 至 15m 之間。

2、風速的兩層要求

風速的條款分了兩層,檢測區域風速不宜大于 5m/s,而在定點檢測環節,風速不大于 1m/s 時測試效果良好。風速大于 1m/s 時,測試點應當包含迎風面和背風面,避免只掃一側而漏判。

3、天氣、光照

天氣與光照也有要求。應避免在雷、雨、霧、雪等天氣條件下開展測試,應避開太陽等強輻射源的影響,被檢測設備周圍應具有均衡的背景輻射。室內作業應避免強烈燈光直射被測目標,檢測前可通過開窗通風等手段增強室內氣流移動來改善檢測效果。

這幾條不是建議清單,它們直接決定當天能不能測。風速超標時影像會被吹散,強輻射背景下對比度會被壓掉,兩種情形都會把漏點變成看不見。到了這一步,繼續測下去只會得到一堆無法復核的圖片。

五、日常巡視與定點檢測兩級流程

1、日常巡視的檢測順序

DL/T 2224-2021 把測試分成兩個階段,日常巡視用普通檢測模式,按順序檢測密度繼電器、閥門管道、法蘭、罐體預留口、本體及死角。對補氣周期大于 3 個月的氣室,改用高靈敏度模式,發現異常后轉入定點檢測。

這個順序值得照著做,它不是隨意排的。排在前面的是密封面集中、裝配工藝復雜、振動影響大的部位,實測漏點也多發在這些位置。

2、定點檢測的動作要求

定點檢測的動作有講究。背景參照體應與被測設備具有較大的熱像色差,室外選擇大空作為背景,可以提高氣體泄漏圖像與背景的對比度。在安全距離允許的條件下,儀器應盡量靠近被測設備,使設備盡量充滿視場。應至少選擇三個不同的方位和角度對測試點進行測試。

數據修正環節要把環境溫度、空氣相對濕度、測量距離等補償參數輸入儀器。同時應記錄測試的視頻和圖片,必要時可調節焦距和放大倍數以獲得清晰的圖像。方位選得少,很容易把只在一個角度可見的漏點漏掉。

3、測試周期的依據

測試周期不由現場自行確定,DL/T 2224-2021 明確,紅外檢漏測試周期應遵守 DL/T 664 的要求執行。帶電設備紅外診斷的現行應用規范是 DL/T 664-2025,它的適用范圍已經包含 SF6 氣體泄漏紅外檢測。

六、定量檢漏的四種方法

GB/T 11023-2018 第 5.2 節給出四種定量檢漏方法,定義分別寫在術語章里。

1、扣罩法、局部包扎法

扣罩法把試品置于封閉的塑料罩或金屬罩內,經過一定時間后測定罩內示蹤氣體的濃度,通過計算確定相對漏氣率。局部包扎法把試品的局部用塑料薄膜包扎,經過一定時間后測定包扎腔內示蹤氣體的濃度,同樣通過計算確定相對漏氣率。

兩種方法的思路一致,都是把泄漏出來的氣體收集在一個已知容積里,再看濃度漲了多少。區別只在收集范圍,一個包住整臺試品,另一個只包可疑部位。

2、壓力降法、掛瓶法

壓力降法測定開關設備隔室在一定時間間隔內的壓力降,據此計算相對漏氣率。掛瓶法用軟膠管連接試品檢漏孔和掛瓶,經過一定時間后測定瓶內示蹤氣體的濃度。

兩者面對的場合不同,壓力降法適用于漏氣量較大的場合,不需要加裝罩體。掛瓶法適合有專門檢漏孔的試品。

3、共同的測量體積

四種方法都依賴一個共同參數,測量體積。標準把它定義為采集泄漏的密封罩與樣品之間的容積,并指出罩子一般不需要嚴密密封。定義后面還有一句提示,標準給出了獲得準確的測量體積的推薦方法。

這句話值得單獨記下來,四種定量方法的結果都按測量體積換算,體積估錯了,漏率跟著錯。標準特意為這個參數給出推薦測法,說明編制者清楚它是整條計算鏈上容易失準的一環。

四種方法還有一個共同前提,測試之前要有足夠的靜置時間。標準對充氣后的靜置時間與包扎后的時間做了統一規定,這兩項時間不滿足,示蹤氣體的濃度增量與實際泄漏量之間建立不起對應關系。現場為了趕工期壓縮這部分時間,等于把定量測量退回到定性判斷。時間換的是可信度。

七、漏氣率限值與判定口徑

定量檢漏要落到一個數上比對,這個數來自密封性能條款。

1、兩條限值線

GB/T 11022 對采用 SF6 及 SF6 混合氣體的氣體封閉壓力系統規定,每個隔室的相對漏氣率標準值為每年 0.5%。這是現場判超標的基準線。

封閉壓力系統之外還有密封壓力系統。GB/T 28537-2012 在引言中說明,密封壓力系統的密封性由其預期使用壽命規定,推薦取值為 20 年、30 年和 40 年。為滿足預期使用壽命要求,認為其年泄漏率小于 0.1%,這類設備在銘牌上往往標注為終身密封產品。

兩條限值的差別不只在數字上。封閉壓力系統按隔室考核漏率,密封壓力系統按預期壽命考核整體密封性,前者的失效表現為壓力下降需要補氣,后者在壽命期內不安排補氣。現場遇到過銘牌標注終身密封的隔室需要補氣的情形,那時預期壽命的前提已經不成立,繼續按原口徑考核會得出前后矛盾的結論,實際做法是退回封閉壓力系統的漏率限值重新比對。

2、三個速率、一個時間量

標準區分了兩個速率概念。相對年漏氣率記作 Fy,相對天漏氣率記作 Fd,前者用于年度考核,后者用于壓力變化較快或需要短周期判斷的場合。配套的還有一個補氣時間間隔 T,指壓力降至報警值時兩次人工補氣之間的時間間隔,它適用于封閉壓力系統。

這三個量放在一起才有意義,只報一個漏率而不給對應的壓力基準與溫度折算條件,讀數無法比對。現場記錄表上如果這三欄缺了任何一欄,后面的復核都做不下去。三欄缺一不可。

八、兩法能力邊界的量化推演

1、波段選擇性的折算

測溫型紅外熱像儀的常用工作波段是 7.5μm 至 14μm,跨度 6.5μm,SF6 氣體成像儀限定在 10μm 至 11μm,跨度 1μm。1 除以 6.5 約等于 15.4%。

在寬帶測溫儀接收到的輻射里,與 SF6 吸收直接相關的那部分只占約 15.4%,其余 84.6% 來自設備表面溫度、環境背景、大氣路徑,與氣體柱的濃度沒有對應關系。這個比值解釋了為什么覆蓋同一波段不等于具備氣體成像能力。波段重疊只是必要條件,不是充分條件。

2、限值之比、補氣間隔

0.5% 與 0.1% 之比為 5 比 1。同一個隔室、同一個壓降觸發閾值、忽略溫度起伏的前提下,兩者的補氣間隔也相差約 5 倍。若 0.5% 每年對應的補氣間隔是 12 個月,0.1% 每年對應的時間大致是 60 個月。

把 0.5% 每年折算成相對天漏氣率,約為 0.5% 除以 365,即每天 0.0014%。這個量級意味著,靠肉眼觀察壓力表在單個自然日之內的變化來判斷漏率,讀數會被溫度波動淹沒。壓力降法之所以要求按月監測,原因也在這里。

3、測量體積的傳遞

扣罩法的結果與測量體積近似成正比,若測量體積估小了 20%,算出的相對年漏氣率也會偏小 20%。真實漏率為 0.6% 每年的隔室,在體積估小兩成時可能讀到 0.48% 每年,讀數從超標一側落到合格一側。

這類偏差不會在現場報警,只會安靜地把結果推過判定線。四種定量方法里,依賴人工測量體積的兩種,都需要在這一步多花時間。

4、靈敏度與限值之間的落差

氣體探測靈敏度不大于 1μL/s,這是 DL/T 2224-2021 給出的儀器側門檻。相對年漏氣率 0.5%,這是 GB/T 11022 給出的設備側門檻。兩個數的量綱不同,一個按體積流量計,一個按氣體總量占比計,之間隔著隔室的容積與充氣壓力。

換算需要三組參數,隔室容積、額定充入壓力、環境溫度。現場常見的問題是拿儀器的探測靈敏度直接當判定依據,認為能看到 1μL/s 的泄漏便等同于合格。兩者不在同一坐標系里,這種比對沒有意義。

九、不確定度的分項拆解

把兩法合起來看,結果的不確定度可以拆成六項。

1、六項來源

風速與氣流擾動是一項,貢獻也大,它同時影響成像的可見性與定量法的濃度讀數,且現場只能在有限范圍內控制。

背景輻射溫差是第二項,它決定成像的對比度,溫差小則對比度低,弱漏點在影像上會被背景吞掉。

檢測距離與對焦是第三項,距離越遠,氣體柱在探測器上占據的像素越少,可分辨的濃度梯度越粗。

測量體積的估計是第四項,這一項只作用于定量法,但影響是線性的,前面已經算過。

環境溫度與濕度是第五項,漏率需折算到規定的基準溫度,溫度讀數與折算關系都會帶入誤差。

檢漏儀的校準狀態是第六項,儀器需按周期送檢,超期未檢的讀數不應參與判定。

2、偏差的方向

這六項里,前三項主要削弱成像法的定位可靠性,第四項與第五項主要影響定量法的數值可信度,第六項同時作用于兩者。分不清偏差來源時,把成像結果直接當漏率用,等于把前三項的不確定度全部加到了數值上。

合成時還有一層區別,成像法的偏差影響的是漏點有沒有被找到,屬于漏檢與誤檢。定量法的偏差影響的是數值落在限值的哪一側,屬于判定方向。前者可以通過多角度復測降低,后者只能通過校準與規范操作降低。

還有一種情形容易被漏掉,兩種方法都做了,記錄卻互不打通。成像記錄按部位編號歸檔,定量記錄按隔室編號歸檔,兩套編號對不上時,事后無法判斷某個漏點是否已被定量結果覆蓋。臺賬統一到隔室加部位的兩級編號,比對的時候才有抓手。編號要一致。

十、兩法的銜接順序

1、先定位后定量

常規做法是用紅外成像儀做一遍普掃,把可疑部位找出來。這一步速度快,覆蓋面大,能在設備帶電運行的狀態下完成。找到可疑點之后,再用定量方法測出漏率,與 0.5% 每年的限值比對,判斷是否需要處理。

成像結果本身不構成判據,影像上出現流動煙霧狀氣體,只能說明該處存在泄漏。漏率是否超標,要看定量結果。

2、反向順序的問題

定量法給出的是整個隔室的累計泄漏量,它不告訴你漏點在哪里。扣罩法適用于中小型設備,局部包扎法適用于大型產品或組裝單元,壓力降法適用于漏氣量較大的場合。這些方法各有適用面,但都不解決定位。

先定量后定位的做法也有代價,測出漏率超標卻找不到漏點,處理動作無法落地。補氣只是把壓力拉回去,密封缺陷還在原地,下一次壓力下降只是時間問題。

十一、四類常見誤用、糾正方向

一類誤用是拿測溫型熱像儀做氣體成像。這類儀器的波段可能覆蓋了 10μm 至 11μm,但沒有氣體探測靈敏度指標,也沒有與 SF6 吸收峰匹配的窄帶濾光片。用它們看到的溫度分布,與氣體柱濃度沒有對應關系。

二類誤用是只看成像不做定量,影像上的煙霧濃淡與泄漏濃度有關,但標準沒有給出由影像濃淡換算漏率的方法。以影像判定超標,缺少刻度。

三類誤用是忽視現場條件。風速超過 5m/s、強輻射源直射、檢測距離超過 15m,這些情形下得到的影像不能用,需要換時間或換方位重測。

四類誤用是不記錄環境參數。氣體泄漏的可見性依賴溫差與氣流,脫離溫度、濕度、風速、距離這些記錄,圖片無法復核,也無法作為后續對比的基線。

四類誤用有一個共同點,都把某一半的結論當成了整體結論。成像給了位置,定量給了量值,缺哪一半都判不了。

此外還有一種更隱蔽的用法,把一次成像未見異常當成全站合格。單次成像受當時風向、溫差、光照的影響很大,未見異常只說明當時未見,按周期復測的意義正在于此。一次說明不了全部。

十二、超標之后的處置順序

1、泄漏側的處置

定量檢漏判出漏率偏高,泄漏側的動作通常分兩步,先補氣或更換密封件,再復測定量漏率,確認處理有效。

2、氣體質量側的回核

補氣會帶入新氣,也會帶入管路里的水分與雜質,設備內部若曾發生過放電,還會留下分解產物。這兩件事不屬于泄漏檢測的范疇,屬于氣體質量檢測。

北京康高特(KGT)自研的司南 SF6綜合測試儀面向的是這一步,它的檢測項包括露點、SF6 純度、SO2、H2S、CO、HF、CF4,全參數檢測時間不超過 8 分鐘。露點量程 -60℃ 至 +20℃,精度 ±0.2℃,分辨率 0.01℃,SF6 純度量程覆蓋體積百分比 0 至 100,精度 ±0.5%。SO2 分辨率 0.1μL/L,CO 分辨率 0.1μL/L,H2S 分辨率 0.5μL/L,HF 分辨率 0.5μL/L,CF4 分辨率 1μL/L,整機防護等級 IP54,工作溫度 -20℃ 至 +55℃,重量 10kg,配 7 寸彩色觸摸屏,電池續航不低于 8 小時。

它不測漏點,也不出漏率。它的用途是在泄漏處置與補氣之后,核對氣室里的氣體還合不合格。順序上,先把漏點堵住,再談氣體質量。分工擺在這里。

十三、常見問題

1、紅外成像儀能測出漏率嗎

不能。DL/T 2224-2021 給出的是現場測試方法與儀器性能要求,影像呈現的是氣體柱的吸收投影。標準沒有給出由影像濃淡換算漏率的方法,漏率仍要由 GB/T 11023-2018 第 5.2 節的定量方法測定。

2、定量檢漏一定要停電做嗎

四種定量方法里,壓力降法依賴隔室原來的壓力變化,可以在運行中按周期監測壓力降。扣罩法、局部包扎法、掛瓶法需要加裝罩體或包扎材料,通常安排在檢修或停電期間。

3、風速對測試的影響有多大

標準給的邊界是檢測區域不宜大于 5m/s,定點檢測時以不大于 1m/s 為佳。風速大于 1m/s 時,測試點需要覆蓋迎風面和背風面,避免只測一側而漏判。

4、補氣周期長的氣室怎么測

按 DL/T 2224-2021 的日常巡視要求,補氣周期大于 3 個月的氣室改用高靈敏度模式檢測。這類氣室的漏率通常已經偏低,普通模式下的影像對比度不足。

5、漏率讀數的溫度基準是哪一個

相對年漏氣率的判定基準是折算到 20℃ 的標準大氣條件。現場讀數需按環境溫度與濕度修正,數據修正時應把環境溫度、空氣相對濕度、測量距離等補償參數輸入儀器。

6、成像法能不能替代定量法

不能。兩者的輸出物不同,一個是位置,一個是量值,標準把紅外成像放在定性檢漏一側,恰恰說明它不承擔定量職責。現場可以用成像法縮小范圍,判定仍要落到定量結果上。

7、四種定量方法怎么選

看試品尺寸與泄漏量。中小型設備用扣罩法,大型產品或組裝單元用局部包扎法,漏氣量較大時用壓力降法,有專門檢漏孔的試品用掛瓶法。選擇依據寫在各方法的適用說明里,不必自己推。

十四、結語

紅外成像法與定量檢漏法不是可替代的兩條路線,它們處理的是同一個問題的兩半。

成像法把漏點從一臺設備上找出來,速度快,覆蓋廣,能在運行狀態下完成。定量法把漏率變成可以比對的數,慢,局部,但給出判據。兩者的銜接順序是先定位后定量,中間不能顛倒。

現場真正容易出問題的地方,是把成像結果當成判據用。影像上的煙霧看著明顯,漏率卻可能仍在 0.5% 每年以內。反過來,影像上沒有明顯煙霧,也不等于漏率合格,這兩種情形都要走完定量那一步才能定論。順序對了,結論才站得住。

近年幾條標準的修訂方向是一致的,紅外成像被寫進定性檢漏的條款,定量方法被單獨列出并統一了時間規定。方法邊界劃清楚之后,現場把兩步做對的可能性自然提高。邊界清楚才好分工。

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