氣體管道泄漏聲源特性研究

閆成穩，韓寶坤，鮑懷謙，蔣相廣，牛家鵬

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氣體管道泄漏聲源特性研究

閆成穩，韓寶坤，鮑懷謙，蔣相廣，牛家鵬

(山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266590)

氣體管道泄漏聲源的特性決定了聲波法氣體管道泄漏檢測的精度和適應性。為探究氣體管道泄漏聲源的特性，建立了氣體管道泄漏的物理模型，研究了相應的聲波產生機理。分析了不同泄漏口徑、不同管道壓力下的泄漏聲源特性并與實驗結果進行了對比。結果表明：氣體管道泄漏產生的聲源以四極子聲源為主，泄漏聲波能量主要集中在50 Hz以下，聲壓級均值隨管道內壓和泄漏口徑的增大而增大。仿真結果與實驗結果對比表明，基于該仿真方法對輸氣管道泄漏的聲源特性分析是可行的。

氣動聲學；管道泄漏；聲波法；聲源特性

0 引言

使用管道輸送天然氣等氣體具有安全、經濟、高效、便于管理等優點，因此管道在氣體輸送中占有重要的地位[1]。但是由于管道設備的老化、地理條件的變化、人為破壞等原因，管道泄漏事故時常發生。為了最大限度地減小氣體管道泄漏帶來的人員傷亡、經濟損失和環境破壞，需要及時發現并準確定位泄漏點。目前，用于氣體管道泄漏的檢測方法主要有：負壓波法、分布式光纖法、質量/體積平衡法、低頻聲波法等，分布式光纖法鋪設成本高，維護困難；質量/體積平衡法誤判率高，定位精度差；負壓波法在液體管道中應用較多，但是由于氣體的可壓縮性大，輸送壓力范圍寬，泄漏時產生的負壓波相對于管道內原始壓力的波動不明顯，這就使得負壓波法在氣體管道泄漏檢測中失去了優勢；而聲波的傳播受管內壓力的影響相對較小，同時相對于低頻成分，高頻成分在傳播過程中衰減較快，不適用于遠距離檢測[2]。故次聲波法與其他方法相比，具有定位精度高、靈敏度高、監測時間短、誤報率低、適應性強等優點[3]。

鑒于聲波法泄漏監測技術的優點，國內外進行了大量的研究。Mostafapour A等[4]將管壁中傳播的泄漏聲發射信號應用于城市埋地高壓燃氣管道的泄漏檢測與定位中，并結合小波變換、數字濾波和互相換技術開發了一種新的泄漏檢測算法。Jirarungsatian C等[5]將聲發射技術應用于無法靠近的排水管道泄漏點的檢測中，在時域和頻域中分別分析了泄漏聲波信號和背景噪聲的特性。馮雪松等[6]使用供水管道泄漏聲信號的隨機性和頻譜分布特性作為泄漏特征，并提出使用樣本熵和功率譜分布特征的組合來識別供水管道的泄漏準確度最高。李帥永等[7]針對輸氣管道泄漏聲發射信號的頻散特性，提出了基于模態聲發射時頻分析的定位方法，有效地抑制了泄漏信號的頻散，提高了定位精度。但對于氣體管道泄漏聲源特性隨泄漏口徑和管道內壓的變化的研究還存在不足，進而影響檢測的精度和適應性。本文首先分析了氣體管道發生泄漏時聲波的產生機理，然后采用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法，計算出了管道泄漏流場，并采用Lighthill聲類比方法，對泄漏孔徑在5 mm及以下的氣體管道泄漏聲源特性進行了仿真研究，最后將仿真結果與實驗結果進行了對比，證明了仿真方法的可行性和仿真結果的準確性。

1 氣體管道泄漏聲波法檢測原理

氣體管道發生泄漏時，在管道內壓差的作用下，氣體從泄漏口噴射而出，產生強烈的速度和壓力脈動，從而產生以四極子聲源為主的氣動噪聲。Lighthill波動方程，從N-S方程出發，推導出了湍流流場中分布的聲源特性，描述了氣動噪聲的產生機理，Lighthill波動方程[8]如式(1)、(2)、(3)所示

氣體管道泄漏時產生的聲波信號，一部分沿著管壁傳播，但是由于管壁和外部介質(如土壤、空氣等)的互相作用，這部分聲波在傳播一定距離后就基本衰減掉了，另一部分則沿著管道內的氣體傳播，相比于高頻成分，低頻成分衰減比較慢，可傳播較遠距離，安裝在管道兩端的低頻聲波傳感器檢測到泄漏聲波后傳送給數據處理系統[3]。其中管道低頻聲波傳感器可采用變極距型電容式傳感器，傳感器安裝在管道內部，并不接收管壁的振動信號和管內氣體壓力的波動信號，這樣可以大幅提高系統的抗干擾能力；輸氣管道沒有發生泄漏時，傳感器將接收到的信號看做背景噪聲，當管道發生泄漏時，泄漏聲波信號和背景噪聲就會同時被傳感器接收，通過信號的變換和濾波[3]，提取并分析出泄漏聲波的特征量(如聲壓級、聲功率等)即可判斷泄漏是否發生以及泄漏口的大小、形狀。同時，根據兩端傳感器接收到同一泄漏信號的時間差及聲速，即可定位泄漏口。其基本原理如圖1所示。

圖1 聲波法氣體管道泄漏檢測原理

2 管道泄漏的模型建立

2.1 幾何模型建立與網格劃分

氣體管道泄漏模型如圖2所示，包括泄漏噴流區和管道內部氣體兩部分[9]，管道總長度為200 mm，管內徑為50 mm，壁厚為5 mm，泄漏口位于管道中間。采用ANSYS ICEM CFD軟件建立模型并劃分結構網格，為提高流場仿真的精度，對泄漏噴流區進行了網格加密，總的網格數量在55萬左右。如圖3所示。

2.1 流體仿真參數設置及結果分析

為進行聲學特性分析，需獲得泄漏噴流區的流速，故將CFD仿真分為兩部分：先采用標準-方程進行穩態計算初步得到穩態流場，然后采用大渦模擬(Large Eddy Simulation，LES)方程進行瞬態計算[10]，最終獲得泄漏噴流流場和泄漏噴流區流速，流場仿真模擬的關鍵參數設置如下：管道內介質為空氣，設定為可壓縮理想氣體，其溫度為22℃；管道壓力設置為0.3、0.4、0.5、0.6 MPa四種情況；管道入口邊界條件為壓力入口，管道出口邊界條件為壓力出口，泄漏口末端邊界條件為壓力出口；管道壁面為絕熱壁面，其粗糙度為0.05 mm，泄漏的氣體管道產生的聲波信號沿著管道內氣體傳播，聲波的高頻成分迅速衰減，低頻成分可傳播較遠的距離，所以本文研究了500 Hz及以下的低頻聲波的聲源特性。為了能精確獲得整個研究頻段上泄漏聲源的特性，瞬態CFD仿真時間步長設置為0.001 s，總共計算500步，每一步迭代200次。

圖2 管道物理模型

圖3 管道有限元模型

CFD瞬態計算過程中每一時間步輸出一個泄漏噴流區的流速數據文件，然后將這些流速文件一起導入到Virtual.Lab Acoustics軟件中，經過傅里葉變換后，便得到頻域的四極子聲源。完成從流場到聲場的數據轉移。

圖4和圖5是壓力為0.3 MPa、泄漏口徑為2 mm時，泄漏流場的速度云圖和壓力云圖。

從圖5可以看出，在泄漏口附近，管道壓力迅速由0.3 MPa降低至0.1 MPa，壓降區域比較小，但壓力脈動比較大，且在泄漏口中間處產生了負壓。在該處產生負壓的主要原因是：氣體繞過凸角會形成膨脹波系，流經膨脹波，氣體的壓力、密度、溫度都會進一步下降，流速則會進一步上升[11]。這也是在圖4中對應位置處噴流速度比較高的原因。且從圖4可以看出，在泄漏口附近的噴流速度比較高，最高已經到達380 m/s，屬于超音速流動。較高的噴流速度，較大的壓力脈動，將引起較大的氣動噪聲，這為基于聲波法的氣體管道泄漏檢測提供了可能。

圖4 泄漏口附近流場速度云圖

圖5 泄漏口附近流場壓力云圖

3 仿真結果及分析

3.1 場點選擇

泄漏噴流區為四極子聲源區域，管道內部為聲傳播的區域。但是由于管道泄漏口中心處的噴流速度太大，無法將聲波傳感器布置在泄漏口中心處，為與實驗結果進行對比，將場點設置在實驗過程中安裝傳感器的位置，其距泄漏口中心處的水平距離為50 mm，軸向距離和徑向距離均為0，如圖6所示，用虛擬麥克風對場點處的聲壓級進行監測。仿真結果表明，在該場點所測得的聲源特性與在管道泄漏口中心點處所測得的聲源特性是一致的。

仿真時將管道兩端面和泄漏口端面定義為無反射邊界條件。

圖6 仿真模型

3.2 仿真結果及分析

圖7和圖8分別為場點處在相同壓力、不同泄漏口徑和不同壓力、相同泄漏口徑下的聲壓級頻域特性，圖9和圖10分別為不同泄漏口和不同管道內壓下聲壓級均值的變化曲線。對仿真結果進行分析可得：

(1) 氣體管道泄漏聲源屬寬頻噪聲，但50 Hz以下的聲波能量較為集中，且頻率越低，聲壓級越高，聲波能量越高，聲壓級隨著頻率的增加而震蕩衰減。

(2) 氣體管道泄漏的聲壓級均值隨泄漏口徑和管道內壓的增大而增大，主要原因在于：泄漏口徑越大，泄漏速度越大，湍流強度也就越大，故聲壓級越高；管道內壓越大，泄漏口處的內外壓差越大，湍流強度越大，故聲壓級越高。

(3) 輸氣管道泄漏產生的氣動噪聲的聲壓級比較大，且隨著泄漏聲波的傳播，在管內氣體的黏性不太大且聲波頻率不太高時，聲波吸收系數和頻率的平方成正比[12]，故低頻聲波可傳播較遠的距離。所以采用低頻聲波信號來檢測輸氣管道的泄漏是可行的。

(a) 泄漏口徑2 mm ???? (b) 泄漏口徑3 mm

(c) 泄漏口徑4 mm???? (d) 泄漏口徑5 mm

圖7 不同泄漏口徑下聲源特性

Fig.7 Characteristics of acoustic source under different leakage apertures

(a) 管內壓強0.3 MPa???? (b) 管內壓強0.4 MPa

(c) 管內壓強0.5 MPa???? (d) 管內壓強0.6 MPa

圖8 不同管道內壓下聲源特性

Fig.8 Characteristics of acoustic source under different pipe pressures

圖9 聲壓級均值隨泄漏孔徑的變化曲線

圖10 聲壓級均值隨管道內壓的變化曲線

4 實驗驗證

為驗證仿真方法的可行性和結果的正確性，利用相似原理搭建了氣體管道泄漏聲源特性實驗系統，其原理框圖如圖11所示。

圖11 氣體管道泄漏實驗系統框圖

氣體管道泄漏實驗系統的管道為內徑50 mm、管壁5 mm、末端封住的無縫鋼管，在管道上等間隔布置直徑分別為2、3、4、5 mm的圓形泄漏口，兩孔間隔300 mm，管道兩端與泄漏口的距離均為500 mm。壓縮機、緩沖罐和減壓閥為系統提供壓力穩定的清潔氣源。

試驗過程：壓縮機提供的高壓空氣通過緩沖罐穩定并濾除多余的水分、雜質后，經過減壓閥和球閥輸送到管道中，最后從泄漏口處泄漏出去，調節減壓閥，使管道中的相對壓力分別為0.2、0.3、0.4 MPa和0.5 MPa，在不同的壓力下測量泄漏口徑分別為2、3、4、5 mm時泄漏聲源的頻譜特性，如圖12~15所示。

(a) 泄漏口徑2 mm????(b) 泄漏口徑3 mm

(c) 泄漏口徑4 mm????(d) 泄漏口徑5 mm

圖12 實測不同泄漏口徑下聲源特性特性

Fig.12 Measured characteristics of acoustic source under different leakage apertures

(a) 管內壓強0.3 MPa????(b) 管內壓強0.4 MPa

(c) 管內壓強0.5 MPa ????(d) 管內壓強0.6 MPa

圖13 實測不同管道內壓下泄漏聲源特性特性

Fig.13 Measured characteristics of acoustic source under different pipe pressures

圖14 聲壓級均值隨泄漏孔徑的變化曲線(實測)

圖15 聲壓級均值隨管道內壓的變化曲線(實測)

信號采集系統為LMS信號采集系統，數據采集前端為LMS SCADASⅢ數據采集箱，軟件為LMS Test.lab 9A；聲波傳感器為美國PCB公司的378B02自由場聲波傳感器，頻響范圍為3.75 Hz～20 kHz。

對比圖12~15和圖7~10可以看出，管道泄漏聲波頻譜特性的實驗結果與仿真結果是一致的。實驗結果較好地體現了仿真得到的泄漏聲源的特性，說明本仿真結果是比較準確的，可以為氣體管道泄漏聲波法檢測實驗平臺的搭建和泄漏定位系統的開發提供理論依據。但是仿真得到的聲壓級均值高于實驗得到的聲壓級均值，分析原因主要有：(1) 在仿真過程中定義的壁面粗糙度和實際管道的壁面粗糙度相比，存在一定的偏差；(2) 仿真過程中假設壁面類型為絕熱壁面，即不存在管道和外界空氣的熱交換，因而能量損失比實際管道要小。(3) 實驗過程中，空氣介質中存在水蒸氣、固體小顆粒等雜質，對試驗結果造成了一定的影響。

實驗結果和用四極子聲源作為泄漏聲波的聲源所獲得的仿真結果的良好一致性，也證實了氣體管道泄漏產生的聲源是以四極子聲源為主的。其主要原因在于，由于膨脹波的影響，在泄漏口中間位置處產生了負壓，且氣流的速度也比較大，導致泄漏口中的壓力和速度脈動比較大，進而產生了較大的以四極子聲源為主的氣動噪聲。

5 結論

本文針對氣體管道在不同壓力、不同泄漏口徑下的泄漏聲源特性進行了深入的研究，建立了泄漏氣體管道的物理模型。

通過對氣體管道泄漏流場的分析研究，發現:氣體管道泄漏口處的噴流速度已經超過聲速。故氣體管道泄漏聲源以四極子聲源為主。

在流場計算結果的基礎上進行了聲學計算，得到了場點處聲壓級的頻譜特性，并對不同壓力、不同泄漏口徑下的泄漏聲源特性進行了分析，發現：在50 Hz以下的低頻段泄漏聲波能量較高，聲壓級均值隨管道內壓和泄漏口徑的增大而增加，

通過與實驗結果的對比，驗證了仿真方法的可行性和結果的準確性。并進一步證實了基于次聲波法檢測氣體管道泄漏的可行性。

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Research on acoustic source characteristics of gas pipeline leakage

YAN Cheng-wen, HAN Bao-kun, BAO Huai-qian, JIANG Xiang-guang, NIU Jia-peng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, Shandong, China)

The acoustic source characteristics of gas pipeline leakage determine the accuracy and adaptability ofacoustic leak detection for gas pipelines. In order to explore the acoustic source characteristics of gas pipeline leakage, the physical model of gas pipeline leakage is established and the corresponding acoustic wave generation mechanism is studied. Then the acoustic source characteristics under different leakage apertures and different pipeline pressuresare analyzed and compared with experimental results. The results show that the acoustic source of gas pipeline leakage is mainly the quadrupole source and the generated acoustic energy is mainly concentrated below 50 Hz. The average value of sound pressure level is increased with the increase of pipeline pressure and leakage aperture. The comparison between the simulation results and experimental results shows that the simulation method is feasible toanalyze the acoustic source characteristics of gas pipeline leakage.

aero-acoustics; pipeline leakage; acoustic method; acoustic source characteristics

O429

A

1000-3630(2017)-02-0110-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.02.003

2016-04-08;

2016-07-18

山東省自然科學基金(ZR2012AM011)資助項目。

閆成穩(1989－), 男, 山東菏澤人, 碩士研究生, 研究方向為隔聲減噪與聲學應用。

韓寶坤, E-mail: bk_han@163.com