不同泄漏孔部位的燃氣管道泄漏聲源特性

余蘇婷， 李堯斌

（安徽理工大學(xué)深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽淮南 232001）

0 引 言

利用管道輸送氣體或液體的方式，效率比較高，建設(shè)周期比較短，投資比較少，可全天候連續(xù)運輸，便于實現(xiàn)自動化［1-2］，在石油、天然氣等流體輸送中占有重要的地位。但是，各類管線因為一些設(shè)備老化、銹蝕，人為損壞及地理環(huán)境變化等原因，存在一定的安全隱患。管道一旦發(fā)生泄漏，后果不堪設(shè)想［3-5］。為了最大限度地減少由于管道泄漏造成的損失和危害，需及時發(fā)現(xiàn)并準確定位泄漏點。

在現(xiàn)有的泄漏檢測方法中，聲波法以其靈敏度高、檢測精度高、適應(yīng)性強等優(yōu)點得到了廣泛的研究和應(yīng)用［6-8］，并且，國內(nèi)外學(xué)者對管道泄漏聲波檢測進行了很多研究。為了研究聲波產(chǎn)生的機理，閆成穩(wěn)等［9］通過建立管道泄漏的物理模型并與實驗結(jié)果進行比較，分析了不同泄漏孔徑和不同管道壓力下的聲源特性，結(jié)果表明天然氣管道泄漏聲源主要為四極子聲源，且平均聲壓級與管道內(nèi)壓和泄漏孔徑成正比；黃雪馳等［10］基于風(fēng)速等因素建立了非穩(wěn)態(tài)泄漏模型，并對不同管道泄漏壓力和天然氣濃度邊界的非穩(wěn)態(tài)泄漏擴散進行了數(shù)值模擬，得出結(jié)論有管道泄漏壓力與泄漏擴散速度成正比，并且與天然氣濃度邊界達到穩(wěn)定所需的時間成反比；李堯斌等［11］基于聲波法對不同的泄漏孔形狀進行了實驗，分析了泄漏孔孔形對輸氣管道泄漏聲源特性的影響，得出不同孔形狀的泄漏聲源頻譜均在50 ～52 kHz 范圍內(nèi)具有突出頻響點；彭偉等［12］針對埋地燃氣管道泄漏進行了數(shù)值模擬分析，研究單個泄漏孔位置等不同因素下的泄漏擴散的影響，發(fā)現(xiàn)泄漏孔位于管道頂部和側(cè)部的擴散速度相似，而底部泄漏孔的擴散速度遠小于前二者。

目前聲波法已經(jīng)成為學(xué)者們的研究熱點，研究主要集中在對泄漏信號的分析處理以及進行泄漏定位這兩大方面，而對泄漏聲源特性的研究還比較少。并且在已有的研究中大多數(shù)學(xué)者傾向于采用數(shù)值模擬方法來進行管道泄漏研究，而且模擬條件大多都是理想情況下，但實際檢測中存在許多的外部因素。因此，本文采用聲波法來檢測不同泄漏孔部位的管道泄漏聲源信號，擬通過實驗來探究不同泄漏孔部位的燃氣管道單點泄漏聲波信號特性，分析泄漏聲源信號在不同工況下的時頻特性，以及平均信號電平值（Average Signal Level，ASL）、有效值電壓（Root Mean Square，RMS）等特征參數(shù)的影響規(guī)律。

1 燃氣管道泄漏聲源特性分析

針對燃氣管道發(fā)生泄漏時的聲源特性研究，以流體力學(xué)基本方程為基礎(chǔ)，進而得到N-S方程［13］：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；F 為單位質(zhì)量質(zhì)量力分布函數(shù)，N/kg為哈密頓算子；p為流體壓力，Pa；μ為黏性系數(shù)，N·s/m2；Δ 為拉普拉斯算子；v 為流體速度，m/s；t為時間，s。

為了更好地去研究泄漏流體的發(fā)生機制，在N-S方程的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出Lighthill方程［14］：

式中：ρ0為自由流體的密度，kg/m3；ui和uj為速度分量，m/s；τij為黏滯應(yīng)力；δij為克羅內(nèi)克符號；p0為流場靜壓，Pa；c0為聲速，m/s。

進一步在Lighthill方程的基礎(chǔ)上運用廣義函數(shù)推導(dǎo)出Ffowcs Williams & Hawkings方程（簡稱FW-H 方程）［14］：

式中：ρ′為氣體密度擾動量，kg/m3；a0為當?shù)芈曀伲琺/s；p′為聲壓，Pa；g 為廣義函數(shù)；δ（g）為狄拉克函數(shù)。氣體發(fā)生泄漏時聲源項即為上述等式右邊3 項，分別為由質(zhì)量變化引起的單極子聲源、表面壓力脈動引起的偶極子聲源和流體發(fā)生紊流運動引起的四極子聲源［15］。

由于燃氣管道泄漏過程非常復(fù)雜，其泄漏處產(chǎn)生的聲源信號主要由質(zhì)量變化及速度脈動和壓力脈動的共同作用所產(chǎn)生的［16］。

2 燃氣管道泄漏聲波實驗

2.1 實驗系統(tǒng)

燃氣管道泄漏實驗系統(tǒng)占地面積160 m2（16 m ×10 m），包括氣源控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和架空環(huán)狀管道模塊，實驗裝置的構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 實驗裝置示意圖

（1）氣源控制模塊。由空壓機、過濾器、除油器、儲氣罐、管道和電動球閥等組成。該模塊主要是給管道提供穩(wěn)定的氣體，控制實驗壓力。為了實驗室安全，本文采用的氣體均為空氣。

（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊。由INV3062 型分布式數(shù)據(jù)采集儀、聲波傳感器及BNC連接線等組成。該模塊主要是采集泄漏聲波信號。

（3）架空環(huán)狀管道系統(tǒng)模塊。由DN125 鋼管、泄漏孔閥、電磁閥等組成。實驗系統(tǒng)管道總長234 m，架空鋼管道共有4 環(huán)，環(huán)型內(nèi)徑1.45 m，直線邊長5 m，層間距35 cm。

2.2 實驗方案

本文主要研究單點泄漏，即位于管道頂部、側(cè)部以及底部泄漏孔位置的泄漏聲波信號對應(yīng)的聲波特征規(guī)律，示意的泄漏孔位置及實物如圖2 和3 所示。主要考慮圓形和矩形泄漏孔，根據(jù)面積相等的原則，圓形孔直徑為φ1.2 mm，矩形孔尺寸為1.2 mm×1 mm。

圖3 泄漏孔位置實景

我國城市燃氣管道壓力分為7 級，具體如表1 所示，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示城市燃氣的管道壓力一般采用的是0.5 MPa［17］，因此，本文選取的實驗壓力范圍在0.2 ～1.0 MPa 之間，研究不同泄漏孔位置（管道頂部、側(cè)部及底部）在不同泄漏壓力（0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa）和不同泄漏孔孔形（圓形孔、矩形孔）的泄漏聲源信號特性。具體實驗步驟如下：

表1 管道壓力分級

步驟1根據(jù)實驗所需的壓力，首先打開空壓機并通過調(diào)節(jié)減壓閥來確保儲氣罐內(nèi)的壓力符合要求，再將泄漏噴嘴安裝在泄漏點處，最后連接聲波傳感器和數(shù)據(jù)采集儀。

步驟2打開管道進氣口處的電動閥門，待管道中的壓力穩(wěn)定后，采集架空管道的背景噪聲信號。

步驟3按照實驗要求，每隔0.2 MPa 調(diào)節(jié)壓力閥控制出口壓力，等待管道中的壓力穩(wěn)定后，進行不同泄漏孔位置處的聲波信號的數(shù)據(jù)采集。為減少實驗誤差，每組數(shù)據(jù)重復(fù)采集3 次，取平均值。

步驟4待數(shù)據(jù)采集完成后，首先關(guān)閉管道的入口閥門，然后打開系統(tǒng)排氣裝置的電動閥門，以確保排出的氣體完全排出，最后關(guān)閉電源開關(guān)。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 時頻特性分析

圖4 和5 所示為0.2 MPa 下，圓形孔在不同部位處的時頻域圖。由圖4 可知，燃氣管道泄漏聲源信號均為連續(xù)性信號，時域波形相對穩(wěn)定。由圖5 及表2可知，不同泄漏孔位置泄漏的聲波響應(yīng)頻率不同。并可看出3 種泄漏孔位置下，均有2 個突出的聲波響應(yīng)頻率，分別為突出頻響點1、突出頻響點2，對于后者，可以看出無論是隨著壓力的變化還是位置的變化，頻率均沒有明顯的變化，所以這里不做過多的探討，主要分析突出頻響點1。對于矩形孔來說，亦同理所在，圖6 所示為不同泄漏孔孔形在不同泄漏孔位置處的突出頻響點隨壓力變化圖。

表2 圓形孔時不同壓力下各泄漏孔點位的聲波信號響應(yīng)頻率Hz

圖4 圓形孔時，0.2 MPa下不同泄漏孔位置的時域圖

圖5 圓形孔時，0.2 MPa下不同泄漏孔位置的頻域圖

圖6 不同泄漏孔孔形在不同位置的突出頻響點隨壓力變化曲線

由圖6 分析所得，當壓力一定時，圓形泄漏孔在管道側(cè)部的突出頻響點最大，頻響范圍在6 ～7 kHz；底部的次之，頻響范圍在4 ～5 kHz，頂部的最小，頻響范圍在0.5 ～1 kHz；就矩形孔而言，規(guī)律同樣適用，但頻響范圍有所不同，在管道側(cè)部的頻響范圍是4.5 ～5.5 kHz，底部范圍在3 ～4 kHz，頂部的范圍在1 ～2 kHz；同時，隨著壓力的變化，無論是圓形孔還是矩形孔，在管道頂部、側(cè)部及底部的突出頻響點均沒有明顯變化，影響忽略不計。

3.2 參數(shù)特征分析

由于燃氣管道的泄漏信號屬于連續(xù)性信號，還可通過參數(shù)分析法對泄漏聲源信號進行分析和處理［18］，本文選取ASL和RMS 這2 個參數(shù)特征值對所采集的泄漏聲源信號進行分析。圖7 和8 所示分別為不同泄漏孔孔形在不同位置處隨壓力變化的泄漏聲源信號的ASL、RMS的變化曲線。

圖7 圓形泄漏孔在不同位置處隨壓力變化的泄漏聲源參數(shù)特征值變化曲線

圖8 矩形泄漏孔在不同位置處隨壓力變化的泄漏聲源參數(shù)特征值變化曲線

由圖7 和8 可知，在泄漏孔位置一定時，圓形孔和矩形孔的ASL 和RMS 均隨著壓力的增大而增大，圓形孔的增長趨勢趨于一次函數(shù)，而矩形孔在泄漏孔位于管道側(cè)部和底部處增長較為緩慢；且當孔形一定時，2 個參數(shù)特征值大小相近，后者值略大于前者。當壓力一定時，圓形孔的ASL、RMS 在泄漏孔位于管道頂部時最大，管道側(cè)部時次之，位于管道底部時最小，且由數(shù)據(jù)分析表明，管道頂部的ASL、RMS 是管道側(cè)部二者值的1 ～3 倍左右，管道側(cè)部的ASL、RMS 與管道底部的值大小頗為相近；同時，當燃氣管道發(fā)生泄漏時，壓力在0.6 MPa及以下的管道外側(cè)泄漏點處參數(shù)特征值與管道底部泄漏點處的特征值接近，前者略大于后者；但壓力超過0.6 MPa時，管道側(cè)部泄漏點處的特征值小于管道底部的。其原因是當壓力較大時，管道底部泄漏點處的氣體會在管道底部匯集，從而導(dǎo)致管壁與氣體發(fā)生摩擦，引起強烈的速度脈動和壓力脈動；而對于矩形孔來說，2 個參數(shù)特征值均在管道頂部時最大，管到側(cè)部次之，管道底部最小。故在實際管道泄漏檢測中，可更多地關(guān)注管道的頂部位置。

4 結(jié) 語

本文通過燃氣管道泄漏聲波測試實驗平臺，開展了位于管道頂部、側(cè)部和底部泄漏孔部位的燃氣管道泄漏聲源特性實驗，結(jié)果表明：

（1）燃氣管道泄漏聲源信號均為連續(xù)性信號，時域波形較穩(wěn)定；且不同泄漏點部位處的泄漏聲波響應(yīng)頻率不同。

（2）當壓力一定時，圓形和矩形泄漏孔的突出頻響點均在管道側(cè)部最大，底部次之，頂部最小。

（3）當孔形一定時，在相同壓力下，ASL、RMS 2個值大小相近，后者值略大于前者；當壓力一定時，圓形孔的ASL、RMS 在泄漏孔位于管道頂部時最大，管道側(cè)部次之，管道底部最小；當壓力在0.6 MPa及以下時，管道外側(cè)泄漏點處參數(shù)特征值與管道底部泄漏點處的特征值接近，前者略大于后者，但超過0.6 MPa時，管道側(cè)部泄漏點處的特征值小于管道底部的；而對于矩形孔來說，兩個參數(shù)特征值均在管道頂部時最大，管道側(cè)部次之，管道底部最小。

本文研究結(jié)果對提高聲波法檢測管道泄漏的精度和適應(yīng)性具有重要意義，同時也為完善城鎮(zhèn)燃氣管道實時監(jiān)測系統(tǒng)提供了一定的理論依據(jù)。