天然氣管道機械閥門內漏流場聲學特性研究

王放 李正峰 姜波 詹一鳴 石陽

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403004

摘 要 以某天然氣管道機械閥門為研究對象，選取不同規格球閥，采用小波包方法對閥門的內漏聲學信號實施能量分析，獲取天然氣管道機械閥門內漏流場聲學信號特征值，并分析不同壓力下天然氣管道機械閥門內漏流場聲學特性參數對內漏流場的影響。結果表明：聲學特性相關參數（頻率峰值、均方根）均可作為天然氣管道機械閥門內漏檢測指標，實現天然氣管道機械閥門的內漏檢測。

關鍵詞 天然氣管道 機械閥門 內漏流場 聲學特性 小波包分析

中圖分類號 TQ055.8+1?? 文獻標志碼 A?? 文章編號 0254?6094（2024）03?0348?07

Study on Acoustic Characteristics of Internal Leakage Flow Field of

Mechanical Valves in Natural Gas Pipelines

WANG Fang1， LI Zheng?feng2， JIANG Bo2， ZHAN Yi?ming2， SHI Yang2

（1. Tianjin LNG Emergency Reserve Project Department， Beijing Gas Group Co.， Ltd.;

2. Beijing Gas Group （Tianjin） LNG Co.， Ltd.）

Abstract?? Taking a mechanical valve in the natural gas pipeline as the object of research， the ball valves with different specifications were selected， and the wavelet packet method was used to analyze energy of the valves internal leakage acoustic signals so as to obtain internal leakage flow fields acoustic signal eigenvalues of the mechanical valve， including analyzing influence of the acoustic characteristics parameters of the mechanical valve at different pressures. The results show that， the parameters related to acoustic characteristics（peak frequency and root mean square） can be used as the internal leakage detection indicators to realize mechanical valves internal leakage detection.

Key words??? natural gas pipeline， mechanical valve， internal leakage flow field， acoustic characteristics， wavelet packet analysis

作者簡介：王放（1979-），高級工程師，從事天然氣管道建設與運營、LNG接收站建設與運營、數字化與智能化的研究工作，wfang1979@yeah.net。

引用本文：王放，李正峰，姜波，等.天然氣管道機械閥門內漏流場聲學特性研究[J].化工機械，2024，51（3）：348-353;469.

機械閥門作為天然氣管道的核心部件，可控制天然氣管道內部介質的流向，保障天然氣管道安全運行[1]。當機械閥門因腐蝕出現泄漏時，不僅會污染環境，而且可能會引發爆炸，嚴重危害人們的生命和財產安全[2～4]。機械閥門的內漏原因比較隱蔽，極大地增加了機械閥門內漏檢測難度[5]，因此，研究機械閥門的內漏檢測方法，提高天然氣管道機械閥門內漏檢測精度至關重要。

目前，相關領域學者已經開展了天然氣管道機械閥門內漏檢測研究。陳德錦等研究了天然氣管道聲固耦合效應的聲振特性，該方法以聲固耦合為基礎，構建管道數學模型，利用參數計算方法，得出管道閥門聲振模態圖，按照該模態圖可以得到閥門內漏原因，但由于該方法計算復雜，導致其檢測效率較低[6]。張曼等研究了管道泄漏聲源特性，該方法構建了一個聲學CA模型，通過耦合數值方法分析溫度對管道閥門聲源特性的影響，但因該模型適應性低，導致研究結果不全面[7]。

聲學特性管道內漏檢測方法是根據管道內漏流場的噴流噪聲檢測內漏位置的，目前已在實踐中取得了較好的應用效果[8]。因此，筆者通過研究天然氣管道機械閥門內漏流場聲學特性，為機械閥門內漏檢測提供理論基礎，從而達到提高天然氣管道機械閥門內漏檢測精度，保障天然氣管道安全運行的目的。

1 試驗對象及方法

1.1 試驗對象

選取某天然氣管線中3種尺寸的機械閥門（尺寸為7 mm×7 mm的DN 100型球閥閥門、尺寸為11 mm×11 mm的DN 200型球閥閥門、尺寸為

15 mm×15 mm的DN 300型球閥閥門）作為試驗對象，開展天然氣管道機械閥門內漏流場聲學特性研究。該天然氣管線全長531 km，年輸氣量72億立方米，途經15個縣區，共設有機械閥門6 526個。試驗對象所屬管線基本參數見表1。

1.2 試驗設備及流程

天然氣管道機械閥門內漏流場聲學特性試驗設備包括機械閥檢測臺架與聲發射檢測系

統[9～11]。其中，機械閥檢測臺架具體設備及其性能參數列于表2，聲發射檢測系統設備及其性能指標列于表3。

試驗流程為：將待測機械閥門固定在管道上并關閉閥門，同時與聲發射檢測系統相連，通過夾具固定機械閥門和聲發射傳感器[12，13]。經減壓閥減壓后將氮氣輸入天然氣管道中，傳感器探針和天然氣管道壁觸碰，可檢測天然氣管道內上下游噴流聲強，同時管道內設置兩個待測點（圖1），通過分析待測點聲學特性檢測出天然氣管道機械閥門內漏情況。此時，內漏氣體流量通過流量計完成記錄，當天然氣管道內上下游壓力趨于穩定時，天然氣管道機械閥門內漏流場聲學信號可利用聲發射傳感器實現檢測。通過放大器放大內漏流場聲學信號，經數據采集卡將信號轉換成數字信號并傳輸至終端機，采用小波包分析[14，15]得出天然氣管道機械閥門內漏流場聲學信號特征值。

在天然氣管道機械閥門內漏流場聲學特性試驗中，初始化傳感器標定后，設置E、F點為待測

點，用夾具固定E點并將下游管線的F點與聲發射傳感器相連。在機械閥門上游施加不同壓力（3、6、9 MPa），下游放空。在不同壓力下調節機械閥門進行內漏模擬，每隔1 min記錄機械閥門壓力、聲發射傳感器時域信息，當壓力表顯示30 kPa時結束測試。采用氣體狀態公式求解機械閥門內漏流量后，通過分析提取聲學信號特征參數和內漏流量間的關系，得出試驗結果。

1.3 機械閥門內漏流場聲發射檢測原理

機械閥門內漏流場會產生聲學信號，通過選取聲學信號的相關參數指標（如泄漏孔隙、公稱直徑、均方根、功率譜密度、聲功率和頻率峰值）作為評價標準，提取檢測信號中可表示機械閥門內漏特征的信息，從而提高天然氣管道機械閥門內漏檢測效率。

選取聲學信號均方根作為評價標準，假設聲學信號內存在M個樣本，即y[0]、y[1]、…、y[m-1]，則均方根E計算式如下：

E=

y[m-1]

×（1/M）（1）

聲學信號的功率譜密度Q[k]也可表示天然氣管道機械閥門內漏特征，其計算式為：

Q[k]=（H/M）×|Y[k]|

=（H/M）×

y[m-1]exp-2π

k （2）

其中，H為采樣周期;Y[k]為聲學信號的離散傅里葉變換;k為聲學信號數量，0≤k≤M-1。

機械閥門內漏流場聲學信號的聲功率P與泄漏信號平均能量近似相等，其表達式如下：

P∝E（3）

內漏率O指數和均方根指數呈正相關關系，其關系式為：

lg E=d+blg O（4）

其中，b、d為系數。

頻率峰值P表達式為：

P=max[Y[k]]（5）

2 試驗及結果分析

2.1 聲學特征參數和內漏信號關系

為了提高天然氣管道機械閥門內漏檢測精度，利用小波包方法對檢測聲學信號實施降噪處理，機械閥門內漏流場聲學信號處理過程如圖2所示。

分析圖2可知，采用小波包方法對檢測聲學信號實施降噪處理后，可去除多余環境噪聲，保留有價值的信號，為機械閥門內漏檢測奠定了數據基礎。

對降噪處理后的機械閥門內漏流場聲學信號實施三層小波包分解，即將頻率為120 kHz的信號劃分為4個頻帶（分別為[3，1]、[3，2]、[3，6]、[3，7]），結果如圖3所示。

針對聲學信號功率譜密度在不同頻帶下的分布情況，在不同壓力下利用小波包實施能量分析，結果如圖4所示。可以看出，天然氣管道機械閥門內漏流場聲學信號能量主要集中在頻帶[3，2]和[3，6]中，即30～90 kHz之間，其中頻帶[3，6]的內漏信號最強。

2.2 聲學特征參數和內漏流場流量關系

在不同壓力（3、6、9 MPa）下，3種口徑機械閥門在[3，6]頻帶中聲學特征參數變化曲線如圖5～7所示。

分析圖5～7可知，在壓力作用下，不同尺寸球閥閥門的聲學特征參數（頻率峰值、均方根）均與天然氣管道機械閥門內漏流場流量成正比;當內漏流場流量上升時，閥門的聲學特征參數也隨之上升，壓力越大，閥門的聲學特征參數隨內漏流場流量增加的變化越明顯;這說明聲學特征參數——頻率峰值、均方根可作為天然氣管道機械閥門內漏檢測指標。

2.3 機械閥門泄漏孔隙對機械閥門內漏影響

在3種尺寸的機械球閥閥門密封圈上劃出不同尺寸的小口，泄漏孔隙橫截面積依次為DN 300球閥閥門>DN 200球閥閥門>DN 100球閥閥門。將機械球閥閥門重新安裝在天然氣管道上實

壓力測試，得出不同機械閥門泄漏孔隙與內漏流場流量關系曲線如圖8所示。可以看出，當壓力一定時，泄漏孔隙越大，則泄漏流場流量越大;當泄漏孔隙最大時，隨著壓力升高，機械閥門內漏流場流量線性增大，天然氣管道內漏流場流量最高達到32 L/min。

3種閥門在不同壓力下的能量變化曲線如圖9所示。可以看出，當天然氣管道壓力升高時，能量呈上升趨勢且有輕微波動;當壓力一定時，泄漏孔隙越大，則能量越高。

2.4 公稱直徑的聲音特性分析

設置進口壓力3 MPa，測試3種天然氣管道球閥在不同開度下，下游管道同一待測點上，閥門

流量關系曲線

開啟高度對內漏聲音強度的影響如圖10所。可以看出，3種閥門的開啟高度-內漏聲音強度曲線大體趨勢相同，均呈現先升高再下降最后趨于平穩的趨勢;當開啟高度一定時，公稱直徑和內漏聲音強度成反比關系，當開啟高度為4.2 mm時，DN 300閥門的內漏聲音強度最低，僅為11 dB。

3 結論

3.1 天然氣管道機械閥門內漏流場聲學信號能量主要集中在頻帶[3，2]和[3，6]，即30～90 kHz之間，其中[3，6]頻帶的內漏信號強度最強。

3.2 在相同壓力下，對于不同規格的球閥閥門，其聲學特征參數（頻率峰值、均方根）均與天然氣管道機械閥門內漏流場流量成正比，其中，均方根是最優秀的檢測機械閥門內漏流場聲學特性參數的指標。

3.3 泄漏孔隙尺寸與機械內漏流場流量、能量均成正比。

3.4 在開啟高度相同時，公稱直徑和內漏聲音強度成反比。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2022-12-15，修回日期：2024-04-29）