鋼管和PE管兩種燃氣管道的泄漏聲源特性分析

摘 要：【目的】分析鋼管和PE管這兩種燃氣管道的泄漏聲源特性。【方法】通過燃氣管道泄漏檢測實驗平臺，采用聲波法分別對PE管和鋼管進行聲源泄漏實驗。【結果】結果表明：在中、低壓條件下鋼管和PE管泄漏點處參數特征隨著管道壓力的增大而增大；當壓力和孔徑一定時，鋼管泄漏的時域幅值比PE管泄漏時大；當壓力和孔徑一定時；鋼管的ASL、RMS值均大于PE管。【結論】實驗結果有助于預防管道泄漏，可為城鎮燃氣管道泄漏檢測提供理論支持。

關鍵詞：燃氣管道；聲波法；泄漏檢測；泄漏聲源特性

中圖分類號：TE973" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）23-0086-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.23.018

Characteristic Analysis of Leakage Sound Source of" Steel Pipe and PE Pipe

FAN Zhaohui LI Yaobin

（Anhui University of Science and Technology， State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Control in Deep Coal Mines， School of Safety Science and Engineering， Huainan 232001， China）

Abstract： [Purposes] The characteristics of leakage sound source of two kinds of gas pipelines， steel pipe and PE pipe， are analyzed. [Methods] The acoustic wave method was used to conduct sound source leakage experiments on PE pipes and steel pipes respectively through the gas pipeline leakage detection experimental platform. [Findings] The results show that the parameter characteristics at the leakage points of steel pipes and PE pipes increase with the increase of pipeline pressure under medium and low pressure conditions. When the pressure and aperture are constant， the time domain amplitude of steel pipe leakage is larger than that of PE pipe leakage. When the pressure and pore size are constant，the ASL and RMS values of steel pipes are higher than those of PE pipes. [Conclusions] The experimental results provide theoretical support for the leakage monitoring of urban gas pipelines， which is helpful to prevent pipeline leakage.

Keywords： gas pipelines; acoustic method; leak detection; leakage sound source characteristic

0 引言

隨著我國能源結構的變化，天然氣作為清潔能源因其低能耗、輕污染的特點被廣泛使用。全國城鎮燃氣管網的規模也在不斷擴大［1-2］。然而，燃氣管道在高效運輸天然氣的同時，也存在泄漏的隱患，這需要及時發現泄漏點并采取應對措施［3-5］。

在燃氣管道泄漏檢測選用的方法中，聲波法因靈敏度高、誤報率較低、適應能力強、檢測精度高等優點被廣泛應用［6-7］。學者們也對該方法進行了大量研究。Li等［8］完成了聲波傳播模型的計算流體力學（CFD）仿真研究，得到氣體黏度和氣體流量對聲波傳播模型有影響，為使用聲波法泄漏定位提供了一定的理論依據；閆成穩等［9］分析了不同壓力下、不同泄漏孔徑的泄漏聲源特性，得出聲壓隨著管道壓力和泄漏孔徑的增大而增大；梁杰等［10］通過埋地實驗與理論模型相結合的方式得出了適用于小孔泄漏、亞音速流動條件下埋地輸氣管道泄漏量預測的關系式；葉迎春等［11］通過建立泄漏聲源三維仿真模型，分析得到了聲源以四極子和偶極子為主，明確了聲源基本特征和變化規律。

目前，對于燃氣管道泄漏的研究大都集中在對泄漏信號的分析和泄漏定位等方面，對管道材質改變導致的泄漏聲源特性的變化研究較少［12］，而且大部分是對金屬管道的研究，所采用的管道壓力基本在高壓范圍，對于中、低壓下的PE管道研究較少。基于此，本研究通過燃氣管道泄漏檢測實驗平臺，在中、低壓下進行鋼管和PE管的泄漏實驗，并分析兩種管材下泄漏聲源的時頻特性，以及管材對管道泄漏聲源的最大振幅值、有效值電壓（RMS）的影響規律。

1 燃氣管道泄漏聲波實驗

1.1 實驗系統

燃氣管道泄漏實驗系統主要由3部分組成，分別是氣源控制裝置、數據采集系統和管道系統。裝置示意如圖1所示。

①氣源控制裝置：由空壓機、儲氣罐、冷干機、過濾器和電動球閥等器材組成。主要用于向管道提供氣體，控制實驗時管道內的氣體壓力。為確保實驗安全，本次實驗采用空氣作為泄漏氣體。

②數據采集系統：由INV3062型分布式數據采集儀、連接線、加速度傳感器等組成。主要用于采集泄漏聲源信號。

③管道系統：由DN125無縫鋼管、PE100型號PE管、泄漏孔、電磁閥等組成。

1.2 實驗方案

本實驗主要研究鋼管和PE管這兩種管材在發生泄漏時的聲源特性，而PE管道在城鎮燃氣管網中適用于中、低壓燃氣管道，因此，實驗所采用的壓力范圍在0.1～0.4 MPa，即可將實驗壓力設置為0.1、0.2、0.3、0.4 MPa。選用直徑為2 mm的圓形孔，采集儀的采樣率設置為50 kHz。

步驟1 ：打開電源，啟動空壓機和冷干機，充氣到儲氣罐中，通過閥門來控制實驗所需的壓力。

步驟2 ：打開電動球閥使氣體進入管道，待管道內氣體壓力穩定后，采集背景噪聲信號。

步驟3 ：調節實驗壓力，依次為0.1、0.2、0.3、0.4 MPa，并分別采集泄漏時的聲源信號。為減小實驗誤差，每組數據采集3次，取平均值。

步驟4：實驗數據采集完成后，關閉管道進氣閥門，打開管道排氣裝置。待排氣完成后，關閉總電源。

2 結果分析

2.1 時頻特性分析

在 0.2 MPa下鋼管和PE管發生泄漏時各自對應的時域圖如圖2、圖3所示。由圖2可知，鋼管和PE管在0.2 MPa下發生泄漏的時域圖波形均比較穩定，泄漏信號都為連續信號且鋼管的幅值大于PE管的幅值。由圖3可知，PE管和鋼管均存在兩個不同的突出頻響點，鋼管的突出頻響點主要在1.6 kHz和12 kHz附近，PE管的是在3.6 kHz和16 kHz附近存在突出頻響。可以看出，鋼管上的突出頻響點略大于PE管上的突出頻響點。出現該現象是由于在管道泄漏時，管道內部的壓力改變，管道的內外產生壓差，氣體從泄漏處噴射出，與管壁發生沖擊產生振動和噪聲，并以時頻信號的形式被采集儀接收。而PE管的強度低于鋼管且韌性較高，從而導致PE管道泄漏所產生的突出頻響低于鋼管泄漏時產生的突出頻響。

進一步分析在不同壓力條件下兩種管道泄漏的頻域特性。在使用2 mm圓形孔作為泄漏孔時，兩種管材在0.1～0.4 MPa壓力范圍內的突出頻響點見表1，兩種管材的突出頻響隨壓力變化曲線如圖4所示。由表1和圖4可以看出，泄漏聲源信號的突出頻響點隨著壓力的變化而發生的改變幅度較小且并無明顯變化規律。

選用2 mm圓形孔作為泄漏孔的條件下，鋼管和PE管兩種管材的最大振幅隨壓力變化曲線如圖5所示。由圖5可知，當壓力相同時，2 mm圓形泄漏孔在鋼管上的幅值總是大于PE管道上的幅值且隨著壓力的增大，幅值的差值也在不斷增大；當壓力變化時，兩種管材的幅值都隨著壓力的增大而增大，但可以明顯看出鋼管上幅值的增長速度大于PE管上幅值的增長速度。

2.2 參數特征分析

管道泄漏產生的信號為連續性信號，因此，采用參數分析法來進行分析，選用的特征參數為有效值電壓（RMS）。RMS是指在采集儀采樣時間內的信號電平的均方根值，其主要用于衡量連續信號的能量大小。鋼管和PE管隨著壓力的變化RMS的變化曲線如圖6所示。由圖6可知，鋼管和PE管的RMS均隨著壓力的增大而增大且增長趨勢較為線性。在相同條件下鋼管的RMS均大于PE管的RMS，其原因是鋼管管材的強度比PE管的大，導致鋼管發生泄漏的平均信號電平大于PE管，從而導致該現象發生。

3 結論

本研究使用燃氣管道泄漏監測實驗平臺在中、低壓的條件下對鋼管和PE管進行了管道泄漏監測實驗，并對比分析其聲源特性，結論如下：①鋼管和PE管的時域圖波形均比較穩定，泄漏信號都為連續信號且鋼管的幅值均大于PE管；②在低壓條件下，鋼管和PE管的聲波響應頻率不同且鋼管的響應頻率大于PE管；③隨著壓力的增大，鋼管和PE管的RMS均增大，呈線性增長且當壓力一定時，鋼管的RMS大于PE管的RMS。研究結果可為城鎮燃氣管道泄漏檢測系統提供一定的理論依據。

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