不同泄漏孔部位的燃气管道泄漏声源特性_余苏婷.pdf

第 卷 第 期 年 月：不同泄漏孔部位的燃气管道泄漏声源特性余苏婷，李尧斌（安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室 安全科学与工程学院，安徽 淮南）摘 要：为探究燃气管道不同泄漏孔部位泄漏时声波信号特性，通过燃气管道泄漏声波测试实验平台，对管道顶部、侧部和底部泄漏孔部位的燃气管道泄漏声源特性进行了实验。结果表明：不同泄漏孔部位的泄漏声波响应频率不同；当压力一定时，圆形和矩形泄漏孔的突出频响点均在管道侧部最大，底部次之，顶部最小；当压力一定时，圆形孔的、值在泄漏孔位于管道顶部时最大，侧部次之，底部最小，但当压力在 及以下时，管道侧部泄漏点处参数特征值与管道底部泄漏点处的接近，前者略小于后者；而对于矩形孔来说，两个参数特征值均在管道顶部时最大，底部次之，侧部最小。该研究结果为城镇燃气管道的实时监测提供了理论支持，有助于防范管道泄漏。关键词：管道泄漏；泄漏孔部位；声源特性实验；声波响应频率；平均信号电平中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：山东省重大科技创新工程项目（）；煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心开放基金（）作者简介：余苏婷（），女，安徽霍邱人，硕士生，研究方向为安全科学与工程。：；：通信作者：李尧斌（），男，浙江东阳人，副教授，博士，主要从事瓦斯灾害防治等安全技术方面的研究。：；：，（，）：，；，；，；，：；（）第 卷 引 言利用管道输送气体或液体的方式，效率比较高，建设周期比较短，投资比较少，可全天候连续运输，便于实现自动化，在石油、天然气等流体输送中占有重要的地位。但是，各类管线因为一些设备老化、锈蚀，人为损坏及地理环境变化等原因，存在一定的安全隐患。管道一旦发生泄漏，后果不堪设想。为了最大限度地减少由于管道泄漏造成的损失和危害，需及时发现并准确定位泄漏点。在现有的泄漏检测方法中，声波法以其灵敏度高、检测精度高、适应性强等优点得到了广泛的研究和应用，并且，国内外学者对管道泄漏声波检测进行了很多研究。为了研究声波产生的机理，闫成稳等通过建立管道泄漏的物理模型并与实验结果进行比较，分析了不同泄漏孔径和不同管道压力下的声源特性，结果表明天然气管道泄漏声源主要为四极子声源，且平均声压级与管道内压和泄漏孔径成正比；黄雪驰等基于风速等因素建立了非稳态泄漏模型，并对不同管道泄漏压力和天然气浓度边界的非稳态泄漏扩散进行了数值模拟，得出结论有管道泄漏压力与泄漏扩散速度成正比，并且与天然气浓度边界达到稳定所需的时间成反比；李尧斌等基于声波法对不同的泄漏孔形状进行了实验，分析了泄漏孔孔形对输气管道泄漏声源特性的影响，得出不同孔形状的泄漏声源频谱均在 范围内具有突出频响点；彭伟等针对埋地燃气管道泄漏进行了数值模拟分析，研究单个泄漏孔位置等不同因素下的泄漏扩散的影响，发现泄漏孔位于管道顶部和侧部的扩散速度相似，而底部泄漏孔的扩散速度远小于前二者。目前声波法已经成为学者们的研究热点，研究主要集中在对泄漏信号的分析处理以及进行泄漏定位这两大方面，而对泄漏声源特性的研究还比较少。并且在已有的研究中大多数学者倾向于采用数值模拟方法来进行管道泄漏研究，而且模拟条件大多都是理想情况下，但实际检测中存在许多的外部因素。因此，本文采用声波法来检测不同泄漏孔部位的管道泄漏声源信号，拟通过实验来探究不同泄漏孔部位的燃气管道单点泄漏声波信号特性，分析泄漏声源信号在不同工况下的时频特性，以及平均信号电平值（，）、有效值电压（，）等特征参数的影响规律。燃气管道泄漏声源特性分析针对燃气管道发生泄漏时的声源特性研究，以流体力学基本方程为基础，进而得到 方程：（）（）式中：为流体密度，；为单位质量质量力分布函数，；为哈密顿算子；为流体压力，；为黏性系数，；为拉普拉斯算子；为流体速度，；为时间，。为了更好地去研究泄漏流体的发生机制，在 方程的基础上推导出 方程：（）式中：为密度扰动；为拉普拉斯算子，且；为声速，；、为在 方向和 方向对 的偏导；为 湍流应力张量。湍流应力张量可以表示为 （）（）式中：为自由流体的密度，；和为速度分量，；为黏滞应力；为克罗内克符号；为流场静压，；为声速，。进一步在 方程的基础上运用广义函数推导出 方程（简称 方程）：（）（）（）（）式中：为气体密度扰动量，；为当地声速，；为声压，；为广义函数；（）为狄拉克函数。气体发生泄漏时声源项即为上述等式右边 项，分别为由质量变化引起的单极子声源、表面压力脉动引起的偶极子声源和流体发生紊流运动引起的四极子声源。由于燃气管道泄漏过程非常复杂，其泄漏处产生的声源信号主要由质量变化及速度脉动和压力脉动的共同作用所产生的。燃气管道泄漏声波实验 实验系统燃气管道泄漏实验系统占地面积 （），包括气源控制模块、数据采集模块和架空环状管道模块，实验装置的构成如图 所示。（）气源控制模块。由空压机、过滤器、除油器、储气罐、管道和电动球阀等组成。该模块主要是给管道提供稳定的气体，控制实验压力。为了实验室安全，本文采用的气体均为空气。（）数据采集系统模块。由 型分布式数据采集仪、声波传感器及 连接线等组成。该模块主要是采集泄漏声波信号。第 期余苏婷，等：不同泄漏孔部位的燃气管道泄漏声源特性（）架空环状管道系统模块。由 钢管、泄漏孔阀、电磁阀等组成。实验系统管道总长 ，架空钢管道共有 环，环型内径 ，直线边长 ，层间距 。图 实验装置示意图 实验方案本文主要研究单点泄漏，即位于管道顶部、侧部以及底部泄漏孔位置的泄漏声波信号对应的声波特征规律，示意的泄漏孔位置及实物如图 和 所示。主要考虑圆形和矩形泄漏孔，根据面积相等的原则，圆形孔直径为 ，矩形孔尺寸为 。图 泄漏孔位置示意图（）图 泄漏孔位置实景 我国城市燃气管道压力分为 级，具体如表 所示，相关数据显示城市燃气的管道压力一般采用的是 ，因此，本文选取的实验压力范围在 之间，研究不同泄漏孔位置（管道顶部、侧部及底部）在不同泄漏压力（、）和不同泄漏孔孔形（圆形孔、矩形孔）的泄漏声源信号特性。具体实验步骤如下：步骤 根据实验所需的压力，首先打开空压机并通过调节减压阀来确保储气罐内的压力符合要求，再将泄漏喷嘴安装在泄漏点处，最后连接声波传感器和数据采集仪。步骤 打开管道进气口处的电动阀门，待管道中的压力稳定后，采集架空管道的背景噪声信号。步骤 按照实验要求，每隔 调节压力阀控制出口压力，等待管道中的压力稳定后，进行不同泄漏孔位置处的声波信号的数据采集。为减少实验误差，每组数据重复采集 次，取平均值。步骤 待数据采集完成后，首先关闭管道的入口阀门，然后打开系统排气装置的电动阀门，以确保排出的气体完全排出，最后关闭电源开关。表 管道压力分级名称等级 高压燃气管道 次高压燃气管道 中压燃气管道 低压燃气管道 实验结果分析 时频特性分析图 和 所示为 下，圆形孔在不同部位处的时频域图。由图 可知，燃气管道泄漏声源信号均为连续性信号，时域波形相对稳定。由图 及表 可知，不同泄漏孔位置泄漏的声波响应频率不同。并可看出 种泄漏孔位置下，均有 个突出的声波响应频率，分别为突出频响点、突出频响点，对于后者，可以看出无论是随着压力的变化还是位置的变化，频率均没有明显的变化，所以这里不做过多的探讨，主要分析突出频响点。对于矩形孔来说，亦同理所在，图 所示为不同泄漏孔孔形在不同泄漏孔位置处的突出频响点随压力变化图。表 圆形孔时不同压力下各泄漏孔点位的声波信号响应频率 顶部突出频响点侧部突出频响点底部突出频响点 由图 分析所得，当压力一定时，圆形泄漏孔在管道侧部的突出频响点最大，频响范围在 ；底部的次之，频响范围在 ，顶部的最小，频响范第 卷围在 ；就矩形孔而言，规律同样适用，但频响范围有所不同，在管道侧部的频响范围是 ，底部范围在 ，顶部的范围在 ；同时，随着压力的变化，无论是圆形孔还是矩形孔，在管道顶部、侧部及底部的突出频响点均没有明显变化，影响忽略不计。（）顶部（）侧部（）底部图 圆形孔时，下不同泄漏孔位置的时域图（）顶部（）侧部（）底部图 圆形孔时，下不同泄漏孔位置的频域图（）圆形孔（）矩形孔图 不同泄漏孔孔形在不同位置的突出频响点随压力变化曲线 参数特征分析由于燃气管道的泄漏信号属于连续性信号，还可通过参数分析法对泄漏声源信号进行分析和处理，本文选取 和 这 个参数特征值对所采集的泄漏声源信号进行分析。图 和 所示分别为不同泄漏孔孔形在不同位置处随压力变化的泄漏声源信号的、的变化曲线。由图 和 可知，在泄漏孔位置一定时，圆形孔和矩形孔的 和 均随着压力的增大而增大，圆形孔的增长趋势趋于一次函数，而矩形孔在泄漏孔位于管道侧部和底部处增长较为缓慢；且当孔形一定时，个参数特征值大小相近，后者值略大于前者。当压力一定时，圆形孔的、在泄漏孔位于管道顶部时最大，管道侧部时次之，位于管道底部时最小，且（）（）图 圆形泄漏孔在不同位置处随压力变化的泄漏声源参数特征值变化曲线（）（）图 矩形泄漏孔在不同位置处随压力变化的泄漏声源参数特征值变化曲线由数据分析表明，管道顶部的、是管道侧部二者值的 倍左右，管道侧部的、与管道底部的值大小颇为相近；同时，当燃气管道发生泄漏 第 期余苏婷，等：不同泄漏孔部位的燃气管道泄漏声源特性时，压力在 及以下的管道外侧泄漏点处参数特征值与管道底部泄漏点处的特征值接近，前者略大于后者；但压力超过 时，管道侧部泄漏点处的特征值小于管道底部的。其原因是当压力较大时，管道底部泄漏点处的气体会在管道底部汇集，从而导致管壁与气体发生摩擦，引起强烈的速度脉动和压力脉动；而对于矩形孔来说，个参数特征值均在管道顶部时最大，管到侧部次之，管道底部最小。故在实际管道泄漏检测中，可更多地关注管道的顶部位置。结 语本文通过燃气管道泄漏声波测试实验平台，开展了位于管道顶部、侧部和底部泄漏孔部位的燃气管道泄漏声源特性实验，结果表明：（）燃气管道泄漏声源信号均为连续性信号，时域波形较稳定；且不同泄漏点部位处的泄漏声波响应频率不同。（）当压力一定时，圆形和矩形泄漏孔的突出频响点均在管道侧部最大，底部次之，顶部最小。（）当孔形一定时，在相同压力下，、个值大小相近，后者值略大于前者；当压力一定时，圆形孔的、在泄漏孔位于管道顶部时最大，管道侧部次之，管道底部最小；当压力在 及以下时，管道外侧泄漏点处参数特征值与管道底部泄漏点处的特征值接近，前者略大于后者，但超过 时，管道侧部泄漏点处的特征值小于管道底部的；而对于矩形孔来说，两个参数特征值均在管道顶部时最大，管道侧部次之，管道底部最小。本文研究结果对提高声波法检测管道泄漏的精度和适应性具有重要意义，同时也为完善城镇燃气管道实时监测系统提供了一定的理论依据。参考文献（）：胡菊丽，张自强，高允领 基于混沌理论的天然气管道泄漏检测实验 实验室研究与探索，（）：郝永梅，姚 强，蒋军成，等 城市管道泄漏次声波传播影响机制模拟分析 实验室研究与探索，（）：韩宝坤，蒋相广，刘西洋，等 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