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000输气管道声波法泄漏检测技术的理论与实验研究


第 3 8 卷第 3 期 2 013 年 5 月


A C I ,A







从2 1. 3 8 , N o . 3
M a y , 20 13

A C U S T IC A

输 气 管道 声 波 法

泄漏 检 测技 术 的理论 与 实验 研 究 *
刘 翠伟 李 玉星 王武 昌
青岛

刘光 晓
26 655 5)

(中国石油大学 (华东) 储运与建 筑工程学院
20 12 年 i 月 12 日收 到

2012 年 4 月 26 日定稿

摘要

为探究输气管 道声波 法泄漏检测技 术的基本原 理和研 究方法 , 建立了输气管 道泄漏仿 真模型和 实验模型 "首 先 , 研究

输气管道发 生泄漏 时声波产 生机理 , 从而 明确声波法 泄漏检测技术 的工作原理 ; 其次根据声波法 泄漏检 测的原理 建立 F l u e n t

仿真模型 , 通过 C F D 软件模 拟输气管道泄漏得到流场和声 场, 得到声 波信号特征 ; 再 次根据声波 法泄漏检测 的原理搭 建实验 管道 , 设 计完成声 波信号数 据采集终 端, 并 在仿真结果 指导下 完成 输气管道 泄漏检测 实验 , 采 集得到 实验 数据并 进行分 析, 得到泄漏 时声 波信号 特征并对仿 真结果进 行验证 ; 最后对 比多工况条件 下的实验结果 和仿真结果 , 分析 不 同工况 条件对 压力 波动值的影 响规律 , 从而总 结输气管道声 波法泄漏检 测的仿 真与实验研 究方法, 为声 波法泄漏 检测的 实际工程应 用提供理 论
基础 " 研 究结果表 明: 输 气管道 泄漏产生 的声 波来源 于泄漏时气体 不稳定流 动产生的偶极 子声源 和四极子声 源; 仿真模拟 和 实验研 究 的方 法都 可以 完成声 波法 泄漏检 测技术 的研 究 , 可以对声 波法 泄漏检 测技术 的推 广和工程 应 用提供 强大 的理论 支 持和可行性 保证 " 结论是 : 声波法 泄漏 检测技术 可以很好 的检测输气管 道泄漏 , 是 一种灵敏度 高 , 检 测时 间短 , 值得 推广 的
方法 "

P A C S 数 :4 3 . 58
T h e o re t ie a l st u d y a n d e x P e rim e n t a l st u d y o n le a k d e te e t io n o r n a t u r a l g a s P IP e lin e s b a se d o n a e o u s tie m e th o d f
L IU C u iw e i L l 从l x in g W A N G !V n e h a n g L IU G u a n g x i ao

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R e e eiv e d J a n 12 . 20 12

26 65 55)

R e v is ed A p r . 2 6 , 2 0 1 2

A b stra e t

In ord er to stli d y th e f u n d a m en ta l s a n d rese areh m eth o d s o f lea k d etee tion f o r xiatu ra l g a s

P ip elin es b a s ed

o n a e o u s tie m e t h o d , th e s im u la t io n m o d e l a n d e x P e r im e n t m o d e l a r e e s t a b lis h e d . F ir st t h e a e r o - a e o u s tie s g e n e r a t io n

m eeh an i sm

1 5 resea rel ied w h en l ea k o ee u rs to f i n d o u t th e f u n d a m en ta l s of l e ak d eteeti on f o r ga s A n d tl len tl le sim u l a ti o n m o d el 15 esta b l ish ed o n C F D

pi p el in es b ased o n i eld ar一 f d th e

a eo u stie m eth o d .

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so u i id f i el d a re aq u ired to an aly ze aeo u sti e sig n a l eh ara eteri sti es . T h i rd l y, b a s ed o n ae ou stie lea k d e teeti o n m e th o d ,
a e o m p le t e se t o f h ig h 一 P r e s su re g a s P IP e lin e le a k a n d t h e e x P e r im e n t 15 a e e o m P lis h e d e x p e r im e n t a l d e v ie e a n d a e o u s t ie d a t a a c q u is itio n s y st e m 15 d e sig n e d

b a s e d o n t h e e o n s e q u e n e e s o f s im u la t io n . T h e P a P e r a n a ly z e s th e d a t a a e q u ir e d

b y e x p e r im e n t a n d e o n e lu d e s t h e a e o u st ie s ig n a l e h a x a e te ris tie s w h ie li a r e u s e d t o e o r re e t t h e e h a r a e t e r is tie s e o n e lu d e d b y s im u la t io n m e t h o d . F in a lly t h e p 即 e r e o m P a r e s t h e e x P e rim e n t a l m e t h o d w ith e o n d it io n s a n d f i rzd o u t t h e la w b e tw e e n t h e d if e f s im u la t io n m eth o d u iid e r v a r ia b le

r e n t e o n d it io n s a n d p r e ss u r e p e r t u rb a tio n s w h ie h p ro v

id e s a t h e o re t ie a l

b asi sf o r th e e n g i n e eri n g ap P li ea ti o n s of l ea k d eteetion f o r ga s pi p el in es b ased 0 1 1 ae ou stie m eth o d . T h e resu lts in d iea t e : it
15 t h e q u a d r u P o le s a n d th e d ip o le s g e n e r a t e d b y t u r b u le n t n u e t u a t io n s t h a t e a u s e s th e le a k 一 a e o u s t ie s ; b o t h t h e s im u la t io n

m eth o d a n d th e ex P erim e n ta l m etli o d e an b e a P P lied to stu d y a eo u stie l e ak d etee tio n m e th o d . C o n e l u sio n s ea n b e d ra w
t h a t a e o u s tie le a k d e te e t io n m e t h o d h a s m a iiy a d v a n t a g e s s u e h a s u se d in n a t u r a l g a s P IP e lin e s b e t te r .

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h ig h s e n s it iv ity a n d le s s d e te e t io n t in ie 5 0 it e a n b e

*

国家 自然 基金 (51 104 1 7 5 ) 和 中央高校基本 科研业务费专 项资金 (1 1C X o6 0 7 5 A ) 资助项 目"

3期

刘翠 伟 等 : 输 气管 道声 波 法 泄漏 检测 技 术 的理论 与实验 研 究

3 73

模 拟输 气管 道 泄漏 , 得 到声 波信 号 特征 ; 再 次根 据声

引言
泄漏 检 测是 预 防管道 失效 !降低 管 道风 险 的重要 手段 川 " 为 了减 小输 气管道 泄 漏带 来的经 济损 失 !人
员 伤 亡 和 环境 破 坏 , 需 要及 时发 现 泄 漏 并 准 确找 到

波法 泄 漏 检测 的原理 搭 建 实 验管 道 , 设 计 完 成声 波

信号 数 据 采集 终 端 , 并在 仿 真 结 果 指 导 下 完 成 输 气 管 道泄 漏检 测 实验 , 得 到实 验数 据并 进 行分 析 , 得 到 泄漏 时 声波 信 号 特征 并 对仿 真结 果 进 行 验 证 ; 最后 对 比多 工况 条 件 下 的实 验 结果 和 仿 真结 果 , 分 析 不 同工 况条 件 对 压 力波 动 值 的 影 响规 律 , 从 而 总 结输 气 管道 声 波 法 泄漏 检 测 的仿 真 与 实 验 研 究 方法 , 为
声 波法 泄 漏检 测 的 实际工 程 应用 提 供 理论 基 础 "

泄漏 位 置 "目前 可 以应 用于 输气 管道 的 泄漏 检测方 法

有质量 / 体积平衡法 ! 应用统计法 ! 负压波法 ! 瞬态 模型 法 ! 分 布 式光 纤法 和声 波 法等 "其 中, 声 波法 [ ] z
与 传统 的质量 平衡 法 !负压波 法 !瞬态模 型 法 {/一 5} 等
相 比具 有 诸多 优 点: 灵 敏度 高 ! 定 位精 度 高 ! 误报 率 低 ! 检 测 时 间短 ! 适应 性强 ; 声 波 法测 量 的是 管 线流

1 输气管道声波法 泄漏检测原理
当输 气 管 道 发 生 泄漏 时 , 气 体 介 质 从 泄漏 点 喷 射 流 出 , 由于 管 内外 压 差 及气 体 与管 壁 的相 互 作 用 形 成强 烈 的湍流 , 从 而产 生 压力和 速度 脉 动 , 产 生 喷 射 四极 子 声 源 辐射 声 波 " 同 时气 体 碰 到 输 气管 道 中 存 在的 管壁 ! 阀 门 ! 弯头 等固壁 又会 伴 随产 生偶 极子 声源 " 偶 极 子声 源和 四极子 声 源相 互 叠加 , 叠加 效果 表 现为 管 道 内介质 中有 一个 声 波 波动 信 号 传播 着 , 声 波法 泄 漏 检 测技 术 正 是通 过 检 测泄 漏 瞬 间产 生 的
声波 波 动及 时 发 现管 道 泄漏 "

体 中的微弱 动 态压 力变 化量 , 与 管线 运行 压力 的绝对 值 无关 ; 声波 法 的响应 频率 更宽 , 检测 范 围更宽 等 " 由于声 波 法 泄漏 检 测 技 术 的诸 多优 点 , 对 声 波 法 泄漏 检 测技 术 的研 究是 现 代 检测 技 术 中的热 点 问
题 , 国 内外 进 行 了较 多 的研 究 工作 , 取 得 了一 定 成 果 "J. M . M u g g le t o n [ ] 等针对 充 液 圆管道 中泄漏 引起 0

的 声 音和 振 动 波 的传 播 行 为 进 行 了机 理 分 析 , 推 导 出 介 质 中 充液 管道 的声 振藕 合 系统 的频 散 效 应 , 建 立 了充 液管 道 中信号 的传播 模 型 ; 并 在 此 基 础 上 通 过 实验 验 证 了埋地 充液 管道 中波 速 和 衰 减特 性 模 型 的 正 确性 , 实验 充液 管道 分 别 在 真 空 中 和埋 地 状 态 下进 行 检 测 , 实验情 况 基本 与 理论 模 型相 吻合 [ ] v " 刘敬 喜 [ ] 等研 究 了弹性 介 质 中充液 管 道 的波 衰减 特 s 性 , 利 用壳 体基 本方 程 , 推 导 出处于 弹性 介 质 中的 充 液 管 道 在 轴对 称振 动 下声 振 藕 合 系统 的频 散 方 程 , 利 用数 值 解法 得 到 了 频散 方 程 的完 全 解 " 美 国 的声
学 系统 集成 公 司 (A eou sti e S ystem IN C , A sl) 开发 出 了声 波 管 道 泄漏 检 测 系统 , 加 拿 大 国家研 究委 员会

输 气 管道 泄漏 时 声波 产 生和 传播 机 理 可 以通 过
i gh L t h l l 声 拟理 论 的 L i ig h t h i l 波 动 方 程和 F W 一 H 方 程解 释 " i g L h th i n 波动 方 程 描 述 了 自由 空 间 中声 波 产 生

机理 , 从 流体 力 学基 本方 程 出发 , 推导 得 到流 场 中分 布 的声 源 , 式 (l ) 和 式 (2) 为 L i gh t h i l 声 拟 理论 波 动
方程 [ 9一 ,] " 口 2 (户一户 " )
口艺 2
口2

a乙 甲2 ( 户 一户 " )=

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(1) (2)

对 自来 水 管发 生泄 漏 时 的声 波 信 号进 行 了大 量 的研 究" 但 这 些研 究 大都 集 中在 液体 输 送管 道 上, 对 输气 管 道 的研 究 不足 , 在 输气管 道 中声 波 的产 生 ! 传播 ! 衰减 和接 收 上仍 存在 诸 多难点 , 限制 了声波 法 泄漏 检
测 技 术 在输 气 管 道 的 推广 " 输 气 管 道声 波法 泄 漏 检 测 技 术 具 有极 大 的发 展潜 力 , 对 输 气管 道声 波 法 泄

双 := 户 :,协+ 尹 ,; 一 a若 (户 一 户 " )占 ,;,

式 中: p 为 气体 密度 ; p "表 示 自由流体 的密 度 ; t
为 时 间; 凡 为克 罗 内克 符号 ; 天: 为 L i ghth i n 应力 张 力张 量 ; (口 2/ 口 x ! 肠)双, 是 L i g ht h i l 四极子 声 源 ; 跳; 为 压力 张量 , 二 , 和 v; 为速 度 分量 ; 瓜 : 是 豁滞 应 力 ; p "为 流 场静 压 "式 (l ) 表达 了全 空 间 内气 体 密 度 的动 态情 况 , 等号 右边 称为 声 源项 , 如 各项 为 零 , 则 表 示无 自发声 波 的解 ; 若 双j 为有 限值 , 则产 生声 波 "输气 管道 未发 生 泄漏 时 , 等号右 边声 源项 为 零 , 输 气管 道 泄漏 时, 由于气体 射流 产 生流 动 的紊 乱 , 所 以 p二 ! 二 ; 项 为有 限值 , 必 然发 生 声 波 " FW 一 H 方程 是 F f o w eS W ill iam s 和 H a w kin gs 考 虑 了 固体边 壁 的作 用 由 L i gh t h i n 波动方程推倒得出

一匆 一{写 米井

(3 )

漏 检 测 技术 的 仿 真 与实 验 研 究 , 可 以完 善输 气 管道
声 波法 泄漏 检 测 技术 的理 论 基础 , 同 时为 建 立 声 波 信 号特 征数 据 库提 供 方 法 和 技术 支 持 , 从 而 为 声 波 法在 实 际工 程 的应用 提供 指导 意 见, 对 声波 法 泄漏检 测 技术 的实施 和 推 广具 有极 大 的研 究和 借 鉴 意义 " 对 输 气管 道 声 波 法泄 漏 检 测 技术 的 仿 真 与 实验 研 究, 首先 探 究输 气管 道发 生泄 漏 时声 波产 生机 理 , 从 而 明确 声 波法泄 漏检 测 技术 的工 作原理 ; 其次根 据 声 波 法 泄漏 检 测 的原 理建 立 F l u e n t 仿 真 模 型 , 通过

3 74









2013 年

貂,嘿

计算 机软件 处理系统

图 1 声 波泄漏检测系统原理 图

的 , 从 而 分析 声 音 的产 生 与传 播 "

现声 波泄 漏检 测和 定位 " 其 基本 原 理 图如 图 1 所 示 "

百 歹一/6V一 户 一而产叭 赢 " L J.
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2 输气管道声 波法泄漏检测 技术 的仿
(4 )

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真 研 究分 析
2 .1 仿真 模 拟 模型 的建 立

只一 }( P .久刀 只 止 - J (J 川 + 下 一 一 下 二 一

式 (4) 考虑 了声 场 是 由单 极子 声 源 !偶极 子 声源 与 四
极 子 声源 迭 加而 成 " 单极 子 声源 是 由表 面加 速 度引起 的声 源 (流体位 移分 布); 偶极 子声 源 是 由表 面脉 动压

F L U E N T 软件 采用 L i gh t h i n 的声 学 近似 模 型模 拟 声 波 的 产生 和 传播 从 而 得 到 声 音 模 型 中单 极 子 ! 偶 极子 和 四极 子 等 基本 解 的 分 布 " 根 据 声 波 法 泄 漏 检 测 技 术 的工 作 原 理 , 建 立 如 图 2 所 示 的仿 真模 拟 模 型 "
模 型 由主 干管 道 和支管 组成 , 管 径 均 为 1 0 , 主干

力 引起 的声源 (力分 布 ): 四极 子声 源是 由流体 紊 流所
产 生的声 源 "

输 气 管道 泄漏 发 生 瞬 间产 生 的 声波 波 动 信 号 一 部 分 沿着 输 气 管 壁 传 播 , 由于管 道 壁外 侧 一 般 多 为 土壤 或 其它 固体 媒介 , 声 波会 向外 泄 漏 , 一 定距 离 后
基 本 衰 减 掉 ; 另 一 部 分 沿 着 管道 内流体 分 别 向管 道

管 道 全 长 20 0 , 支管 长 为 1 0 0, 几 何 原 点 位 于 主 干 管
道 中心 线 与 支 管 中心 线 的 交 界 处 , 球 阀位 干 支管 管

上下游高速传播 , 声波信号的高频成分迅速衰减 , 低 频 成 分 能 传 播 较 远 的 距 离 , 通过 气 体 介 质 传 播 的 声
波 低 频 信 号 被 安 装 在 管段 两 端 的声 波 传感 器 监 听 !
捕 捉 并 传 送 给 现场 数 据 采 集处 理 器 , 其 中声 波 信 号

段 , 球心坐标为 ( 0 ,3 0 ), 内置孔板距原点为 5 0 , 孔板 壁 厚 为 3 , 孔径 为 0 . 1 " 定 义 泄漏 喷 射时 的 四极 子 声源
和 阀 门开关 产 生 的偶极 子声 源 为声 波 产 生 面 , 取 下 游
点 (1 0 0 ,O ,0 ) 为声 波接 收 点 , 以上数 据 单 位均 为 m m " 由 图 2 可 知 , 仿 真 模 型 的 管 道 泄 漏 通过 位 于支

传感 器 的 受 力 隔 膜 与 气体 介 质 接 触 并 不接 收沿 着 金 属管 壁 传 播 来 的声 波 信 号 " 在管 道 正常 流 动 的情 况 下 , 声 波传 感器 将 接 收到 的信 号视 为 背景 噪声 ; 当管
线 一旦 发 生 泄 漏 , 泄 漏 声 波 信号 和 管 道 正 常 流 动 下 的 背 景噪 声 一 同 传 到 声 波 传感 器 , 被声 波 传 感 器 捕 捉 到 的泄 漏 声 波 信 号 会 表 现 为 一个 声 波 波 动 , 因此 通 过提 取 声 波 波 动 的 特 征量 来 确 定 管道 是 否发 生 了 泄 漏 以及 判 断 泄 漏 的 孔 径大 小 , 同 时根 据 在 管 道 两 端 捕捉 到 同一 泄 漏 信 号 的 时 间差 和 声 波 的 传播 速 度 来 计算 管道 的 泄漏 位 置 , 其 中时 间差可 以通 过 互相 关 分 析法 或 者 G P S 时 间 同步法 进 行 求取 , 从 而 最终 实

管 的球 阀和 内置孔 板 完成 , 球 阀控 制 泄漏 与 否 , 内置 孔 板 的 孔径 控 制 泄 漏 孔 的形 状 和 大 小 , 具 体 工 作 原 理 为 : 输气 管道 正 常运 行 时 , 阀 门关 闭 , 气体 在 主 干
管道 内流 动 , 某 一时刻 输 气 管道 支 管上 的 球 阀打 开 , 气 体从 内置孔 板 的小 孔 中喷射 流 出 , 此时 泄 漏发 生 ,

由于 气体 涡 流在 阀 门处 和 泄漏 孔 处 产 生 偶 极 子 声 源 和 四极 子 声 源辐 射 声 波 , 位 于 下 游 点 (10 0 ,O ,0 ) 声波
接 收 点接 收声 波 , 接 收 到 的 声 波 即 阀 门开 启 产生 泄 漏 时的 声 波特 征 "其 中阀 门的 动 态 开 启 过 程 可 以 通 过 F l u e n t 仿 真 的动 网格 和 U D F 描述 , 考虑 泄漏 产 生 的瞬 时性 和 仿 真 模拟 的可 行 性 确 定 仿 真 模 拟 时 阀

376









2013 年

(a )

阀门未开 启时管 道流场
3 翔 肠 7 . 1 9 棍 心 栩 2 O +

(b )

阀 门开 启瞬间管道流场

.

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M 2 7 黑 1 W . 3 t w j q
W 4 7 q

.

脚 S a 翔 1 肠 5 . 6 . j 弓 3 2 -7 1 q 百 ,

砚 视 期 川 侧 喇 栩 劝

(c )

阀门开度 为 4 5 0

角时管道流场

(d ) 阀门完全开启时管道流场

(5) 比较 阀门未 开 启 时与 阀 门开 启过 程 中 阀门前
产 生 的 涡旋 , 可 以 看 出后 者 比前 者 明显减 弱 , 这 是

产 生强 烈的 涡流从 而产 生偶 极 子和 四极 子声 源 "图 4

为 仿真 模 拟 得 到 的观 测 点 (1 0 0 ,0 ,0 ) 声 压 随 时 间的变
化 情况 " 由于输 气 管 道 气 体 可压 缩 性 , 分 支 管 阀 门打 开

因为 阀 门未 开 启 时从 上 游管 段 流 入 的气 体 在 支 管 段 的 阀 门前 遇 到 阻挡 使得 一 部 分 气 体 回流 流 向管 道 下
游 , 形成 一 个 气 体 从管 道 上 游 流入 分 支管 , 气体 在

泄 漏 发 生后 , 造 成 干 线 全 线 压 力 降 低 且 越 接 近分 气 点 的地 方 压力 下 降的越 多 , 距 分 气 点越 远 下 降越 少 "
因此 , 泄漏 时 (有 泄漏 声 场 时) 干 线 压力 较 未 泄漏 时

分 支 管 压 缩 , 气 体 在 分 支 管 扩 张 , 气 体 流 出分 支管 流 向管 道 下游 的 周期 性 流 动 , 形 成强 烈 涡旋 ; 阀 门开
启过 程 中, 一方 面 阀 门阻 挡作 用 减弱 , 一方 面 由于 干

干 线压 力低 , 根 据 声 压定 义 , 声 压 为 负值 "泄漏 消 失 时 (阀门关 闭时) 干线 全 线 压力 上 升 , 因此 未 泄漏 时
声 压 为 正值 "通 过 仿 真 模 拟得 到 的 声 压 随 时 间变 化 曲线如 图 4 "
20 00 0 一 2000

管 与 支 管 的 压差 作 用 使得 气 体 从 干管 的 上下 游 同时 向支管 流 动 , 从 分支 管 向主管 的 回流 消 失 , 因此 涡旋
减弱 " 由于 阀门开 启泄漏 发 生时 产生 强烈 的涡旋 运 动, 因此 根据 涡声 理论 , 管道 中势必 有声 场 的 产生 "

}

阀 门开 启 过 程 中 , 阀 门开 启 角对 流 场 的影 响 体 现 在
FW 一 H 方 程 中 的 运 动 壁 面和 静 止 壁 面对 流场 和 声 场 的影 响上 , 并 不单 独 考虑 阀 门开 启 角度 的影 响 因素 , 而是 考虑 阀 门开 启 角度 对 流体 位 移分 布 !力分 布 ! 流 体 湍 流 的影 响 " 2 .3 仿 真 模拟 声 场 分 析 由仿 真 得 到 的 流场 分 析 可 知 , 阀 门开 启 泄 漏 发 生 时 , 支 管 阀 门前 ! 阀 门内腔 ! 阀门后 ! 泄 漏孔 后 都

,


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图 4 观测 点声压变化 图

3期
由图 4 可 以看 出 :

刘 翠伟 等 : 输 气管 道声 波 法泄 漏 检测 技术 的理论 与 实验 研 究

3 77

漏 声 波和 背 景 噪声 , 因此 在 实 验 和 工 程 中 可 以通 过 捕 捉这 个 压差来 实 现泄漏 检测 , 且检 测 时 间短 , 检测 灵 敏度 高 "

(l ) 未 泄漏 时 由于 支管 段 阀 门的阻 挡形 成 涡产 生 声 压且 在 一个 正值 附近 波 动; 在 阀 门开 启泄漏 发生 的 瞬 间 , 声 压 发 生 瞬时 下 降, 下 降值 可 以达 到 1 3 kP a , 因 此通 过 检 测 在 线声 压值 可 以 检 测 泄漏 产 生; 阀 门 完 全 开 启后 泄 漏 一 直发 生 , 产 生 一个 在 负值 附近 波
动 的声 压 " (2) 比较 泄漏发 生前后 输气 管道 产 生的声 波声 压

3 输气管道声波法泄漏检测技 术 的实
验 研 究分 析
3 .1 实验 管 道与 声波 信 号数 据 采集 终 端 设 计

幅值 , 可以看 出泄漏后产生的声波声压值远远大于泄
漏 前 产 生 的声 压 , 这 是 由于 阀 门开 启泄 漏发 生 产生 的 涡旋 更 强烈 , 也 说 明泄 漏确 实产 生 一个强 烈 的声 压 " 根 据 实 验 研 究 分 析 中所 用 的声 波 传 感 器 的工 作

根据实际工程中输气管道运行工况 , 搭建 实验
管道 [ l0 }, 实验 环道 全 长 25 1 .5 m , 设 计 压力 6 . 4 M P a,

允 许 的最 高压 力 8 M P a , 管 道 内径 为 1 0 m m , 管壁厚 2 m m , 由不 锈钢 管 构 成 " 起 终 点声 波 传 感 器 之 间 的
距离为 1 9 9.3 5 m , 在 两个 声 波传 感 器 之 间设 有 三 个

原理 , 将 图 4 显 示 的声 压 变化 图类 比成 声 波 传 感 器 采 集的 横轴 为 采样 点 的压 力波 动 图, 如 图 5 "将 图 4 显 示 的声 压变 化 图经过 傅 里 叶 变换 , 得 到 泄漏 产 生 的声 功率 谱 , 如 图 6 所 示 " 由图 5 可 知 , 仿 真模拟 输气 管 道泄 漏 时, 泄漏 瞬
间会产 生 一个 大 的压力 波动 , 下 降值 达 到 1 3 k P a; 由 图 6 可 知 , 泄漏 产 生的声 波 能 量集 中在 0 ~ 20 0 H z, 即 泄 漏 产 生 的声 波 多为 低 频 声 波 , 而低 频 声 波 的 传 送 距 离 较 远 , 可 以达 到几 十 到 几 百 公 里 , 声 波 传播

泄漏 点 , 分 别距 起点声 波 传感 器 4 0 . 4 m ,8 . 3 3 m 和
1 9. 4 2 nl, 泄 漏 点 由 内置 孔 板 的法 兰和 球 阀构成 , 可 0 根 据 实验 要求 改 变 泄 漏 孔径 " 除此 之外 , 高 压 输 气

环 道 的起 终 点还 设 有 压 力变 送器 ! 差 压变 送 器 ! 流 量 变送 器 和 温 度变 送 器 等仪 器 , 以进 行 管 道 内介 质
的 水 力参 数测 定 "该 实验 装 置 系 统 在设 计 时 与实 际

的 长输 天 然 气 管道 进 行 了相 似 性 分 析 , 取 得较 好 相 似性 结果 , 可 以实现 高 压力 !大 流量 下 的输 气管 道声
波 泄漏 检 测 和定 位 功 能 "声 波传 感 器是 声 波 泄漏 检 测 实验 的核 心 元件 , 实验 室选 购 了美 国 P C B 生产 的 0 6B 型 动态 压力 传感 器 , 它 的测 量范 围为 一5 1 7 .2 ~

速 度 非 常快 且 可 以通 过 对 信 号进 行 时域 分 析 ! 频 域
分析 !时 频联 合分 析提 取特 征量 区分 处 于低 频段 的 泄

巴 板 翼 得 绷 己 a `

一 2 000 礴000 一 6000
一 8000

5 . 7 2 k P a , 灵 敏度 为 4 3 . 5 m V /kP a , 可 以测得 最大 动 压 为 137 9 kP a , 能 够在 13790 kP a 的环 境 压力 下工 作 ,
分 辨率 达 0. 0 0069 k P a, 谐 振频 率为 6 0 k H z , 声波 传感 器工 作 原理 如 图 7 " 图 7 所示 的动 态压力 传感器 的工作 过 程为 : 动态

压 力 传 感 器 所 测 声 波 是 通 过 输 气 管 道 内气 体 介 质

一 10 00 0
一 12 00 0

一 14 0 00

0 l 阶

200

300

400

500

600

时 间步

类 比得 到的声压波动 图
陶 瓷封
16 0 0
}

集 成电路放大 器

1400

.

l

俘 被 锌 穿 a

1200 1000 800 60 0 40 0 20 0 0
0

J

夹螺母 安装

低 一一 _
50

密封环 加速度 补偿块

石英 晶体块

10 0 15 0 2 0 0 2 50 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0

阵 l恤 蓦 1 巍
\ ~

4 饰翩 翩 比l -

预 加载套筒 电极
外壳直径 1 0 5

- 受力隔膜

频率 ( H z) 图 6 声功率谱图
图 7 动 态压 力 传感 器 工 作 原 理 图

378




压 差 温 声

2013 年



球 阀4
减压 阀2


图 8 泄漏检 测实验装置流程 图

传 播得 到 的 , 动 态压 力传 感器 在 输气 管道 上 的安 装应 使 受 力隔 膜水 平 且使 受 力 隔膜 与管 道 内介 质接 触 , 当
输 气管 线 的 压力 稳定 时 , 受力 隔膜 受 力平 衡 , 不 引起 电压 输 出, 读 数 为 0 ; 输 气管 线发 生 泄漏 瞬 间 , 声 波 的扰 动 使得 受力 隔膜 受 到 声 压 的 作 用 , 受 力 隔 膜 的

输 气 管 道 声波 法 泄 漏 检 测 实 验 环道 的设 计 与搭 建 , 声 波数 据 采集 系统 的 设计 与 使用 , 为 泄漏 检 测 实
验提 供 了 充足 的 软硬 件 设 施 , 为 获取 管 道 泄漏 时 的

声 波 数据 以及 干 扰 信号 的声 波 数 据 提 供 了 基础 与 实
验条 件 " 3 .2 输 气 管 道声 波 法 泄漏 检 测技 术 的实 验 分析 通 过 建 立 的 实验 管 架 完 成 1 . 3 M P a 压力 下, 泄 漏孔 径 为 0.1 m m , 阀 门开 启泄 漏 发 生 的实 验 , 采 集 主 干管 道 上 气体 介 质 的压 力 波 动 , 此 处 压 力 波 动 的

变 形 使得 石 英 晶体 内部 产 生 极 化 并 产生 符 号 相 反 的
电荷 从 而产 生一 个 电压 值 , 随声 压 增 大 受 力 隔膜 变 形增 大 , 电压 增大 , 直到 声 压 增大 达 到 幅值 , 电荷开

始 释放 输 出 电流信 号 , 随着 电流信 号输 出, 电荷 电量 逐渐 减 小 , 从 而使 得 输 出 电流信 号 逐渐 减 小 , 直 至变
为 0 ; 当输气 管 线 持 续 泄漏 时 , 声 压 一直 作 用 于受 力 隔膜 , 但 受力 隔膜 此 时 受力 平衡 不 再发 生变 形 , 石英 晶体 不 产 生极 化 , 不 产 生 电荷 , 因此 没有 电流输 出, 读数 为 O " 图 5 正是 基 于 声 波传 感器 的工 作 原理 ,

意 义是 输 气 管道 内部 气 体 介 质 压 差 最 大 值 " 图 9 为
位 于 泄漏 孔 下 游 约 1 0 0 m m 处 的声 波传 感 器 测 得 到 压力 波 动 " 由图 9 可 知, 阀 门开 启泄 漏发 生瞬 间, 声 波 传感 器捕 捉 到一 个 达 到 1 4 kP a 的 压 力 下 降 , 这 与通 过 仿
名 6 屯 并 0 2

将 图 4 显 示 的 声 压 变 化 图 经数 据 处 理后 得 到 的横 轴
为采 样 点 的 压力 波动 图 "

实验 流程 如 下 : 实验 采用 气源 为 压缩 空气 , 气体
经 压 缩机 加 压 , 通 过 冷 干 机 和 过 滤 器 除 去水 分 和 油 滴 , 经 过高 压 缓 冲罐 后进 入 测试 管段 , 最 后进 入 中压 缓 冲罐 放 空 "泄漏 检 测 实验 装置 流 程 图如 图 8 所 示 " 该装 置 建 立 了 高 速 的 实 时 数 据 采集 系统 , 采 用 N l 公 司 提供 的 型号 为 P C I 6229 的常 规 数据 采集 卡 以 及型号为 P c I 44 7 4 的 动 态 数据 数 据 采 集 卡 (用 于 泄 漏声 波 信 号 的采 集), 可 以进行 高 速 的数据 采 集 , 而 从 保 证 了泄 漏 检 测 的实 时 性和 定 位 的精 度 "

进 只 侧 忍 理 巴 己 `

J , . 奋 叮
甲 q

乙 C O

10 0 0 0

20000

30000

4 0000

50000

60000

采 样点
图 9 声波传感器 测得压力波 动

3 期

刘翠 伟 等 : 输 气 管道 声 波法 泄漏 检 测技 术 的理 论 与实验 研 究

379

真模 拟 得 到 的 声 压类 比声 波传 感 器 测得 的压 力 波动 图 (图 5 ) 对 比可 知 , 二 者 压 力波 动 的变 化 趋 势 非常

别为 0. 0 8 m m , 0 .10 m m , 0 . 45 m m , 0 . 90 m m 时 的压

力 波 动 值情 况 , 由此 可 以分 析 得 到 压 力波 动值 随泄
漏 孔 径 大 小和 管道 运 行 压 力高 低 不 同的变 化 规 律 ; 同时 表 2 中也 记录 了孔 板 厚度 ! 径 厚 比及 介 质 流速 等 对 压力 波 动值 的影 响 " 4 .1 压 力波 动值 随 泄漏 孔 径 的变 化 根据 表 2 中仿 真模 拟 得 到 的数 据 , 作 出仿 真 模 拟 方 法得 到 的随 泄漏 孔 径变 化 的压 力 波 动 值 图 , 如 图 10 " 由表 2 和 图 1 0 得 到 , 管道 运 行 压力 一 定时 , 管

相似 , 都存 在 一个 较大 的下 降沿 , 通 过 实验 测得 的下
降沿 稍 微 更 大 是 因为 声 波 传感 器 测得 压 力 波 动 除包 含 声 压 波 动 , 还 包 含 在泄 漏过 程 中产 生 的 节 流 效应

等能 量 损 耗 造 成 的压 降 以及 仿 真 模拟 时计 算精 度 的
影响 "

比较 图 5 和 图 9 可 以得 知 , 采用仿 真模拟 的方

法 研 究 输气 管 道 声波 法 泄 漏检 测 技 术 可 行 ; 采 用实
验 方法 同样 可 以研 究输 气 管道 声 波 法 泄漏 检 测 , 以 实验 方 法为 主 , 以仿 真模 拟方 法 为辅 , 采 用仿 真 模拟

的 结果 指导 实 验操 作 , 采 用 实验 结 果 验 证仿 真 模 拟
结果 , 可 以对 声 波法 泄 漏检 测技 术 的 推 广 和工 程 应 用提 供 强大 的理论 支 持和 可行 性保 证 "

道 流速 不变 , 孔板厚 度 不变 , 径厚 比不变 的条件 下 ,
随着泄 漏孔 径 的增大 , 压力波 动值 呈 现增 大 趋势 , 在
0 2 5 6 3 0 4

~ , ~
~


1 .3 M P a 2 .O M P a 3 .O M P a
4 .O M P a
- 一 一 一 一 丫
/ / / /

/



4 仿 真与实验研究的多工况对 比分析
根 据 输 气管 道 声 波法 泄漏 检 测 技 术 的仿 真 模 拟 方法 和 实验研 究方 法 , 对 多工 况 下 的输气 管道 泄漏 分
别 进 行 了仿真 模拟 和 实验 , 得到 了不 同运行 压 力 , 不 同泄 漏孔径 , 不 同孔板 厚度 , 不 同径厚 比以及 不 同流

日 得 只 侧 铡 d 金 艺


一 一 ~ 一

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一 一 一 一 一 一 一 一 ~~





-

一 一

一 一

一 卜

速 等 影 响 因素 下 的压力 波 动值 , 见表 2 " 表 2 中记录 了通过 仿 真 和 实验 得 到 的 压力 分 别
为 1. 3 M P a , 2 M P a , 3 M P a , 4 M P a 下 , 泄漏 孔 径分

IO L 0 . 0

0 .2

0. 4

0石

0 8

n a

泄漏 孔径 (n 0n )

图 10 压力 波动值随泄漏孔径不 同的变化 图

表 2 仿真模拟和 实验得到 的多工 况压力波动值 仿 真模拟 拟 压力 泄漏 孔径 径 管道 介质流速 速 孔板厚 度 径厚 比 声 压压力波动值 值 管 道介质流速 速 实验 验 孔板厚度 度 径厚 比 实测压力波动值 值

(M P a )

( m m)

(m /s) )

( mm )

(k P a )

(r n /s) )

(m m )

(k P a )

0 .1 0 O一 45 1 .3 3 0. .0 90 8

63 6 6 3 .6 6 6 3 .6 6

3 3 3 3

0. 0 33 0 .1 5 00 . 0.3 27 3

一 13 .2 8 一 14 .3 3 一 15 13 .3 .2 8 5

6 7一 8 6 7 .8 8 67 7 .8 8

3 l 3 1

0 .0 3 3 0 45 0O .0, 9 27

一 1 4 .3 1 一 1 5 .1 0 一15 4 .4 59 0

0 .1 0 0 .4 5 2 0 .9 一 00 8

6 5 .9 9 6 5 .9 9 6 5 .9 9

3 3 3

0 .0 3 3 0 .1 5 00 .0.3 3 27

一2 1 .2 2 一2 2 92 一2 4 1 .5 .1 4 0

72 3 74 4 74 2一 .3 3 4

3 1 3 1

0 .0 3 3 0 .4 5 00 .0. 9 27

一 2 5 .6 1 一 2 6 .7 8 一 2 5 .2 86

0 .1 0 0 .4 5
3

6 7 ,8 6 7 .8 8 67 . 8 8

3 3 3

0 03 3 0 .1 5
0 00.3 3 27

一 3 2 .6 8 一35 27 一 一3 37 2 .3 .4 9 3

7 2 .3 3 7 2 .3 3 7 2 .3 .3 3 3

3 l
3 1

0 03 3 0 .4 5
00 .0.9 9 27

一 3 3 .5 5 一2 7 .8 9
一36 一3 9 .4 2 7

0 .9 .0 0 8

0 .1 0
0 .4 5

6 5 .9 9
6 5 .9 9

3
3

0 .0 3 3
0 .1 5

一4 3 石 5
一4 7 .5 1

5 1 .0 0
5 1 .0 0

3
1

0 .0 3 3
0 .4 5

一3 6 .8 1
一4 0 .2 1

4

0一 .0 90 8

65 5 .9 9

3

0 00.3 27 3

一 49 一5 3 .0 .25 7

5 53 1一 .0 0 2

3 1

00 .0, 9 27

一4 4 一5 5 .3 .8 6 5

380







报 (l ) 管 道 流 速对 压 力 波动 值 变 化 的影 响

2013 年

其 他运 行 压力 下 , 规 律 一致 , 且 运 行 压力 越大 , 压力

波 动值 增大 趋 势越 明显 "当泄漏 孔 径差 别 较小 时 , 如 图 中所示 0 . 8 n lm 和 0 .1 0 0 m m , 压力 波 动值 接 近 ; 当
泄 漏 孔径 变 化 较大 时 , 压 力 波动 值 变 化较 大 " 这是 由于输 气 管 道 在 一 定工 况 条 件 下 发 生 泄漏 时, 泄 漏 孔径 越大 , 泄漏 量 越大 , 即造 成 的物 质 流 失

由表 2 中 4 M P a 时仿 真 模 拟和 实 验 得 到 的压 力 波 动值 不 同 可 知 , 在 一 定工 况条 件 下 , 管 道 介 质 流 速越 大 , 压 力波 动值越 大 "这是 由于 压 力一 定 时 , 管 道介 质 流速越 大 , 气体 的可 压 缩性 越 明显 , 管 道 泄漏
时 由于气 体 可 压缩 性 造 成 的湍 流 脉 动 越 剧 烈 , 形 成

越 多 , 物 质 流 失使得 泄漏 孔 两侧 主 干 管 道 上 的介 质
流 速 变 化 加剧 , 形 成 的 四极 子 声 源 和 偶 极 子声 源强 度 增大 , 从而 辐 射更 大 能量 的声 波 , 形成 较大 的压力

的 四极 子 声 源 和偶 极 子 声 源 能 量 越 大 , 压 力 波 动 值
越大 "

(2 ) 孔板 厚 度及 径厚 比对 压力 波动 值 变 化 的影 响
由表 2 可知 , 实验 研 究 中将 泄漏 孔 径 为 0 . 5 m m 4 及 0. 0 m m 的 孔板 厚 度设 定 为 1 m m , 而 模 拟 中设 定 9 孔板 厚 度 为 3 m m , 根据 表 中记 录数 据 分 析 得 知 , 孔

波动值 " 4 .2 压 力波 动 值 随 压 力 的变 化
根据 表 2 中仿 真模 拟 和 实验 得到 的数 据 , 得 到泄 漏 孔径 为 0.1 0 m m 时 仿 真模 拟 方法 和 实验 方 法 得 到 的压 力波 动 值 随运 行 压 力 不 同的 变化 图, 如 图 11 "

板厚 度 减小 使得 压 力波 动值 有 减小 趋 势 , 这 个 趋 势在
3 M P a 运 行 压 力下 表 现 的最 为 明显 " 由表 2 可知 , 3 M P a 运行 压 力 下 , 泄漏 孔 径为 0 . 8 m m 及 0 .1 0 ) m 巩 ( 仿真模 拟 方 法对 应 的管道 流速 为 6 7 . s m /s, 孔 板厚 度 为 3 m m , 实验 研 究方 法对 应 的管道 流速 为 7 2 . 3 m /s,

田 只 娜 称 恻 勺 ` a .

孔板厚度 为 3 m m

时 , 实验 得到 的压力 波动值较

仿 真模 拟得 到 的压力 波动 值 大 , 而 在 泄漏 孔径 为
0. 5 m m 及 0. 4 0 m m , 仿 真 模 拟 方 法 对 应 的管 道 流 9 速为 6 7 . 8 m /s, 孔板 厚 度 为 3 m m , 实验 研 究方 法 对

由表 2 和 图 n 可 知 , 泄 漏 孔径 一 定 时, 在管 道 流 速 不 变 , 孔 板 厚 度 不变 , 径 厚 比不 变 的 条 件 下 , 随 着 管道 运 行 压 力 的增 大 , 压力 波 动 值 呈 现 增 大 趋 势 , 仿 真模 拟 和 实验 得 到 的 图线趋 势 一致 , 且泄 漏孔 径越 大 , 压力 波 动值 增 大趋 势越 明显 "在 其 他泄 漏孔


压 力 (P a)

应 的管 道 流速 为 7 2 .3 m /s, 孔板 厚 度 为 1 m m 时 , 实
验得 到 的压 力 波 动值 较 仿 真 模 拟 得 到 的 压 力 波 动值 小 , 这 正 是 孔板 厚 度 减小 导 致 的 " 这 是 由于气 体 介 质 从 泄漏 孔 泄 漏 的过 程 是 在 泄 漏 孔 中先 被 压 缩 然后 扩 张 的 过 程 , 在 一 定 范 围 内 ,

图 n

压力波动值 随运 行压力不 同的变 化图

孔板 厚 度 越厚 , 气体 介 质 在 泄 漏 孔 中被 压 缩 的越 充
分 , 扩 张的 时候 产 生的 湍流 脉 动就 越 剧 烈 , 从而 产 生

较强 烈 的声 源 脉 动 ; 同 时在 泄 漏 孔 中存 在 气 体介 质 与泄漏 孔 壁 的摩擦 藕 合 , 孔 板 厚度 越 厚 , 摩擦 藕 合作 用越 充分 , 导致 气体 湍 流脉 动越 剧 烈 , 形 成 强烈 的声
源脉 动 " 径 厚 比对 压力 波 动 值变 化 的影 响 主 要 体现 在 泄

径 下 , 压 力波 动 值 随运 行压 力不 同的变 化趋 势 一致 " 这是 由于 输 气 管 道 在 一 定工 况 条 件 下 发 生 泄漏
时 , 运行 压力 越大 , 一方 面 使得 泄 漏量 增 大 , 造 成 的 物 质 流 失越 多 , 物 质 流失 使 得 泄 漏 孔 两 侧 主 干管 道 上 的 介 质 流速 变 化 加 剧 , 形 成 的 四极 子 声 源和 偶 极 子 声源 强度 增 大 , 从 而 辐射 更大 能 量 的声 波 , 形 成较 大 的 压 力 波动 值 ; 另 一方 面使 得 泄 漏 孔 前后 压差 增 大 , 加剧 了气 体 介 质 的湍流 脉 动 , 形 成 的四极 子 声源 和 偶 极子 声 源 强 度增 大 , 使 得压 力 波 动值 增 大 " 4 .3 其 他 因素 对 压 力 波动 值 变化 的 影 响 根 据 表 2 中 仿 真 模拟 和 实验 得 到 的数 据 可 知管 道 介 质 的 流 速 ! 孔 板厚 度 以及 径 厚 比等 都 对 压 力波 动值 的 产 生及 变 化 有影 响 , 具体 规 律 总结 如 下 :

漏孔 径 及孔 板 厚 度对 压 力 波动 值 影 响 的 综合 作 用 "

5 总结
通 过对 输 气 管 道 声 波 法 泄 漏 检 测 的仿 真 与 实验 研 究, 得 到 如下 结 论 : (l ) 输 气 管道 泄 漏 时声 波 产 生机 理 : 输 气 管 道 泄

漏 时 , 由于 管 内外 压 差及 气 体 与 管 壁 的相 互 作用 形
成强 烈 的湍 流 , 从 而产 生 压力 和速 度 脉 动 , 在 泄 漏 孔 处产 生 四极 子声 源 , 传 播过 程 中遇 到 阀门 !管 壁 等 又 会伴 随 产 生偶 极 子声 源 , 声 源 叠 加辐 射 声 波 " (2 ) 输 气管 道声 波 法泄 漏 检测 与 定位 技 术 的基 本 原理 是 : 根 据 L i gh t h i n 声 拟 理论 的 L i gh t h i n 波动 方


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