付青云 李堯斌副教授

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232000)

0 引言

管道運(yùn)輸具有高效穩(wěn)定、污染小、損耗低、易于維修等特點(diǎn)，在給物料運(yùn)輸帶來(lái)便利的同時(shí)，也存在管道泄漏危害公眾安全的隱患。當(dāng)管道發(fā)生泄漏，要及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道泄漏的復(fù)雜情況[1]，最大限度地減小氣體管道泄漏造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此為及時(shí)了解燃?xì)夤艿腊踩珷顟B(tài)，需對(duì)燃?xì)夤艿佬孤r(shí)的聲源特性進(jìn)行研究，找出泄漏源的特點(diǎn)，更好地預(yù)防泄漏事故并能在泄漏發(fā)生后第一時(shí)間進(jìn)行泄漏源定位，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)燃?xì)夤艿佬孤┞曉吹奶匦砸堰M(jìn)行一些研究，并取得一定成果，如R.Ben-Mansour等[2]針對(duì)管道的微小泄漏，基于三維湍流模型利用計(jì)算流體力學(xué)模擬軟件對(duì)0.1m內(nèi)徑的管道進(jìn)行仿真模擬，并且提出快速傅立葉變化法和平均功率譜密度法得到聲源信號(hào)特征；李堯斌等[3]主要研究泄漏孔孔形對(duì)燃?xì)夤艿佬孤┞曉刺匦缘挠绊?，得到不同孔形的燃?xì)夤艿佬孤┞曉搭l譜的突出頻響在50～52kHz，為聲波檢測(cè)法的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供參考依據(jù)；閆成穩(wěn)等[4]主要建立管道泄漏物理模型，得到聲波產(chǎn)生機(jī)理，管道內(nèi)壓和泄漏孔徑增大聲壓級(jí)也增大，聲波能量在50Hz以下，并且以四極子為主要聲源；韓寶坤等[5]利用仿真模擬，研究采用小波變換法定位泄漏聲源。

在管道聲波傳播規(guī)律的研究方面，Osama Hunaidi等[6]對(duì)塑料管道泄漏信號(hào)的聲波特征進(jìn)行研究，基于不同條件下的管道泄漏實(shí)驗(yàn)，得到管道泄漏聲波信號(hào)規(guī)律，確定聲波衰減率及聲波傳播速度的變化規(guī)律；Min-Soo Kim等[7]利用時(shí)頻聯(lián)合分析的試驗(yàn)方法及邊界元法得到管道系統(tǒng)聲波的截止頻率，從而獲得管內(nèi)聲波的傳播特性；孟令雅等[8]綜合考慮介質(zhì)黏滯吸收和熱傳導(dǎo)作用及特殊管件(彎管、分支及變徑管)的吸收作用，建立泄漏音波在管內(nèi)傳播模型。

由上述文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)很多學(xué)者利用聲波法對(duì)管道泄漏進(jìn)行檢測(cè)，并且取得很多成果，故而本文采用聲波法對(duì)燃?xì)夤艿佬孤┬盘?hào)進(jìn)行檢測(cè)。在這些研究中大多數(shù)學(xué)者對(duì)管道泄漏研究偏向于模擬方法，模擬的條件大多是理想條件，但實(shí)際檢測(cè)時(shí)外在影響因素較多，因此本文主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法探究燃?xì)夤艿绬?、雙點(diǎn)泄漏聲波信號(hào)的特性和傳播規(guī)律，以期為城市燃?xì)夤艿缹?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建提供理論依據(jù)，以更好地預(yù)防燃?xì)夤艿佬孤?，從而保證燃?xì)夤艿肋\(yùn)輸?shù)陌踩咝浴?/p>

1 燃?xì)夤艿绬?、雙點(diǎn)泄漏聲波實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文主要研究燃?xì)夤艿绬巍㈦p點(diǎn)泄漏聲波特性及傳播規(guī)律，根據(jù)前期文獻(xiàn)閱讀[3-4]，燃?xì)夤艿佬孤┢脚_(tái)可分為充放氣裝置、管道系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖，如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.1 The schematic diagram of the experimental system

(1)充放氣裝置：由空壓機(jī)、冷干機(jī)和儲(chǔ)氣罐組成，該裝置主要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中給管道提供穩(wěn)定的氣體，控制實(shí)驗(yàn)氣體運(yùn)行壓力?？紤]實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的安全性，實(shí)驗(yàn)氣體采用空氣。我國(guó)城市燃?xì)夤艿缐毫Ψ譃槠呒?jí)：高壓氣管A級(jí)壓力為2.5～ 4.0MPa；高壓氣管B級(jí)壓力為1.6～2.5MPa；二級(jí)高壓氣管A級(jí)壓力為0.8～1.6MPa；二級(jí)高壓氣管B級(jí)壓力為0.4～0.8MPa；中壓燃?xì)夤艿繟級(jí)壓力為0.2～0.4MPa；中壓燃?xì)夤艿繠級(jí)壓力為0.01～0.2MPa；低壓氣管壓力為0.01MPa。在上述壓力等級(jí)條件下，單個(gè)固定管道的壓力變化不大，但是不同運(yùn)輸管道的壓力不同。故研究不同的運(yùn)行工況，可將理論更好地應(yīng)用于實(shí)際。因此本文將實(shí)驗(yàn)壓力確定為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0MPa，并測(cè)定5個(gè)壓力下單點(diǎn)泄漏和雙點(diǎn)泄漏的聲波信號(hào)。

(2)管道系統(tǒng)：由鋼管、泄漏孔和電磁閥等組成，主要用于模擬管道泄漏。本文主要探究壓力、泄漏點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)管道泄漏聲波信號(hào)的影響，需控制泄漏孔形狀和大小，故而泄漏孔采用孔徑為0.8mm圓形孔。

(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：由計(jì)算機(jī)、高精度數(shù)據(jù)釆集儀和加速度傳感器組成，主要用于采集氣體泄漏的聲波信號(hào)[9]。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)利用空壓機(jī)對(duì)儲(chǔ)氣罐進(jìn)行充氣，調(diào)節(jié)減壓閥使儲(chǔ)氣罐的壓力達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需壓力。

(2)打開(kāi)管道系統(tǒng)進(jìn)氣口的電動(dòng)閥門，采集管道系統(tǒng)未發(fā)生泄漏時(shí)的背景噪聲聲波信號(hào)。

(3)安裝上模擬泄漏孔與聲波測(cè)試傳感器，從低到高調(diào)節(jié)壓力閥控制出口壓力，進(jìn)行燃?xì)夤艿佬孤┞暟l(fā)射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。

(4)每種工況分別采集3次數(shù)據(jù)，最終結(jié)果取3次數(shù)據(jù)的平均值，以保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確率。

(5)采集結(jié)束后，關(guān)閉管道入口閥門，打開(kāi)排氣裝置進(jìn)行排氣。

2 單、雙點(diǎn)泄漏聲源特性

由于聲波信號(hào)為連續(xù)信號(hào)[10]，可以利用Matlab軟件計(jì)算出聲波信號(hào)的時(shí)域最大幅值，從而進(jìn)行燃?xì)鈫?、雙點(diǎn)聲波信號(hào)特性規(guī)律研究，見(jiàn)表1。

由表1可知，當(dāng)泄漏點(diǎn)個(gè)數(shù)一定，隨著壓力的增大，時(shí)域最大幅值隨之增大，每個(gè)壓力幅值變化幅度比較大。這是因?yàn)楣艿缐毫υ龃?，管道?nèi)氣體流動(dòng)加快，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，氣體從泄漏點(diǎn)噴出時(shí)氣流變快，管內(nèi)外擠壓明顯，傳感器檢測(cè)的聲波信號(hào)也相應(yīng)變大。

表1 不同壓力下單雙點(diǎn)泄漏的聲波信號(hào)時(shí)域振幅Tab.1 The time domain amplitudes of acoustic signals of the single and double leakage under different pressures

當(dāng)壓力一定時(shí)，燃?xì)夤艿绬吸c(diǎn)泄漏時(shí)域幅值普遍小于雙點(diǎn)泄漏時(shí)域幅值。這主要是因?yàn)楣艿腊l(fā)生泄漏時(shí)，管道內(nèi)部氣體由于管道內(nèi)外壓差作用由穩(wěn)定流動(dòng)變向外射流，泄漏點(diǎn)個(gè)數(shù)增多意味著在泄漏處管道內(nèi)外壓差增大，聲波傳感器采集的振幅也隨之增大[11]。因此，在實(shí)際檢測(cè)管道泄漏時(shí)，管道壓力一定，主要排查聲波振幅偏大處。

3 管道雙點(diǎn)泄漏聲波傳播規(guī)律

通過(guò)提取時(shí)域波形圖最大幅值，可得到不同泄漏工況下與傳播距離的變化規(guī)律。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，不同孔間距雙點(diǎn)同時(shí)泄漏且在不同壓力下，6個(gè)傳感器測(cè)得聲波信號(hào)最大幅值，將不同工況的最大幅值用Origin軟件處理成點(diǎn)線圖，如圖2。

圖2 不同工況下雙點(diǎn)泄漏聲波信號(hào)幅值隨距離的變化規(guī)律Fig.2 The laws of the acoustic signal amplitude of the double leakage vary with the distance under different working conditions

當(dāng)壓力不同時(shí)，聲波幅值隨著壓力的增加而增加，1.0MPa下的幅值最大，其余4個(gè)壓力條件下聲波幅值依次遞減。當(dāng)壓力和孔間距一定時(shí)，管道中聲波信號(hào)幅值隨著離泄漏孔距離增加而逐漸減小，最后趨于平穩(wěn)，并且靠近泄漏點(diǎn)的聲波信號(hào)均大于未泄漏處的聲波信號(hào)。距離泄漏點(diǎn)最近處(2號(hào))泄漏信號(hào)幅值與其相鄰泄漏點(diǎn)處(3號(hào))的信號(hào)幅值衰減幅度最大，這一現(xiàn)象在壓力為1.0MPa時(shí)最為明顯，其相鄰幅值差值最大可達(dá)6.7倍，可見(jiàn)泄漏聲波信號(hào)在管道上傳播衰減速度快，這是因?yàn)樾孤c(diǎn)處動(dòng)量變化大，管壁內(nèi)外空氣擠壓振動(dòng)強(qiáng)烈，而離得遠(yuǎn)的地方這種現(xiàn)象不明顯。因此，在實(shí)際檢測(cè)管道泄漏時(shí)，對(duì)其管道沿線檢測(cè)，聲波信號(hào)幅值明顯大的地方優(yōu)先排查，可以縮短檢測(cè)范圍，使工作更加高效。

4 結(jié)論

天然氣的開(kāi)發(fā)利用非常廣泛，同時(shí)伴隨發(fā)生泄漏事故的可能性，采用實(shí)驗(yàn)室燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)平臺(tái)，研究不同壓力對(duì)管道單、雙點(diǎn)泄漏聲波特性及傳播的變化規(guī)律，具體結(jié)論如下：

(1) 當(dāng)壓力一定時(shí)，雙點(diǎn)泄漏幅值明顯高于單點(diǎn)幅值，雙點(diǎn)泄漏增大泄漏處的氣流脈動(dòng)強(qiáng)度，從而在實(shí)際檢測(cè)時(shí)重點(diǎn)排查聲波振幅偏大處。

(2) 當(dāng)泄漏點(diǎn)個(gè)數(shù)一定時(shí)，泄漏聲源信號(hào)隨著管道壓力增大逐漸增大，管道壓力梯度增大，泄漏處附近內(nèi)外壓差增大，從而聲波信號(hào)隨之增強(qiáng)。

(3) 當(dāng)壓力一定時(shí)，管道中聲波信號(hào)幅值隨著距離增加而逐漸減小，最后趨于平穩(wěn)，并且靠近泄漏點(diǎn)的聲波信號(hào)均大于未泄漏處的聲波信號(hào)，應(yīng)用到實(shí)際檢測(cè)中，可以縮小檢查范圍，從而使燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)更加高效。