基于声波法燃气管道单双点泄漏安全检测研究

付青云 李尧斌副教授

(安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南 232000)

0 引言

管道运输具有高效稳定、污染小、损耗低、易于维修等特点，在给物料运输带来便利的同时，也存在管道泄漏危害公众安全的隐患。当管道发生泄漏，要及时发现管道泄漏的复杂情况[1]，最大限度地减小气体管道泄漏造成的人员伤亡和财产损失。因此为及时了解燃气管道安全状态，需对燃气管道泄漏时的声源特性进行研究，找出泄漏源的特点，更好地预防泄漏事故并能在泄漏发生后第一时间进行泄漏源定位，避免事故进一步扩大。国内外学者对燃气管道泄漏声源的特性已进行一些研究，并取得一定成果，如R.Ben-Mansour等[2]针对管道的微小泄漏，基于三维湍流模型利用计算流体力学模拟软件对0.1m内径的管道进行仿真模拟，并且提出快速傅立叶变化法和平均功率谱密度法得到声源信号特征；李尧斌等[3]主要研究泄漏孔孔形对燃气管道泄漏声源特性的影响，得到不同孔形的燃气管道泄漏声源频谱的突出频响在50～52kHz，为声波检测法的开发和应用提供参考依据；闫成稳等[4]主要建立管道泄漏物理模型，得到声波产生机理，管道内压和泄漏孔径增大声压级也增大，声波能量在50Hz以下，并且以四极子为主要声源；韩宝坤等[5]利用仿真模拟，研究采用小波变换法定位泄漏声源。

在管道声波传播规律的研究方面，Osama Hunaidi等[6]对塑料管道泄漏信号的声波特征进行研究，基于不同条件下的管道泄漏实验，得到管道泄漏声波信号规律，确定声波衰减率及声波传播速度的变化规律；Min-Soo Kim等[7]利用时频联合分析的试验方法及边界元法得到管道系统声波的截止频率，从而获得管内声波的传播特性；孟令雅等[8]综合考虑介质黏滞吸收和热传导作用及特殊管件(弯管、分支及变径管)的吸收作用，建立泄漏音波在管内传播模型。

由上述文献可以发现很多学者利用声波法对管道泄漏进行检测，并且取得很多成果，故而本文采用声波法对燃气管道泄漏信号进行检测。在这些研究中大多数学者对管道泄漏研究偏向于模拟方法，模拟的条件大多是理想条件，但实际检测时外在影响因素较多，因此本文主要通过实验方法探究燃气管道单、双点泄漏声波信号的特性和传播规律，以期为城市燃气管道实时监测系统的构建提供理论依据，以更好地预防燃气管道泄漏，从而保证燃气管道运输的安全高效性。

1 燃气管道单、双点泄漏声波实验

1.1 实验系统

本文主要研究燃气管道单、双点泄漏声波特性及传播规律，根据前期文献阅读[3-4]，燃气管道泄漏平台可分为充放气装置、管道系统和数据采集系统3部分，实验系统原理图，如图1。

图1 实验系统原理图Fig.1 The schematic diagram of the experimental system

(1)充放气装置：由空压机、冷干机和储气罐组成，该装置主要在实验过程中给管道提供稳定的气体，控制实验气体运行压力。考虑实验室实验的安全性，实验气体采用空气。我国城市燃气管道压力分为七级：高压气管A级压力为2.5～ 4.0MPa；高压气管B级压力为1.6～2.5MPa；二级高压气管A级压力为0.8～1.6MPa；二级高压气管B级压力为0.4～0.8MPa；中压燃气管道A级压力为0.2～0.4MPa；中压燃气管道B级压力为0.01～0.2MPa；低压气管压力为0.01MPa。在上述压力等级条件下，单个固定管道的压力变化不大，但是不同运输管道的压力不同。故研究不同的运行工况，可将理论更好地应用于实际。因此本文将实验压力确定为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0MPa，并测定5个压力下单点泄漏和双点泄漏的声波信号。

(2)管道系统：由钢管、泄漏孔和电磁阀等组成，主要用于模拟管道泄漏。本文主要探究压力、泄漏点个数对管道泄漏声波信号的影响，需控制泄漏孔形状和大小，故而泄漏孔采用孔径为0.8mm圆形孔。

(3)数据采集系统：由计算机、高精度数据釆集仪和加速度传感器组成，主要用于采集气体泄漏的声波信号[9]。

1.2 实验步骤

(1)利用空压机对储气罐进行充气，调节减压阀使储气罐的压力达到实验所需压力。

(2)打开管道系统进气口的电动阀门，采集管道系统未发生泄漏时的背景噪声声波信号。

(3)安装上模拟泄漏孔与声波测试传感器，从低到高调节压力阀控制出口压力，进行燃气管道泄漏声发射实验数据的采集。

(4)每种工况分别采集3次数据，最终结果取3次数据的平均值，以保证实验准确率。

(5)采集结束后，关闭管道入口阀门，打开排气装置进行排气。

2 单、双点泄漏声源特性

由于声波信号为连续信号[10]，可以利用Matlab软件计算出声波信号的时域最大幅值，从而进行燃气单、双点声波信号特性规律研究，见表1。

由表1可知，当泄漏点个数一定，随着压力的增大，时域最大幅值随之增大，每个压力幅值变化幅度比较大。这是因为管道压力增大，管道内气体流动加快，当管道发生泄漏时，气体从泄漏点喷出时气流变快，管内外挤压明显，传感器检测的声波信号也相应变大。

表1 不同压力下单双点泄漏的声波信号时域振幅Tab.1 The time domain amplitudes of acoustic signals of the single and double leakage under different pressures

当压力一定时，燃气管道单点泄漏时域幅值普遍小于双点泄漏时域幅值。这主要是因为管道发生泄漏时，管道内部气体由于管道内外压差作用由稳定流动变向外射流，泄漏点个数增多意味着在泄漏处管道内外压差增大，声波传感器采集的振幅也随之增大[11]。因此，在实际检测管道泄漏时，管道压力一定，主要排查声波振幅偏大处。

3 管道双点泄漏声波传播规律

通过提取时域波形图最大幅值，可得到不同泄漏工况下与传播距离的变化规律。经过多次测量，不同孔间距双点同时泄漏且在不同压力下，6个传感器测得声波信号最大幅值，将不同工况的最大幅值用Origin软件处理成点线图，如图2。

图2 不同工况下双点泄漏声波信号幅值随距离的变化规律Fig.2 The laws of the acoustic signal amplitude of the double leakage vary with the distance under different working conditions

当压力不同时，声波幅值随着压力的增加而增加，1.0MPa下的幅值最大，其余4个压力条件下声波幅值依次递减。当压力和孔间距一定时，管道中声波信号幅值随着离泄漏孔距离增加而逐渐减小，最后趋于平稳，并且靠近泄漏点的声波信号均大于未泄漏处的声波信号。距离泄漏点最近处(2号)泄漏信号幅值与其相邻泄漏点处(3号)的信号幅值衰减幅度最大，这一现象在压力为1.0MPa时最为明显，其相邻幅值差值最大可达6.7倍，可见泄漏声波信号在管道上传播衰减速度快，这是因为泄漏点处动量变化大，管壁内外空气挤压振动强烈，而离得远的地方这种现象不明显。因此，在实际检测管道泄漏时，对其管道沿线检测，声波信号幅值明显大的地方优先排查，可以缩短检测范围，使工作更加高效。

4 结论

天然气的开发利用非常广泛，同时伴随发生泄漏事故的可能性，采用实验室燃气管道泄漏检测平台，研究不同压力对管道单、双点泄漏声波特性及传播的变化规律，具体结论如下：

(1) 当压力一定时，双点泄漏幅值明显高于单点幅值，双点泄漏增大泄漏处的气流脉动强度，从而在实际检测时重点排查声波振幅偏大处。

(2) 当泄漏点个数一定时，泄漏声源信号随着管道压力增大逐渐增大，管道压力梯度增大，泄漏处附近内外压差增大，从而声波信号随之增强。

(3) 当压力一定时，管道中声波信号幅值随着距离增加而逐渐减小，最后趋于平稳，并且靠近泄漏点的声波信号均大于未泄漏处的声波信号，应用到实际检测中，可以缩小检查范围，从而使燃气管道泄漏检测更加高效。