天然氣管道泄漏次聲波泄漏定位系統(tǒng)

文/趙志勇

基于天然氣長輸管道泄漏的空氣動力噪聲，建立了中高壓環(huán)境下不同泄漏孔徑下管道泄漏噪聲的物理模型，研究了泄漏過程中流體的流動特性。研究發(fā)現，長距離天然氣管道泄漏時，會產生不同頻率的聲波，不同頻率的聲波具有不同的繞障能力，使得聲波的傳播存在較大的差異，頻率越低，衰減越弱，傳播距離越遠。并通過對高精度差壓傳感器的比選，實現了次聲檢漏系統(tǒng)的研制，為天然氣長距離管道輸送中的泄漏檢測提供了一種有效的方法。

0.引言

天然氣成為環(huán)境污染最小、安全的潔凈燃料，在世界各地獲得廣泛的使用。但是，由于天然氣長途運輸管線大多位于地廣人稀的偏遠地區(qū)，如中國已形成了西氣東輸、川氣東送、歐亞、中緬和中國同俄羅斯的聯邦東線等各種燃氣長輸管線。管道在運營中，由于運營期限的加長會出現燃氣泄漏事件，主要因素有：第三方設備損壞、銹蝕、施工問題、材料故障、地災等。在管輸過程中，管道的泄漏也會對當地環(huán)境造成破壞、威脅生命安全。實時監(jiān)測管道泄漏并實現精準定位，能提供時間余量采取適當的措施，有效減少經濟損失和環(huán)境污染。

1.長距離管道輸送基本特征

論文內容以昆明市的實際燃氣管道為主要研究對象：管線外徑為二百二十毫米，管道內設計水壓為六點三MPa，管線材料為L415螺線縫埋弧焊機器人管材和直縫埋弧焊機器人管材。管輸天然氣組分為89.5%甲烷、5%乙烷、2%氮、0.5%二氧化碳、3%丙烷。因輸送的天然氣介質黏性較小，且在高速流體下黏性力等于慣性力，故可作設:若管道內壓強為局部恒定、管道局部溫度恒定、進出口無壓力損失。

2.管道泄漏聲源特征

2.1 構建物理模型及劃分網格。根據實際的天然氣管道基礎數據和假設，數值模擬研究時的幾何模擬管線外徑為二百二十毫米，管壁厚為五毫米，實際管道直徑為六十毫米，而泄漏洞則設在管線中部的正上方，因此網格分析時采取了All-Quality方法，泄漏孔處加密處理，管道流體域網格尺寸為2毫米。對泄漏孔處加密處理，網格厚度達到了零點零一毫米。輸氣管道泄漏模型與泄漏入口處半球流體域網如圖1所示。

圖1 輸氣管道泄漏模型與泄漏入口處半球流體域網格示意圖

為及時準確計量泄露口側的流場參數，對泄露口側實行網格加密，同時開展了網格無關性測試，兩個網格的結果見表1給出。

表1 模型參數

2.2 參數設置

數值計算中穩(wěn)態(tài)采用的k-ε 模式，k-ε 模式是由Launder和Spalding所給出的雙方程模型，是目前最簡潔的完整湍流模式，是目前進行工程上流場求解的最主要方法。模型的特征是適用范圍廣泛、經濟而且有著合理的精確度，是零點五經驗的。工程上流場計算的瞬態(tài)采用的湍流模型為LES大渦模擬模型，常用于計算聲波傳播方程的噪聲源。根據實際管道的輸送特點，在Fluent中選擇以下邊界條件：入口為pressure-inlet、出口為pressure-outlet。管道壓力共設置3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa四種工況，泄漏孔徑共設置0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm 三種工況。輸氣管道的泄漏過程為一種非定常流動現象，在計算流程中，將模擬時量化步長設定為零點零零一s，時間行走步數設定為一百步，每十步完成數據記錄，模擬時為零點一s。

2.3 泄漏特性分析

2.3.1 不同泄漏孔徑。分析特定管道運行壓力不同泄漏孔徑下泄漏時泄漏處速度變化，經研究發(fā)現，在泄露孔進口處流體速度相對于在管道內的流體速度顯然加快，同時由于在泄露孔入口處的流體速度的矢量改變，流體方向也趨于紊亂。當流體進入漏孔后，流體方向逐步趨于一致，并順著漏孔軸向方向逐漸流入漏孔出口。再順著漏孔軸向方向流體速度逐步上升，在出口處到達峰值。

2.3.2 不同管道壓力。分析特定泄漏孔徑在不同管線的運行壓力下泄露時泄漏口處理過程發(fā)生變化，分析結果表明，當主管道壓力與流速的改變并不顯著，但泄露口處壓強和流速急劇改變時，由于管線壓力的增加，管線泄露口處的速度變化越烈。

3.中高壓輸氣管道泄漏時聲源特性分析

由Lighthill波動方程可知，輸氣管道的聲源是由流場密度、流體質量流量和流速等因素決定，當輸氣管道發(fā)生泄漏時，泄漏處管內與外界存在著很大的壓差，管內氣體從泄漏孔噴出。在氣體噴射的一瞬間，因為管內部空氣速率大不相同，使二股空氣瞬間混在一起，在邊界層形成由湍流產生的強大湍流噪音；一部分的強大湍流噪音則產生在噴注氣體自身，因為噴注的氣體自身因速率過大，就會形成巨大的渦流而產生強烈湍流;有一部分的強湍流噪聲來自泄漏口周圍產生的強流速梯度區(qū)。但總體上，聲源區(qū)包含了兩個部分：泄漏口噴注區(qū)與泄漏口周圍區(qū)域，以及管道內區(qū)域的噪聲傳導部分，泄露時產生的聲源噪聲類似氣動噪聲。目前估計氣動噪音的主要模式有三類:FW-H模式、寬頻噪音模式(Broadband Noise Source Model)及直接測量氣動聲學模型(Computation Aeroacoustics簡稱CAA模式)。FW-H聲學模型是用面積分算泄漏區(qū)域的噪聲，采用的是時域積分的方式，較之于其他兩種模型具有良好的優(yōu)點，因此采用FW-H聲學模型實現泄漏聲場的模擬分析。

通過分析不難發(fā)現：1）在輸氣管道發(fā)生泄漏后，泄漏處將產生寬頻域的聲波，可被上下游設置的聲波接收點接收，表明在實際輸氣管道中，若發(fā)生泄漏可在上下游設置相應的聲波接收器，采集聲波信號進而判斷輸氣管道是否發(fā)生泄漏，可為輸氣管道聲波泄漏檢測提供科學依據。2）輸氣管道發(fā)生泄漏后，泄漏處將產生寬頻域的聲波，沿著管內介質傳播，頻率為0~50 Hz的聲波在管內傳輸的過程中衰減最慢，能量越高，聲壓級隨著聲波頻率的增加而降低，頻率越高的聲波衰減得越快，表明在輸氣管道泄漏檢測中，可檢測次聲波信號作為長距離輸氣管道泄漏特征信號。3）噪聲的聲壓級會隨泄漏孔徑、管道運行壓力的增大而增大。

4.中高壓輸氣管道次聲波泄漏定位系統(tǒng)

4.1 泄漏檢測系統(tǒng)總體設計。根據室內管道實際運行條件和比選的高精度壓差傳感器，優(yōu)選采集卡、電源以及網絡傳輸方案，使用Labview設計了高速采集系統(tǒng)捕獲輸氣管道發(fā)生泄漏時的聲波信號，研發(fā)了包含小波去噪模塊、首末兩端波形顯示模塊、互相關模塊的Labview整體程序，程序設計框圖。將高速采集到的泄漏信號輸入設計的Labview管道泄漏檢測系統(tǒng)中進行分析，確定了奇異點,最后實現輸氣管道泄漏檢測定位。

4.2 泄漏檢測系統(tǒng)組成。在管首末兩端放置次聲波感應器進行收集信息，對管線進行現場監(jiān)控，并將兩端感應器收集的信息進行傳遞給軟件，由此完成了輸氣管道的泄漏監(jiān)測。輸氣管道泄漏檢測系統(tǒng)的核心在于捕獲到管道的次聲波信號，關鍵在于中高壓環(huán)境中實現超低頻次聲波信號的識別。常規(guī)高精度壓力變送器已無法滿足實際需求，本文比選高精度差壓變送器，在中高壓環(huán)境中能夠有效捕獲收集超低頻聲壓信號。目前常用的差壓變送器探頭類型有很多，如自動圈型、駐極體型、電容器式等，其中電容型傳感器靈敏度范圍為8~30mV/Pa，而次聲波聲音泄漏檢測系列傳感器要求的靈敏度則為10~50mV/Pa，所以，電容型差壓變送器也可以作為聲音泄漏監(jiān)測系列的傳感器。泄漏定位系統(tǒng)的準確性往往要求次聲波傳感器高精度、高采集速率、抗干擾和較好的穩(wěn)定性。本系列均采用高比選的智能型差壓變送器，并擁有卓越的抗干擾性能，電池供電時間長、精度高、穩(wěn)定性好和可靠性強，甚至可以檢測、捕獲到由泄漏產生造成的微小壓力波動。

4.3 室內檢驗。為了明確輸氣管道次聲波泄漏定位的可行性，對室內輸氣管道及城市燃氣配輸實驗裝置進行完善。試驗溫度為室溫，管道為不銹鋼材料，沿線共設置三個泄露點，分別距起點的差壓傳感器為5m、6.82m、7.68m，泄露點主要由接線頭和球閥組成，利用打開的球閥大小及開度來模擬泄露發(fā)生時間和泄漏量的大小。通過小波變換去噪、互相關算法處理后，時間差為3.6 ms、9.6 ms、12.6 ms時泄漏點位置分別為距離首端差壓傳感器4.3988 m、6.6032 m、7.1042 m 處，而實際泄漏點位置為距離首端差壓傳感器5 m、6.82 m、7.68 m 處，表明泄漏定位準確、設計的泄漏定位系統(tǒng)可靠。

5.結論及建議

1)泄漏會形成不同頻段的聲音信息，頻段越低的聲音信息在傳播過程中能量損失越小，傳遞更遠，可作為管道發(fā)生泄漏時的檢測特征信號，判斷管道是否發(fā)生泄漏及泄漏定位。2）在輸氣管道中，利用高精度的差壓變送器能準確有效檢測到管道泄漏產生的微小壓力波動，自研的輸氣管道檢測系統(tǒng)能顯著地提高定位精度且具有準確性高、靈敏度高、成本低等優(yōu)勢，有較高的工程應用價值。

引用出處

[1]許諾，邵倩倩，王曉琪，等.長距離輸氣管道泄漏監(jiān)測技術研究綜述[J].山東化工，2021，50(14):101-103.

[2]劉翠偉，李玉星，王武昌，等.輸氣管道聲波法泄漏檢測技術的理論與實驗研究[J].聲學學報，2013，38(3):372-381.