輸氣管道泄漏音波信號傳播特性及預(yù)測模型

孟令雅,付俊濤,李玉星,劉翠偉,劉光曉

(1.中國石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,山東青島 266580；2.中國石油大學(xué)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580)

輸氣管道泄漏音波信號傳播特性及預(yù)測模型

孟令雅1,付俊濤2,李玉星2,劉翠偉2,劉光曉2

(1.中國石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,山東青島 266580；2.中國石油大學(xué)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580)

輸氣管道泄漏音波在管內(nèi)傳播過程中發(fā)生衰減,在安裝音波傳感器前必須明確管內(nèi)音波信號的傳播距離。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。利用改進(jìn)的小波分析法對泄漏音波信號時(shí)頻域特征進(jìn)行分析,模擬分析不同特殊管件對音波傳播的影響,并利用高壓泄漏試驗(yàn)裝置對建立的傳播模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明:泄漏音波在管內(nèi)以平面波形式傳播,泄漏信號幅值能量占優(yōu)的頻帶主要集中在0～0.366 Hz及2.93～46.88 Hz內(nèi),直管和彎管對音波衰減影響較小,只有分支和變徑(變徑流量計(jì)、閥門)對音波傳播影響較大；得到的擬合音波吸收系數(shù)與理論吸收系數(shù)吻合較好,模型計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確,可提高音波泄漏檢測的準(zhǔn)確性。

輸氣管道；泄漏音波；傳播模型；聲學(xué)模擬；吸收系數(shù)

當(dāng)輸氣管線發(fā)生泄漏時(shí),由于管壁與管內(nèi)介質(zhì)的交互作用在管內(nèi)產(chǎn)生壓力波動(dòng),這一動(dòng)態(tài)壓力將通過管內(nèi)介質(zhì)以聲速向管線上下游傳遞,從而形成泄漏音波[1-2]。通過在管線上下游安裝音波傳感器,檢測這一動(dòng)態(tài)壓力,即可實(shí)現(xiàn)泄漏檢測和定位[3]。 Muggleton等[4]針對充液圓管道中泄漏引起的聲音和振動(dòng)波的傳播行為進(jìn)行分析,推導(dǎo)出介質(zhì)中充液管道的聲振耦合系統(tǒng)的頻散效應(yīng)[5]。Kim等[6]利用時(shí)頻聯(lián)合分析的試驗(yàn)方法及邊界元法得到了管道系統(tǒng)的聲波的截止頻率,Matjaz Prek[7]提出了利用頻域分析確定彈塑性充液管內(nèi)音波特性的方法,劉敬喜等[8]研究了彈性介質(zhì)中充液管道的波衰減特性,利用沿實(shí)波數(shù)軸搜索求根的方法得到了頻散方程的完全解。而氣體由于可壓縮性引起的音波信號傳播特性明顯不同于液體管線,并且必須考慮管內(nèi)介質(zhì)的黏滯吸收和熱傳導(dǎo)等作用和彎管、分支管或變徑管等特殊構(gòu)件引起的音波衰減[9]。筆者綜合考慮黏滯吸收作用、熱傳導(dǎo)作用及特殊管件的吸收和反射作用,建立天然氣長輸管道泄漏音波的傳播和衰減模型,得到泄漏音波在管內(nèi)介質(zhì)中的傳播規(guī)律。

1 模 型

對于一般的聲源在無界空間中輻射球面波,而將聲源限制于受管壁束縛的管道中傳播,當(dāng)音波的頻率低于圓管內(nèi)平面波的截止頻率時(shí),管內(nèi)音波會以一維平面波的模式進(jìn)行傳播。而圓管中平面波的截止頻率[10]為

在管內(nèi)能夠長距離傳播且可用作音波泄漏檢測的音波頻段主要集中在次聲及可聽聲的低頻部分(0～100 Hz),由式(1)可得,對于實(shí)際管線,當(dāng)管徑達(dá)到1219 mm時(shí),頻率小于163.4 Hz下音波在管內(nèi)傳播模式為一維平面波,因此對實(shí)際現(xiàn)場天然氣管線,可以認(rèn)為其傳播模式為一維平面波形式。

1.1 介質(zhì)黏滯吸收和熱傳導(dǎo)作用的影響

考慮黏滯吸收作用、熱傳導(dǎo)作用,對聲波基本方程聯(lián)立求解可得到音波信號阻尼波動(dòng)方程[11-12]:

式中,η′、η″分別為切變黏滯系數(shù)和介質(zhì)容變黏滯系數(shù),Pa·s；χ為熱傳導(dǎo)系數(shù),W/(m·K)；cV為質(zhì)量定容熱容,kJ/(kg·K)；cp為質(zhì)量定壓熱容,kJ/(kg ·K)。

阻尼介質(zhì)中聲波聲壓傳播方程為

式中,α為媒質(zhì)的阻尼吸收系數(shù),是描述聲波振幅隨距離衰減快慢的一個(gè)物理量；ρ0為介質(zhì)密度,kg/m3； ω為角頻率；f為聲波頻率,Hz,c為聲波傳播速度,m/ s；x為聲波傳播距離,m；k0為無阻尼波的波數(shù)。

式(3)代表著以傳播速度為c,角頻率為ω向正x方向傳播的聲波,其振幅為p0e-αx。

因此,音波沿管道傳播的幅值衰減公式為

式中,r為管徑,m；c0為傳播速度,m/s。

1.2 不同特殊管件對泄漏音波傳播的影響

當(dāng)音波在管道中傳播時(shí),遇到一些特殊突變結(jié)構(gòu)如彎管、變徑、分支或障礙物時(shí),聲阻抗也會發(fā)生變化,使得音波信號發(fā)生不同程度的衰減。

根據(jù)試驗(yàn)管道模型分別對直管、彎管、分支和變徑等結(jié)構(gòu)對音波傳播影響進(jìn)行分析,利用ANSYS建立彎管等構(gòu)件模型,網(wǎng)格模型采用六面體,并采用映射網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行劃分(特殊結(jié)構(gòu)采用四面體,自由劃分),然后導(dǎo)入到聲學(xué)軟件SYSNOISE中進(jìn)行聲學(xué)處理,得到音波衰減規(guī)律。

通過計(jì)算管件入射和出口的聲壓來計(jì)算傳遞損失,在入口平面施加單位速度激勵(lì),出口施加全吸收邊界條件,不考慮壁面的吸收作用。傳遞損失的計(jì)算公式[13]為

式中,pi、pt分別為管件入口聲壓和出口透射聲壓, Pa；S1、S2分別為管件入口截面和出口截面積,m2； u1為管線入口振速,m·s-1,ρ0、c0分別為管內(nèi)介質(zhì)的密度(kg/m3)和音速(m/s)。

圖1為直管、彎管、分支和變徑管模擬結(jié)果。直管段的管內(nèi)徑為10 mm,管長為10 m,壓力為5 MPa；彎管段的管內(nèi)徑為10 mm,90°彎頭,曲率半徑為15 mm,壓力為5 MPa；主干管段管內(nèi)徑為10 mm,管長為10 m,分支段長為20 cm,內(nèi)徑為8 mm,壓力為5 MPa；變徑管的入口、出口管內(nèi)徑10 mm,管長10 cm,變徑管內(nèi)徑2 cm,管長20 cm,壓力為5 MPa。

由圖1可知:(1)不考慮介質(zhì)黏滯性和熱傳導(dǎo)情況下,在管道本身的截止頻率下,音波在直管道中的傳播損失基本為0,高于管道截止頻率,管內(nèi)將出現(xiàn)高次模態(tài)波,而引起音波的損失；音波經(jīng)過彎管時(shí),音波的衰減較少,主要是管徑較細(xì),曲率半徑較大的原因,考慮現(xiàn)場大管徑彎管,會有較大的能量損失,但低頻范圍(0～100 Hz)內(nèi)相對較少,不予考慮；(2)音波經(jīng)分支管時(shí),音波的衰減較小,但分支管長度等于音波波長的1/4的奇數(shù)倍時(shí),管口產(chǎn)生強(qiáng)烈駐波共振而使音波的損失最大；音波經(jīng)過流量計(jì)、閥門變徑腔體或變徑管時(shí),將產(chǎn)生較大的衰減,衰減程度主要受變徑前后管道尺寸影響,對試驗(yàn)室變徑情況,不能忽略其影響,需要在建立實(shí)際音波傳播模型時(shí)對其進(jìn)行修正。

圖1 不同特殊管件內(nèi)音波傳播規(guī)律Fig.1 Acoustic attentuation principle of different kinds of pipelines

因此在了解現(xiàn)場情況下,可以對理論傳播公式添加修正經(jīng)驗(yàn)系數(shù),來修正理論模型的誤差,即得到實(shí)際音波信號傳播公式為

式中,σ為修正經(jīng)驗(yàn)系數(shù),通過對理論吸收系數(shù)和模擬結(jié)果的對比,可得,σ=1.2～3,現(xiàn)場需要根據(jù)實(shí)際情況確定。

此外分別對不同壓力等級和不同管徑下這些特殊管件的影響作用進(jìn)行了模擬分析,其規(guī)律基本相似,基本不受壓力的影響,只是隨管徑的增大,衰減作用逐漸突出。因此,結(jié)合試驗(yàn)室管線情況和模擬結(jié)果確定式(7)中的修正經(jīng)驗(yàn)系數(shù),在此取σ=2。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

利用高壓輸氣管道泄漏檢測裝置[14],裝置總長251.5 m,測試管段全長199.85 m,最高承壓8 MPa,設(shè)計(jì)運(yùn)行最高壓力6.4 MPa,設(shè)計(jì)流量為60 m3/h,沿線共設(shè)有3個(gè)泄漏點(diǎn),分別距起點(diǎn)音波傳感器40.34、88.33和149.02 m,泄漏點(diǎn)由內(nèi)置孔板的法蘭和球閥構(gòu)成,根據(jù)試驗(yàn)要求改變泄漏孔徑,通過迅速開關(guān)閥門模擬泄漏發(fā)生。在3個(gè)泄漏點(diǎn)及管線起、終點(diǎn)處分別安裝音波傳感器,實(shí)時(shí)采集泄漏動(dòng)態(tài)壓力信號,從而保證在一個(gè)泄漏點(diǎn)模擬泄漏時(shí),能夠同時(shí)檢測到泄漏點(diǎn)音波信號以及經(jīng)過傳播后的泄漏音波信號,從而研究不同泄漏位置、不同泄漏量等工況下音波信號的衰減情況。音波數(shù)據(jù)的采樣率為3 kHz,試驗(yàn)裝置流程如圖2所示。

圖2 高壓輸氣管道音波泄漏檢測裝置Fig.2 Sonic leak detection test unit of high pressure gas pipeline

2.2 基于改進(jìn)小波分析的泄漏特征時(shí)頻分析

由于試驗(yàn)室采集到的泄漏音波信號為時(shí)域信號,由式(3)可得,研究泄漏音波信號的傳播特性,需要獲取音波信號的頻域特性,尤其是泄漏時(shí)刻能量占優(yōu)的頻段,但單純的頻譜分析不適于泄漏音波信號這種突變信號,因此需要對泄漏音波信號進(jìn)行時(shí)-頻聯(lián)合分析。采用改進(jìn)的小波分析法(單子帶改進(jìn)的分解和重構(gòu)算法)[15]對采集的泄漏音波信號進(jìn)行時(shí)頻分析,從而獲得泄漏時(shí)刻某一微小頻帶內(nèi)泄漏音波能量占優(yōu)的頻帶及頻帶對應(yīng)的幅值。

選取小波基為sym5小波,小波尺度選為12,子帶序號為A12、D12、D11、D10、D9、D8、D6、D5、D4、D3、D2、D1時(shí),頻率分別為0～0.366、0.366～0.732、0.732～1.465、1.465～2.93、2.93～5.86、5.86～11.72、23.44～46.88、46.88～93.75、93.75～187.5、187.5～375、375～750、750～1500 Hz。對1～5 MPa下泄漏點(diǎn)1發(fā)生0.6 mm孔徑的泄漏進(jìn)行時(shí)頻分析,得到不同頻帶內(nèi)幅值分布規(guī)律如圖3所示。

通過圖3可得,1～5 MPa下幅值能量占優(yōu)的頻帶主要集中在0～0.366及2.93～46.88 Hz內(nèi),基本不隨壓力的變化而變化,因此對泄漏音波信號的傳播特性的研究主要集中在以上能量占優(yōu)的頻帶內(nèi)。

圖3 1～5 MPa下幅值隨頻率分布Fig.3 Amplitude distribution with frequency from 1 to 5 MPa

2.3 模型驗(yàn)證

利用式(5)和(7),以5 MPa下泄漏點(diǎn)1發(fā)生0.6 mm孔徑泄漏時(shí)A12、D6、D7和D9頻帶內(nèi)幅值衰減為例進(jìn)行擬合,其結(jié)果如圖4所示。由圖4可得,試驗(yàn)室測得的主要能量占優(yōu)的頻帶幅值衰減規(guī)律與擬合的指數(shù)衰減規(guī)律相吻合。進(jìn)一步擬合得到了不同壓力、不同頻帶下音波吸收系數(shù),如圖5所示。

圖4 不同頻帶下音波幅值隨距離變化的擬合曲線Fig.4 Fitted curves of acoustic amplitude with distance changing in different subbands

由圖5可得,由式(5)和(7)得到的理論吸收系數(shù)與由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的擬合吸收系數(shù)基本吻合,且在較低頻率下吻合較好,隨著頻率的增大,由于頻帶包含的頻率成分增多,而理論計(jì)算得到的是頻帶中心頻率(頻帶取平均值)處的吸收系數(shù),因此隨頻帶頻率的增大出現(xiàn)一定的誤差,但影響不大。因此,本文建立起的音波在管中的傳播理論模型能較好地反映音波在管內(nèi)的傳播規(guī)律,實(shí)際在計(jì)算音波傳感器的安裝距離時(shí),可以采用該模型進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)建立的實(shí)際音波傳播和衰減模型,分別研究不同壓力等級1～5 MPa、不同管徑(273～1 016 mm、不同頻率音波信號(0～50 Hz)在管內(nèi)的傳播和衰減情況。在此取修正經(jīng)驗(yàn)系數(shù)σ=1.5,溫度取20℃,管內(nèi)介質(zhì)為天然氣,天然氣的相對密度取0.6,氣體絕熱指數(shù)取1.33,壓縮因子取0.918,結(jié)果如圖6所示。由圖6可得,隨著壓力、管徑的增大,音波信號衰減相同的幅度后,所能傳播的有效距離逐漸增大,即在高壓力、大管徑下更容易檢測到泄漏；隨著頻率的增大,音波信號的傳播距離逐漸減小,且在該工況下,0.2 Hz音波信號幅值衰減為原信號0.7倍,所能傳播的最大距離為100 km,因此利用音波信號中的低頻部分檢測泄漏具有較大的優(yōu)勢。

圖5 不同壓力下不同頻帶內(nèi)音波吸收系數(shù)變化規(guī)律Fig.5 Absorption coefficient changing principle under different pressure in different subbands

圖6 不同工況下音波信號衰減規(guī)律Fig.6 Attenuation principle of acoustic signal under different conditions

3 結(jié) 論

(1)泄漏音波在管內(nèi)傳播的模式為一維平面波形式,其傳播過程受到介質(zhì)黏滯吸收和熱傳導(dǎo)作用以及特殊管件(彎管、分支、變徑)的吸收作用的影響。

(2)泄漏信號幅值能量占優(yōu)的頻帶主要集中在0～0.366及2.93～46.88 Hz內(nèi)。

(3)在泄漏音波的研究頻段,直管和彎管對聲波衰減影響較小,只有分支和變徑(變徑流量計(jì)、閥門)對音波傳播影響較大,當(dāng)以上兩種管件存在時(shí)需要對傳播模型進(jìn)行修正。

(4)泄漏音波信號在管內(nèi)的傳播遵循指數(shù)衰減的規(guī)律,且理論吸收系數(shù)和擬合值吻合較好,證明了本文理論模型的正確性。

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(編輯 沈玉英)

Propagating characteristics of acoustic leakage signal in natural gas pipeline and establishment of prediction model

MENG Ling-ya1,FU Jun-tao2,LI Yu-xing2,LIU Cui-wei2,LIU Guang-xiao2

(1.College of Information and Control Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China；
2.College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

The acoustic signals collected from natural gas pipeline leak detection inevitably attenuate as they propagate in the pipeline,and the propagation distance of acoustic signals must be calculated before installing acoustic sensors.With regard to the viscous absorption,heat conduction of medium and the absorption of the special pipe fittings(elbows,branch and adjustable tube),the propagation model of acoustic signals was established.The characteristics of acoustic leakage signals in timefrequency domain were analyzed by the improved waveform analysis method.The effects of different special fittings on sound wave propagation were simulated,and the acoustic propagation model was verified by a high pressure leakage test device. The results show that the acoustic leakage signals in the gas pipeline propagates in the form of plane wave,and the energy of acoustic leakage signals is concentrated in the 0-0.366 Hz and 2.93-46.88 Hz.The straight pipe and elbows have little effect on the propagation of acoustic signals,while branches and adjustable tube have great impact on the propagation.The acoustic absorption coefficient fitted by experimental data agrees well with that calculated by the propagation model,which proves the accuracy of the propagation model.The accuracy of the acoustic leakage detection is improved.

natural gas pipeline；acoustic leakage signal；propagation model；acoustic simulation；absorption coefficient

TE 973.6

A

1673-5005(2013)02-0124-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.02.021

2012-09-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目( 51104175；51074175)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(11CX06075A)

孟令雅(1973-),女,副教授,博士,研究方向?yàn)樘烊粴夤艿垒斔托孤z測。E-mail:chuyunlcw@163.com。