夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏聲學(xué)檢測方法及實(shí)驗(yàn)研究

李 偉 張佳艷 龍飛飛 劉延軍

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)

夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏聲學(xué)檢測方法及實(shí)驗(yàn)研究

李 偉 張佳艷 龍飛飛 劉延軍

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)

基于自由噴流動力學(xué)，研究了夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏的聲學(xué)檢測問題。利用數(shù)值模擬的方法探究出夾套內(nèi)管噴流流場和噴流聲場在小孔泄漏時的特征，得到了隨內(nèi)管泄漏孔徑變化的泄漏流場和泄漏聲場變化曲線圖。在此基礎(chǔ)上建立夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏聲學(xué)檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析在夾套內(nèi)管泄漏過程中泄漏噪聲沿夾套壁面的傳播特性以及內(nèi)管泄漏孔徑對檢測結(jié)果的影響。結(jié)果表明：泄漏流場的聲場分布可以確定噪聲來源，且聲場分布隨內(nèi)管泄漏孔徑的變化而改變。

夾套結(jié)構(gòu)泄漏 流場模擬 聲場模擬 聲發(fā)射檢測

隨著夾套設(shè)備的大量使用，夾套結(jié)構(gòu)主體的泄漏事故頻發(fā)，其后果是非常嚴(yán)重的，而且不易發(fā)現(xiàn)[1]。如果沒有及時進(jìn)行有效檢測，忽視了設(shè)備的維護(hù)與管理，致使設(shè)備相關(guān)責(zé)任事故時有發(fā)生，所帶來的風(fēng)險(xiǎn)也難以想象[2]。目前利用數(shù)值模擬方法來解決氣動聲學(xué)問題，一般有兩種類型，一種是直接模擬，運(yùn)用一些經(jīng)過特別處理的CFD方法進(jìn)行模擬。近年來，CFD仿真技術(shù)在流場模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面已經(jīng)取得了一些可喜的應(yīng)用[3]。另一種是聲類比，例如Lighthill的聲類比[4]，忽略流動對聲波的影響。國內(nèi)外對泄漏的檢測已經(jīng)有不少成功的案例，比如管道氣體、閥門氣體泄漏檢測等，但這些都是外部環(huán)境開放的自由空間，而夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)漏是發(fā)生在有限空間內(nèi)的。筆者以夾套結(jié)構(gòu)設(shè)備內(nèi)管氣體泄漏這一工程問題為研究背景[5]，通過CFD模擬，分析并顯示流體流動過程中發(fā)生的現(xiàn)象[6]。借助Fluent軟件[7]，對泄漏過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析泄漏孔徑對泄漏流場分布的影響，進(jìn)而確定噪聲的來源并對其頻率、聲功率級等聲源特性進(jìn)行研究分析[8]。在對數(shù)值模擬結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，開展夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏的聲學(xué)檢測實(shí)驗(yàn)[9]。

1 模型建立與前處理

使用Gambit軟件繪出圖1所示的計(jì)算模型，為了保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和高效性[10]，筆者以二維模型數(shù)值模擬夾套管泄漏的全過程。所模擬區(qū)域?yàn)?15mm×140mm，模型網(wǎng)格劃分采用四邊形單元，對于重點(diǎn)關(guān)心的射流區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)劃[11]。

圖1 夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏模型

模型的左側(cè)區(qū)域(x軸負(fù)方向)表示夾套內(nèi)管部分，設(shè)置的邊界類型為壓力入口pi=0.2MPa；模型的右側(cè)區(qū)域(x軸正方向)表示夾套結(jié)構(gòu)的外管和內(nèi)管之間的夾套空間，在x=35mm處設(shè)置為固壁，采用無滑移固壁條件，夾套空間的上下兩側(cè)設(shè)置的邊界類型為壓力出口po=0.1MPa。

氣體從左側(cè)夾套內(nèi)管空間經(jīng)泄漏孔高速噴射到右側(cè)的夾套空間，選擇的湍流模型為RNGk-ε方程，它可以快速準(zhǔn)確地響應(yīng)強(qiáng)烈應(yīng)變和流線的彎曲[12]；壓力速度耦合采用SMPLEC算法[13]，再分別建立泄漏孔徑D為1.0、1.2、1.5、1.8、2.0mm的計(jì)算模型，對夾套空間內(nèi)的變化進(jìn)行模擬分析。

2 泄漏流場模擬

分別模擬1.0～2.0mm泄漏孔徑對流場分布規(guī)律的影響，5個泄漏孔徑下的軸向速率沿對稱軸的對比曲線如圖2所示。隨著泄漏孔徑的增大，泄漏噴流的初始流速也隨之增大，但增大的幅度較小。不同泄漏孔徑下，軸向速度沿對稱軸的衰減規(guī)律具有一致性。在不同泄漏孔徑下，近壁處的徑向速度沿壁面的分布曲線如圖3所示，可以看出各條曲線具有相似的變化規(guī)律。從沖擊點(diǎn)開始，徑向速度從零開始迅速增大，在沖擊區(qū)邊緣達(dá)到最大值，隨后沿壁面方向逐漸衰減。最大徑向速率隨泄漏孔徑的增大呈梯度增大的規(guī)律，具體迭代模擬數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

圖2 軸向速度對比

圖3 近壁處的徑向速度對比

表1 不同泄漏孔徑下的主要流場參數(shù)

3 泄漏聲場模擬

分別對1.0～2.0mm泄漏孔徑的泄漏聲場噪聲進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而剖析5個泄漏孔徑下的聲場分布變化，圖4所示是5個泄漏孔徑下沿x軸的聲功率曲線圖，可以看出，隨著泄漏孔徑的增大，噴流速度隨之增大，與固壁邊界的相互作用更加劇烈，從而激發(fā)的噪聲聲強(qiáng)也就更大[14]。在泄漏孔徑較大時，邊界噪聲的強(qiáng)度超過了泄漏孔附近的噴流噪聲[15]，其最大聲功率級隨泄漏孔徑的變化曲線如圖5所示，可以看出泄漏噪聲的聲功率級隨泄漏孔徑線性增大。

圖4 聲功率級沿x軸的分布

4 泄漏實(shí)驗(yàn)研究

本文研究的問題為夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏[16]，所以氣體沖擊和聲場輻射聲壓在夾套外管引起的振動是需要研究和評估的。通過在夾套結(jié)構(gòu)外壁布置壓電陶瓷傳感器以研究不同泄漏孔徑下傳感器的響應(yīng)電平，并依照聲發(fā)射特征值進(jìn)行泄漏強(qiáng)度評價[17]。圖6為夾套結(jié)構(gòu)泄漏聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，主要由兩部分組成：夾套結(jié)構(gòu)泄漏模擬系統(tǒng)和聲發(fā)射檢測系統(tǒng)[18]。

圖5 邊界噪聲最大聲功率級的變化曲線

圖6 夾套結(jié)構(gòu)泄漏聲發(fā)射檢測系統(tǒng)

用砂紙對夾套外壁表面?zhèn)鞲衅魈庍M(jìn)行拋光打磨，去除表面油漆和細(xì)小裂紋，以消除實(shí)驗(yàn)中壁面變形可能帶來的噪聲源。將傳感器布置在夾套管外壁，并用磁座固定。研究對象為5個泄漏孔徑，繪制出傳感器產(chǎn)生響應(yīng)的幅值在5個變化孔徑下的曲線，如圖7所示。能夠看出，傳感器通道監(jiān)測到的聲發(fā)射信號幅值隨泄漏孔徑的增大呈現(xiàn)遞增趨勢。在低泄漏壓力區(qū)間，信號峰值幅度差異可達(dá)10dB，而當(dāng)泄漏壓力達(dá)到0.3MPa時，該差異只有3～4dB。該數(shù)據(jù)表明在聲信號的強(qiáng)度方面，泄漏壓力的影響要顯著強(qiáng)于泄漏孔徑。在壓力超過0.4MPa后，所研究泄漏孔徑下的響應(yīng)幅度基本相同。

圖7 聲發(fā)射信號幅值隨泄漏孔徑變化曲線

5 結(jié)論

5.1 當(dāng)夾套設(shè)備內(nèi)管發(fā)生氣體泄漏時，高速氣體從泄漏孔噴注到夾套空間內(nèi)，引起湍流運(yùn)動，從而激發(fā)噪聲。湍流運(yùn)動相對比較劇烈的區(qū)域分別位于泄漏孔附近和固體邊界受到噴流沖擊的區(qū)域。

5.2 流速的變化是造成湍流運(yùn)動的主要原因，不同泄漏孔徑對流場速度分量有不同程度的影響。速率在泄漏孔徑逐漸增大的情況下隨之變大：最大軸向速率從1.0mm孔徑時的382.594 m/s增大到2.0mm孔徑時的394.683m/s。

5.3 通過夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏聲場的分析發(fā)現(xiàn)，泄漏存在較高頻率和較大強(qiáng)度的噪聲源。對不同泄漏孔徑對聲源的影響進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著泄漏孔徑的增大，聲源功率和壁面處聲壓逐漸增大，且最高峰值出現(xiàn)的位置也逐漸遠(yuǎn)離泄漏孔：1.0mm孔徑出現(xiàn)在8mm處，而2mm孔徑卻已出現(xiàn)在17mm處。

5.4 在對工程對象進(jìn)行剖析鉆研后，設(shè)計(jì)了如文中所述的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。小孔泄漏時，夾套結(jié)構(gòu)外壁聲強(qiáng)分布符合單聲源傳播衰減規(guī)律，隨著泄漏孔徑的增大，泄漏孔處傳感器響應(yīng)幅度逐漸增大。

[1] 趙新威，曾祥國，姚安林，等．地震載荷作用下埋地輸氣管道的數(shù)值模擬[J]．石油機(jī)械，2014，42(3)：104～109．

[2] 敬東．我國特種設(shè)備安全評價分析[J].化工機(jī)械，2010，37(4)：510～513．

[3] 趙立新，朱寶軍，李鳳明．離心式氣液分離器內(nèi)流場的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].化工機(jī)械，2007，34(2)：90～94．

[4] Lighthill M J．On Sound Generated Aerodynamically I：General Theory [J]．Proceedings of the Royal Society of London，1952，267(1329)：564～587．

[5] 李陳，張延兵．一起夾套容器失效原因分析[J]．特種設(shè)備安全技術(shù)，2013，(1)：37～38．

[6] 孟慶龍，官燕玲，謝安生．基于CFD的系統(tǒng)辨識方法[J]．化工自動化及儀表，2011，38(9)：1054～1058．

[7] 王福軍．計(jì)算流體動力學(xué)分析-CFD 軟件原理與應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004．

[8] 馬大猷．湍流噴注噪聲定律的發(fā)展[J]．聲學(xué)學(xué)報(bào)，1987，12(5)：321～328．

[9] 李善春，郭福平，王為松．壓力管道泄漏聲發(fā)射監(jiān)測試驗(yàn)研究[J]．無損檢測，2007，29(2)：74～76．

[10] 趙決正，羅雄麟，崔娟娟．基于二維數(shù)值模擬的軸流壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速研究[J]．化工自動化及儀表，2012，39(2)：198～203．

[11] 韓占忠，王敬，蘭小平．Fluent流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2004．

[12] 厲鵬，劉寶慶，金志江．?dāng)嚢韪獌?nèi)流場實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬的進(jìn)展[J].化工機(jī)械，2010，37(6)：799～804．

[13] 丁雪興，張鵬高，黃義仿，等．螺旋槽干氣密封微間隙流場的CFD數(shù)值模擬[J].化工機(jī)械，2008，35(5)：287～290．

[14] 何祚鏞，趙玉芳．聲學(xué)理論基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1981：59～61．

[15] Huang Y M， Chen T C， Shieh P S．Analytical Estimation of the Noise due to a Rotating Shaft[J]．Applied Acoustics，2014，76(6)：187～196．

[16] 吳孝儉，門榮鑫．泄漏檢測[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：148～150．

[17] 霍臻，陳翠梅，朱潤祥．壓力管道聲發(fā)射泄漏檢測[J]．無損檢測，1997，19(4)：105～107．

[18] 劉延軍，戴光，王瓊，等．夾套式反應(yīng)器內(nèi)管泄漏聲發(fā)射檢測[J]．無損檢測，2015，37(3)：19～22．

AcousticEmissionInspectionMethodandExperimentalStudyonInnerLeakageofJacketedStructure

LI Wei, ZHANG Jia-yan, LONG Fei-fei, LIU Yan-jun
(CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity)

On the basis of the free jet-flow dynamics, the pipe leakage acoustic emission testing was investigated. When aperture leak occurred,having numerical simulation method taken to analyze both jet flow field dis-tribution and noise field characteristics in jacketed structure was implemented to obtain curve charts of both

李偉(1970-)，教授，從事聲發(fā)射檢測與評價技術(shù)的研究。

聯(lián)系人張佳艷(1991-)，碩士研究生，從事聲發(fā)射檢測與評價技術(shù)的研究，384835933@qq.com。

TQ051.5

A

0254-6094(2017)02-0145-05

2016-06-06，

2016-06-28)

(Continued on Page 236)