輸氣管道聲波法泄漏檢測技術的理論與實驗研究

馬超宇(中油遼河工程有限公司， 遼寧 盤錦 124010)

輸氣管道聲波法泄漏檢測技術的理論與實驗研究

馬超宇(中油遼河工程有限公司， 遼寧 盤錦 124010)

通過輸氣管道泄漏仿真及實驗模型，對輸氣管道聲波法泄漏檢測技術的原理進行了研究。結(jié)果顯示：輸氣管道泄漏時所產(chǎn)生的聲波，主要來自于氣體因泄漏而發(fā)生的不穩(wěn)定流動所產(chǎn)生的偶極子和四極子聲源。通過仿真模擬和實驗研究，均可探得輸氣管道聲波法泄漏檢測技術的原理與方法，這為該技術的推廣和應用提供了強大的理論支持，同時亦是其有力的可行性保證。最終得出了結(jié)論：輸氣管道聲波法泄漏檢測技術是一種方便、有效、靈敏度高的輸氣管道泄漏檢測方法，值得推廣。

輸氣管道；管道泄漏；聲波法；檢測技術；理論；實驗

輸氣管道泄漏不但會給企業(yè)帶來不小的經(jīng)濟損失，更可能引起巨大的安全事故，威脅到人們的生命安全，以及對自然環(huán)境造成較大的破壞和污染。所以，為了降低輸氣管道的泄漏風險，必須要進行有效的泄漏檢測。目前常用的幾種輸氣管道泄漏檢測方法有：應用統(tǒng)計法、質(zhì)量平衡法、負壓波法、分布式光纖法、瞬態(tài)模型法以及本文所主要研究的聲波法。與其他幾種檢測方法相比，聲波法主要具有靈敏度高、適應性強、檢測時間短、定位精度高、響應頻率寬、檢測范圍廣、誤報率低等優(yōu)點。國內(nèi)外對于聲波法的研究現(xiàn)已取得了諸多成果，而本文主要通過輸氣管道泄漏仿真及實驗模型，對輸氣管道聲波法泄漏檢測技術的原理進行了研究。

1 輸氣管道聲波法泄漏檢測技術的原理

若輸氣管道發(fā)生了泄漏，則其中的氣體會從泄漏處噴出，而受管內(nèi)外壓差的影響，會產(chǎn)生壓力及速度脈動，繼而形成噴射四極子聲源。與此同時，氣體與管道中的各種固壁發(fā)生碰撞后，又會產(chǎn)生偶極子聲源。當偶極子與四極子聲源疊加到一起時，會形成一個聲波波動信號，而輸氣管道聲波法泄漏檢測技術正是依靠檢測這一聲波而發(fā)現(xiàn)管道泄漏問題。

2 輸氣管道聲波法泄漏檢測技術的仿真研究

(1)仿真模型的建立 根據(jù)上述輸氣管道聲波法泄漏檢測技術的原理，建立仿真模型。該模型的主要組成部分為主干管道(長200cm)和支管(長100cm)，所有管徑均為10cm，主干管道與支管中心線交界處為幾何原點，球閥在支管管段上，內(nèi)置孔板與原點相距50cm，孔徑為0.1cm，孔板壁厚度為3cm。將輸氣管道泄漏時所產(chǎn)生的偶極子與四極子聲源定義為聲波產(chǎn)生面，取(100，0，0)的點作為聲波接收點。在此模型下，輸氣管道泄漏通過球閥與內(nèi)置孔板完成，其中球閥的主要作用是控制泄漏與否，內(nèi)置孔板的主要作用則是控制泄漏孔的大小及形狀。若管道處于正常運行狀態(tài)，則閥門關閉，而當球閥突然打開時，原本正常流動的氣體會從內(nèi)置孔板中噴出，從而發(fā)生泄漏，并產(chǎn)生偶極子和四極子聲源，被聲波接收點接收到。在該仿真模型中，所使用的管道內(nèi)氣體可以是可壓縮空氣。各項參數(shù)為：仿真時間步0.00025s，仿真時間0.5s，閥門開啟時間點為0.2s，總共開啟用時0.1s。模擬邊界條件為：入口邊界的條件為壓力入口，壓力為12.9atm；主干出口邊界的條件為壓力出口，壓力為12.6atm；支管出口邊界的條件為壓力出口，壓力為1atm。

(2)仿真模擬流場分析 當閥門未開啟時，分支管中的氣體在閥門前被壓縮，到一定壓力后流出，在分直管段內(nèi)形成渦旋；閥門開啟瞬間，氣體迅速流向分支管下游，部分被阻擋在泄漏孔板處，部位流出，閥門后及泄漏孔后均形成渦旋；閥門開啟45°時，氣體填充閥門內(nèi)腔，渦旋消失，閥門后的渦旋則一直存在，壓差減?。辉陂y門開啟過程中，泄漏孔前壓力隨著閥門開度增大而增大，壓差也隨之增大，待閥門完全開啟后，泄漏孔后的渦旋一直穩(wěn)定存在；閥門開啟過程中渦旋比未開啟時明顯減弱。

3 輸氣管道聲波法泄漏檢測技術的實驗研究

(1)實驗管道的設計 實驗管道全長設計為251.5m，管道內(nèi)徑10mm，管壁厚度2mm，壓力為6.4MPa，最高壓力上限為8MPa，管道材料為不銹鋼。

(2)聲波信號采集終端的設計 起點聲波傳感器與終點聲波傳感器之間相距199.35m，兩者之間設置有3個泄漏點，分別位于40.34m處、88.33m處及149.02m處。泄漏點由球閥和內(nèi)置孔板的法蘭組成。另外在高壓環(huán)道的起點和終點處還設有壓力、差壓、流量、溫度等變送器。泄漏孔徑可隨時根據(jù)實驗需求更改。

4 實驗分析

在1.3MPa壓力、0.1mm泄漏孔徑下，開啟閥門進行管道泄漏實驗。在閥門開啟瞬間，捕捉到一個14kPa左右的壓力下降，與仿真研究對比可以發(fā)現(xiàn)，二者的壓力波動類似，都具有一個大的下降沿。但是實驗研究所得的下降沿更大，這主要是由于通過聲波傳感器所測得的壓力波動不但包括了聲壓波動，還包括在泄漏過程中因其他能量損耗而產(chǎn)生的壓降；另外仿真研究的模擬計算精度也具有一定的影響。結(jié)果得出：通過仿真模擬和實驗研究，均可探得輸氣管道聲波法泄漏檢測技術的原理與方法。

5 結(jié)語

本文通過輸氣管道泄漏仿真及實驗模型，對輸氣管道聲波法泄漏檢測技術的原理進行了研究。通過仿真模擬和實驗研究，均可探得輸氣管道聲波法泄漏檢測技術的原理與方法。綜上所述，輸氣管道聲波法泄漏檢測技術是一種方便、有效、靈敏度高的輸氣管道泄漏檢測方法，值得推廣。

[1]劉翠偉，李雪潔，李玉星，劉光曉，錢昊鋮，曹鵬飛.基于音波法的輸氣管道泄漏檢測與定位[J].化工學報，2014,(11):4633-4642.

[2]劉翠偉，李玉星，王武昌，劉光曉.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,(03):372-381.

[3]劉翠偉，李玉星，王武昌，付俊濤，方麗萍.輸氣管道泄漏音波產(chǎn)生機理研究[J].振動與沖擊，2013,(07):17-23.

馬超宇(1989- )，男，黑龍江龍江人，助理工程師，本科，主要從事油氣管道設計工作 。