天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)聲學(xué)特性研究

王放 李正峰 姜波 詹一鳴 石陽

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403004

摘 要 以某天然氣管道機(jī)械閥門為研究對(duì)象，選取不同規(guī)格球閥，采用小波包方法對(duì)閥門的內(nèi)漏聲學(xué)信號(hào)實(shí)施能量分析，獲取天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)聲學(xué)信號(hào)特征值，并分析不同壓力下天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)聲學(xué)特性參數(shù)對(duì)內(nèi)漏流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明：聲學(xué)特性相關(guān)參數(shù)（頻率峰值、均方根）均可作為天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏檢測(cè)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)天然氣管道機(jī)械閥門的內(nèi)漏檢測(cè)。

關(guān)鍵詞 天然氣管道 機(jī)械閥門 內(nèi)漏流場(chǎng) 聲學(xué)特性 小波包分析

中圖分類號(hào) TQ055.8+1?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A?? 文章編號(hào) 0254?6094（2024）03?0348?07

Study on Acoustic Characteristics of Internal Leakage Flow Field of

Mechanical Valves in Natural Gas Pipelines

WANG Fang1， LI Zheng?feng2， JIANG Bo2， ZHAN Yi?ming2， SHI Yang2

（1. Tianjin LNG Emergency Reserve Project Department， Beijing Gas Group Co.， Ltd.;

2. Beijing Gas Group （Tianjin） LNG Co.， Ltd.）

Abstract?? Taking a mechanical valve in the natural gas pipeline as the object of research， the ball valves with different specifications were selected， and the wavelet packet method was used to analyze energy of the valves internal leakage acoustic signals so as to obtain internal leakage flow fields acoustic signal eigenvalues of the mechanical valve， including analyzing influence of the acoustic characteristics parameters of the mechanical valve at different pressures. The results show that， the parameters related to acoustic characteristics（peak frequency and root mean square） can be used as the internal leakage detection indicators to realize mechanical valves internal leakage detection.

Key words??? natural gas pipeline， mechanical valve， internal leakage flow field， acoustic characteristics， wavelet packet analysis

作者簡(jiǎn)介：王放（1979-），高級(jí)工程師，從事天然氣管道建設(shè)與運(yùn)營(yíng)、LNG接收站建設(shè)與運(yùn)營(yíng)、數(shù)字化與智能化的研究工作，wfang1979@yeah.net。

引用本文：王放，李正峰，姜波，等.天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)聲學(xué)特性研究[J].化工機(jī)械，2024，51（3）：348-353;469.

機(jī)械閥門作為天然氣管道的核心部件，可控制天然氣管道內(nèi)部介質(zhì)的流向，保障天然氣管道安全運(yùn)行[1]。當(dāng)機(jī)械閥門因腐蝕出現(xiàn)泄漏時(shí)，不僅會(huì)污染環(huán)境，而且可能會(huì)引發(fā)爆炸，嚴(yán)重危害人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全[2～4]。機(jī)械閥門的內(nèi)漏原因比較隱蔽，極大地增加了機(jī)械閥門內(nèi)漏檢測(cè)難度[5]，因此，研究機(jī)械閥門的內(nèi)漏檢測(cè)方法，提高天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏檢測(cè)精度至關(guān)重要。

目前，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者已經(jīng)開展了天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏檢測(cè)研究。陳德錦等研究了天然氣管道聲固耦合效應(yīng)的聲振特性，該方法以聲固耦合為基礎(chǔ)，構(gòu)建管道數(shù)學(xué)模型，利用參數(shù)計(jì)算方法，得出管道閥門聲振模態(tài)圖，按照該模態(tài)圖可以得到閥門內(nèi)漏原因，但由于該方法計(jì)算復(fù)雜，導(dǎo)致其檢測(cè)效率較低[6]。張曼等研究了管道泄漏聲源特性，該方法構(gòu)建了一個(gè)聲學(xué)CA模型，通過耦合數(shù)值方法分析溫度對(duì)管道閥門聲源特性的影響，但因該模型適應(yīng)性低，導(dǎo)致研究結(jié)果不全面[7]。

聲學(xué)特性管道內(nèi)漏檢測(cè)方法是根據(jù)管道內(nèi)漏流場(chǎng)的噴流噪聲檢測(cè)內(nèi)漏位置的，目前已在實(shí)踐中取得了較好的應(yīng)用效果[8]。因此，筆者通過研究天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)聲學(xué)特性，為機(jī)械閥門內(nèi)漏檢測(cè)提供理論基礎(chǔ)，從而達(dá)到提高天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏檢測(cè)精度，保障天然氣管道安全運(yùn)行的目的。

1 試驗(yàn)對(duì)象及方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

選取某天然氣管線中3種尺寸的機(jī)械閥門（尺寸為7 mm×7 mm的DN 100型球閥閥門、尺寸為11 mm×11 mm的DN 200型球閥閥門、尺寸為

15 mm×15 mm的DN 300型球閥閥門）作為試驗(yàn)對(duì)象，開展天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)聲學(xué)特性研究。該天然氣管線全長(zhǎng)531 km，年輸氣量72億立方米，途經(jīng)15個(gè)縣區(qū)，共設(shè)有機(jī)械閥門6 526個(gè)。試驗(yàn)對(duì)象所屬管線基本參數(shù)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及流程

天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)聲學(xué)特性試驗(yàn)設(shè)備包括機(jī)械閥檢測(cè)臺(tái)架與聲發(fā)射檢測(cè)系

統(tǒng)[9～11]。其中，機(jī)械閥檢測(cè)臺(tái)架具體設(shè)備及其性能參數(shù)列于表2，聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備及其性能指標(biāo)列于表3。

試驗(yàn)流程為：將待測(cè)機(jī)械閥門固定在管道上并關(guān)閉閥門，同時(shí)與聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)相連，通過夾具固定機(jī)械閥門和聲發(fā)射傳感器[12，13]。經(jīng)減壓閥減壓后將氮?dú)廨斎胩烊粴夤艿乐校瑐鞲衅魈结樅吞烊粴夤艿辣谟|碰，可檢測(cè)天然氣管道內(nèi)上下游噴流聲強(qiáng)，同時(shí)管道內(nèi)設(shè)置兩個(gè)待測(cè)點(diǎn)（圖1），通過分析待測(cè)點(diǎn)聲學(xué)特性檢測(cè)出天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏情況。此時(shí)，內(nèi)漏氣體流量通過流量計(jì)完成記錄，當(dāng)天然氣管道內(nèi)上下游壓力趨于穩(wěn)定時(shí)，天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)聲學(xué)信號(hào)可利用聲發(fā)射傳感器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。通過放大器放大內(nèi)漏流場(chǎng)聲學(xué)信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳輸至終端機(jī)，采用小波包分析[14，15]得出天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)聲學(xué)信號(hào)特征值。

在天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)聲學(xué)特性試驗(yàn)中，初始化傳感器標(biāo)定后，設(shè)置E、F點(diǎn)為待測(cè)

點(diǎn)，用夾具固定E點(diǎn)并將下游管線的F點(diǎn)與聲發(fā)射傳感器相連。在機(jī)械閥門上游施加不同壓力（3、6、9 MPa），下游放空。在不同壓力下調(diào)節(jié)機(jī)械閥門進(jìn)行內(nèi)漏模擬，每隔1 min記錄機(jī)械閥門壓力、聲發(fā)射傳感器時(shí)域信息，當(dāng)壓力表顯示30 kPa時(shí)結(jié)束測(cè)試。采用氣體狀態(tài)公式求解機(jī)械閥門內(nèi)漏流量后，通過分析提取聲學(xué)信號(hào)特征參數(shù)和內(nèi)漏流量間的關(guān)系，得出試驗(yàn)結(jié)果。

1.3 機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)聲發(fā)射檢測(cè)原理

機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生聲學(xué)信號(hào)，通過選取聲學(xué)信號(hào)的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)（如泄漏孔隙、公稱直徑、均方根、功率譜密度、聲功率和頻率峰值）作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提取檢測(cè)信號(hào)中可表示機(jī)械閥門內(nèi)漏特征的信息，從而提高天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏檢測(cè)效率。

選取聲學(xué)信號(hào)均方根作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)聲學(xué)信號(hào)內(nèi)存在M個(gè)樣本，即y[0]、y[1]、…、y[m-1]，則均方根E計(jì)算式如下：

E=

y[m-1]

×（1/M）（1）

聲學(xué)信號(hào)的功率譜密度Q[k]也可表示天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏特征，其計(jì)算式為：

Q[k]=（H/M）×|Y[k]|

=（H/M）×

y[m-1]exp-2π

k （2）

其中，H為采樣周期;Y[k]為聲學(xué)信號(hào)的離散傅里葉變換;k為聲學(xué)信號(hào)數(shù)量，0≤k≤M-1。

機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)聲學(xué)信號(hào)的聲功率P與泄漏信號(hào)平均能量近似相等，其表達(dá)式如下：

P∝E（3）

內(nèi)漏率O指數(shù)和均方根指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，其關(guān)系式為：

lg E=d+blg O（4）

其中，b、d為系數(shù)。

頻率峰值P表達(dá)式為：

P=max[Y[k]]（5）

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 聲學(xué)特征參數(shù)和內(nèi)漏信號(hào)關(guān)系

為了提高天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏檢測(cè)精度，利用小波包方法對(duì)檢測(cè)聲學(xué)信號(hào)實(shí)施降噪處理，機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)聲學(xué)信號(hào)處理過程如圖2所示。

分析圖2可知，采用小波包方法對(duì)檢測(cè)聲學(xué)信號(hào)實(shí)施降噪處理后，可去除多余環(huán)境噪聲，保留有價(jià)值的信號(hào)，為機(jī)械閥門內(nèi)漏檢測(cè)奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

對(duì)降噪處理后的機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)聲學(xué)信號(hào)實(shí)施三層小波包分解，即將頻率為120 kHz的信號(hào)劃分為4個(gè)頻帶（分別為[3，1]、[3，2]、[3，6]、[3，7]），結(jié)果如圖3所示。

針對(duì)聲學(xué)信號(hào)功率譜密度在不同頻帶下的分布情況，在不同壓力下利用小波包實(shí)施能量分析，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯烊粴夤艿罊C(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)聲學(xué)信號(hào)能量主要集中在頻帶[3，2]和[3，6]中，即30～90 kHz之間，其中頻帶[3，6]的內(nèi)漏信號(hào)最強(qiáng)。

2.2 聲學(xué)特征參數(shù)和內(nèi)漏流場(chǎng)流量關(guān)系

在不同壓力（3、6、9 MPa）下，3種口徑機(jī)械閥門在[3，6]頻帶中聲學(xué)特征參數(shù)變化曲線如圖5～7所示。

分析圖5～7可知，在壓力作用下，不同尺寸球閥閥門的聲學(xué)特征參數(shù)（頻率峰值、均方根）均與天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)流量成正比;當(dāng)內(nèi)漏流場(chǎng)流量上升時(shí)，閥門的聲學(xué)特征參數(shù)也隨之上升，壓力越大，閥門的聲學(xué)特征參數(shù)隨內(nèi)漏流場(chǎng)流量增加的變化越明顯;這說明聲學(xué)特征參數(shù)——頻率峰值、均方根可作為天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏檢測(cè)指標(biāo)。

2.3 機(jī)械閥門泄漏孔隙對(duì)機(jī)械閥門內(nèi)漏影響

在3種尺寸的機(jī)械球閥閥門密封圈上劃出不同尺寸的小口，泄漏孔隙橫截面積依次為DN 300球閥閥門>DN 200球閥閥門>DN 100球閥閥門。將機(jī)械球閥閥門重新安裝在天然氣管道上實(shí)

壓力測(cè)試，得出不同機(jī)械閥門泄漏孔隙與內(nèi)漏流場(chǎng)流量關(guān)系曲線如圖8所示?？梢钥闯?，當(dāng)壓力一定時(shí)，泄漏孔隙越大，則泄漏流場(chǎng)流量越大;當(dāng)泄漏孔隙最大時(shí)，隨著壓力升高，機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)流量線性增大，天然氣管道內(nèi)漏流場(chǎng)流量最高達(dá)到32 L/min。

3種閥門在不同壓力下的能量變化曲線如圖9所示?？梢钥闯?，當(dāng)天然氣管道壓力升高時(shí)，能量呈上升趨勢(shì)且有輕微波動(dòng);當(dāng)壓力一定時(shí)，泄漏孔隙越大，則能量越高。

2.4 公稱直徑的聲音特性分析

設(shè)置進(jìn)口壓力3 MPa，測(cè)試3種天然氣管道球閥在不同開度下，下游管道同一待測(cè)點(diǎn)上，閥門

流量關(guān)系曲線

開啟高度對(duì)內(nèi)漏聲音強(qiáng)度的影響如圖10所?？梢钥闯觯?種閥門的開啟高度-內(nèi)漏聲音強(qiáng)度曲線大體趨勢(shì)相同，均呈現(xiàn)先升高再下降最后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì);當(dāng)開啟高度一定時(shí)，公稱直徑和內(nèi)漏聲音強(qiáng)度成反比關(guān)系，當(dāng)開啟高度為4.2 mm時(shí)，DN 300閥門的內(nèi)漏聲音強(qiáng)度最低，僅為11 dB。

3 結(jié)論

3.1 天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)聲學(xué)信號(hào)能量主要集中在頻帶[3，2]和[3，6]，即30～90 kHz之間，其中[3，6]頻帶的內(nèi)漏信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)。

3.2 在相同壓力下，對(duì)于不同規(guī)格的球閥閥門，其聲學(xué)特征參數(shù)（頻率峰值、均方根）均與天然氣管道機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)流量成正比，其中，均方根是最優(yōu)秀的檢測(cè)機(jī)械閥門內(nèi)漏流場(chǎng)聲學(xué)特性參數(shù)的指標(biāo)。

3.3 泄漏孔隙尺寸與機(jī)械內(nèi)漏流場(chǎng)流量、能量均成正比。

3.4 在開啟高度相同時(shí)，公稱直徑和內(nèi)漏聲音強(qiáng)度成反比。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2022-12-15，修回日期：2024-04-29）