劉翠偉，李玉星，王武昌，付俊濤，方麗萍

(中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，青島 266555)

天然氣管道運(yùn)輸是將天然氣由產(chǎn)地供給用戶的高效運(yùn)輸方式，隨著天然氣管道大規(guī)模鋪設(shè)及使用，管道泄漏時有發(fā)生。不僅威脅人員生命財產(chǎn)安全，浪費(fèi)能源，也污染環(huán)境。泄漏檢測是預(yù)防管道失效、降低管道風(fēng)險的重要手段［1］。為減小及杜絕不利因素產(chǎn)生，需及時發(fā)現(xiàn)泄漏及其準(zhǔn)確位置。目前可應(yīng)用于輸氣管道泄漏檢測的方法有質(zhì)量/體積平衡法、應(yīng)用統(tǒng)計(jì)法、負(fù)壓波法、瞬態(tài)模型法、分布式光纖法及音波法等。其中傳統(tǒng)負(fù)壓波法通過壓力變送器采集管內(nèi)絕對壓力變化進(jìn)行泄漏檢測;而基于音波法的泄漏檢測通過音波傳感器檢測管內(nèi)壓力波動(動態(tài)壓力)進(jìn)行檢測。因此音波法可滿量程檢測并顯示泄漏引起的壓力波動信號，泄漏檢測靈敏度更高。泄漏產(chǎn)生的壓力波動以彈性波形式向管道上下游傳播且被音波傳感器捕捉，傳播速度為聲速，將泄漏產(chǎn)生并檢測到的壓力波動稱為聲波，檢測管內(nèi)壓力波動變化方法稱為音波法。音波法［2］與傳統(tǒng)的質(zhì)量平衡法、負(fù)壓波法、瞬態(tài)模型法等［3-5］相比具有諸多優(yōu)點(diǎn):靈敏度高、定位精度高、誤報率低、檢測時間短、適應(yīng)性強(qiáng)。音波法測量管線流體中微弱動態(tài)壓力變化量，與管線運(yùn)行壓力絕對值無關(guān);音波法響應(yīng)頻率更寬，檢測范圍更寬。

音波法泄漏檢測故障診斷技術(shù)的研究集中在音波傳播特性研究與音波信號處理等方面，并未對輸氣管道中泄漏音波產(chǎn)生原因進(jìn)行系統(tǒng)研究。輸氣管道泄漏音波產(chǎn)生機(jī)理制約著輸氣管道音波法泄漏檢測技術(shù)的發(fā)展與推廣，是音波法泄漏檢測技術(shù)基本原理中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。因此對輸氣管道泄漏音波產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究可使音波法泄漏檢測具有更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，為音波法泄漏檢測的推廣提供保證。

對輸氣管道泄漏音波產(chǎn)生機(jī)理的研究，① 從理論上確定輸氣管道氣動噪聲產(chǎn)生機(jī)理，得到輸氣管道泄漏時聲源波動方程;② 通過Fluent軟件仿真模擬得到某工況下的泄漏音波;③ 通過實(shí)驗(yàn)中的音波傳感器測得模擬工況下的泄漏音波與對仿真模擬得到的泄漏音波進(jìn)行對比分析、驗(yàn)證;④ 分別通過仿真模擬和實(shí)驗(yàn)得到多工況下的泄漏音波并進(jìn)行對比分析;⑤ 通過分析仿真模擬中泄漏音波產(chǎn)生機(jī)理和實(shí)驗(yàn)中所用音波傳感器工作機(jī)理總結(jié)輸氣管道音波法泄漏檢測技術(shù)的基本原理。

1 輸氣管道泄漏音波產(chǎn)生機(jī)理理論分析

輸氣管道泄漏音波產(chǎn)生的聲學(xué)機(jī)理建立在氣動聲學(xué)［6-7］基礎(chǔ)上，研究內(nèi)容為流體與流體及流體與固體相互作用的發(fā)聲機(jī)理。從流體力學(xué)基本方程出發(fā)，得到輸氣管道流場中分布聲源。

由流體力學(xué)基本方程組得到納維-斯托克斯方程，簡稱N-S方程:

式中:μ為常數(shù)。

從N-S方程出發(fā)，得到Lighthill波動方程:

式中:Tij=ρuiuj+［(p-p0)-c20(ρ-ρ0)］δij為 Lighthill應(yīng)力張量。

式(2)為 Lighthill聲擬理論波動方程［8］。

Curle［9］首先用基爾霍夫方法將 Lighthill理論推廣到考慮靜止固體邊界影響;Ffowcs Williams等［10］應(yīng)用廣義函數(shù)法解決了運(yùn)動物體在流體中的發(fā)聲問題，得Ffowcs Williams＆Hawkings方程(簡稱 FW-H方程)為:

式(3)右三項(xiàng)可作為聲源項(xiàng):單極子聲源、偶極子聲源、四極子聲源。其中由表面加速度引起的聲源(流體位移分布)為單極子聲源;由表面脈動壓力引起的聲源(力分布)為偶極子聲源;流體紊流所產(chǎn)生的為四極子聲源。

由于輸氣管道內(nèi)流體壓力高、流動量大，流體主體處于紊流狀態(tài)，管壁附近流體層流可忽略。對管道泄漏進(jìn)行理想化假設(shè)，忽略管道內(nèi)復(fù)雜振動，重點(diǎn)研究泄漏過程中的理想聲源。由以上分析可知，輸氣管道泄漏時音波產(chǎn)生的根本原因是氣體可壓縮性及不穩(wěn)定流動等因素造成湍流脈動誘導(dǎo)產(chǎn)生的聲源波動。據(jù)萊特希爾(Lighthill)流體聲學(xué)理論與FW-H方程，輸氣管道泄漏產(chǎn)生的聲源可認(rèn)為由單極子聲源、偶極子聲源及四極子聲源組成。四極子聲源由泄漏孔處氣體噴流造成的湍流脈動產(chǎn)生;偶極子聲源由可壓縮氣體介質(zhì)與管壁、閥門、泄漏孔壁等氣固耦合作用形成;單極子聲源由泄漏發(fā)生時固壁破裂導(dǎo)致流體位移分布形成。

2 輸氣管道泄漏音波產(chǎn)生機(jī)理仿真分析

將輸氣管道泄漏產(chǎn)生分兩階段:第一階段為聲源從無到有、到基本穩(wěn)定過程，第二階段為持續(xù)、基本穩(wěn)定發(fā)聲過程。人為劃分此兩過程便于泄漏研究，而實(shí)際上輸氣管道泄漏為一個瞬時完整過程。為研究輸氣管道泄漏的完整過程，采用Fluent動網(wǎng)格技術(shù)模擬泄漏發(fā)生瞬間，得到泄漏發(fā)生前、發(fā)生瞬間、發(fā)生后的全部過程，即無聲源、聲源從無到有、基本穩(wěn)定及持續(xù)、基本穩(wěn)定發(fā)聲全部過程。

通過輸氣管道音波產(chǎn)生機(jī)理理論分析知，輸氣管道泄漏時產(chǎn)生的音波由單極子聲源、偶極子聲源及四極子聲源疊加形成。為進(jìn)一步研究輸氣管道泄漏時音波產(chǎn)生機(jī)理，獲得聲源產(chǎn)生的壓力波動，為輸氣管道音波產(chǎn)生機(jī)理的實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)性意見，故采用Fluent軟件中動網(wǎng)格技術(shù)對輸氣管道泄漏音波產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行仿真分析。

2.1 仿真模型建立

Fluent軟件基于FW-H方程模型模擬聲波的產(chǎn)生和傳播。根據(jù)音波法泄漏檢測技術(shù)工作原理，建立仿真模擬模型，如圖1所示，單位均為mm。模型由主干管道與支管組成，管徑均為10，主干管道全長200，支管長為100，幾何原點(diǎn)位于主干管道中心線與支管中心線的交界處，球閥位于支管管段，球心坐標(biāo)為(0，30)，內(nèi)置孔板距原點(diǎn)為50，孔板壁厚為3，孔徑為0.1。定義泄漏噴射時四極子聲源和閥門開關(guān)產(chǎn)生的偶極子聲源為音波產(chǎn)生面，取下游點(diǎn)(100，0)為音波接收點(diǎn)。

圖1 輸氣管道泄漏模擬模型Fig.1 Simulation model of leakage for natural gas pipeline

由圖1知，仿真模型管道泄漏通過位于支管的球閥和內(nèi)置孔板實(shí)現(xiàn)，球閥控制泄漏與否，內(nèi)置孔板控制泄漏孔形狀及孔徑大小。實(shí)現(xiàn)方式為:輸氣管道正常運(yùn)行時閥門關(guān)閉，氣體在主干管道內(nèi)流動，某一時刻輸氣管道支管上球閥打開，氣體從內(nèi)置孔板的小孔中噴出，泄漏發(fā)生。由于氣體渦流［11］在閥門處及泄漏孔處產(chǎn)生偶極子聲源與四極子聲源輻射聲波，位于下游點(diǎn)(100，0)處的音波接收點(diǎn)接收到音波即閥門開啟產(chǎn)生泄漏時的音波特征。其中閥門動態(tài)開啟過程可通過Fluent仿真動網(wǎng)格與UDF描述，考慮泄漏產(chǎn)生的瞬時性和仿真模擬的可行性確定仿真模擬時閥門開啟時間為0.1s。該設(shè)置方式可得到泄漏發(fā)生前、泄漏發(fā)生瞬間、泄漏發(fā)生后的全過程，即無聲源、聲源從無到有、基本穩(wěn)定及持續(xù)、基本穩(wěn)定發(fā)聲全過程，時間為0.1 s。

仿真模型中，管道內(nèi)介質(zhì)為可壓縮理想空氣，氣體從主干管道左端流入，從主干管道右端流出，為研究管道壓力1.3 MPa時的音波信號，采用的邊界條件見表1，湍流模型為LES大渦模擬。仿真時間步取0.000 25 s，仿真時間為0.5 s，閥門在 0.2 s時開啟，泄漏發(fā)生，閥門開啟時間為0.1s。將Fluent中計(jì)算參數(shù)設(shè)置完成后，進(jìn)行流場與聲場求解。壓力邊界條件如表中設(shè)置時，泄漏孔處最大噴流速度約180 m/s。

表1 模擬邊界條件Tab.1 Boundary conditions

據(jù)萊特希爾(Lighthill)流體聲學(xué)理論與FW-H方程知，仿真模型閥門開啟過程模擬實(shí)際泄漏時管壁撕裂過程產(chǎn)生的單極子聲源;閥門、孔板及管壁等靜止固壁作用模擬實(shí)際泄漏時產(chǎn)生的偶極子聲源;泄漏孔噴射氣體模擬實(shí)際泄漏時產(chǎn)生的四極子聲源。由于單極子聲源強(qiáng)度與剛性表面水平運(yùn)動速度有關(guān)，而其剛性表面水平運(yùn)動速度可忽略，因此只考慮輸氣管道泄漏時產(chǎn)生的偶極子聲源與四極子聲源。

2.2 輸氣管道仿真泄漏音波

據(jù)流體動力學(xué)特性知，閥門開啟泄漏發(fā)生時，支管閥門前、閥門內(nèi)腔、閥門后、泄漏孔后均產(chǎn)生的強(qiáng)烈渦流導(dǎo)致產(chǎn)生偶極子與四極子聲源。仿真模擬所得觀測點(diǎn)(100，0)聲壓隨時間變化情況見圖2。

圖2 觀測點(diǎn)聲壓Fig.2 At receiver point

由圖2可看出泄漏發(fā)生前、發(fā)生瞬間、發(fā)生后由無聲源、聲源從無到有、基本穩(wěn)定及持續(xù)、基本穩(wěn)定發(fā)聲全過程，具體為:

(1)輸氣管道氣體介質(zhì)處于湍流運(yùn)動狀態(tài)，四極子聲源一直存在，且在閥門開啟過程中四極子聲源存在脈動，閥門完全開啟后產(chǎn)生的四極子聲源持續(xù)、穩(wěn)定;與泄漏發(fā)生前輸氣管道產(chǎn)生的四極子聲源相比，泄漏發(fā)生后四極子聲源強(qiáng)度增大。原因?yàn)樗臉O子聲源由氣體紊流脈動形成，泄漏發(fā)生前氣體處于湍流狀態(tài)，故產(chǎn)生四極子聲源輻射音波;閥門開啟過程中，由于氣體可壓縮性，氣體在閥門內(nèi)腔及泄漏孔處存在四極子聲源脈動，且閥門內(nèi)腔產(chǎn)生的四極子聲源隨閥門開度的增大逐漸消失;泄漏持續(xù)發(fā)生時，輸氣管道產(chǎn)生的四極子聲源除包括泄漏發(fā)生前產(chǎn)生的四極子聲源外，還包括泄漏孔處產(chǎn)生的四極子聲源，二者疊加使四極子聲源強(qiáng)度增大，導(dǎo)致輻射音波增大。

(2)輸氣管道發(fā)生泄漏前后偶極子聲源一直存在，且發(fā)生泄漏后偶極子聲源強(qiáng)度增大。原因?yàn)榕紭O子聲源由氣體與固壁耦合作用產(chǎn)生，泄漏發(fā)生前，氣體在閥門前與閥門存在耦合作用產(chǎn)生偶極子聲源輻射音波，且音波的產(chǎn)生使管道介質(zhì)壓力上升;泄漏發(fā)生后，氣體與閥門、氣體與孔板的耦合作用使偶極子聲源強(qiáng)度增大，導(dǎo)致輻射音波增大，而音波作用使管道介質(zhì)運(yùn)行壓力降低。

(3)輸氣管道泄漏產(chǎn)生的音波由四極子聲源與偶極子聲源疊加產(chǎn)生的音波構(gòu)成且以偶極子聲源為主，聲源疊加并非四極子聲源與偶極子聲源簡單相加。輸氣管道閥門開啟泄漏發(fā)生前后四極子聲源產(chǎn)生的音波變化與偶極子聲源產(chǎn)生的音波變化相比較小，原因?yàn)檩敋夤艿篱y門開啟發(fā)生泄漏時，氣體的可壓縮性使氣體與閥門面、氣體與孔板之間存在劇烈氣固耦合作用，固壁的阻擋作用使氣體不斷被壓縮后擴(kuò)張，處于急劇湍流脈動狀態(tài)，產(chǎn)生強(qiáng)烈偶極子聲源;而泄漏孔處氣體噴射形成的四極子聲源在泄漏孔徑較小，運(yùn)行壓力較低條件下強(qiáng)度較小。由于四極子聲源與四極子聲源之間、偶極子聲源與偶極子聲源之間、四極子聲源與偶極子聲源之間的相互作用使聲壓變化并非四極子聲源與偶極子聲源的簡單相加。

(4)未泄漏時輸氣管道產(chǎn)生的聲壓在一個正值附近波動，在閥門開啟泄漏發(fā)生瞬間，聲壓發(fā)生瞬時下降，下降值可達(dá)13 kPa，閥門完全開啟后泄漏一直發(fā)生，產(chǎn)生一個在負(fù)值附近波動的聲壓;泄漏后產(chǎn)生的音波聲壓值遠(yuǎn)大于泄漏前產(chǎn)生的聲壓。

泄漏音波經(jīng)傅里葉變換，得到泄漏產(chǎn)生的聲功率譜圖，如圖3所示。

圖3 聲功率譜圖Fig.3 Sound power spectrum

由圖3知，泄漏產(chǎn)生的音波能量集中在0～200 Hz，即音波多為低頻音波，而低頻音波的傳送距離較遠(yuǎn)，可達(dá)幾十到幾百公里，且音波傳播速度非?？欤虼嗽趯?shí)驗(yàn)與工程中可通過捕捉該壓差實(shí)現(xiàn)泄漏檢測，且檢測時間短，檢測靈敏度高。

2.3 音波產(chǎn)生機(jī)理分析

據(jù)對輸氣管道仿真模型產(chǎn)生的泄漏音波分析可知，輸氣管道泄漏產(chǎn)生的音波由四極子聲源與偶極子聲源疊加產(chǎn)生的音波構(gòu)成且以偶極子聲源為主，聲源疊加并非二聲源簡單相加。為進(jìn)一步分析該兩種聲源相互作用機(jī)理及對不同壓力、不同孔徑泄漏音波的敏感性，對不同工況下的輸氣管道泄漏進(jìn)行仿真模擬，得到不同運(yùn)行壓力、不同泄漏孔徑等條件下壓力波動值，見表2。

表2 仿真模擬的多工況壓力波動值Tab.2 Pressure perturbations obtained by simulation and experiment under variable conditions

表2為管道運(yùn)行壓力分別為1.3 MPa，2 MPa，3 MPa下，泄漏孔徑分別為0.08 mm，0.1 mm，0.45 mm，0.9 mm時，通過仿真模擬得到的四極子聲源、偶極子聲源及二者疊加后產(chǎn)生的壓力波動值及四極子聲源與偶極子聲源聲壓波動值之比。四極子聲源與偶極子聲源對不同壓力、不同孔徑泄漏音波的敏感性見圖4。

由表2、圖4可得:

(1)四極子聲源產(chǎn)生的壓力波動值隨泄漏孔徑的增大呈增大趨勢;隨管道運(yùn)行壓力的增大呈增大趨勢。

(2)偶極子聲源產(chǎn)生的壓力波動值隨泄漏孔徑的增大呈減小趨勢;隨管道運(yùn)行壓力的增大呈增大趨勢。

(3)總壓力波動隨泄漏孔徑及管道運(yùn)行壓力的增大呈增大趨勢。

(4)四極子聲源與偶極子聲源聲壓波動值之比隨泄漏孔徑的增大呈增大趨勢;隨管道運(yùn)行壓力的增大呈弱減小趨勢。

圖4 四極子聲源和偶極子聲源產(chǎn)生的壓力波動值敏感性分析Fig.4 Sensitivity analyses of pressure perturbations generated by quadrupoles and dipoles

(5)偶極子聲源與四極子聲源之間可相互轉(zhuǎn)化:四極子與固壁面相互作用轉(zhuǎn)化成偶極子聲源，偶極子聲源傳播到氣體空間轉(zhuǎn)化成四極子聲源。隨著泄漏孔徑的增大，四極子聲源產(chǎn)生的壓力波動值增大而偶極子聲源產(chǎn)生的壓力波動值減小，四極子聲源與偶極子聲源聲壓波動值之比呈明顯增大趨勢。原因?yàn)樾孤┛讖皆龃?，泄漏孔處阻擋氣體噴出的固壁面減小，使泄漏孔徑增大前的一部分偶極子聲源失去固壁面作用傳播到氣體空間轉(zhuǎn)化成四極子聲源。隨管道運(yùn)行壓力的增大，二者產(chǎn)生的壓力波動值均增大，四極子聲源與偶極子聲源聲壓波動值之比呈弱減小趨勢，原因?yàn)楣艿肋\(yùn)行壓力增大，泄漏孔處氣體與固壁面相互作用強(qiáng)度增大，產(chǎn)生增強(qiáng)的偶極子聲源，該聲源失去固壁面作用會產(chǎn)生增強(qiáng)的四極子聲源，且該偶極子聲源只占全部偶極子聲源的小部分。

3 輸氣管道泄漏音波產(chǎn)生機(jī)理實(shí)驗(yàn)分析

采用仿真結(jié)果指導(dǎo)完成輸氣管道泄漏音波產(chǎn)生機(jī)理實(shí)驗(yàn):①搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)道;②將實(shí)驗(yàn)工況調(diào)整至仿真模擬工況，采用音波傳感器測得泄漏音波并與仿真模擬的泄漏音波進(jìn)行對比分析及驗(yàn)證;③分別對仿真模擬與實(shí)驗(yàn)所得多工況泄漏音波進(jìn)行對比分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備建立

據(jù)實(shí)際輸氣管道運(yùn)行工況搭建實(shí)驗(yàn)管道［12］，環(huán)道全長251.5 m，設(shè)計(jì)壓力 6.4 MPa，允許高壓力 8 MPa，管道內(nèi)徑10 mm，管壁厚2 mm，由不銹鋼管構(gòu)成。起、終點(diǎn)音波傳感器間距199.35 m，設(shè)三個泄漏點(diǎn)，距起點(diǎn)音波傳感器 40.34 m，88.33 m，149.02 m，泄漏點(diǎn)由內(nèi)置孔板法蘭與球閥構(gòu)成，可據(jù)實(shí)驗(yàn)要求改變泄漏孔徑?？讖椒謩e為 0.08 mm，0.1 mm，0.45 mm，0.9 mm 等。音波傳感器安裝于三個泄漏點(diǎn)及管線起終點(diǎn)處，采集泄漏動態(tài)壓力信號。

泄漏檢測實(shí)驗(yàn)流程見圖5。用壓縮空氣作氣源，氣體經(jīng)壓縮機(jī)加壓，通過冷干機(jī)和過濾器除去水分、油滴，經(jīng)高壓緩沖罐進(jìn)入測試管段，最后進(jìn)入中壓緩沖罐放空。管道運(yùn)行壓力穩(wěn)定時，將泄漏點(diǎn)2的球閥2瞬時打開模擬泄漏發(fā)生，利用泄漏點(diǎn)2處的音波傳感器3采集數(shù)據(jù)并保存在計(jì)算機(jī)中，通過改變球閥2后面法蘭盤內(nèi)藏孔板的孔徑大小完成不同泄漏孔徑實(shí)驗(yàn)。

圖5 泄漏檢測實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig.5 High-pressure gas pipeline leak detection test loop

該裝置為高速實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用NI公司的PCI6229常規(guī)數(shù)據(jù)采集卡及PCI4474動態(tài)數(shù)據(jù)采集卡，可進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，保證泄漏檢測的實(shí)時性及定位精度。

音波傳感器是音波泄漏檢測采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的核心元件，本實(shí)驗(yàn)選用的美國PCB生產(chǎn)的106B型動態(tài)壓力傳感器測量范圍 -57.2 ～57.2 kPa，靈敏度 43.5 mv/kPa。工作原理見圖6。

圖6 動態(tài)壓力傳感器工作原理圖Fig.6 Fundamental diagram of dynamic pressure sensor

工作過程為:動態(tài)壓力傳感器安裝在輸氣管道上應(yīng)使受力隔膜水平，當(dāng)輸氣管線壓力穩(wěn)定時，受力隔膜受力平衡，不引起電壓輸出，讀數(shù)為0;輸氣管線發(fā)生泄漏瞬間，由于音波擾動壓迫受力隔膜，隔膜變形使石英晶體內(nèi)部產(chǎn)生極化，導(dǎo)致符號相反電荷從而產(chǎn)生電壓值，隨聲壓增大受力隔膜變形增大，聲壓增大達(dá)到幅值，電荷開始釋放輸出電流信號，電荷電量逐漸減小，使輸出電流信號逐漸減小，直至為0;輸氣管線持續(xù)泄漏時，聲壓一直作用于受力隔膜，此時受力平衡不再發(fā)生變形，石英晶體不產(chǎn)生極化及電荷，因故無電流輸出，讀數(shù)為0。

輸氣管道音波法泄漏檢測實(shí)驗(yàn)環(huán)道的設(shè)計(jì)與搭建，音波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與使用，為泄漏檢測實(shí)驗(yàn)提供了充足的軟硬件設(shè)施，為獲取管道泄漏時音波數(shù)據(jù)及干擾信號的音波數(shù)據(jù)提供了實(shí)驗(yàn)條件。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過建立實(shí)驗(yàn)管架完成1.3 MPa壓力下、泄漏孔徑為0.1 mm、閥門開啟泄漏發(fā)生的實(shí)驗(yàn)，采集的主干管道上氣體介質(zhì)壓力波動為輸氣管道內(nèi)部氣體介質(zhì)壓差最大值。圖7為位于泄漏孔下游約100 mm處音波傳感器所測壓力波動。由圖7知，閥門開啟泄漏發(fā)生瞬間，音波傳感器捕捉到14 kPa的壓力下降值。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比分析

據(jù)音波傳感器工作原理，將圖2(c)的聲壓變化圖類比成音波傳感器橫軸為采樣點(diǎn)的壓力波動圖，見圖8。

圖7 音波傳感器測得壓力波動Fig.7 Experimental pressure perturbations acquired by dynamic pressure sensor

圖8 類比得到的聲壓波動圖Fig.8 Acoustics pressure perturbations simulated

由圖8知，仿真模擬輸氣管道泄漏時，泄漏瞬間會產(chǎn)生大的壓力波動，下降值達(dá)13 kPa，與實(shí)驗(yàn)所得幅值及波形吻合較好(圖7)，但由于音波傳感器性能等因素影響使實(shí)驗(yàn)測得音波信號上升緩慢。

為對比仿真模擬與實(shí)驗(yàn)所得壓力波動區(qū)別，對多工況輸氣管道泄漏分別進(jìn)行仿真模擬及實(shí)驗(yàn)，得到不同運(yùn)行壓力、不同泄漏孔徑等影響因素的壓力波動值。表3為管道運(yùn)行壓力分別在 1.3 MPa，2 MPa，3 MPa下，泄漏孔徑分別為 0.08 mm，0.1 mm，0.45 mm，0.9 mm時，仿真模擬與實(shí)驗(yàn)所得壓力波動值。二者對比見圖9。

表3 仿真模擬及實(shí)驗(yàn)所得多工況壓力波動值Tab.3 Pressure perturbations obtained by simulation and experiment under variable conditions

圖9 仿真模擬和實(shí)驗(yàn)得到的壓力波動值對比Fig.9 Pressure perturbations acquired by simulation and experiments

由表3、圖9，并對照圖7、圖8得:

(1)運(yùn)行工況接近條件下，實(shí)驗(yàn)中音波傳感器采集到的壓力波動值與仿真模擬所得聲壓類比后的壓力波動值接近，且泄漏孔徑越大，二者越接近，表明實(shí)驗(yàn)中動態(tài)壓力傳感器采集到的壓力波動值主要成分為音波壓力波動，因此實(shí)驗(yàn)選用的動態(tài)壓力傳感器可作為音波傳感器。

(2)輸氣管道泄漏瞬間產(chǎn)生壓力波動值，泄漏持續(xù)發(fā)生則音波一直產(chǎn)生;據(jù)音波傳感器工作原理知，音波傳感器所測的為泄漏瞬間產(chǎn)生的壓力波動值，泄漏持續(xù)發(fā)生時，音波傳感器所測數(shù)據(jù)為0。

(3)實(shí)驗(yàn)中測得的壓力波動值與仿真模擬得到的壓力波動值之間存誤差，誤差主要來源有:① 仿真模擬運(yùn)行工況理想且計(jì)算精度等因素使仿真結(jié)果存在誤差;② 實(shí)驗(yàn)過程中工況條件與仿真模擬工況條件不完全相同，實(shí)驗(yàn)包括閥門開關(guān)時間、閥門開度、管道其它部分存在泄漏、管道運(yùn)行壓力、流速、溫度等均存在一定誤差。

4 結(jié)論

采用仿真模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合方法對輸氣管道中泄漏音波的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)論如下:

(1)輸氣管道泄漏音波產(chǎn)生機(jī)理基于氣動噪聲產(chǎn)生機(jī)理，建立在Lighthill聲擬理論與FW-H方程基礎(chǔ)上。

(2)通過仿真模擬得到輸氣管道泄漏音波的產(chǎn)生機(jī)理及規(guī)律:該音波產(chǎn)生原因?yàn)闅怏w可壓縮性及不穩(wěn)定流動等因素造成的湍流脈動誘導(dǎo)產(chǎn)生的聲源波動;氣體泄漏時產(chǎn)生湍流脈動，湍流脈動產(chǎn)生四極子聲源及偶極子聲源，二者產(chǎn)生的音波疊加構(gòu)成泄漏音波;四極子聲源由氣體湍流脈動產(chǎn)生，偶極子聲源由氣體與固壁耦合作用產(chǎn)生;泄漏孔處氣體噴射速度為亞聲速時，輸氣管道中聲源以偶極子聲源為主。

(3)明確音波傳感器工作機(jī)理，通過實(shí)驗(yàn)中音波傳感器測得模擬工況條件下泄漏音波并對仿真模擬得到的泄漏音波進(jìn)行對比分析和驗(yàn)證;完成了多工況條件下仿真模擬和實(shí)驗(yàn)得到的泄漏音波的對比分析。分析結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)中音波傳感器測得的壓力波動主要成分為聲源產(chǎn)生的音波波動，并非泄漏持續(xù)發(fā)生時產(chǎn)生的音波本身。

(4)仿真模擬和實(shí)驗(yàn)方法可研究輸氣管道泄漏音波的產(chǎn)生機(jī)理，實(shí)驗(yàn)所得壓力波動值與仿真模擬的壓力波動值之間存的誤差，主要來源為仿真模擬軟件的計(jì)算精度及實(shí)驗(yàn)工況變化等。

(5)輸氣管道音波法泄漏檢測技術(shù)的基本原理為，輸氣管道泄漏發(fā)生瞬間產(chǎn)生一個音波波動信號，音波波動信號沿著管道內(nèi)流體分別向管道上下游高速傳播且被安裝在管段兩端的音波傳感器監(jiān)聽、捕捉并傳送給現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理器，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后根據(jù)音波特征判定泄漏。

(6)輸氣管道泄漏音波產(chǎn)生機(jī)理的研究中，單極子聲源、偶極子聲源、四極子聲源均為簡單聲源，對管道復(fù)雜振動描述有局限性;氣體流動主要考慮紊流狀態(tài)，管壁附近層流可忽略不計(jì)。

(7)輸氣管道泄漏音波產(chǎn)生機(jī)理的研究為音波法泄漏檢測技術(shù)的推廣與應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

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