馬超宇(中油遼河工程有限公司， 遼寧 盤(pán)錦 124010)

輸氣管道聲波法泄漏檢測(cè)技術(shù)的理論與實(shí)驗(yàn)研究

馬超宇(中油遼河工程有限公司， 遼寧 盤(pán)錦 124010)

通過(guò)輸氣管道泄漏仿真及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)輸氣管道聲波法泄漏檢測(cè)技術(shù)的原理進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示：輸氣管道泄漏時(shí)所產(chǎn)生的聲波，主要來(lái)自于氣體因泄漏而發(fā)生的不穩(wěn)定流動(dòng)所產(chǎn)生的偶極子和四極子聲源。通過(guò)仿真模擬和實(shí)驗(yàn)研究，均可探得輸氣管道聲波法泄漏檢測(cè)技術(shù)的原理與方法，這為該技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供了強(qiáng)大的理論支持，同時(shí)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(cè)技術(shù)是一種方便、有效、靈敏度高的輸氣管道泄漏檢測(cè)方法，值得推廣。

輸氣管道；管道泄漏；聲波法；檢測(cè)技術(shù)；理論；實(shí)驗(yàn)

輸氣管道泄漏不但會(huì)給企業(yè)帶來(lái)不小的經(jīng)濟(jì)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(duì)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(fēng)險(xiǎn)，必須要進(jìn)行有效的泄漏檢測(cè)。目前常用的幾種輸氣管道泄漏檢測(cè)方法有：應(yīng)用統(tǒng)計(jì)法、質(zhì)量平衡法、負(fù)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(cè)方法相比，聲波法主要具有靈敏度高、適應(yīng)性強(qiáng)、檢測(cè)時(shí)間短、定位精度高、響應(yīng)頻率寬、檢測(cè)范圍廣、誤報(bào)率低等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于聲波法的研究現(xiàn)已取得了諸多成果，而本文主要通過(guò)輸氣管道泄漏仿真及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)輸氣管道聲波法泄漏檢測(cè)技術(shù)的原理進(jìn)行了研究。

1 輸氣管道聲波法泄漏檢測(cè)技術(shù)的原理

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

2 輸氣管道聲波法泄漏檢測(cè)技術(shù)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(cè)技術(shù)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(zhǎng)200cm)和支管(長(zhǎng)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(diǎn)，球閥在支管管段上，內(nèi)置孔板與原點(diǎn)相距50cm，孔徑為0.1cm，孔板壁厚度為3cm。將輸氣管道泄漏時(shí)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(diǎn)作為聲波接收點(diǎn)。在此模型下，輸氣管道泄漏通過(guò)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(yùn)行狀態(tài)，則閥門關(guān)閉，而當(dāng)球閥突然打開(kāi)時(shí)，原本正常流動(dòng)的氣體會(huì)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(diǎn)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(xiàng)參數(shù)為：仿真時(shí)間步0.00025s，仿真時(shí)間0.5s，閥門開(kāi)啟時(shí)間點(diǎn)為0.2s，總共開(kāi)啟用時(shí)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(chǎng)分析 當(dāng)閥門未開(kāi)啟時(shí)，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(kāi)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(kāi)啟45°時(shí)，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??；在閥門開(kāi)啟過(guò)程中，泄漏孔前壓力隨著閥門開(kāi)度增大而增大，壓差也隨之增大，待閥門完全開(kāi)啟后，泄漏孔后的渦旋一直穩(wěn)定存在；閥門開(kāi)啟過(guò)程中渦旋比未開(kāi)啟時(shí)明顯減弱。

3 輸氣管道聲波法泄漏檢測(cè)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

(1)實(shí)驗(yàn)管道的設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)管道全長(zhǎng)設(shè)計(jì)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(hào)采集終端的設(shè)計(jì) 起點(diǎn)聲波傳感器與終點(diǎn)聲波傳感器之間相距199.35m，兩者之間設(shè)置有3個(gè)泄漏點(diǎn)，分別位于40.34m處、88.33m處及149.02m處。泄漏點(diǎn)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(diǎn)和終點(diǎn)處還設(shè)有壓力、差壓、流量、溫度等變送器。泄漏孔徑可隨時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求更改。

4 實(shí)驗(yàn)分析

在1.3MPa壓力、0.1mm泄漏孔徑下，開(kāi)啟閥門進(jìn)行管道泄漏實(shí)驗(yàn)。在閥門開(kāi)啟瞬間，捕捉到一個(gè)14kPa左右的壓力下降，與仿真研究對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，二者的壓力波動(dòng)類似，都具有一個(gè)大的下降沿。但是實(shí)驗(yàn)研究所得的下降沿更大，這主要是由于通過(guò)聲波傳感器所測(cè)得的壓力波動(dòng)不但包括了聲壓波動(dòng)，還包括在泄漏過(guò)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(jì)算精度也具有一定的影響。結(jié)果得出：通過(guò)仿真模擬和實(shí)驗(yàn)研究，均可探得輸氣管道聲波法泄漏檢測(cè)技術(shù)的原理與方法。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)輸氣管道泄漏仿真及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)輸氣管道聲波法泄漏檢測(cè)技術(shù)的原理進(jìn)行了研究。通過(guò)仿真模擬和實(shí)驗(yàn)研究，均可探得輸氣管道聲波法泄漏檢測(cè)技術(shù)的原理與方法。綜上所述，輸氣管道聲波法泄漏檢測(cè)技術(shù)是一種方便、有效、靈敏度高的輸氣管道泄漏檢測(cè)方法，值得推廣。

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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(shè)計(jì)工作 。