方麗萍， 殷布澤， 孟令雅， 李玉星， 劉翠偉， 薛 源

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院 山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580；2.北部灣大學(xué) 石油與化工學(xué)院，廣西 欽州 535011)

近幾十年來(lái)，隨著海洋鉆井勘探技術(shù)的進(jìn)步，海洋石油開采得到迅猛發(fā)展，而早期建設(shè)的海底管道已相繼達(dá)到使用壽命。在陸上油氣田勘探開發(fā)的中后期以及海上油氣田的開發(fā)過程中，油氣混輸是最常用的油氣輸送方式。油氣混輸管道已作為主要運(yùn)輸方式覆蓋了渤海、南海東西部大部分水域和東海部分水域。油氣混輸管道的泄漏檢測(cè)與監(jiān)測(cè)問題一直是油氣混輸管道安全運(yùn)行管理技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

當(dāng)前的泄漏檢測(cè)方法中，適用于氣液混輸管道的有分布式光纖法、負(fù)壓波法和聲波法、聲發(fā)射等[1-2]。而負(fù)壓波法誤報(bào)率高，光纖法成本高，因此聲波法有較大的應(yīng)用前景。近十幾年來(lái)，學(xué)者們相繼研究聲波法在多相流管道泄漏檢測(cè)的應(yīng)用。2010年，中國(guó)石油大學(xué)(華東)的郝點(diǎn)團(tuán)隊(duì)確定聲波法可用在氣液兩相管道的泄漏檢測(cè)中，并對(duì)氣液兩相流管道的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行了測(cè)試[3-6]。2018年以來(lái)，紀(jì)健等[7-10]設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置，對(duì)聲波法在氣液混輸管道中的應(yīng)用進(jìn)行了可行性研究及初步的信號(hào)時(shí)頻分析。以上研究均集中在泄漏檢測(cè)方法信號(hào)處理及特征分析。在聲波產(chǎn)生的機(jī)理方面，劉翠偉等[11-15]基于CFD(computation fluid dynamics)對(duì)輸氣管道氣體流經(jīng)閥門的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行模擬與分析，基于氣動(dòng)聲學(xué)理論及渦聲理論對(duì)輸氣管道泄漏聲波產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致的研究。紀(jì)健等[16]對(duì)多相流管道泄漏開啟進(jìn)行了流場(chǎng)模擬，得到分層流、波浪流、段塞流3種流型下泄漏閥門開啟過程中湍流強(qiáng)度的變化?，F(xiàn)有的研究未對(duì)氣液混輸管道泄漏聲波產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究，而多相流管道流動(dòng)復(fù)雜，特別是段塞流型下管道內(nèi)壓力波動(dòng)大，泄漏聲波產(chǎn)生機(jī)理的研究制約著聲波法在氣液管道泄漏檢測(cè)在氣液混輸管道中應(yīng)用的發(fā)展，也是聲波法氣液混輸管道泄漏檢測(cè)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。因此需對(duì)段塞流流型下氣液混輸管道泄漏聲波信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究，為推動(dòng)聲波法泄漏檢測(cè)技術(shù)提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

對(duì)氣液混輸管道段塞流泄漏聲波產(chǎn)生機(jī)理的研究從以下4個(gè)方面展開。首先基于Fluent建立泄漏閥門的幾何模型，利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬泄漏發(fā)生的瞬間，得到泄漏發(fā)生前、泄漏發(fā)生瞬間及泄漏發(fā)生后的全部過程；然后基于流體聲學(xué)基礎(chǔ)及渦聲理論，分析泄漏閥門打開過程中流體的速度場(chǎng)及渦量場(chǎng)，結(jié)合速度場(chǎng)與渦量場(chǎng)分析泄漏閥門打開過程的聲壓信號(hào)；最后將試驗(yàn)采集的聲波信號(hào)與模擬信號(hào)進(jìn)行類比，得到泄漏過程聲波產(chǎn)生的機(jī)理，并對(duì)聲波幅值波動(dòng)的影響因素進(jìn)行敏感性分析。

1 氣液管道泄漏聲波信號(hào)的試驗(yàn)獲取

1.1 試驗(yàn)裝置

依托中國(guó)石油大學(xué)(華東)學(xué)科創(chuàng)新平臺(tái)搭建氣液混輸環(huán)道，實(shí)現(xiàn)管道泄漏聲波信號(hào)的采集，環(huán)道流程如圖1所示。環(huán)道總長(zhǎng)60 m，內(nèi)徑為40 mm，壁厚4 mm，包括穩(wěn)定段、觀察段、測(cè)試段及回流段。穩(wěn)定段長(zhǎng)度為2 m以保證流型充分發(fā)展；觀察段為1 m的有機(jī)玻璃管。測(cè)試段全長(zhǎng)17.95 m，在沿線布置壓力、溫度傳感器及聲波傳感器?？紤]試驗(yàn)操作的安全性，環(huán)道用空氣代替天然氣，用水代替石油。壓縮空氣由螺桿壓縮機(jī)提供，壓縮機(jī)排出壓力為3×105～8×105Pa，排量為5.8 m3/min。壓縮后的空氣經(jīng)過冷干機(jī)與過濾器后進(jìn)入緩沖罐以穩(wěn)定氣體壓力。水由立式離心泵提供，泵的揚(yáng)程與流量分別為8.2 m與8 m3/h。氣液混合前分別進(jìn)行計(jì)量，液體流量計(jì)選用渦輪流量計(jì)，測(cè)量范圍為2～20 m3/h；氣體流量選用熱式氣體流量計(jì)，滿度流量為60 Nm3/h，精度為2.5級(jí)，最高壓力1.6 MPa。泄漏點(diǎn)布置在測(cè)試段中，在管道中安裝連接球閥的支管，在球閥頂端設(shè)置帶有泄漏孔的孔板，通過打開球閥模擬管道泄漏。管道壓力、流量等常規(guī)數(shù)據(jù)由中央控制數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)采集，聲波信號(hào)選用美國(guó)PCB 106B壓電型動(dòng)態(tài)壓力傳感器，通過NI 9234采集卡，利用Labview編制采集程序進(jìn)行采集。

獲取泄漏聲波信號(hào)的核心元件為動(dòng)態(tài)壓力傳感器，它的工作原理如下：當(dāng)管道壓力穩(wěn)定時(shí)，傳感器的受力隔膜受力平衡，此時(shí)電壓輸出為0；當(dāng)管道壓力有變化時(shí)，因管線壓力擾動(dòng)使受力隔膜變形，此時(shí)傳感器內(nèi)部的石英晶體內(nèi)部極化產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，產(chǎn)生電壓值。隨著管道壓力擾動(dòng)增大，受力隔膜變形增大，當(dāng)電壓增大到幅值時(shí)，電荷開始釋放電流信號(hào)，電荷電量逐漸減小。由上可知，動(dòng)態(tài)壓力傳感器輸出的是管道壓力的變化量，而不是壓力本身。

圖1 氣液混輸環(huán)道流程圖Fig.1 Gas-liquid two-phase pipeline detection test loop

1.2 試驗(yàn)操作及工況

氣液混輸管道泄漏試驗(yàn)操作步驟如下。檢查裝置流程及氣密性后，在環(huán)道中通入壓縮空氣，對(duì)裝置進(jìn)行吹掃。然后，開啟泵，打開水入口閥門，打開混合器，讓水與壓縮空氣混合后進(jìn)入環(huán)道。在觀察段觀察流型，當(dāng)流型穩(wěn)定時(shí)，開始泄漏測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集過程步驟如下：①打開保存數(shù)據(jù)按鈕，采集約1 kB數(shù)據(jù)后，打開泄漏閥并記錄時(shí)間；②保持泄漏閥打開狀態(tài)，待信號(hào)穩(wěn)定后，關(guān)閉泄漏閥并記錄時(shí)間；③待信號(hào)及流型恢復(fù)穩(wěn)定后，重復(fù)步驟①和步驟②。

為了模擬管道突發(fā)泄漏的工況，閥門開啟采用"快開"球閥形式，經(jīng)測(cè)試，球閥開啟時(shí)間在10-1s量級(jí)上。根據(jù)Mandhane水平管道流型圖，本次試驗(yàn)工況如表1。

表1 試驗(yàn)工況

以液體流量5 m3/h，氣體流量12.5 m3/h，管徑為42 mm的氣液混輸管道為例，泄漏點(diǎn)位于管道上部，泄漏孔徑為8 mm，聲波傳感器位于泄漏點(diǎn)上游1 m處，該工況典型的泄漏聲波信號(hào)如圖2所示。在采樣點(diǎn)數(shù)為17 000時(shí)，管道泄漏模擬裝置打開，此時(shí)出現(xiàn)一個(gè)瞬時(shí)聲波，表現(xiàn)為一個(gè)明顯向下的脈沖。此后，泄漏閥仍然打開，泄漏瞬時(shí)聲源轉(zhuǎn)化為持續(xù)聲源，信號(hào)表現(xiàn)為隨氣、液流動(dòng)呈周期性脈動(dòng)的聲波脈沖。

圖2 氣液混輸管道泄漏聲波信號(hào)Fig.2 Gas-liquid two-phase pipeline slug flow Leakage signal

2 氣液混輸管道泄漏仿真分析

工程上，氣液混輸管道泄漏聲波信號(hào)的產(chǎn)生分為兩個(gè)階段：一是聲源從無(wú)到有，再到基本穩(wěn)定的過程；二是持續(xù)、基本穩(wěn)定發(fā)聲的過程。實(shí)際上，在氣液兩相流管道穩(wěn)定流動(dòng)的過程中，流體內(nèi)部本身的湍流及氣液相間的相互作用、流體流動(dòng)與固體邊界發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)均產(chǎn)生流動(dòng)噪聲。管道泄漏是一個(gè)瞬時(shí)完成的過程，因此，為研究氣液混輸管道泄漏的完整過程，在Fluent中建立泄漏閥門的幾何模型，通過瞬態(tài)計(jì)算模擬段塞流型，待流形穩(wěn)定后，利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬泄漏發(fā)生的瞬間，進(jìn)而得到泄漏發(fā)生前、泄漏發(fā)生瞬間及泄漏發(fā)生后的全部過程。

2.1 仿真模型的建立

根據(jù)聲波法泄漏檢測(cè)技術(shù)的工作原理，建立氣液兩相流管道泄漏仿真模擬模型，如圖3所示。模型由管道及泄漏支管組成，管道內(nèi)徑為0.04 m，泄漏支管內(nèi)徑為0.02 m。主干全長(zhǎng)為15 m，泄漏支管到球閥中心距離0.04 m，幾何原點(diǎn)位于管道中心線與泄漏支管中心線的交界處，泄漏球閥位于泄漏支管管段，球閥中心與泄漏孔口中心均位于泄漏支管中心線上，球閥中心距原點(diǎn)0.06 m，泄漏孔口距原點(diǎn)0.1 m，泄漏孔徑為0.009 m，泄漏孔口外部空間設(shè)置0.5 m×0.5 m的空氣區(qū)域。根據(jù)流體聲學(xué)理論，圖3的仿真模型中，閥門開啟過程模擬實(shí)際泄漏管壁破口過程，此過程產(chǎn)生單極子聲源；閥門、孔板及管壁等靜止的固體邊界作用模擬實(shí)際泄漏時(shí)產(chǎn)生的偶極子聲源；泄漏噴射過程的流體模擬實(shí)際泄漏時(shí)產(chǎn)生的四極子聲源。由于單極子聲源的強(qiáng)度與剛性表面的水平運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，不論是實(shí)際泄漏時(shí)管壁的破口過程還是仿真模擬中的閥門運(yùn)動(dòng)，其剛性表面的水平運(yùn)動(dòng)速度均可忽略，因此只考慮氣液混輸管道泄漏時(shí)產(chǎn)生的偶極子聲源和四極子聲源。根據(jù)偶極子聲源和四極子的概念，定義聲波發(fā)射源為壁面和閥門內(nèi)部流體，取接收點(diǎn)坐標(biāo)分別為：(-1，0)，(0，0)及(1，0)(單位m)。

2.2 仿真模型的可靠性分析

圖3中泄漏球閥打開模擬泄漏發(fā)生，泄漏孔口直徑代表泄漏孔徑。段塞流型下氣液混輸管道泄漏的具體實(shí)現(xiàn)方式如下：泄漏閥門關(guān)閉，設(shè)定入口的氣、液流速，讓氣液混輸管道正常運(yùn)行，氣、液介質(zhì)形成段塞在管道內(nèi)向前流動(dòng)。待段塞流流型穩(wěn)定后，某一時(shí)刻將泄漏支管上的泄漏球閥打開，流體從泄漏孔口噴射而出，泄漏發(fā)生。其中，閥門的動(dòng)態(tài)開啟過程可通過Fluent仿真的動(dòng)網(wǎng)格和UDF描述，考慮泄漏產(chǎn)生的瞬時(shí)性及仿真的可行性，仿真模擬的開閥過程時(shí)間為0.1 s。以上過程可模擬泄漏發(fā)生前、泄漏發(fā)生瞬間及泄漏發(fā)生后的全部過程。

圖3 管道泄漏模型Fig.3 Simulation model of leakage for gas-liquid two-phase pipeline

仿真模型中，管內(nèi)介質(zhì)為可壓縮理想空氣與水?？諝馀c水分別從主管道左端的兩個(gè)入口管道中流入，空氣入口管道與水入口管道內(nèi)徑均為0.04 m，夾角為45°，空氣入口管道在上方，水入口管道在下方?？諝馊肟诹魉贋? m/s，水入口流速為1 m/s，管道出口壓力為5 kPa(表壓)，空氣區(qū)域邊界設(shè)為大氣壓力出口。選用VOF多相流模型，相間作用力采用表面張力模型，空氣-水表面系數(shù)為0.073 N/m。湍流模型采用RNGk-ε模型，聲學(xué)模型采用FW-H模型，壁面粗糙度取0.000 5 m，仿真時(shí)間為1.2 s，閥門在0.2 s時(shí)開啟，求解方法為SIMPLEC算法，離散格式為二階迎風(fēng)，仿真時(shí)間步長(zhǎng)取2×10-5，求解精度為1×10-5。模擬仿真得到的聲波如圖4。類比圖2與圖4可知，仿真模擬得到的泄漏聲波信號(hào)與實(shí)際傳感器采集到的聲波信號(hào)具有相似的幅值變化趨勢(shì)。但由于模擬工況較為理想，且為了穩(wěn)定形成段塞流型，管道設(shè)定了出口壓力。而實(shí)際試驗(yàn)中，管道出口壓力為常壓，進(jìn)出口壓降僅為幾十帕，因此試驗(yàn)信號(hào)與模擬信號(hào)的幅值有較大的出入。但兩者幅值變化的趨勢(shì)相同，對(duì)聲波產(chǎn)生機(jī)理的分析無(wú)影響。

圖4 模擬得到的泄漏聲波信號(hào)Fig.4 Simulated leak-acoustic signal

2.3 段塞流氣液混輸仿真流場(chǎng)分析

泄漏前后液體體積分?jǐn)?shù)分布如圖5。淺灰表示水的體積分?jǐn)?shù)為100%(即液塞)，深灰表示水的體積分?jǐn)?shù)為0%(即氣塞)。根據(jù)圖5可以描述泄漏閥打開前、打開瞬間及打開后管道中液體與氣體的流動(dòng)情況。根據(jù)Powell提出的湍流渦聲理論[17]，低馬赫數(shù)條件下，等熵絕熱流體產(chǎn)生的流體動(dòng)力場(chǎng)和輻射聲場(chǎng)的基本且唯一的源是渦，如式(1)。因此，有必要分析氣液混輸管道段塞流泄漏前、后的管道流場(chǎng)，如圖6所示。

(1)

式中：c0為流體當(dāng)?shù)芈曀?，可取遠(yuǎn)場(chǎng)的常值聲速，m/s；p為流場(chǎng)靜壓，Pa；ω=?×u為渦量，u為速度矢量。

由圖5、圖6，分析氣液混輸管道泄漏閥門開啟過程的流場(chǎng)特點(diǎn)如下：

(1)閥門未開啟時(shí)，閥門前管道泄漏分支管中的氣體被管道中的氣液混合流體壓縮后又流入管道下游，因此在閥門前的分支管段內(nèi)形成渦旋。此時(shí)泄漏閥門前管壁處渦量很小，僅為1×102數(shù)量級(jí)。

圖5 泄漏前后液體體積分?jǐn)?shù)Fig.5 Water-fraction before and after leakage

(2)閥門開啟瞬間，一部分氣體在壓差的作用下首先通過閥門流出管道，由于閥門的阻力作用，泄漏支管中閥門前管壁處的渦旋增強(qiáng)至1×103數(shù)量級(jí)；一部分氣體在泄漏孔板處被阻擋，在泄漏支管的閥門內(nèi)及閥門后均形成強(qiáng)烈渦旋。由于氣體流出管道的量小，液體無(wú)法克服重力進(jìn)入泄漏支管，仍然在管道中流動(dòng)。

(3)閥門開度45°時(shí)，氣體逐漸通過閥門流出管道，并帶動(dòng)液體流入泄漏支管及閥門內(nèi)部。由于泄漏孔板的阻擋作用及流出流體增多，閥門至泄漏孔板處區(qū)域的渦旋一直存在并逐漸增強(qiáng)，泄漏孔板處也出現(xiàn)強(qiáng)烈渦旋。

(4)閥門完全開啟時(shí)，氣體與少量液體通過閥門經(jīng)泄漏孔板流出管道，泄漏閥前后流速均增大且趨于穩(wěn)定。被泄漏閥分成前后兩部分的渦場(chǎng)與閥門內(nèi)的渦場(chǎng)漸漸合并，形成泄漏孔板至支管與主管道交界處穩(wěn)定的渦旋，泄漏過程中泄漏支管處的渦旋一直穩(wěn)定存在。

圖6 閥門開啟過程模擬流場(chǎng)(圖6(a)～圖6(d):速度；圖6(e)～圖6(h):渦量)Fig. 6 Flow field during valve opening

(5)在整個(gè)泄漏過程中，流體與主管壁處也存在渦旋。泄漏支管到泄漏孔板處的渦旋經(jīng)歷從弱至強(qiáng)再到趨于穩(wěn)定的過程。

2.4 段塞流氣液混輸仿真泄漏聲波信號(hào)

在可壓縮流體的流動(dòng)過程中，流體微團(tuán)在切向擾動(dòng)的作用下由于黏性作用形成渦，在法向擾動(dòng)作用下壓縮與膨脹形成聲，渦與聲在流體流動(dòng)過程中具有能量的轉(zhuǎn)換。因此，需要在流場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)泄漏全過程的聲場(chǎng)進(jìn)行分析。根據(jù)Lighthill的聲擬理論與式(2)的FWH方程，固體邊界與流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)與流體內(nèi)部紊流均可引起輻射噪聲。

(2)

(3)

(4)

式中，p′為遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓(p′=p-p0)，Pa；ρ為當(dāng)?shù)孛芏龋琸g/m3；f是為便于利用廣義函數(shù)理論和格林函數(shù)求解引入的數(shù)學(xué)曲面，f=0為源發(fā)射表面；ui為xi方向上的流體速度分量，m/s；un為垂直于f=0面的速度分量，m/s；vi為x向上表面速度分量，m/s；vn為垂直于表面的表面速度分量，m/s；δ(f)為Dirac函數(shù)；H(f)為Heaviside函數(shù)；δij為Kronecker符號(hào)，i=j時(shí)δij=1；ij時(shí)δij=0 。

式(2)等號(hào)右邊的3項(xiàng)作為聲源項(xiàng)[18]，分別為四極子聲源、偶極子聲源和單極子聲源。沒有自發(fā)聲源時(shí)，等式右邊各項(xiàng)均為0。當(dāng)氣液混輸管道段塞流穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，由于流動(dòng)流體與管壁一直存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)式(4)，流體與固體管壁之間的作用力一直存在，因此式(2)等號(hào)右邊第1項(xiàng)與第2項(xiàng)一直存在。管道發(fā)生泄漏時(shí)，由于流體自泄漏口噴射而出，式(3)中的ρuiuj項(xiàng)增大，此時(shí)將出現(xiàn)明顯的四極子聲源脈動(dòng)。同時(shí)，由于流體射流而產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流，加劇了流體與邊界之間的作用力，式(4)中的pδij項(xiàng)有明顯的波動(dòng)，也將出現(xiàn)明顯的偶極子聲源脈動(dòng)。

將Fluent預(yù)設(shè)接收點(diǎn)接收到的聲源數(shù)據(jù)進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算，以觀測(cè)點(diǎn)(-1，0)為例，仿真模擬所得閥門開啟前后聲壓及總壓隨時(shí)間變化情況如圖7。

由圖7可以看出氣液混輸管道段塞流泄漏前后聲源發(fā)聲過程，結(jié)合泄漏前后管道液體的體積分?jǐn)?shù)，發(fā)聲過程具體分析如下：

(1)氣液混輸管道中，泄漏閥打開前，四極子聲源產(chǎn)生的聲壓在0值附近，泄漏閥打開后，四極子聲源強(qiáng)度增大，在-0.03～0.03 Pa波動(dòng)。原因?yàn)殚y門開啟過程中，由于氣體的可壓縮性，氣體在閥門內(nèi)腔及泄漏孔口處形成四極子聲源脈動(dòng)。泄漏持續(xù)發(fā)生時(shí)，隨著泄漏孔口處介質(zhì)周期性的變化，四極子聲源出現(xiàn)周期性波動(dòng)。泄漏孔口為氣體時(shí)，氣體產(chǎn)生紊流脈動(dòng)導(dǎo)致四極子聲源脈動(dòng)；泄漏孔口為液體時(shí)，液體流動(dòng)沒有形成紊流脈動(dòng)，四極子聲源減弱。

圖7 觀測(cè)點(diǎn)(-1，0)聲壓與總壓Fig.7 Acoustic and total pressure at point (-1，0)

(2)段塞流的氣液混輸管道中，泄漏發(fā)生前后偶極子聲源一直存在，但泄漏后偶極子聲源波動(dòng)幅度增大，呈周期性波動(dòng)。原因?yàn)榕紭O子聲源由流固作用力產(chǎn)生，泄漏前發(fā)生前，閥門前氣體與閥門存在耦合作用產(chǎn)生偶極子聲源輻射音波。泄漏發(fā)生的時(shí)刻，氣體通過閥門流出管外，導(dǎo)致管道壓力突然下降，造成聲壓幅值也突然下降。泄漏發(fā)生后，液體通過閥門流出管道，液固耦合作用比氣固耦合作用劇烈，與泄漏前相比，聲波波動(dòng)幅度增大。

(3)段塞流的氣液混輸管道中，泄漏產(chǎn)生的聲波由四極子聲源與偶極子聲源疊加產(chǎn)生，且以偶極子聲源為主。與偶極子聲源相比，四極子聲源產(chǎn)生的聲波幅度很小，原因?yàn)闅庖洪g的相互作用以及氣液與閥門面、孔板之間存在強(qiáng)烈的流固耦合作用，使流體與壁面的相互作用成為管道聲波產(chǎn)生的主要因素。

(4)當(dāng)氣塞與液塞交替經(jīng)過泄漏口時(shí)，偶極子與四極子疊加的聲壓幅值周期性脈動(dòng)。原因?yàn)楫?dāng)泄漏支管處為氣塞時(shí)，氣體的流失導(dǎo)致管道壓力突然下降，此時(shí)聲壓較低。液塞到達(dá)泄漏支管時(shí)，由于液塞運(yùn)動(dòng)的慣性，大部分液體繼續(xù)向前流動(dòng)，僅有小部分液體因相分離作用而從孔口流出，此時(shí)聲壓幅值升高。液塞離開泄漏支管時(shí)，氣體由于可壓縮性，在泄漏孔處膨脹而繼續(xù)流出管外，聲壓降低。聲壓的幅值隨著氣塞與液塞的交替到達(dá)而波動(dòng)。

(5)對(duì)比偶極子聲源聲壓、總聲壓及觀測(cè)點(diǎn)總壓可以看到，觀測(cè)點(diǎn)聲壓波動(dòng)趨勢(shì)與總壓力波動(dòng)趨勢(shì)一致，因此可以通過測(cè)量流體壓力波動(dòng)的方式獲得泄漏聲源產(chǎn)生的聲波波動(dòng)。這與試驗(yàn)采集聲波的動(dòng)態(tài)壓力傳感器工作原理一致。

3 泄漏聲波信號(hào)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)比圖2和圖7，對(duì)試驗(yàn)采集的聲波信號(hào)分析如下：

(1)管道泄漏前，氣液混輸管道在充分發(fā)展的段塞流型下穩(wěn)定流動(dòng)，氣、液界面的脈動(dòng)及其與管壁間的作用力占主要因素，形成偶極子聲源。液塞到達(dá)管道頂部時(shí)，液塞與管壁之間的作用力使段塞流管道聲波信號(hào)出現(xiàn)向上的尖脈沖。

(2)管道泄漏瞬間，由于管內(nèi)外壓差，流體沖出管道造成壓力下降，形成一個(gè)向下的聲波脈沖。流體在孔口處形成四極子聲源，流體在閥門壁形成強(qiáng)烈湍流形成偶極子聲源，兩個(gè)聲源疊加，形成一個(gè)向下的脈沖聲波。

(3)管道持續(xù)泄漏時(shí)，隨著液塞周期性地到達(dá)泄漏支管，管道出現(xiàn)周期性的聲波波動(dòng)。當(dāng)支管處為氣體時(shí)，氣體因壓縮性噴出管外，此時(shí)為向下的聲波脈沖。當(dāng)支管處為液塞時(shí)，液體密度大，因其不可壓縮性及流動(dòng)的慣性，液塞繼續(xù)向前流動(dòng)堵住泄漏支管，氣體停止泄漏，形成一個(gè)向上的脈沖。因氣體噴出流速大，且液體與孔口及閥門壁的作用力，持續(xù)泄漏時(shí)向上脈沖的幅值遠(yuǎn)大于穩(wěn)定流動(dòng)的脈沖幅值。

3.1 聲波信號(hào)時(shí)域特性分析

段塞流型下，氣液混輸管道泄漏前后聲波幅值波動(dòng)較大。采集多種工況下氣液混輸管道泄漏聲波信號(hào)，得到不同氣、液流量，不同泄漏孔徑下的波動(dòng)幅值，見表2。管道穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，聲波波動(dòng)幅值范圍隨氣、液流量的增大而增大。管道有泄漏時(shí)，在氣、液流量不變的情況下，持續(xù)泄漏聲波幅值波動(dòng)范圍隨泄漏孔徑的增大而增大；孔徑不變時(shí)，持續(xù)泄漏聲波幅值波動(dòng)范圍隨氣液流量增大也呈增大趨勢(shì)。泄漏孔徑，氣、液流速是段塞流型下氣液混輸管道聲波波動(dòng)的主要影響因素。

3.2 泄漏聲波信號(hào)的頻率特性分析

將圖2信號(hào)切割成3部分，第一部分為無(wú)泄漏信號(hào)；第二部分為泄漏開始信號(hào)；第三部分為持續(xù)泄漏信號(hào)。利用快速傅里葉變換對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，如圖8。管道未泄漏時(shí)，信號(hào)主要頻率成分集中在1 Hz以內(nèi)，信號(hào)頻譜幅值較低，低于泄漏后聲波信號(hào)。段塞流管道發(fā)生泄漏時(shí)，在1～2 Hz處頻譜幅值遠(yuǎn)大于無(wú)泄漏及持續(xù)泄漏工況；分析原因?yàn)楣艿勒Ａ鲃?dòng)時(shí)，聲波頻率主要與氣液界面的周期性起伏有關(guān)，沒有流體噴射等擾動(dòng)，信號(hào)幅值小，頻率低。泄漏發(fā)生瞬間，流體噴出管外，在泄漏閥及泄漏口處形成強(qiáng)烈渦旋，產(chǎn)生偶極子聲源為主的瞬時(shí)聲波信號(hào)，導(dǎo)致頻譜幅值的突變，高頻噴流噪聲拉高了信號(hào)的頻率。管道持續(xù)泄漏時(shí)，由于能量的損失，信號(hào)頻率幅值稍有降低。

利用廣義S變換對(duì)氣液流量分別為1.5 和3 m3/h，5 m3/h和4 m3/h，7.5 m3/h和5 m3/h的段塞流泄漏聲波信號(hào)做時(shí)-頻分析，如圖9。圖9中：短劃線代表較高的時(shí)-頻幅值；短劃線加點(diǎn)的虛線代表較低的時(shí)-頻幅值。管道未發(fā)生泄漏時(shí)，氣、液流量越低，聲波信號(hào)的時(shí)-頻幅值越小。泄漏時(shí)，信號(hào)低頻部分幅值有較明顯的突變，且在泄漏持續(xù)過程中幅值不會(huì)恢復(fù)到泄漏前水平。氣液流量越低，泄漏時(shí)刻幅值突變的頻率范圍越寬。信號(hào)的高頻部分幾乎沒有變化。

圖8 泄漏聲波信號(hào)頻譜圖Fig.8 Frequency spectrum of leak-acoustic wave

表2 不同工況下泄漏聲波波動(dòng)幅值

圖9 泄漏聲波信號(hào)時(shí)-頻圖Fig.9 Time-frequency of leak-acoustic

4 結(jié) 論

通過對(duì)段塞流型下氣液混輸管道泄漏聲波信號(hào)的模擬與試驗(yàn)分析，得到以下結(jié)論：

(1)氣液混輸管道發(fā)生泄漏時(shí)，流體在閥門內(nèi)腔及泄漏孔口形成四極子聲源脈動(dòng)，且聲源脈動(dòng)隨泄漏孔口處介質(zhì)變化呈周期性變化。泄漏孔口氣體為主時(shí)，四極子聲源脈動(dòng)增強(qiáng)，泄漏孔口液體為主時(shí)，四極子聲源脈動(dòng)減弱。

(2)泄漏發(fā)生前后，偶極子聲源一直存在，泄漏后偶極子聲源波動(dòng)幅度增大。管道泄漏聲源以偶極子聲源為主，且當(dāng)氣塞與液塞交替經(jīng)過泄漏口時(shí)，泄漏聲源的聲壓幅值隨氣、液塞交替周期呈周期性脈動(dòng)。

(3)測(cè)點(diǎn)聲波為泄漏引起的聲壓波動(dòng)而非傳統(tǒng)意義的聲波本身。氣液混輸管道泄漏聲壓與總壓波動(dòng)趨勢(shì)一致，可通過測(cè)量流體壓力波動(dòng)的方式獲得泄漏聲源產(chǎn)生的聲波波動(dòng)。

(4)對(duì)試驗(yàn)采集到的聲波進(jìn)行了研究和分析，管道泄漏瞬間，由于管內(nèi)外壓差，流體沖出管道造成壓力下降，形成一個(gè)向下的聲波脈沖。管道持續(xù)泄漏時(shí)，隨著液塞周期性地到達(dá)泄漏支管，管道出現(xiàn)周期性的聲波波動(dòng)。當(dāng)支管處為氣體時(shí)，氣體因壓縮性噴出管外，此時(shí)為向下的聲波脈沖。當(dāng)支管處為液塞時(shí)，液體密度大，因其不可壓縮性及流動(dòng)的慣性，液塞繼續(xù)向前流動(dòng)堵住泄漏支管，氣體停止泄漏，形成一個(gè)向上的脈沖。

(5)管道穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，聲波波動(dòng)幅值范圍隨氣、液流量的增大而增大。管道持續(xù)泄漏時(shí)，在氣、液流量不變的情況下，聲波幅值波動(dòng)范圍隨泄漏孔徑的增大而增大；孔徑不變時(shí)，聲波幅值波動(dòng)范圍隨氣液流量增大也呈增大趨勢(shì)。泄漏孔徑，氣、液流量是段塞流型下氣液混輸管道聲波波動(dòng)的主要影響因素。

(6)管道未泄漏時(shí)，信號(hào)頻譜幅值較低，信號(hào)主要頻率成分小于1 Hz，低于泄漏后聲波信號(hào)。段塞流管道發(fā)生泄漏時(shí)，信號(hào)1～2 Hz的低頻部分幅值有較明顯的突變，頻譜幅值遠(yuǎn)大于無(wú)泄漏及持續(xù)泄漏工況，且在泄漏持續(xù)過程中幅值不會(huì)恢復(fù)到泄漏前水平。氣液流量越低，泄漏時(shí)刻幅值突變的頻率范圍越寬。

(7)由于管道中含有氣、液兩相，氣泡、氣塞對(duì)聲波的傳播過程影響非常復(fù)雜。因此下一步研究工作需對(duì)氣液混輸管道泄漏聲波在流體中傳播的規(guī)律進(jìn)行細(xì)致的研究，為基于聲波的氣液管道泄漏檢測(cè)技術(shù)提供理論支持。文中得到的結(jié)論也需在更多的段塞流工況中進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。