付青云 李堯斌副教授
(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 淮南 232000)
管道運輸具有高效穩(wěn)定、污染小、損耗低、易于維修等特點,在給物料運輸帶來便利的同時,也存在管道泄漏危害公眾安全的隱患。當(dāng)管道發(fā)生泄漏,要及時發(fā)現(xiàn)管道泄漏的復(fù)雜情況[1],最大限度地減小氣體管道泄漏造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此為及時了解燃?xì)夤艿腊踩珷顟B(tài),需對燃?xì)夤艿佬孤r的聲源特性進(jìn)行研究,找出泄漏源的特點,更好地預(yù)防泄漏事故并能在泄漏發(fā)生后第一時間進(jìn)行泄漏源定位,避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。國內(nèi)外學(xué)者對燃?xì)夤艿佬孤┞曉吹奶匦砸堰M(jìn)行一些研究,并取得一定成果,如R.Ben-Mansour等[2]針對管道的微小泄漏,基于三維湍流模型利用計算流體力學(xué)模擬軟件對0.1m內(nèi)徑的管道進(jìn)行仿真模擬,并且提出快速傅立葉變化法和平均功率譜密度法得到聲源信號特征;李堯斌等[3]主要研究泄漏孔孔形對燃?xì)夤艿佬孤┞曉刺匦缘挠绊?,得到不同孔形的燃?xì)夤艿佬孤┞曉搭l譜的突出頻響在50~52kHz,為聲波檢測法的開發(fā)和應(yīng)用提供參考依據(jù);閆成穩(wěn)等[4]主要建立管道泄漏物理模型,得到聲波產(chǎn)生機(jī)理,管道內(nèi)壓和泄漏孔徑增大聲壓級也增大,聲波能量在50Hz以下,并且以四極子為主要聲源;韓寶坤等[5]利用仿真模擬,研究采用小波變換法定位泄漏聲源。
在管道聲波傳播規(guī)律的研究方面,Osama Hunaidi等[6]對塑料管道泄漏信號的聲波特征進(jìn)行研究,基于不同條件下的管道泄漏實驗,得到管道泄漏聲波信號規(guī)律,確定聲波衰減率及聲波傳播速度的變化規(guī)律;Min-Soo Kim等[7]利用時頻聯(lián)合分析的試驗方法及邊界元法得到管道系統(tǒng)聲波的截止頻率,從而獲得管內(nèi)聲波的傳播特性;孟令雅等[8]綜合考慮介質(zhì)黏滯吸收和熱傳導(dǎo)作用及特殊管件(彎管、分支及變徑管)的吸收作用,建立泄漏音波在管內(nèi)傳播模型。
由上述文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)很多學(xué)者利用聲波法對管道泄漏進(jìn)行檢測,并且取得很多成果,故而本文采用聲波法對燃?xì)夤艿佬孤┬盘栠M(jìn)行檢測。在這些研究中大多數(shù)學(xué)者對管道泄漏研究偏向于模擬方法,模擬的條件大多是理想條件,但實際檢測時外在影響因素較多,因此本文主要通過實驗方法探究燃?xì)夤艿绬?、雙點泄漏聲波信號的特性和傳播規(guī)律,以期為城市燃?xì)夤艿缹崟r監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建提供理論依據(jù),以更好地預(yù)防燃?xì)夤艿佬孤瑥亩WC燃?xì)夤艿肋\輸?shù)陌踩咝浴?/p>
本文主要研究燃?xì)夤艿绬?、雙點泄漏聲波特性及傳播規(guī)律,根據(jù)前期文獻(xiàn)閱讀[3-4],燃?xì)夤艿佬孤┢脚_可分為充放氣裝置、管道系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分,實驗系統(tǒng)原理圖,如圖1。
圖1 實驗系統(tǒng)原理圖Fig.1 The schematic diagram of the experimental system
(1)充放氣裝置:由空壓機(jī)、冷干機(jī)和儲氣罐組成,該裝置主要在實驗過程中給管道提供穩(wěn)定的氣體,控制實驗氣體運行壓力。考慮實驗室實驗的安全性,實驗氣體采用空氣。我國城市燃?xì)夤艿缐毫Ψ譃槠呒墸焊邏簹夤蹵級壓力為2.5~ 4.0MPa;高壓氣管B級壓力為1.6~2.5MPa;二級高壓氣管A級壓力為0.8~1.6MPa;二級高壓氣管B級壓力為0.4~0.8MPa;中壓燃?xì)夤艿繟級壓力為0.2~0.4MPa;中壓燃?xì)夤艿繠級壓力為0.01~0.2MPa;低壓氣管壓力為0.01MPa。在上述壓力等級條件下,單個固定管道的壓力變化不大,但是不同運輸管道的壓力不同。故研究不同的運行工況,可將理論更好地應(yīng)用于實際。因此本文將實驗壓力確定為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0MPa,并測定5個壓力下單點泄漏和雙點泄漏的聲波信號。
(2)管道系統(tǒng):由鋼管、泄漏孔和電磁閥等組成,主要用于模擬管道泄漏。本文主要探究壓力、泄漏點個數(shù)對管道泄漏聲波信號的影響,需控制泄漏孔形狀和大小,故而泄漏孔采用孔徑為0.8mm圓形孔。
(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):由計算機(jī)、高精度數(shù)據(jù)釆集儀和加速度傳感器組成,主要用于采集氣體泄漏的聲波信號[9]。
(1)利用空壓機(jī)對儲氣罐進(jìn)行充氣,調(diào)節(jié)減壓閥使儲氣罐的壓力達(dá)到實驗所需壓力。
(2)打開管道系統(tǒng)進(jìn)氣口的電動閥門,采集管道系統(tǒng)未發(fā)生泄漏時的背景噪聲聲波信號。
(3)安裝上模擬泄漏孔與聲波測試傳感器,從低到高調(diào)節(jié)壓力閥控制出口壓力,進(jìn)行燃?xì)夤艿佬孤┞暟l(fā)射實驗數(shù)據(jù)的采集。
(4)每種工況分別采集3次數(shù)據(jù),最終結(jié)果取3次數(shù)據(jù)的平均值,以保證實驗準(zhǔn)確率。
(5)采集結(jié)束后,關(guān)閉管道入口閥門,打開排氣裝置進(jìn)行排氣。
由于聲波信號為連續(xù)信號[10],可以利用Matlab軟件計算出聲波信號的時域最大幅值,從而進(jìn)行燃?xì)鈫巍㈦p點聲波信號特性規(guī)律研究,見表1。
由表1可知,當(dāng)泄漏點個數(shù)一定,隨著壓力的增大,時域最大幅值隨之增大,每個壓力幅值變化幅度比較大。這是因為管道壓力增大,管道內(nèi)氣體流動加快,當(dāng)管道發(fā)生泄漏時,氣體從泄漏點噴出時氣流變快,管內(nèi)外擠壓明顯,傳感器檢測的聲波信號也相應(yīng)變大。
表1 不同壓力下單雙點泄漏的聲波信號時域振幅Tab.1 The time domain amplitudes of acoustic signals of the single and double leakage under different pressures
當(dāng)壓力一定時,燃?xì)夤艿绬吸c泄漏時域幅值普遍小于雙點泄漏時域幅值。這主要是因為管道發(fā)生泄漏時,管道內(nèi)部氣體由于管道內(nèi)外壓差作用由穩(wěn)定流動變向外射流,泄漏點個數(shù)增多意味著在泄漏處管道內(nèi)外壓差增大,聲波傳感器采集的振幅也隨之增大[11]。因此,在實際檢測管道泄漏時,管道壓力一定,主要排查聲波振幅偏大處。
通過提取時域波形圖最大幅值,可得到不同泄漏工況下與傳播距離的變化規(guī)律。經(jīng)過多次測量,不同孔間距雙點同時泄漏且在不同壓力下,6個傳感器測得聲波信號最大幅值,將不同工況的最大幅值用Origin軟件處理成點線圖,如圖2。
圖2 不同工況下雙點泄漏聲波信號幅值隨距離的變化規(guī)律Fig.2 The laws of the acoustic signal amplitude of the double leakage vary with the distance under different working conditions
當(dāng)壓力不同時,聲波幅值隨著壓力的增加而增加,1.0MPa下的幅值最大,其余4個壓力條件下聲波幅值依次遞減。當(dāng)壓力和孔間距一定時,管道中聲波信號幅值隨著離泄漏孔距離增加而逐漸減小,最后趨于平穩(wěn),并且靠近泄漏點的聲波信號均大于未泄漏處的聲波信號。距離泄漏點最近處(2號)泄漏信號幅值與其相鄰泄漏點處(3號)的信號幅值衰減幅度最大,這一現(xiàn)象在壓力為1.0MPa時最為明顯,其相鄰幅值差值最大可達(dá)6.7倍,可見泄漏聲波信號在管道上傳播衰減速度快,這是因為泄漏點處動量變化大,管壁內(nèi)外空氣擠壓振動強(qiáng)烈,而離得遠(yuǎn)的地方這種現(xiàn)象不明顯。因此,在實際檢測管道泄漏時,對其管道沿線檢測,聲波信號幅值明顯大的地方優(yōu)先排查,可以縮短檢測范圍,使工作更加高效。
天然氣的開發(fā)利用非常廣泛,同時伴隨發(fā)生泄漏事故的可能性,采用實驗室燃?xì)夤艿佬孤z測平臺,研究不同壓力對管道單、雙點泄漏聲波特性及傳播的變化規(guī)律,具體結(jié)論如下:
(1) 當(dāng)壓力一定時,雙點泄漏幅值明顯高于單點幅值,雙點泄漏增大泄漏處的氣流脈動強(qiáng)度,從而在實際檢測時重點排查聲波振幅偏大處。
(2) 當(dāng)泄漏點個數(shù)一定時,泄漏聲源信號隨著管道壓力增大逐漸增大,管道壓力梯度增大,泄漏處附近內(nèi)外壓差增大,從而聲波信號隨之增強(qiáng)。
(3) 當(dāng)壓力一定時,管道中聲波信號幅值隨著距離增加而逐漸減小,最后趨于平穩(wěn),并且靠近泄漏點的聲波信號均大于未泄漏處的聲波信號,應(yīng)用到實際檢測中,可以縮小檢查范圍,從而使燃?xì)夤艿佬孤z測更加高效。