输气管道泄漏声场特性分析及检测系统研究

周桂久，姜 明，马文敏，王修武，宋鹏云

(昆明理工大学 化学工程学院，云南 昆明 650500)

0 引 言

天然气作为污染小、安全可靠的清洁能源，在全世界得到广泛的应用.然而，天然气长距离输送管道多处于地广人稀的边远地区，如已建成西气东输、川气东送、中亚、中缅和中俄东线等一系列天然气长输管道[1].管道在运行中随着运营年限的增加会发生天然气泄漏事故，主要原因有：第三方破坏、腐蚀、施工缺陷、材料故障、地灾等[2].在管输过程中，管道的泄漏也会对当地环境造成破坏、威胁生命安全.实时监测管道泄漏并实现精准定位，能提供时间余量采取适当的措施，有效减少经济损失和环境污染[3].

众多学者针对天然气输送管道泄漏开展过相关研究，目前可用来检测管道泄漏的方法有瞬态模型法、质量/体积平衡法、负压波检测法、统计决策法、应用统计法、声波法和光纤法等，其中实际应用评价较高的有声波法和光纤法，因其有灵敏度高、准确性好、误报率低、检测时间短等诸多优点，但也伴随着成本较为昂贵、不易敷设等明显缺点[4].国内外在声波法进行泄漏检测方面开展了很多研究：有学者利用声波发射技术，研究了声波幅值在管道的传播的衰减情况以及与传输时间的关系[5]；加拿大一些学者在声波法对自来水管泄漏检测方面开展了大量的研究，但这些研究集中在管道输送液体介质上[6].气体长输与液体长输存在较大区别，由于气体具有很大压缩性使得管输天然气过程中实现实时泄漏检测较为困难.

通常，声波法实现天然气管道泄漏检测所使用的声波传感器是常规高精度压力变送器，管道运行压力与声压存在5～6个数量级的差别，要检测出中高压天然气管道中的声压是极为困难的.输气管道泄漏是复杂的气体喷流过程，本文针对中高压天然气管道泄漏时的喷流过程进行详细的研究，明确管道泄漏时的声源特性，从而进行数值模拟分析流场分布规律和声场特性，以此为基础，比选高精度差压传感器后实现中高压管道运行压力下泄漏时声压信号的捕获，进而实现中高压输气管道泄漏检测系统的研发.

1 长距离管道输送基本特征

本文以昆明市实际天然气管线为研究对象：管道外径为 220 mm，管线设计压力为 6.3 MPa，管道材质为L415螺旋缝埋弧焊钢管及直缝埋弧焊钢管.管输天然气组分为89.5%甲烷、5%乙烷、2%氮、0.5%二氧化碳、3%丙烷.由于输送的天然气介质黏度小，在高速流动下黏性力小于惯性力，可做假设：管道压力局部恒定、管道局部温度恒定、进出口无压力损失.

2 管道泄漏声源特征

2.1 构建物理模型及划分网格

基于实际天然气管线基础数据及假设，数值模拟研究时几何模型管道外径为 220 mm，管壁厚度为 5 mm，管线长度为 60 mm，泄漏孔位于管道中间的正上方，网格划分采用All-Quality方式，泄漏孔处加密处理，管道流体域网格尺寸为 2 mm.对泄漏孔处加密处理，网格尺寸达到 0.01 mm.输气管道泄漏模型与泄漏入口处半球流体域网如图1所示.

图1 输气管道泄漏模型与泄漏入口处半球流体域网格示意图

为了能够精确计算泄漏口处的流场参数，对泄漏口处进行网格加密，并进行了网格无关性检验，两种网格划分结果如表1所示.

表1 模型参数

通过对比两种网格尺寸下仿真结果中的压力云图、速度云图及泄漏处的速度曲线图(如图2所示)，可以分析发现，两种不同网格数不影响泄漏流场分析.为了节约计算机资源，选取较低的网格数进行分析研究.此处以一种模型的网格无关性检验进行说明，其余模型与之类似.

图2 网格无关性检验对照图

2.2 参数设置

数值求解稳态采用的k-ε模型，k-ε模型是由Launder和Spalding提出的双方程模型，是最简单的完整湍流模型，是进行工程上流场计算的重要工具.模型的优点是适用范围广、经济并且有合理的精度，属于半经验公式[7].工程上流场计算的瞬态采用的湍流模型为LES大涡模拟模型，常用于计算声波传播方程的噪声源[8].根据实际管道的输送特点，在Fluent中选择以下边界条件：入口为pressure-inlet、出口为pressure-outlet[9].管道压力共设置 3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa 四种工况，泄漏孔径共设置 0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm 三种工况.

输气管道泄漏过程是一非定常流动，在计算过程中，仿真时间步长设置为 0.001 s，时间步数设置为100步，每10步进行数据记录，仿真时间为 0.1 s.

2.3 泄漏特性分析

2.3.1 不同泄漏孔径

分析特定管道运行压力不同泄漏孔径下泄漏时泄漏处速度变化，结果如图3～图5.

图3 0.3 mm泄漏孔径速度云图 图4 0.4 mm泄漏孔径速度云图

图5 0.5 mm泄漏孔径速度云图

可以发现，在泄漏孔进口处流体流速相对于管道内部的流体流速明显增大，并且在泄漏孔入口处的流体流速的矢量发生变化，流动方向变得紊乱.在流体流入泄漏孔后，流动方向逐渐趋向一致，沿着泄漏孔轴向方向流向泄漏孔出口处.沿着漏孔轴向流体流速逐渐增大，在出口处达到最大值.

2.3.2 不同管道压力

分析特定泄漏孔径不同管道运行压力下泄漏时泄漏处流程变化，结果如图6～图13.分析发现，主管道压力和速度变化不明显，泄漏口处压力与速度急剧变化，随着管道压力的增大，管道泄漏口处的速度变化越烈(图名中OP代表Operating Pressure).

图6 运行压力为3 MPa时压力云图 图7 运行压力为3 MPa时速度云图

3 仿真结果解析验证

为了验证模拟结果的准确性，将模拟结果与计算结果相比较，通过解析计算出气体在管道内的速度和仿真模拟中的速度进行对比，明确仿真建模及模拟的准确性.

3.1 泄漏孔出口速度

泄漏孔口处泄漏率的大小取决于泄漏孔处的流动状态，其判别标准为临界压力比[10].

气体的临界压力比为：

(1)

式中：vcr为气体临界压比；Pcr为气体临界压力，Pa.

图8 运行压力为4 MPa时压力云图 图9 运行压力为4 MPa时速度云图

图10 运行压力为5 MPa时压力云图 图11 运行压力为5 MPa时速度云图

图12 运行压力为6 MPa时压力云图 图13 运行压力为6 MPa时速度云图

3.2 泄漏孔处流速解析计算方法

天然气声速计算中压缩因子的计算采用美国天然气协会于1992年制定的标准，该方法是通过天然气的摩尔组分、工况压力和工况温度等参数，计算天然气的压缩因子、摩尔密度、对比密度等值[11-12].

天然气压缩因子[13]：

(2)

式中：P为工况压力，单位为Pa；R气体常数，单位为J/(mol·K)；T为工况温度，单位为℃；ρm为气体摩尔密度.求解压缩因子Ζ，可以转化为求解摩尔密度ρm.

通过气体状态方程可以计算摩尔密度ρm：

(3)

声速的基本关系式可表示为[15]：

(4)

式中：Cp和Cv是定容和定压条件下气体的热容，单位为J/(mol·K)；Mr是天然气摩尔质量，单位为g/mol.

3.3 仿真结果与解析计算对比

以管道运行压力为 3 MPa、温度为 300 K 的工况条件为例，通过解析计算的理论声速为 394 m/s，与仿真模型泄漏出口的临界流速 381 m/s 的相对误差为3.299%，表明仿真物理模型及参数设置合理且准确，可作为声场模拟仿真的基础.

4 中高压输气管道泄漏时声源特性分析

分析相同压力、不同泄漏孔径的声波在传播中能量与距离的变化情况，以明确噪声的声压级随泄漏孔径的变化，为室内实验以及输气管道泄漏定位采集系统提供泄漏的判断依据以及泄漏定位的方法.

4.1 泄漏时声场物理模型及模拟原理

由Lighthill波动方程[16]可知，输气管道的声源是由流场密度、流体质量流量和流速等因素决定，当输气管道发生泄漏时，泄漏处管内与外界存在着很大的压差，管内气体从泄漏孔喷出.在喷出的瞬间，由于管内外气体速度不一样，使两种气体瞬间混合在一起，在边界层形成湍流产生很强湍流噪声；一部分的强湍流噪声产生于喷注气体本身，由于喷注气体本身因速度大，会产生大量的漩涡而形成湍流；有一部分的强湍流噪声来源于泄漏口附近产生的速度梯度区[17-18].输气管道泄漏声场仿真模型如图14所示.

图14 输气管道泄漏声场仿真模型

总体上，声源区域包括两部分：泄漏喷注区和泄漏口附近区，管道内部区域为声传播部分，泄露时产生的声源噪声类似气动噪声.目前计算气动噪声的模型有三种：FW-H模型、宽频噪声模型(Broadband Noise Source Model)及直接计算气动声学模型(Computation Aeroacoustics简称CAA模型)[19].FW-H声学模型是用面积分计算泄漏位置的噪声，使用的是时域积分的方法，较之于其他两种模型具有良好的优点，因此采用FW-H声学模型实现泄漏声场的模拟分析.

FW-H方程[20]如下所示：

(5)

(6)

(7)

在式(5)中，右边分别表示单极子声源、偶极子声源、四极子声源.由于FW-H可以很好地解决高、亚气动噪声问题，能够选择多个生源面和接收位置，且在处理瞬态求解时可以执行声噪计算，因此可以结合流体仿真软件处理泄漏流场信息得到噪声图.采用数值模拟的方法在噪声源周围精确计算瞬态流场，以此为基础，求解波动方程获得从声源处到接收点的噪声传播信息.

4.2 输气管道泄漏时声源模拟分析

声源模拟分析了泄漏孔径相同、不同管道压力(3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa)，以及相同管道压力、不同泄漏孔径(0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm)的工况，对比研究声波频率图.

管道压力分别取 3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa 时接收点处的频谱分析图如图15～图18所示，管道发生泄漏后管道中心点产生的声压级也可以清楚显示(图名中PP代表Pipeline Pressure).

图15 管道压力为3 MPa时接收点处频谱分析 图16 管道压力为4 MPa时接收点处频谱分析

图17 管道压力为5 MPa时接收点处频谱分析 图18 管道压力为6 MPa时接收点处频谱分析

泄漏孔径分别取0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm时接收点处的频谱分析图(图名中LA代表Leakage Aperture)，如图19～图21.

图19 0.1 mm泄漏孔径接收点处频谱分析 图20 0.2 mm泄漏孔径接收点处频谱分析

图21 0.3 mm泄漏孔径接收点处频谱分析

通过分析不难发现：

1)由图15～图21可知，在输气管道发生泄漏后，泄漏处将产生宽频域的声波，可被上下游设置的声波接收点接收，表明在实际输气管道中，若发生泄漏可在上下游设置相应的声波接收器，采集声波信号进而判断输气管道是否发生泄漏，可为输气管道声波泄漏检测提供科学依据.

2)输气管道发生泄漏后，泄漏处将产生宽频域的声波，沿着管内介质传播，由图15～图21分析发现，频率为0～50 Hz 的声波在管内传输的过程中衰减最慢，能量越高，声压级随着声波频率的增加而降低，频率越高的声波衰减得越快，表明在输气管道泄漏检测中，可检测次声波信号作为长距离输气管道泄漏特征信号.

3)噪声的声压级会随泄漏孔径、管道运行压力的增大而增大.

5 中高压输气管道次声波泄漏定位系统

5.1 泄漏检测系统总体设计

根据室内管道实际运行条件和比选的高精度压差传感器，优选采集卡、电源以及网络传输方案，使用Labview设计了高速采集系统捕获输气管道发生泄漏时的声波信号，研发了包含小波去噪模块、首末两端波形显示模块、互相关模块的Labview整体程序，程序设计框图如图22.将高速采集到的泄漏信号输入设计的Labview管道泄漏检测系统中进行分析，确定了奇异点，最后实现输气管道泄漏检测定位(如图23为小波降噪后波形显示图).

图22 检测系统程序设计图 图23 小波降噪后波形显示图

5.2 泄漏检测系统组成

在管道首末两端安装次声波传感器实时采集信号，对管道进行实时监测，并将两端传感器采集的信号实时传输给软件，从而实现了输气管道的泄漏检测[21].

输气管道泄漏检测系统的核心在于捕获到管道的次声波信号，关键在于中高压环境中实现超低频次声波信号的识别.常规高精度压力变送器已无法满足实际需求，本文比选高精度差压变送器，在中高压环境中能够有效捕获收集超低频声压信号.目前常见的差压变送器探头种类有很多，如动圈式、驻极体式、电容式等，其中电容式传感器灵敏度为8～30 mV/Pa，次声波泄漏监测系统传感器要求的灵敏度为10～50 mV/Pa，因此，电容式差压变送器可用作泄漏检测系统的传感器[20].

泄漏定位系统的准确性往往要求次声波传感器高精度、高采集速率、抗干扰和较好的稳定性.本系统采用比选的智能型差压变送器，具有超强的抗干扰性能，电池供电使用时间长、精度高、稳定性好和可靠性强，可以检测、捕获到由泄漏产生造成的微小压力波动.

5.3 室内检验

为了明确输气管道次声波泄漏定位的可行性，对室内输气管道及城市燃气配输实验装置进行完善.实验温度为室温，管线为不锈钢材质，沿线共设有3个泄漏点，分别距起点差压传感器 5 m、6.82 m、7.68 m，泄漏点由连接头和球阀构成，通过打开球阀及开度来模拟泄漏发生及泄漏量的大小.

管道发生泄漏时捕获的信号如图24，小波变换后信号如图25所示.通过小波变换去噪、互相关算法处理后，时间差为 3.6 ms、9.6 ms、12.6 ms 时泄漏点位置分别为距离首端差压传感器 4.398 8 m、6.603 2 m、7.104 2 m 处，而实际泄漏点位置为距离首端差压传感器 5 m、6.82 m、7.68 m 处，表明泄漏定位准确、设计的泄漏定位系统可靠.

图24 管道发生泄漏时信号 图25 小波变换后信号

6 结论及建议

本文通过对中高压输气管道泄漏声场进行分析以及对检测系统的开发，得出以下结论：

1)泄漏时会产生不同频率的声波信号，频率越低的声波信号在传输过程中能量损失越少,传播越远，可作为管道发生泄漏时的检测特征信号，判断管道是否发生泄漏及泄漏定位.

2)在输气管道中，利用高精度的差压变送器能准确有效检测到管道泄漏产生的微小压力波动，自研的输气管道检测系统能显著地提高定位精度且具有准确性高、灵敏度高、成本低等优势，有较高的工程应用价值.

实际的输气管道运营环境与室内环境存在一定差距，且现场影响因素众多，建议输气管道检测系统在现场进行多位置检验以加强其实际应用效果.