气液混输管道段塞流泄漏声波产生机理研究

方丽萍， 殷布泽， 孟令雅， 李玉星， 刘翠伟， 薛 源

(1.中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院 山东省油气储运安全重点实验室，山东 青岛 266580；2.北部湾大学 石油与化工学院，广西 钦州 535011)

近几十年来，随着海洋钻井勘探技术的进步，海洋石油开采得到迅猛发展，而早期建设的海底管道已相继达到使用寿命。在陆上油气田勘探开发的中后期以及海上油气田的开发过程中，油气混输是最常用的油气输送方式。油气混输管道已作为主要运输方式覆盖了渤海、南海东西部大部分水域和东海部分水域。油气混输管道的泄漏检测与监测问题一直是油气混输管道安全运行管理技术发展的瓶颈。

当前的泄漏检测方法中，适用于气液混输管道的有分布式光纤法、负压波法和声波法、声发射等[1-2]。而负压波法误报率高，光纤法成本高，因此声波法有较大的应用前景。近十几年来，学者们相继研究声波法在多相流管道泄漏检测的应用。2010年，中国石油大学(华东)的郝点团队确定声波法可用在气液两相管道的泄漏检测中，并对气液两相流管道的振动和噪声进行了测试[3-6]。2018年以来，纪健等[7-10]设计了试验装置，对声波法在气液混输管道中的应用进行了可行性研究及初步的信号时频分析。以上研究均集中在泄漏检测方法信号处理及特征分析。在声波产生的机理方面，刘翠伟等[11-15]基于CFD(computation fluid dynamics)对输气管道气体流经阀门的气动噪声进行模拟与分析，基于气动声学理论及涡声理论对输气管道泄漏声波产生的机理进行了细致的研究。纪健等[16]对多相流管道泄漏开启进行了流场模拟，得到分层流、波浪流、段塞流3种流型下泄漏阀门开启过程中湍流强度的变化。现有的研究未对气液混输管道泄漏声波产生的机理进行系统研究，而多相流管道流动复杂，特别是段塞流型下管道内压力波动大，泄漏声波产生机理的研究制约着声波法在气液管道泄漏检测在气液混输管道中应用的发展，也是声波法气液混输管道泄漏检测的重点与难点。因此需对段塞流流型下气液混输管道泄漏声波信号产生的机理进行系统研究，为推动声波法泄漏检测技术提供更坚实的理论基础。

对气液混输管道段塞流泄漏声波产生机理的研究从以下4个方面展开。首先基于Fluent建立泄漏阀门的几何模型，利用动网格技术模拟泄漏发生的瞬间，得到泄漏发生前、泄漏发生瞬间及泄漏发生后的全部过程；然后基于流体声学基础及涡声理论，分析泄漏阀门打开过程中流体的速度场及涡量场，结合速度场与涡量场分析泄漏阀门打开过程的声压信号；最后将试验采集的声波信号与模拟信号进行类比，得到泄漏过程声波产生的机理，并对声波幅值波动的影响因素进行敏感性分析。

1 气液管道泄漏声波信号的试验获取

1.1 试验装置

依托中国石油大学(华东)学科创新平台搭建气液混输环道，实现管道泄漏声波信号的采集，环道流程如图1所示。环道总长60 m，内径为40 mm，壁厚4 mm，包括稳定段、观察段、测试段及回流段。稳定段长度为2 m以保证流型充分发展；观察段为1 m的有机玻璃管。测试段全长17.95 m，在沿线布置压力、温度传感器及声波传感器。考虑试验操作的安全性，环道用空气代替天然气，用水代替石油。压缩空气由螺杆压缩机提供，压缩机排出压力为3×105～8×105Pa，排量为5.8 m3/min。压缩后的空气经过冷干机与过滤器后进入缓冲罐以稳定气体压力。水由立式离心泵提供，泵的扬程与流量分别为8.2 m与8 m3/h。气液混合前分别进行计量，液体流量计选用涡轮流量计，测量范围为2～20 m3/h；气体流量选用热式气体流量计，满度流量为60 Nm3/h，精度为2.5级，最高压力1.6 MPa。泄漏点布置在测试段中，在管道中安装连接球阀的支管，在球阀顶端设置带有泄漏孔的孔板，通过打开球阀模拟管道泄漏。管道压力、流量等常规数据由中央控制数据监控系统采集，声波信号选用美国PCB 106B压电型动态压力传感器，通过NI 9234采集卡，利用Labview编制采集程序进行采集。

获取泄漏声波信号的核心元件为动态压力传感器，它的工作原理如下：当管道压力稳定时，传感器的受力隔膜受力平衡，此时电压输出为0；当管道压力有变化时，因管线压力扰动使受力隔膜变形，此时传感器内部的石英晶体内部极化产生符号相反的电荷，产生电压值。随着管道压力扰动增大，受力隔膜变形增大，当电压增大到幅值时，电荷开始释放电流信号，电荷电量逐渐减小。由上可知，动态压力传感器输出的是管道压力的变化量，而不是压力本身。

图1 气液混输环道流程图Fig.1 Gas-liquid two-phase pipeline detection test loop

1.2 试验操作及工况

气液混输管道泄漏试验操作步骤如下。检查装置流程及气密性后，在环道中通入压缩空气，对装置进行吹扫。然后，开启泵，打开水入口阀门，打开混合器，让水与压缩空气混合后进入环道。在观察段观察流型，当流型稳定时，开始泄漏测试并记录数据。数据采集过程步骤如下：①打开保存数据按钮，采集约1 kB数据后，打开泄漏阀并记录时间；②保持泄漏阀打开状态，待信号稳定后，关闭泄漏阀并记录时间；③待信号及流型恢复稳定后，重复步骤①和步骤②。

为了模拟管道突发泄漏的工况，阀门开启采用"快开"球阀形式，经测试，球阀开启时间在10-1s量级上。根据Mandhane水平管道流型图，本次试验工况如表1。

表1 试验工况

以液体流量5 m3/h，气体流量12.5 m3/h，管径为42 mm的气液混输管道为例，泄漏点位于管道上部，泄漏孔径为8 mm，声波传感器位于泄漏点上游1 m处，该工况典型的泄漏声波信号如图2所示。在采样点数为17 000时，管道泄漏模拟装置打开，此时出现一个瞬时声波，表现为一个明显向下的脉冲。此后，泄漏阀仍然打开，泄漏瞬时声源转化为持续声源，信号表现为随气、液流动呈周期性脉动的声波脉冲。

图2 气液混输管道泄漏声波信号Fig.2 Gas-liquid two-phase pipeline slug flow Leakage signal

2 气液混输管道泄漏仿真分析

工程上，气液混输管道泄漏声波信号的产生分为两个阶段：一是声源从无到有，再到基本稳定的过程；二是持续、基本稳定发声的过程。实际上，在气液两相流管道稳定流动的过程中，流体内部本身的湍流及气液相间的相互作用、流体流动与固体边界发生相对运动均产生流动噪声。管道泄漏是一个瞬时完成的过程，因此，为研究气液混输管道泄漏的完整过程，在Fluent中建立泄漏阀门的几何模型，通过瞬态计算模拟段塞流型，待流形稳定后，利用动网格技术模拟泄漏发生的瞬间，进而得到泄漏发生前、泄漏发生瞬间及泄漏发生后的全部过程。

2.1 仿真模型的建立

根据声波法泄漏检测技术的工作原理，建立气液两相流管道泄漏仿真模拟模型，如图3所示。模型由管道及泄漏支管组成，管道内径为0.04 m，泄漏支管内径为0.02 m。主干全长为15 m，泄漏支管到球阀中心距离0.04 m，几何原点位于管道中心线与泄漏支管中心线的交界处，泄漏球阀位于泄漏支管管段，球阀中心与泄漏孔口中心均位于泄漏支管中心线上，球阀中心距原点0.06 m，泄漏孔口距原点0.1 m，泄漏孔径为0.009 m，泄漏孔口外部空间设置0.5 m×0.5 m的空气区域。根据流体声学理论，图3的仿真模型中，阀门开启过程模拟实际泄漏管壁破口过程，此过程产生单极子声源；阀门、孔板及管壁等静止的固体边界作用模拟实际泄漏时产生的偶极子声源；泄漏喷射过程的流体模拟实际泄漏时产生的四极子声源。由于单极子声源的强度与刚性表面的水平运动速度有关，不论是实际泄漏时管壁的破口过程还是仿真模拟中的阀门运动，其刚性表面的水平运动速度均可忽略，因此只考虑气液混输管道泄漏时产生的偶极子声源和四极子声源。根据偶极子声源和四极子的概念，定义声波发射源为壁面和阀门内部流体，取接收点坐标分别为：(-1，0)，(0，0)及(1，0)(单位m)。

2.2 仿真模型的可靠性分析

图3中泄漏球阀打开模拟泄漏发生，泄漏孔口直径代表泄漏孔径。段塞流型下气液混输管道泄漏的具体实现方式如下：泄漏阀门关闭，设定入口的气、液流速，让气液混输管道正常运行，气、液介质形成段塞在管道内向前流动。待段塞流流型稳定后，某一时刻将泄漏支管上的泄漏球阀打开，流体从泄漏孔口喷射而出，泄漏发生。其中，阀门的动态开启过程可通过Fluent仿真的动网格和UDF描述，考虑泄漏产生的瞬时性及仿真的可行性，仿真模拟的开阀过程时间为0.1 s。以上过程可模拟泄漏发生前、泄漏发生瞬间及泄漏发生后的全部过程。

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

仿真模型中，管内介质为可压缩理想空气与水。空气与水分别从主管道左端的两个入口管道中流入，空气入口管道与水入口管道内径均为0.04 m，夹角为45°，空气入口管道在上方，水入口管道在下方。空气入口流速为5 m/s，水入口流速为1 m/s，管道出口压力为5 kPa(表压)，空气区域边界设为大气压力出口。选用VOF多相流模型，相间作用力采用表面张力模型，空气-水表面系数为0.073 N/m。湍流模型采用RNGk-ε模型，声学模型采用FW-H模型，壁面粗糙度取0.000 5 m，仿真时间为1.2 s，阀门在0.2 s时开启，求解方法为SIMPLEC算法，离散格式为二阶迎风，仿真时间步长取2×10-5，求解精度为1×10-5。模拟仿真得到的声波如图4。类比图2与图4可知，仿真模拟得到的泄漏声波信号与实际传感器采集到的声波信号具有相似的幅值变化趋势。但由于模拟工况较为理想，且为了稳定形成段塞流型，管道设定了出口压力。而实际试验中，管道出口压力为常压，进出口压降仅为几十帕，因此试验信号与模拟信号的幅值有较大的出入。但两者幅值变化的趋势相同，对声波产生机理的分析无影响。

图4 模拟得到的泄漏声波信号Fig.4 Simulated leak-acoustic signal

2.3 段塞流气液混输仿真流场分析

泄漏前后液体体积分数分布如图5。浅灰表示水的体积分数为100%(即液塞)，深灰表示水的体积分数为0%(即气塞)。根据图5可以描述泄漏阀打开前、打开瞬间及打开后管道中液体与气体的流动情况。根据Powell提出的湍流涡声理论[17]，低马赫数条件下，等熵绝热流体产生的流体动力场和辐射声场的基本且唯一的源是涡，如式(1)。因此，有必要分析气液混输管道段塞流泄漏前、后的管道流场，如图6所示。

(1)

式中：c0为流体当地声速，可取远场的常值声速，m/s；p为流场静压，Pa；ω=∇×u为涡量，u为速度矢量。

由图5、图6，分析气液混输管道泄漏阀门开启过程的流场特点如下：

(1)阀门未开启时，阀门前管道泄漏分支管中的气体被管道中的气液混合流体压缩后又流入管道下游，因此在阀门前的分支管段内形成涡旋。此时泄漏阀门前管壁处涡量很小，仅为1×102数量级。

图5 泄漏前后液体体积分数Fig.5 Water-fraction before and after leakage

(2)阀门开启瞬间，一部分气体在压差的作用下首先通过阀门流出管道，由于阀门的阻力作用，泄漏支管中阀门前管壁处的涡旋增强至1×103数量级；一部分气体在泄漏孔板处被阻挡，在泄漏支管的阀门内及阀门后均形成强烈涡旋。由于气体流出管道的量小，液体无法克服重力进入泄漏支管，仍然在管道中流动。

(3)阀门开度45°时，气体逐渐通过阀门流出管道，并带动液体流入泄漏支管及阀门内部。由于泄漏孔板的阻挡作用及流出流体增多，阀门至泄漏孔板处区域的涡旋一直存在并逐渐增强，泄漏孔板处也出现强烈涡旋。

(4)阀门完全开启时，气体与少量液体通过阀门经泄漏孔板流出管道，泄漏阀前后流速均增大且趋于稳定。被泄漏阀分成前后两部分的涡场与阀门内的涡场渐渐合并，形成泄漏孔板至支管与主管道交界处稳定的涡旋，泄漏过程中泄漏支管处的涡旋一直稳定存在。

图6 阀门开启过程模拟流场(图6(a)～图6(d):速度；图6(e)～图6(h):涡量)Fig. 6 Flow field during valve opening

(5)在整个泄漏过程中，流体与主管壁处也存在涡旋。泄漏支管到泄漏孔板处的涡旋经历从弱至强再到趋于稳定的过程。

2.4 段塞流气液混输仿真泄漏声波信号

在可压缩流体的流动过程中，流体微团在切向扰动的作用下由于黏性作用形成涡，在法向扰动作用下压缩与膨胀形成声，涡与声在流体流动过程中具有能量的转换。因此，需要在流场分析的基础上，对泄漏全过程的声场进行分析。根据Lighthill的声拟理论与式(2)的FWH方程，固体边界与流体的相对运动与流体内部紊流均可引起辐射噪声。

(2)

(3)

(4)

式中，p′为远场声压(p′=p-p0)，Pa；ρ为当地密度，kg/m3；f是为便于利用广义函数理论和格林函数求解引入的数学曲面，f=0为源发射表面；ui为xi方向上的流体速度分量，m/s；un为垂直于f=0面的速度分量，m/s；vi为x向上表面速度分量，m/s；vn为垂直于表面的表面速度分量，m/s；δ(f)为Dirac函数；H(f)为Heaviside函数；δij为Kronecker符号，i=j时δij=1；ij时δij=0 。

式(2)等号右边的3项作为声源项[18]，分别为四极子声源、偶极子声源和单极子声源。没有自发声源时，等式右边各项均为0。当气液混输管道段塞流稳定流动时，由于流动流体与管壁一直存在相对运动，根据式(4)，流体与固体管壁之间的作用力一直存在，因此式(2)等号右边第1项与第2项一直存在。管道发生泄漏时，由于流体自泄漏口喷射而出，式(3)中的ρuiuj项增大，此时将出现明显的四极子声源脉动。同时，由于流体射流而产生强烈的涡流，加剧了流体与边界之间的作用力，式(4)中的pδij项有明显的波动，也将出现明显的偶极子声源脉动。

将Fluent预设接收点接收到的声源数据进行声学计算，以观测点(-1，0)为例，仿真模拟所得阀门开启前后声压及总压随时间变化情况如图7。

由图7可以看出气液混输管道段塞流泄漏前后声源发声过程，结合泄漏前后管道液体的体积分数，发声过程具体分析如下：

(1)气液混输管道中，泄漏阀打开前，四极子声源产生的声压在0值附近，泄漏阀打开后，四极子声源强度增大，在-0.03～0.03 Pa波动。原因为阀门开启过程中，由于气体的可压缩性，气体在阀门内腔及泄漏孔口处形成四极子声源脉动。泄漏持续发生时，随着泄漏孔口处介质周期性的变化，四极子声源出现周期性波动。泄漏孔口为气体时，气体产生紊流脉动导致四极子声源脉动；泄漏孔口为液体时，液体流动没有形成紊流脉动，四极子声源减弱。

图7 观测点(-1，0)声压与总压Fig.7 Acoustic and total pressure at point (-1，0)

(2)段塞流的气液混输管道中，泄漏发生前后偶极子声源一直存在，但泄漏后偶极子声源波动幅度增大，呈周期性波动。原因为偶极子声源由流固作用力产生，泄漏前发生前，阀门前气体与阀门存在耦合作用产生偶极子声源辐射音波。泄漏发生的时刻，气体通过阀门流出管外，导致管道压力突然下降，造成声压幅值也突然下降。泄漏发生后，液体通过阀门流出管道，液固耦合作用比气固耦合作用剧烈，与泄漏前相比，声波波动幅度增大。

(3)段塞流的气液混输管道中，泄漏产生的声波由四极子声源与偶极子声源叠加产生，且以偶极子声源为主。与偶极子声源相比，四极子声源产生的声波幅度很小，原因为气液间的相互作用以及气液与阀门面、孔板之间存在强烈的流固耦合作用，使流体与壁面的相互作用成为管道声波产生的主要因素。

(4)当气塞与液塞交替经过泄漏口时，偶极子与四极子叠加的声压幅值周期性脉动。原因为当泄漏支管处为气塞时，气体的流失导致管道压力突然下降，此时声压较低。液塞到达泄漏支管时，由于液塞运动的惯性，大部分液体继续向前流动，仅有小部分液体因相分离作用而从孔口流出，此时声压幅值升高。液塞离开泄漏支管时，气体由于可压缩性，在泄漏孔处膨胀而继续流出管外，声压降低。声压的幅值随着气塞与液塞的交替到达而波动。

(5)对比偶极子声源声压、总声压及观测点总压可以看到，观测点声压波动趋势与总压力波动趋势一致，因此可以通过测量流体压力波动的方式获得泄漏声源产生的声波波动。这与试验采集声波的动态压力传感器工作原理一致。

3 泄漏声波信号试验数据分析

对比图2和图7，对试验采集的声波信号分析如下：

(1)管道泄漏前，气液混输管道在充分发展的段塞流型下稳定流动，气、液界面的脉动及其与管壁间的作用力占主要因素，形成偶极子声源。液塞到达管道顶部时，液塞与管壁之间的作用力使段塞流管道声波信号出现向上的尖脉冲。

(2)管道泄漏瞬间，由于管内外压差，流体冲出管道造成压力下降，形成一个向下的声波脉冲。流体在孔口处形成四极子声源，流体在阀门壁形成强烈湍流形成偶极子声源，两个声源叠加，形成一个向下的脉冲声波。

(3)管道持续泄漏时，随着液塞周期性地到达泄漏支管，管道出现周期性的声波波动。当支管处为气体时，气体因压缩性喷出管外，此时为向下的声波脉冲。当支管处为液塞时，液体密度大，因其不可压缩性及流动的惯性，液塞继续向前流动堵住泄漏支管，气体停止泄漏，形成一个向上的脉冲。因气体喷出流速大，且液体与孔口及阀门壁的作用力，持续泄漏时向上脉冲的幅值远大于稳定流动的脉冲幅值。

3.1 声波信号时域特性分析

段塞流型下，气液混输管道泄漏前后声波幅值波动较大。采集多种工况下气液混输管道泄漏声波信号，得到不同气、液流量，不同泄漏孔径下的波动幅值，见表2。管道稳定流动时，声波波动幅值范围随气、液流量的增大而增大。管道有泄漏时，在气、液流量不变的情况下，持续泄漏声波幅值波动范围随泄漏孔径的增大而增大；孔径不变时，持续泄漏声波幅值波动范围随气液流量增大也呈增大趋势。泄漏孔径，气、液流速是段塞流型下气液混输管道声波波动的主要影响因素。

3.2 泄漏声波信号的频率特性分析

将图2信号切割成3部分，第一部分为无泄漏信号；第二部分为泄漏开始信号；第三部分为持续泄漏信号。利用快速傅里叶变换对其进行频谱分析，如图8。管道未泄漏时，信号主要频率成分集中在1 Hz以内，信号频谱幅值较低，低于泄漏后声波信号。段塞流管道发生泄漏时，在1～2 Hz处频谱幅值远大于无泄漏及持续泄漏工况；分析原因为管道正常流动时，声波频率主要与气液界面的周期性起伏有关，没有流体喷射等扰动，信号幅值小，频率低。泄漏发生瞬间，流体喷出管外，在泄漏阀及泄漏口处形成强烈涡旋，产生偶极子声源为主的瞬时声波信号，导致频谱幅值的突变，高频喷流噪声拉高了信号的频率。管道持续泄漏时，由于能量的损失，信号频率幅值稍有降低。

利用广义S变换对气液流量分别为1.5 和3 m3/h，5 m3/h和4 m3/h，7.5 m3/h和5 m3/h的段塞流泄漏声波信号做时-频分析，如图9。图9中：短划线代表较高的时-频幅值；短划线加点的虚线代表较低的时-频幅值。管道未发生泄漏时，气、液流量越低，声波信号的时-频幅值越小。泄漏时，信号低频部分幅值有较明显的突变，且在泄漏持续过程中幅值不会恢复到泄漏前水平。气液流量越低，泄漏时刻幅值突变的频率范围越宽。信号的高频部分几乎没有变化。

图8 泄漏声波信号频谱图Fig.8 Frequency spectrum of leak-acoustic wave

表2 不同工况下泄漏声波波动幅值

图9 泄漏声波信号时-频图Fig.9 Time-frequency of leak-acoustic

4 结 论

通过对段塞流型下气液混输管道泄漏声波信号的模拟与试验分析，得到以下结论：

(1)气液混输管道发生泄漏时，流体在阀门内腔及泄漏孔口形成四极子声源脉动，且声源脉动随泄漏孔口处介质变化呈周期性变化。泄漏孔口气体为主时，四极子声源脉动增强，泄漏孔口液体为主时，四极子声源脉动减弱。

(2)泄漏发生前后，偶极子声源一直存在，泄漏后偶极子声源波动幅度增大。管道泄漏声源以偶极子声源为主，且当气塞与液塞交替经过泄漏口时，泄漏声源的声压幅值随气、液塞交替周期呈周期性脉动。

(3)测点声波为泄漏引起的声压波动而非传统意义的声波本身。气液混输管道泄漏声压与总压波动趋势一致，可通过测量流体压力波动的方式获得泄漏声源产生的声波波动。

(4)对试验采集到的声波进行了研究和分析，管道泄漏瞬间，由于管内外压差，流体冲出管道造成压力下降，形成一个向下的声波脉冲。管道持续泄漏时，随着液塞周期性地到达泄漏支管，管道出现周期性的声波波动。当支管处为气体时，气体因压缩性喷出管外，此时为向下的声波脉冲。当支管处为液塞时，液体密度大，因其不可压缩性及流动的惯性，液塞继续向前流动堵住泄漏支管，气体停止泄漏，形成一个向上的脉冲。

(5)管道稳定流动时，声波波动幅值范围随气、液流量的增大而增大。管道持续泄漏时，在气、液流量不变的情况下，声波幅值波动范围随泄漏孔径的增大而增大；孔径不变时，声波幅值波动范围随气液流量增大也呈增大趋势。泄漏孔径，气、液流量是段塞流型下气液混输管道声波波动的主要影响因素。

(6)管道未泄漏时，信号频谱幅值较低，信号主要频率成分小于1 Hz，低于泄漏后声波信号。段塞流管道发生泄漏时，信号1～2 Hz的低频部分幅值有较明显的突变，频谱幅值远大于无泄漏及持续泄漏工况，且在泄漏持续过程中幅值不会恢复到泄漏前水平。气液流量越低，泄漏时刻幅值突变的频率范围越宽。

(7)由于管道中含有气、液两相，气泡、气塞对声波的传播过程影响非常复杂。因此下一步研究工作需对气液混输管道泄漏声波在流体中传播的规律进行细致的研究，为基于声波的气液管道泄漏检测技术提供理论支持。文中得到的结论也需在更多的段塞流工况中进行进一步验证。