天然气管道泄漏次声波泄漏定位系统

文/赵志勇

基于天然气长输管道泄漏的空气动力噪声，建立了中高压环境下不同泄漏孔径下管道泄漏噪声的物理模型，研究了泄漏过程中流体的流动特性。研究发现，长距离天然气管道泄漏时，会产生不同频率的声波，不同频率的声波具有不同的绕障能力，使得声波的传播存在较大的差异，频率越低，衰减越弱，传播距离越远。并通过对高精度差压传感器的比选，实现了次声检漏系统的研制，为天然气长距离管道输送中的泄漏检测提供了一种有效的方法。

0.引言

天然气成为环境污染最小、安全的洁净燃料，在世界各地获得广泛的使用。但是，由于天然气长途运输管线大多位于地广人稀的偏远地区，如中国已形成了西气东输、川气东送、欧亚、中缅和中国同俄罗斯的联邦东线等各种燃气长输管线。管道在运营中，由于运营期限的加长会出现燃气泄漏事件，主要因素有：第三方设备损坏、锈蚀、施工问题、材料故障、地灾等。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。

1.长距离管道输送基本特征

论文内容以昆明市的实际燃气管道为主要研究对象：管线外径为二百二十毫米，管道内设计水压为六点三MPa，管线材料为L415螺线缝埋弧焊机器人管材和直缝埋弧焊机器人管材。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。因输送的天然气介质黏性较小，且在高速流体下黏性力等于惯性力，故可作设:若管道内压强为局部恒定、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。根据实际的天然气管道基础数据和假设，数值模拟研究时的几何模拟管线外径为二百二十毫米，管壁厚为五毫米，实际管道直径为六十毫米，而泄漏洞则设在管线中部的正上方，因此网格分析时采取了All-Quality方法，泄漏孔处加密处理，管道流体域网格尺寸为2毫米。对泄漏孔处加密处理，网格厚度达到了零点零一毫米。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

为及时准确计量泄露口侧的流场参数，对泄露口侧实行网格加密，同时开展了网格无关性测试，两个网格的结果见表1给出。

表1 模型参数

2.2 参数设置

数值计算中稳态采用的k-ε 模式，k-ε 模式是由Launder和Spalding所给出的双方程模型，是目前最简洁的完整湍流模式，是目前进行工程上流场求解的最主要方法。模型的特征是适用范围广泛、经济而且有着合理的精确度，是零点五经验的。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。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。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。输气管道的泄漏过程为一种非定常流动现象，在计算流程中，将模拟时量化步长设定为零点零零一s，时间行走步数设定为一百步，每十步完成数据记录，模拟时为零点一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，经研究发现，在泄露孔进口处流体速度相对于在管道内的流体速度显然加快，同时由于在泄露孔入口处的流体速度的矢量改变，流体方向也趋于紊乱。当流体进入漏孔后，流体方向逐步趋于一致，并顺着漏孔轴向方向逐渐流入漏孔出口。再顺着漏孔轴向方向流体速度逐步上升，在出口处到达峰值。

2.3.2 不同管道压力。分析特定泄漏孔径在不同管线的运行压力下泄露时泄漏口处理过程发生变化，分析结果表明，当主管道压力与流速的改变并不显著，但泄露口处压强和流速急剧改变时，由于管线压力的增加，管线泄露口处的速度变化越烈。

3.中高压输气管道泄漏时声源特性分析

由Lighthill波动方程可知，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。在气体喷射的一瞬间，因为管内部空气速率大不相同，使二股空气瞬间混在一起，在边界层形成由湍流产生的强大湍流噪音；一部分的强大湍流噪音则产生在喷注气体自身，因为喷注的气体自身因速率过大，就会形成巨大的涡流而产生强烈湍流;有一部分的强湍流噪声来自泄漏口周围产生的强流速梯度区。但总体上，声源区包含了两个部分：泄漏口喷注区与泄漏口周围区域，以及管道内区域的噪声传导部分，泄露时产生的声源噪声类似气动噪声。目前估计气动噪音的主要模式有三类:FW-H模式、宽频噪音模式(Broadband Noise Source Model)及直接测量气动声学模型(Computation Aeroacoustics简称CAA模式)。FW-H声学模型是用面积分算泄漏区域的噪声，采用的是时域积分的方式，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。

通过分析不难发现：1）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，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。

4.中高压输气管道次声波泄漏定位系统

4.1 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。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。

4.2 泄漏检测系统组成。在管首末两端放置次声波感应器进行收集信息，对管线进行现场监控，并将两端感应器收集的信息进行传递给软件，由此完成了输气管道的泄漏监测。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。目前常用的差压变送器探头类型有很多，如自动圈型、驻极体型、电容器式等，其中电容型传感器灵敏度范围为8~30mV/Pa，而次声波声音泄漏检测系列传感器要求的灵敏度则为10~50mV/Pa，所以，电容型差压变送器也可以作为声音泄漏监测系列的传感器。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。本系列均采用高比选的智能型差压变送器，并拥有卓越的抗干扰性能，电池供电时间长、精度高、稳定性好和可靠性强，甚至可以检测、捕获到由泄漏产生造成的微小压力波动。

4.3 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。试验温度为室温，管道为不锈钢材料，沿线共设置三个泄露点，分别距起点的差压传感器为5m、6.82m、7.68m，泄露点主要由接线头和球阀组成，利用打开的球阀大小及开度来模拟泄露发生时间和泄漏量的大小。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4.3988 m、6.6032 m、7.1042 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。

5.结论及建议

1)泄漏会形成不同频段的声音信息，频段越低的声音信息在传播过程中能量损失越小，传递更远，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。

引用出处

[1]许诺，邵倩倩，王晓琪，等.长距离输气管道泄漏监测技术研究综述[J].山东化工，2021，50(14):101-103.

[2]刘翠伟，李玉星，王武昌，等.输气管道声波法泄漏检测技术的理论与实验研究[J].声学学报，2013，38(3):372-381.