输气管道声波法泄漏检测技术的实验

摘要：通过输气管道泄漏仿真及实验模型，对输气管道声波法泄漏检测技术的原理进行了研究。结果显示：输气管道泄漏时所产生的声波，主要来自于气体因泄漏而发生的不稳定流动所产生的偶极子和四极子声源。通过仿真模拟和实验研究，均可探得输气管道声波法泄漏检测技术的原理与方法，这为该技术的推广和应用提供了强大的理论支持，同时亦是其有力的可行性保证。最终得出了结论：输气管道声波法泄漏检测技术是一种方便、有效、灵敏度高的输气管道泄漏检测方法，值得推广。

关键词：输气管道；管道泄漏；声波法；检测技术；理论；实验

输气管道泄漏不但会给企业带来不小的经济损失，更可能引起巨大的安全事故，威胁到人们的生命安全，以及对自然环境造成较大的破坏和污染。所以，为了降低输气管道的泄漏风险，必须要进行有效的泄漏检测。目前常用的几种输气管道泄漏检测方法有：应用统计法、质量平衡法、负压波法、分布式光纤法、瞬态模型法以及本文所主要研究的声波法。与其他几种检测方法相比，声波法主要具有灵敏度高、适应性强、检测时间短、定位精度高、响应频率宽、检测范围广、误报率低等优点。国内外对于声波法的研究现已取得了诸多成果，而本文主要通过输气管道泄漏仿真及实验模型，对输气管道声波法泄漏检测技术的原理进行了研究。

1输气管道声波法泄漏检测技术的原理

若输气管道发生了泄漏，则其中的气体会从泄漏处喷出，而受管内外压差的影响，会产生压力及速度脉动，继而形成喷射四极子声源。与此同时，气体与管道中的各种固壁发生碰撞后，又会产生偶极子声源。当偶极子与四极子声源叠加到一起时，会形成一个声波波动信号，而输气管道声波法泄漏检测技术正是依靠检测这一声波而发现管道泄漏问题。

2输气管道声波法泄漏检测技术的仿真研究

(1)仿真模型的建立根据上述输气管道声波法泄漏检测技术的原理，建立仿真模型。该模型的主要组成部分为主干管道(长200cm)和支管(长100cm)，所有管径均为10cm，主干管道与支管中心线交界处为几何原点，球阀在支管管段上，内置孔板与原点相距50cm，孔径为0.1cm，孔板壁厚度为3cm。将输气管道泄漏时所产生的偶极子与四极子声源定义为声波产生面，取(100，0，0)的点作为声波接收点。在此模型下，输气管道泄漏通过球阀与内置孔板完成，其中球阀的主要作用是控制泄漏与否，内置孔板的主要作用则是控制泄漏孔的大小及形状。若管道处于正常运行状态，则阀门关闭，而当球阀突然打开时，原本正常流动的气体会从内置孔板中喷出，从而发生泄漏，并产生偶极子和四极子声源，被声波接收点接收到。在该仿真模型中，所使用的管道内气体可以是可压缩空气。各项参数为：仿真时间步0.00025s，仿真时间0.5s，阀门开启时间点为0.2s，总共开启用时0.1s。模拟边界条件为：入口边界的条件为压力入口，压力为12.9atm；主干出口边界的条件为压力出口，压力为12.6atm；支管出口边界的条件为压力出口，压力为1atm。(2)仿真模拟流场分析当阀门未开启时，分支管中的气体在阀门前被压缩，到一定压力后流出，在分直管段内形成涡旋；阀门开启瞬间，气体迅速流向分支管下游，部分被阻挡在泄漏孔板处，部位流出，阀门后及泄漏孔后均形成涡旋；阀门开启45°时，气体填充阀门内腔，涡旋消失，阀门后的涡旋则一直存在，压差减小；在阀门开启过程中，泄漏孔前压力随着阀门开度增大而增大，压差也随之增大，待阀门完全开启后，泄漏孔后的涡旋一直稳定存在；阀门开启过程中涡旋比未开启时明显减弱。

3输气管道声波法泄漏检测技术的实验研究

(1)实验管道的设计实验管道全长设计为251.5m，管道内径10mm，管壁厚度2mm，压力为6.4MPa，最高压力上限为8MPa，管道材料为不锈钢。(2)声波信号采集终端的设计起点声波传感器与终点声波传感器之间相距199.35m，两者之间设置有3个泄漏点，分别位于40.34m处、88.33m处及149.02m处。泄漏点由球阀和内置孔板的法兰组成。另外在高压环道的起点和终点处还设有压力、差压、流量、温度等变送器。泄漏孔径可随时根据实验需求更改。

4实验分析

在1.3MPa压力、0.1mm泄漏孔径下，开启阀门进行管道泄漏实验。在阀门开启瞬间，捕捉到一个14kPa左右的压力下降，与仿真研究对比可以发现，二者的压力波动类似，都具有一个大的下降沿。但是实验研究所得的下降沿更大，这主要是由于通过声波传感器所测得的压力波动不但包括了声压波动，还包括在泄漏过程中因其他能量损耗而产生的压降；另外仿真研究的模拟计算精度也具有一定的影响。结果得出：通过仿真模拟和实验研究，均可探得输气管道声波法泄漏检测技术的原理与方法。

5结语

本文通过输气管道泄漏仿真及实验模型，对输气管道声波法泄漏检测技术的原理进行了研究。通过仿真模拟和实验研究，均可探得输气管道声波法泄漏检测技术的原理与方法。综上所述，输气管道声波法泄漏检测技术是一种方便、有效、灵敏度高的输气管道泄漏检测方法，值得推广。

参考文献：

[1]刘翠伟，李雪洁，李玉星，刘光晓，钱昊铖，曹鹏飞.基于音波法的输气管道泄漏检测与定位[J].化工学报，2014,(11):4633-4642.

[2]刘翠伟，李玉星，王武昌，刘光晓.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,(03):372-381.

[3]刘翠伟，李玉星，王武昌，付俊涛，方丽萍.输气管道泄漏音波产生机理研究[J].振动与冲击，2013,(07):17-23.

作者：马超宇 单位：中油辽河工程有限公司