黎思杰，王文和，2*，易图云，李 想，易 俊
(1．重庆科技学院安全工程学院，重庆 401331；
2．重庆市安全生产科学研究院，重庆 401331；
3．中国石油西南油气田公司重庆气矿，重庆 400021)
据统计，2019年1月到8月我国由于泄漏造成的中毒爆炸事故达20余起，死亡人数达50余人，其中与油气管道泄漏相关的事故为4起，死亡人数共10余人，事故起数及死亡人数占比都接近20%左右。因此，加强油气管道泄漏的检测，是有效减少油气管道泄漏事故的根本手段。处理好油气管道泄漏问题不仅可减少能源浪费，同时也是保证油气运输安全性的重要工作。
目前国内外学者对管道泄漏检测方法及泄漏信号处理方法的研究颇多，在管道泄漏检测方法中，负压波检测法是应用最为普遍的方法，声波检测法是技术最为成熟的方法。其中，负压波检测法主要是应用瞬态的负压波信号对管道泄漏进行检测，其要求实时性，但无法对正在泄漏的管道进行检测，也无法持续地反映管道的泄漏状态，且误报率高，阀门的开关及泵的启停等都可能造成误报；
声波检测法灵敏度高、定位精度高、环境适应性好，已成为目前国内外学者研究的重点。如Kim等提出了一种用于埋地燃气分配管道中定位泄漏的时频技术，说明泄漏噪声信号是与脉冲信号相关的泄漏；
Liu等研究了油气管道泄漏的声波信号检测与定位方法，建立了一套从声波信号中提取泄漏特征的去噪系统，验证结果表明该管道的泄漏声波信号检测与定位方法具有较高的检测灵敏度和定位精度；
邢志祥等采用改进后的CEEMD算法对泄漏声波信号进行提取，降低了管道多点泄漏定位的平均误差;李凤等提出了一种天然气管道泄漏的声-压耦合识别方法，通过判别泄漏噪声与压力降是否同时出现，以及相关函数值与阈值大小的对比，来判别管道泄漏是否发生及其大小。基于声波检测法为基础的衍生方法层出不穷，如声波幅值定位技术，基于声压交互识别泄漏检测技术等。
但是上述方法在研究时均是以架空管道进行的模拟实验，并未考虑外界环境为土壤的情况，为了将这些方法更好地应用于城市燃气埋地管道泄漏的检测，本文考虑对燃气管道进行架空和覆土，在同一工况条件下开展了埋地燃气管道泄漏声波产生的特性实验和时频域分析，研究了土壤环境对埋地燃气管道泄漏声波信号的影响。
管道泄漏声波产生的理论研究内容，主要是研究流体与固体和流体与流体间相互作用的发声机理。这个声学机理过程主要涉及气动声学，当流动速度的时空变化十分剧烈时，流体本身则成为声源辐射噪声，其质量守恒方程与动量守恒方程式是流体基本的运动方程：
(1)
(2)
式中：P
为张量，分量为P
=ρυ
υ
+Pδ
(i
,j
=1,2,3)。从基本运动方程出发，最终得到lighthill波动方程：
(3)
Ffowcs Williams等运用广义函数法将lighthill推广理论结果用来解决运动物体在流体中的发声问题，得到了Ffowcs Williams & Hawkings(FW-H)方程：
从孔子“礼”的发生机制来看，礼必须具有能指导主体实践的功能。前文提到，孔子之“礼”是在周礼实践基础上之改造再实践。礼的核心内容包含了对人伦关系的规定。孔子强调，仁是礼的核心内涵，所以礼的内容主要着眼于仁的约制规范和实践。孔子主要从以下两个方面进行对于礼的规制的：其一是处于特殊的身份、地位的道德实践主体拥有不同的道德实践义务与原则，其一是作为一般普遍意义上而言的道德实践主体又必须必须具有共同的行为准则。
(4)
FW-H方程包含了流场中所有的声源影响，等号右边的第一项为表面加速度引起的单极子声源；
第二项为表面脉动压力引起的偶极子声源，第三项为流体流动所产生的四极子声源。在气动声学中，单极子声源只存在于气流速度低时的不稳定状态，偶极子声源需要气流速度较高遇到物体而形成，四极子声源产生于高速度的湍流气流中。
埋地燃气管道流动量大，流体主要处于紊流状态，管壁附近的层流可忽略。刘翠伟等对管道泄漏做了理想化假设，忽略了管道内的复杂流动，通过仿真模拟得到了输气管道泄漏声波产生的原因为气体可压缩性和不稳定流动等因素造成的湍流脉动诱导产生的声源波动。根据lighthill理论与FW-H方程，可以认为埋地燃气管道泄漏产生的声源由单极子声源、偶极子声源和四极子声源组成。其中，四极子声源由管道泄漏孔处气体喷流造成的湍流脉动形成；
偶极子声源由可压缩气体介质与管壁、阀门、泄漏孔壁、土壤等的气-固耦合作用形成；
单极子声源由管道泄漏发生时固壁破裂导致的流体位移分布形成。
声波的性质可以归纳为压缩和膨胀交替的波，Biot建立了通过弹性多孔介质渗透的黏性可压缩流体中波传播和衰减的宏观模型，认为波能的耗散主要归因于由孔隙流体相对于固体骨网的相对运动。Biot多孔弹性理论的主要发现之一是在含流体的多孔介质中可能存在3种类型的弹性波：一种剪切波和两种膨胀波(声波)。当固相与液相的位移同相时，一种称为Biot快波的膨胀波传播速度会更快；
当固体与流体异相移动时，另一种称为Biot慢波的膨胀波传播速度会变慢。在存在耗散没有彻体力的情况下，多孔介质的运动方程为
(5)
(6)
ω
)与波数(k
)间的色散方程为
(7)
其中,D
、D
、D
系数为
D
=Q
-PR
。对其求解,可得：
(8)
由于波衰减随距离而减少,所以只有两解，分别对应两种不同的膨胀运动，即Biot快波和Biot慢波。Lo等采用数值模拟研究了土壤质地对Biot快波和Biot慢波的影响，结果发现：Biot快波的相位速度与激励频率无关，其衰减系数与激励频率的平方直接相关；
Biot慢波的相位速度、衰减系数与激励频率的平方根成正比关系。
从以上分析可知：当土壤孔隙率及含水率为一定时，激励频率越大，衰减系数越大，从而膨胀波在土壤介质中低频信号的衰减系数更低，传播得更远。
3.1 实验平台搭建
埋地燃气管道泄漏检测实验平台的三维模型如图1所示。实验管架的管材选择无缝管道，管道型号为φ
48 mm×4 mm；实验介质为保德静音空气压缩机提供的压缩空气，实验介质流向为经加压后的压缩空气依次经过干燥、过滤后经过缓冲罐、球阀等进入主管道；
实验平台的管道总长度为29.2 m，实验管段长度为11.2 m，实验管段主管道埋于土壤槽内，土壤覆土厚度为0.4 m，模拟城市埋地燃气管道实际情况，且满足《城镇燃气设计规范》(GB 50028—2006)(2020年版)对埋深的要求；
管道泄漏设置在实验管段中心，泄漏口连接阀门控制其启闭模拟管道泄漏工况的发生；
分别在泄漏口前后设有压力传感器(P1、P2)和流量计测量压力和流量，压力表设置在实验管道首末及泄漏口处，可检测其压力变化；
在泄漏口外部装有动态声波传感器，用于检测管道泄漏时的噪声特性。
图1 埋地燃气管道泄漏检测实验平台的三维模型Fig.1 3D model of pipeline leakage detection experimental platform
选用的压力传感器为百事得DPI704型远传传感器，其量程为0～1.6 MPa，测量精度为0.75‰，输出为4～20 mA，M20x1.5接头，响应频率为600 Hz;选用的声波传感器为北京软岛时代科技的RS-2A型动态传感器，其量程为181 dB，最高采用频率为400 kHz，测量精度为2%FS。采用自制的管道缺陷检测及气体泄漏监测SCADA软件系统与NI Labview编写的数据采集程序，共同构成本次实验的数据采集系统。
3.2 实验流程
在城市埋地燃气管道中高压管道来气进入城市配气站，在没有工业的情况下，通常会经过滤调压计量加臭后变成中压进入城市埋地燃气管网供下游燃气用户使用，所以本次实验对城市埋地燃气管道压力选取中压管道B、中压管道A的临界值与次高压管道B的中间值及临界值，分别为0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa，为了避免误差，每个压力工况下进行5组重复性实验。根据地下燃气管道埋设的最小覆土厚度，声波传感器设置在泄漏口处(A处)和泄漏口上方0.3 m处(A处)。为了保证土壤含水率及孔隙率一定，则在每次实验前对土壤进行浇水及压实，并通过环刀法测量土壤含水率及孔隙度，将土壤含水率控制在在10%～15%，土壤孔隙率控制在40%～45%。本实验开展了架空管道、埋地管道在同一工况下的噪声研究。实验过程中，先使用压缩机对整个管道进行充压，达到一定压力时，再开启采集程序和泄漏口，记录整个管道的泄漏过程，声波采集采用动态传感器，采样频率为20 kHz。本实验先是在架空管道上进行实验，然后对管道覆土后进行相同工况的实验，声波检测点位置保持不变。
4.1 时域分析
将架空管道加压到运行工况压力后，打开泄漏口，采集管道泄漏口处的声波信号变化，得到不同压力下架空管道A处和A处声波信号的检测结果，见图2。
图2 不同压力下架空管道泄漏的声波信号Fig.2 Sound signal of the overhead pipe leakage under different pressures
由图2可见：架空管道泄漏口上方0.3 m处(A处)检测到的声波信号比泄漏口处(A处)小了几百倍，这是由于声波在A处与A处间的传播介质为空气，空气的声衰减系数比经典值大几十倍、几百倍；
当架空管道的运行压力从0.2 MPa增大为0.4 MPa时，A处与A处检测到的声波信号明显增大，其中A处增大的倍率比A处增大的倍率要大得多；
当架空管道的运行压力继续增大到0.6 MPa、0.8 MPa时，A处与A处检测到的声波信号增大的幅度逐渐变小。
对架空管道覆土并加压到运行工况压力后，打开泄漏口，采集管道泄漏口处的声波信号变化，得到不同压力下埋地管道泄漏口处(A处)和泄漏口上方0.3 m处(A处)声波信号的检测结果，见图3。
由图3可见，随着运行压力的升高，埋地管道泄漏口处(A处)与泄漏口上方0.3 m处(A处)检测到的声波信号都明显增大，其中A处增大的倍率相对较大，A处增大的倍率要小得多。
图3 不同压力下埋地管道泄漏的声波信号Fig.3 Buried pipeline leakage acoustic signals under different pressures
对以上实验结果提取不同压力下管道泄漏声波信号的相对声压最大值，并绘制相对声压最大值-压力变化曲线，见图4。
由图4可见：在管道压力一定的情况下，覆土条件会降低A处声波信号的相对声压最大值，会增大A处声波信号的相对声压最大值；
随着压力等级的增大，A、A处声波信号的相对声压最大值均有一定程度的增大，因此在高压下更易于检测管道泄漏；
在覆土后管道运行压力为0.6～0.8 MPa下，相对声压最大值增大更加明显。
图4 不同压力下管道泄漏声波信号的相对声压最大值Fig.4 Maximum relative sound pressure of leakage acoustic signal under different pressures
通过对比上述实验结果可以发现，土壤环境对A处检测到的声波信号有一定的削弱，且压力越大其削弱程度越明显，而且当土壤成为外界环境介质时，A处检测到的声波信号增大明显。这是由于土壤为三相非连续弹性媒介，声衰减系数比空气小得多，接收到的管道泄漏口产生的声波信号高；
同时，当管道泄漏发生时，从管道泄漏口喷出的射流与土壤接触产生新的声源的缘故，且在进行覆土后，A处与A处检测到的声波信号随着运行压力的增大，其增长的幅度也逐步升高。
4.2 频域分析
对管道泄漏口处(A处)和泄漏口上方0.3 m处(A处)的环境背景噪声进行采集，并利用快速傅里叶变换对其与管道泄漏的声波信号进行频域分析，得到管道泄漏环境背景噪声的频谱以及不同压力下架空管道和埋地管道泄漏声波信号的频谱，见图5、图6和图7。
图5 管道泄漏环境背景噪声的频谱Fig.5 Spectrum of environmental noise
图6 不同压力下架空管道泄漏声波信号的频谱Fig.6 Spectrum of acoustic signals from overhead pipeline leakage under different pressures
图7 不同压力下埋地管道泄漏声波信号的频谱Fig.7 Spectrum of buried pipeline leakage acoustic signal under different pressures
由图5、图6和图7可以看出：
(1) A处与A处的环境背景噪声的频谱几乎一致，主要频率都集中在0～1 kHz。
(2) 当管道开始泄漏后，在A处不同压力下架空管道泄漏声波信号的频谱特性几乎一致，主要频率为5～9 kHz，且随着管道运行压力的增大，在频率为8 kHz左右的幅值增长得十分明显；
在A处整个架空管道泄漏后的频率分布较广，能量分布均匀，但随着管道运行压力的增大，频率为5～10 kHz相对于频率为0～5 kHz的幅值更大,在A处检测到的管道泄漏声波信号，高频段的频率幅值更高；
然而A处的幅值比A处的小得多。
(3) 当管道开始泄漏后，在A处不同压力下埋地管道泄漏声波信号的频谱特性也是几乎一致的，主要频率为3～10 kHz，且整个主导频段都随着管道运行压力的增大而增大，其中4 kHz左右和8 kHz左右为整个频段的两个幅值最高点；
在A处不同压力下埋地管道的频谱特性也与A处一致。
通过对比架空管道与埋地管道泄漏声波信号的频谱特性可以发现：在8 kHz左右的幅值高点，土壤环境使其幅值降低，可以理解为土壤环境使管道泄漏产生的主导声波信号的频率有明显的削弱，这是由于频率越高声音越刺耳，幅值越大音量越大，这也解释了在实验过程中同一压力下，覆土后听到的管道泄漏声明显变小，同时也没有那么刺耳的原因；
在频率为3～6 kHz，覆土后的管道泄漏产生的声波信号幅值明显增大，且在此频段中以4 kHz为主导频率，此频段频率随着管道运行压力的升高而升高，这是由管道泄漏出的气体射流与土壤接触产生的声源而导致的频段。覆土后，A处检测到整个分布频率的幅值相对于覆土前都增大了近10多倍；
2～6 kHz间的主导频率更偏为3 kHz，6～9 kHz间的主导频率依然是8 kHz左右，而无覆土时管道泄漏声波信号的频谱特性几乎一致。
4.3 讨论
管道架空时气体可压缩性及不稳定流动等因素造成的湍流脉动诱导产生的声源波动为泄漏频带的主导频段；
覆土后当管道运行压力为0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa时管道泄漏出的气体射流与土壤接触产生的声源为泄漏频带的主导频率；
当管道运行压力提升至0.8 MPa时，气体可压缩性及不稳定流动等因素造成的湍流脉动诱导产生的声源波动成为整个泄漏频带的主导频段，详细参数见表1。
表1 主导频率详细参数Table 1 Detail parameters of dominant frequency
管道泄漏时产生的气动噪声存在特定的频率带，其主导频率的音色为泄漏特有声音，是辨识管道泄漏噪声与环境背景噪声的依据。管道覆土后，管道泄漏声波信号的频谱特性发生了改变，以气体射流与土壤接触所形成的声源的低频频段成为了主导频段，且在管道覆土后,由于声波在土壤介质中的衰减系数远远小于空气中的衰减系数，就使得A处的幅值增大数倍。管道泄漏声波信号的频率越低，波长越长，衍射能力就越强，被吸收的可能性就越低，所以管道泄漏声波信号的频率越低传播得就更远。覆土后管道泄漏所产生的新声源的频率段比之前的频率段低，此频率段的衰减系数低，所以在同一位置检测的幅值大。在目前的现场管道泄漏检测中，由于技术及二次施工难的问题，加之许多新兴技术都还未投入使用，大多的管道泄漏检测是凭管道泄漏口处上下游流量的变化来判断管道泄漏口位于哪一区段，并通过巡管凭气味定位进行整段开挖。当管道泄漏量较小时，大多是第二天再请维修人员进行补管处理;当管道泄漏量较大时，就会停止这一管段当天的供气。这样不仅浪费人力物力，且工程量大、危险性高，还会影响附近居民的生活。通过本次研究的结果，可以在埋地燃气管道人工巡管时携带声波检测器，通过声波检测器从路面上对低频声波信号进行采集，从而更精确地对埋地燃气管道泄漏口进行定位，低频段声波信号越强则越接近于泄漏处。
本文通过管道泄漏声波产生的特性实验和时频域分析，开展了土壤环境对燃气管道泄漏声波的影响研究，得到的结论如下：
(1) 土壤环境对管道泄漏声波信号有明显的削弱作用，鉴于声波在土壤介质中的衰减系数低，管道泄漏的声波信号可以在土壤传播过程中被检测到。
(2) 管道泄漏口喷出的气体射流与土壤接触产生新的声源主要以3～6 kHz频率段的声波信号为主。土壤环境会影响管道泄漏声波信号的频谱特性，使管道泄漏产生的高频段主导频率的幅值降低；
泄漏气体的射流与土壤接触所产生的声源以低频段为主导频率，当管道运行压力为0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa时此主导频率则成为整个泄漏频率分布的主导频率，当管道运行压力为0.8 MPa时整个泄漏频率分布的主导频段还是以气体可压缩性及不稳定流动等因素造成的湍流脉动诱导产生的声源波动的主导频率为主;同时土壤介质会使管道泄漏声波信号在传播过程中，低频段衰减慢，从而使其频谱特性的主导频率在土壤传播过程中造成偏移。
本文的研究结果有利于将目前的声波检测技术应用于埋地燃气管道中，使目前的管道声波检测技术更加完善，也可为城镇埋地燃气管道泄漏的人工巡检提供参考，并可增加定位的准确性且减少开挖工作量。
猜你喜欢 声源燃气管覆土 虚拟声源定位的等效源近场声全息算法舰船科学技术(2022年11期)2022-07-15一种基于麦克风阵列用于分离单极子和偶极子声源的方法航空学报(2022年2期)2022-03-29市政燃气管网设计和施工中的问题与对策砖瓦世界·下半月(2020年11期)2020-12-08室内声音导航系统发明与创新·中学生(2019年1期)2019-03-23城市燃气管道第三方破坏成因分析及预防措施居业(2018年5期)2018-10-24燃气管网安全管理体系研究科学与财富(2016年36期)2017-07-09蚯蚓堆肥在双孢蘑菇覆土中的应用试验江苏农业科学(2016年11期)2017-03-21不同覆盖物对水稻钵苗育秧出苗率及秧苗素质的影响江苏农业科学(2016年7期)2016-10-20食用菌覆土栽培的利与弊现代园艺(2016年17期)2016-10-17生活垃圾填埋场N2O释放研究进展湖北农业科学(2014年1期)2014-03-22