天然气管道泄漏声场特性研究.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 1年第3 9卷第2期 ●专题研究 天然气管道泄漏声场特性研 究 徐晴晴 张来斌 梁 伟 中国石油大学 北京机械与储运工程学院 摘要 根据莱特希尔理论可确定天然气管道泄漏处声源为四极子声源，用声强方程和莱特希 尔气动力声方程 ，推导出天然气管道泄漏喷流噪声强度 与喷流速度 间的关系式。用 Ma t l a b软件对 天然气管道泄漏声场进行数值模拟，分析 了天然气管道泄漏时的声场分布及 声压级。结果表 明， ． 管道 内声波形成驻波且整体声压都很大，管道外为四极子声源所产生的声场 ，声波 的辐射和衰减 较快；随着泄漏孔直径 D和管内运行压力P 。的增大，声场声压 P和声压级 Ls 也增大。该项研 究 为天然气管道泄漏的进一步研究提供 了理论基础。 关键词 天然气 管道泄漏 气体喷流 泄漏声场 声压级 0 引 言 管道在使用过程 中由于腐蚀 、磨损 以及第三方 破坏等因素 ，会造成管道 内流体 的泄漏。天然气管 道可以用声波检测法进行泄漏检测 ，该方法基于物 体间的相互碰撞均会产生振动形成声波的原理 ，开 发出泄漏检测 系统⋯ 。天然气管道泄漏是 复杂的 气体喷流过程 ，研究 喷流 噪声 的声源 ，并对 天 然气管道泄漏声场进行数值模 拟，分析声场特性 ， 可以为天然气管道泄漏声波检测提供理论基础。 1 泄漏声场理论研 究 1 ． 1 泄漏 声场最 大声 压推 导 天然气管道泄漏可视为喷流过程 ，伴随喷流噪 声的产生 ，设流体密度为 P ，速度矩为 ，时间为 t ，压力为P，泄漏过程中满足理想流体微小声波的 3个基本方程 运 动方程 、连续性 方程 和状 态方 程 ，由此可得到理想流体 中小振幅波传播二维波动 方程为 J 一， 2 2 一 c 一c 0 1 a ‘ a x ‘ a y ‘ 天然气管道泄漏产生湍流噪声过程 ，可用莱特 希尔气动力声方程表示。莱特希尔将湍流所产生的 空气动力流看作是淹没在静止的均匀介质 中的雷诺 应力 ，即四极子声源的辐射 。湍流喷注噪声的声功 率与喷注速度的 8次方成正 比，与喷注直径的平方 成正 比，则湍流噪声的功率为_ 4 ] W K D p 0 U S ／ c 2 式中K 莱特希尔常数 ，实验值约为 31 0 一； D 泄漏孔直径 ，n l ； P 0 介质密度 ，k g ／ m ； ， 一泄漏速度 ，m ／ s ； c 0 声速 ，取 3 4 0 m／ s 。 将泄漏管道孑 L 看作直径均匀小孔 ，可将波阵面 看作球面波 ，球面波的声强为 n 2 I 3 Z po C O 则泄漏的声功率为 W I S 霄 r 2 4 Z po C o 式 中p 最大声压 ，P a ； r 球半径 ，I n 。 由式 2 和式 4得 到管道泄漏时声场最 大声压为 层 2 2P m ㈣ √ √ ■ 一 } 基金项 目国家 “ 8 6 3 ” 计划项 目 “ 基于双扭环机制 的输油管线泄漏诊断 的新装置与方法研究 ” 2 0 0 8 A A 0 6 Z 2 0 9 ；北京市教 育委员 会共建项 目 “ 天然气 主管线泄漏诊断系统研究 ” 。 2 0 1 1 年 第3 9卷 第2期 徐晴晴等天然气管道泄漏声场特性研究 一 1 3一 式中“ 最大泄漏速度 ，m ／ s ； 马赫数。 1 ． 2泄漏声场声源的确定 管道外，泄漏声场视为四极子声源的辐射 ，由 此可得到管道外泄漏声压为 ． 2 2 c o s 0 s i n O e x p J ￡ _ k rP P J 6 √ 一 一 式中 泄漏声场与轴线所成角度 ， 。 ； e x p j t o t k r 简谐波因数 ； 固有频率 ，Hz ； ．]} 波数 。 管道 内，形成喷流后 ，声波在管中传播 ，经过 管壁反射 ，不但有正向声波 ，还有负向声波 ，结果 是这些声 波的总和。如果这些 反射波在声源处 同 相 ，则振动加强，在管中形成驻波 。因此管道内泄 漏声压为 2 2 ∞ 卜 k rP P J √ 了一既 卜 x s i n t o t s i n k r 7 2 泄漏声场模 拟 用 Ma t l a b中软件偏微分工具箱 建立天然气 管 道泄漏声场模拟模型，对模型进行二维偏微分方程 求解 ，得到天然气管道泄漏声场分布 。 图 1为管道气体泄漏声场模拟的计算 区域及边 界条件示意图，计算区域为 1 4 0 m m 2 4 0 mm的矩 形区域，实线表示壁面的全反射边界 ，虚线表示远 离截流口处 的吸收边界。在泄漏孔处施加 四极子声 源 ，声源强度可 由流场模拟结果计算获得 J 。 三萎 图 1 管 道 泄 漏模 拟 计 算 区域 由式 1 可知 ，建立 的求解方程类型为双 曲 型方程 一’ d 一 V c V M 0 M厂 8 o 6 在 Ma fl a b偏微分工具箱 中，无反射边界条件 用广义诺伊曼边界条件 r ／, c V q ug，全反 射边界条件用狄利克里边界条件 h u r 。 根据上述方法 ，用 Ma t l a b编制数值模 拟程序 ， 建立仿真模型 ，对天然气管道泄漏声场进行数值模 拟。图2为天然气管道泄漏声场数值模拟结果。 6 0 4 0 2 0 0 20 40 60 图 2泄漏孔直径 4 m m，管内运行 压力 0 ． 6 M P a 时管道泄漏声压声场图 由图可以看出 ，天然气管道泄漏声场 中，在管 道外 ，喷流声压在泄漏孔附近达到最大值 ，并 向四 周辐射传播 ，随着距泄漏孔距离的增加 ，声压值减 小。在管道 内，声波经过管壁反射 ，形成驻波，叠 加很剧烈 ，整体声压都很大。管道内声波的辐射和 衰减比管道外的要微弱，因此 ，声波在管道内传播 比较 复 杂 。 3 结果 分析 3 ． 1 不同泄漏孔直径泄漏声场分析 对不同泄漏孑 L 直径 D下 的管道外声场进行仿 真计算。表 1为管道泄漏孔处声场的仿真计算声压 P ，并通过声压级公式得到管道泄漏孔处的声压级 S e t 。 表 1 不同泄漏孔直径下 的声压 p和声压级 |s 图 3为当管道 内部压力为 0 ． 4 MP a ，出 口压力 为 0 ． 1 MP a 时 ，不 同泄漏孔直径下，管道外泄漏孔 中心线上泄漏声压 P分布图。 ＼ 。 一 一一⋯ D 2mm 。 - 、 一 。 O 4 3 m m m m ． 。 ． D 5I nm ． f 、 ． ． ～一 ～ 中心线位置／ mm 图 3 管 内运行压力 0 ． 4 MP a ，泄漏 孔 中心线上泄漏声压p 分布图 ■■网 一一 O 8 6 4 2 B d ＼ 坦 设 石 油机械 2 0 1 1 年第3 9卷第 2期 由图可以看 出，天然气管道泄漏时，声压在泄 漏孔 中心线上 4 0 mm附近达到最大值，并且在 4 0 m m附近有 2个峰值 ，随着距泄漏孑 L 距离 的增加 ， 声压强度迅速衰减。通过对 比不同泄漏孔直径下声 压值还可 以看出，随着泄漏孔直径 D 的增大 ，声 场声压 P呈增大趋势 。 图4为不同泄漏孔直径下 ，管道泄漏孔中心线 上泄漏声压级 S 咒分布图。由图可 以看 出，天然气 管道泄漏时 ，声压级在泄漏孔 中心线上 4 0 m m附 近达到最大值 ，随着距泄漏孔距离的增加 ，声压级 值逐渐减小。 图4管内运行压 力 0 ． 4 MP a ，泄漏孔 中心线上泄漏声压级S 分布图 通过对比不同泄漏孔直径下声压级值还可以看 出，随着泄漏孔直径 D的增大 ，声场声压级 ．s 呈 增大趋势。 3 ． 2 不同管内运行压力泄漏声场分析 管道泄漏孔直径为 4 mm，管道内部压力分别 为 0 ． 4 、0 ． 5 、0 ． 6和 0 ． 7 MP a ，出 口压 力 为 0 ． 1 MP a 。根据 D4 m m 的管道泄漏声场数值模拟可 知 ，管内运行压力 P 直接影响着泄漏时的声压大 小。表 2为不同管内运行压力下 ，管道外泄漏孔处 声场的仿真计算声压P，并通过声压级公式得到管 道泄漏孔处的声压级 S 。 表 2 不同管 内运行压力下声压和声 压级 图5为管道泄漏孔直径为 4 m m，不同管内运行 压力下 ，管道外泄漏孔中心线上泄漏声压P分布图。 由图可以看 出，天然气管道泄漏 时，声压在泄漏孑 L 中心线上 4 0 m l n附近达到最大值，之后 出现波动现 象，随着距泄漏孔距离的增加 ，声压强度迅速衰减。 通过对 比不同管 内运行压力声压值还可以看出，随 着管内运行压力 P 的增大 ，声场声压 P呈增大趋 势，辐射出更强的湍流噪声。声压值受管 内运行压 力变化的影响比受泄漏孔直径变化的影响要大。 图 5 泄 漏孔 直径 4 mm． 泄 漏孔 中心线上 泄漏声却 分布 图 图6为不同管内运行压力下 ，管道泄漏孔 中心 线上泄漏声压级 S 分布图。由图可 以看出，天然 气管道泄漏时，声压级在泄漏孔 中心线上 4 0 m m 附近达到最大值 ，随着距泄漏孔距离的增加 ，声压 级值逐渐减小。通过对比不同管 内运行压力下声压 级值还可以看 出，随着 管 内运行 压力 P 的增大 ， 声场声压级 s 呈增大趋势。声压级受管 内运行压 力变化的影响没有受泄漏孔直径变化的影响大。 图 6 泄漏孔直径 4 m m，泄漏孔 中 心线上泄漏声压级s 分布图 4 结 论 1 根据莱特希尔理论确定天然气管道泄漏 处声源为四极子声源，用声强方程和莱特希尔气动 力声方程，推导出天然气管道泄漏喷流噪声强度与 喷流速度间的关系式。 2 在流场分析结果 的基础上 ，应用 M a t l a b 对天然气管道泄漏声场进行数值模拟，得到天然气 管道泄漏声压声场图，经分析 ，管道内声波形成驻 波且整体声压都很大，管道外为四极子声源所产生 的声场 ，声波的辐射和衰减较快。 3 随着泄漏孑 L 直径 D和管内运行压力 P 。 的 增大 ，声场声压 P和声压级 S 也增大。该项研究 为天然气管道泄漏的进一步研究提供了理论基础。 下转 第 2 6页 一 2 6一 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 2期 进行 了2 4 h 、1 5 0 c c高温调试试验。测试的部分数 行性能。 据如表 3所示。 表3系 统 持续 高 温 运 行 测 试的 部 分数 据 5 结束语 试验结果表明，该系统具有电动机转速 、电动 机温度 、驱动电压 、驱动电流、I G B T模块温度等 参数和状态的自动检测功能 ，且系统能够在 1 5 0 o C 高温环境下连续稳定可靠运行 ，具有良好的高温运 F E T液压泵驱动电动机在线监控系统集微型计 算机控制技术 、现场总线网络技术及现代传感器技 术于一体，很好地解决 了液压泵驱动电动机的在线 监测问题。系统可以在 1 5 0℃高温环境下可靠运 行 ，极大地提高 了 F E T关键设备 的检修效率 ，为 现场测井作业提供 了方便 。 参考文献 刘建新 ．地层测试 评价仪 F E T及其在 中国海域 的应 用 [ J ]．应用 地球 物理 英 文版 ，2 0 0 6 1 6 46 9 ． 张国强 ．地层测试 评价仪 F E T在渤海油 田的应 用 [ J ]．国外测井技术 ，2 0 0 9 5 3 3 3 5 ． 刘泽 祥 ．现场 总线 技术[ M]．北 京 机 械工 业 出 版社 ，2 0 0 5 1 0 5 4 ． 赵嘉蔚 ．单片机原理与接 口技术 [ J ]．北京 清华 大学 出版社 ，2 0 1 0 4 2 1 5 4 ． 吕俊芳．传感器接 口与检测仪器电路 [ J ]．北京 北京航 空航天 大学 出版社 ，1 9 9 4 8 72 5 4 ． 第一作者简介 李学哲 ，讲师 ，生于 1 9 7 6年 ，2 0 0 3年 毕业于北京交通大学 光机 电一体化 专业 ，获硕 士学位 ，现 从事教学与科研工作，研究方向为传感器测控及光机电一 体化 技 术 。地 址 0 6 5 2 0 1 河 北 省 三河 市 。电 话 0 1 0 61 59 61 6 9。 收稿 日期 2 0 1 0 0 81 4 本文编辑赵连禄 上接第 1 4页 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 李 玉星 ，彭 红伟 ，唐建 峰 ，等 ．天 然气长 输管道 泄 漏检 测 方 案 对 比 [ J ]．天 然 气 工 业 ，2 0 0 8 ，2 8 9 1 0 1 1 0 4 ． 李善春 ． 管道气体泄漏的声源与声发射信号特性研 究 [ D ]．大庆大庆石油学院，2 0 0 7 ． 许 肖梅 ．声学基础 [ M]．北 京科学 出版社 ， 20 0 5 8 81 5 6． 马大猷 ．现代声学理论基础 [ M]．北京科学出 版社 ，2 0 0 53 0 33 1 0 ． 彭芳 麟 ．数学 物 理 方法 的 MA T L A B解 法 与 可视 化 [ M]． 北京 清华大学 出版社 ，2 0 0 4 2 0 02 6 1 ． [ 6 ] 韩占忠，王 敬，兰小平 ． F l u e n t 流体工程仿真计 算实例与应用 [ M]．北京北京理工大学出版社， 2 0 0718 6． 第一作者简 介 徐晴 晴，女 ，生于 1 9 8 6年 ，在读硕 士 研 究生 ，研 究 方 向 为 天 然 气 管 道 泄 漏 诊 断 方 法。地 址 1 0 2 2 4 9北 京 市 昌 平 区。 E m a i l l i t t l e a n g e l 2 0 0 6 1 2 6 ．c o m。 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 2 2 本文编辑刘锋 ] J]j 1 j l 2 3 4 5 r r；rl