王放 李正峰 姜波 詹一鳴 石陽

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403004

摘 要 以某天然氣管道機械閥門為研究對象，選取不同規(guī)格球閥，采用小波包方法對閥門的內(nèi)漏聲學(xué)信號實施能量分析，獲取天然氣管道機械閥門內(nèi)漏流場聲學(xué)信號特征值，并分析不同壓力下天然氣管道機械閥門內(nèi)漏流場聲學(xué)特性參數(shù)對內(nèi)漏流場的影響。結(jié)果表明：聲學(xué)特性相關(guān)參數(shù)（頻率峰值、均方根）均可作為天然氣管道機械閥門內(nèi)漏檢測指標(biāo)，實現(xiàn)天然氣管道機械閥門的內(nèi)漏檢測。

關(guān)鍵詞 天然氣管道 機械閥門 內(nèi)漏流場 聲學(xué)特性 小波包分析

中圖分類號 TQ055.8+1?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A?? 文章編號 0254?6094（2024）03?0348?07

Study on Acoustic Characteristics of Internal Leakage Flow Field of

Mechanical Valves in Natural Gas Pipelines

WANG Fang1， LI Zheng?feng2， JIANG Bo2， ZHAN Yi?ming2， SHI Yang2

（1. Tianjin LNG Emergency Reserve Project Department， Beijing Gas Group Co.， Ltd.;

2. Beijing Gas Group （Tianjin） LNG Co.， Ltd.）

Abstract?? Taking a mechanical valve in the natural gas pipeline as the object of research， the ball valves with different specifications were selected， and the wavelet packet method was used to analyze energy of the valves internal leakage acoustic signals so as to obtain internal leakage flow fields acoustic signal eigenvalues of the mechanical valve， including analyzing influence of the acoustic characteristics parameters of the mechanical valve at different pressures. The results show that， the parameters related to acoustic characteristics（peak frequency and root mean square） can be used as the internal leakage detection indicators to realize mechanical valves internal leakage detection.

Key words??? natural gas pipeline， mechanical valve， internal leakage flow field， acoustic characteristics， wavelet packet analysis

作者簡介：王放（1979-），高級工程師，從事天然氣管道建設(shè)與運營、LNG接收站建設(shè)與運營、數(shù)字化與智能化的研究工作，wfang1979@yeah.net。

引用本文：王放，李正峰，姜波，等.天然氣管道機械閥門內(nèi)漏流場聲學(xué)特性研究[J].化工機械，2024，51（3）：348-353;469.

機械閥門作為天然氣管道的核心部件，可控制天然氣管道內(nèi)部介質(zhì)的流向，保障天然氣管道安全運行[1]。當(dāng)機械閥門因腐蝕出現(xiàn)泄漏時，不僅會污染環(huán)境，而且可能會引發(fā)爆炸，嚴(yán)重危害人們的生命和財產(chǎn)安全[2～4]。機械閥門的內(nèi)漏原因比較隱蔽，極大地增加了機械閥門內(nèi)漏檢測難度[5]，因此，研究機械閥門的內(nèi)漏檢測方法，提高天然氣管道機械閥門內(nèi)漏檢測精度至關(guān)重要。

目前，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者已經(jīng)開展了天然氣管道機械閥門內(nèi)漏檢測研究。陳德錦等研究了天然氣管道聲固耦合效應(yīng)的聲振特性，該方法以聲固耦合為基礎(chǔ)，構(gòu)建管道數(shù)學(xué)模型，利用參數(shù)計算方法，得出管道閥門聲振模態(tài)圖，按照該模態(tài)圖可以得到閥門內(nèi)漏原因，但由于該方法計算復(fù)雜，導(dǎo)致其檢測效率較低[6]。張曼等研究了管道泄漏聲源特性，該方法構(gòu)建了一個聲學(xué)CA模型，通過耦合數(shù)值方法分析溫度對管道閥門聲源特性的影響，但因該模型適應(yīng)性低，導(dǎo)致研究結(jié)果不全面[7]。

聲學(xué)特性管道內(nèi)漏檢測方法是根據(jù)管道內(nèi)漏流場的噴流噪聲檢測內(nèi)漏位置的，目前已在實踐中取得了較好的應(yīng)用效果[8]。因此，筆者通過研究天然氣管道機械閥門內(nèi)漏流場聲學(xué)特性，為機械閥門內(nèi)漏檢測提供理論基礎(chǔ)，從而達(dá)到提高天然氣管道機械閥門內(nèi)漏檢測精度，保障天然氣管道安全運行的目的。

1 試驗對象及方法

1.1 試驗對象

選取某天然氣管線中3種尺寸的機械閥門（尺寸為7 mm×7 mm的DN 100型球閥閥門、尺寸為11 mm×11 mm的DN 200型球閥閥門、尺寸為

15 mm×15 mm的DN 300型球閥閥門）作為試驗對象，開展天然氣管道機械閥門內(nèi)漏流場聲學(xué)特性研究。該天然氣管線全長531 km，年輸氣量72億立方米，途經(jīng)15個縣區(qū)，共設(shè)有機械閥門6 526個。試驗對象所屬管線基本參數(shù)見表1。

1.2 試驗設(shè)備及流程

天然氣管道機械閥門內(nèi)漏流場聲學(xué)特性試驗設(shè)備包括機械閥檢測臺架與聲發(fā)射檢測系

統(tǒng)[9～11]。其中，機械閥檢測臺架具體設(shè)備及其性能參數(shù)列于表2，聲發(fā)射檢測系統(tǒng)設(shè)備及其性能指標(biāo)列于表3。

試驗流程為：將待測機械閥門固定在管道上并關(guān)閉閥門，同時與聲發(fā)射檢測系統(tǒng)相連，通過夾具固定機械閥門和聲發(fā)射傳感器[12，13]。經(jīng)減壓閥減壓后將氮氣輸入天然氣管道中，傳感器探針和天然氣管道壁觸碰，可檢測天然氣管道內(nèi)上下游噴流聲強，同時管道內(nèi)設(shè)置兩個待測點（圖1），通過分析待測點聲學(xué)特性檢測出天然氣管道機械閥門內(nèi)漏情況。此時，內(nèi)漏氣體流量通過流量計完成記錄，當(dāng)天然氣管道內(nèi)上下游壓力趨于穩(wěn)定時，天然氣管道機械閥門內(nèi)漏流場聲學(xué)信號可利用聲發(fā)射傳感器實現(xiàn)檢測。通過放大器放大內(nèi)漏流場聲學(xué)信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳輸至終端機，采用小波包分析[14，15]得出天然氣管道機械閥門內(nèi)漏流場聲學(xué)信號特征值。

在天然氣管道機械閥門內(nèi)漏流場聲學(xué)特性試驗中，初始化傳感器標(biāo)定后，設(shè)置E、F點為待測

點，用夾具固定E點并將下游管線的F點與聲發(fā)射傳感器相連。在機械閥門上游施加不同壓力（3、6、9 MPa），下游放空。在不同壓力下調(diào)節(jié)機械閥門進(jìn)行內(nèi)漏模擬，每隔1 min記錄機械閥門壓力、聲發(fā)射傳感器時域信息，當(dāng)壓力表顯示30 kPa時結(jié)束測試。采用氣體狀態(tài)公式求解機械閥門內(nèi)漏流量后，通過分析提取聲學(xué)信號特征參數(shù)和內(nèi)漏流量間的關(guān)系，得出試驗結(jié)果。

1.3 機械閥門內(nèi)漏流場聲發(fā)射檢測原理

機械閥門內(nèi)漏流場會產(chǎn)生聲學(xué)信號，通過選取聲學(xué)信號的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)（如泄漏孔隙、公稱直徑、均方根、功率譜密度、聲功率和頻率峰值）作為評價標(biāo)準(zhǔn)，提取檢測信號中可表示機械閥門內(nèi)漏特征的信息，從而提高天然氣管道機械閥門內(nèi)漏檢測效率。

選取聲學(xué)信號均方根作為評價標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)聲學(xué)信號內(nèi)存在M個樣本，即y[0]、y[1]、…、y[m-1]，則均方根E計算式如下：

E=

y[m-1]

×（1/M）（1）

聲學(xué)信號的功率譜密度Q[k]也可表示天然氣管道機械閥門內(nèi)漏特征，其計算式為：

Q[k]=（H/M）×|Y[k]|

=（H/M）×

y[m-1]exp-2π

k （2）

其中，H為采樣周期;Y[k]為聲學(xué)信號的離散傅里葉變換;k為聲學(xué)信號數(shù)量，0≤k≤M-1。

機械閥門內(nèi)漏流場聲學(xué)信號的聲功率P與泄漏信號平均能量近似相等，其表達(dá)式如下：

P∝E（3）

內(nèi)漏率O指數(shù)和均方根指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，其關(guān)系式為：

lg E=d+blg O（4）

其中，b、d為系數(shù)。

頻率峰值P表達(dá)式為：

P=max[Y[k]]（5）

2 試驗及結(jié)果分析

2.1 聲學(xué)特征參數(shù)和內(nèi)漏信號關(guān)系

為了提高天然氣管道機械閥門內(nèi)漏檢測精度，利用小波包方法對檢測聲學(xué)信號實施降噪處理，機械閥門內(nèi)漏流場聲學(xué)信號處理過程如圖2所示。

分析圖2可知，采用小波包方法對檢測聲學(xué)信號實施降噪處理后，可去除多余環(huán)境噪聲，保留有價值的信號，為機械閥門內(nèi)漏檢測奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

對降噪處理后的機械閥門內(nèi)漏流場聲學(xué)信號實施三層小波包分解，即將頻率為120 kHz的信號劃分為4個頻帶（分別為[3，1]、[3，2]、[3，6]、[3，7]），結(jié)果如圖3所示。

針對聲學(xué)信號功率譜密度在不同頻帶下的分布情況，在不同壓力下利用小波包實施能量分析，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，天然氣管道機械閥門內(nèi)漏流場聲學(xué)信號能量主要集中在頻帶[3，2]和[3，6]中，即30～90 kHz之間，其中頻帶[3，6]的內(nèi)漏信號最強。

2.2 聲學(xué)特征參數(shù)和內(nèi)漏流場流量關(guān)系

在不同壓力（3、6、9 MPa）下，3種口徑機械閥門在[3，6]頻帶中聲學(xué)特征參數(shù)變化曲線如圖5～7所示。

分析圖5～7可知，在壓力作用下，不同尺寸球閥閥門的聲學(xué)特征參數(shù)（頻率峰值、均方根）均與天然氣管道機械閥門內(nèi)漏流場流量成正比;當(dāng)內(nèi)漏流場流量上升時，閥門的聲學(xué)特征參數(shù)也隨之上升，壓力越大，閥門的聲學(xué)特征參數(shù)隨內(nèi)漏流場流量增加的變化越明顯;這說明聲學(xué)特征參數(shù)——頻率峰值、均方根可作為天然氣管道機械閥門內(nèi)漏檢測指標(biāo)。

2.3 機械閥門泄漏孔隙對機械閥門內(nèi)漏影響

在3種尺寸的機械球閥閥門密封圈上劃出不同尺寸的小口，泄漏孔隙橫截面積依次為DN 300球閥閥門>DN 200球閥閥門>DN 100球閥閥門。將機械球閥閥門重新安裝在天然氣管道上實

壓力測試，得出不同機械閥門泄漏孔隙與內(nèi)漏流場流量關(guān)系曲線如圖8所示?？梢钥闯觯?dāng)壓力一定時，泄漏孔隙越大，則泄漏流場流量越大;當(dāng)泄漏孔隙最大時，隨著壓力升高，機械閥門內(nèi)漏流場流量線性增大，天然氣管道內(nèi)漏流場流量最高達(dá)到32 L/min。

3種閥門在不同壓力下的能量變化曲線如圖9所示。可以看出，當(dāng)天然氣管道壓力升高時，能量呈上升趨勢且有輕微波動;當(dāng)壓力一定時，泄漏孔隙越大，則能量越高。

2.4 公稱直徑的聲音特性分析

設(shè)置進(jìn)口壓力3 MPa，測試3種天然氣管道球閥在不同開度下，下游管道同一待測點上，閥門

流量關(guān)系曲線

開啟高度對內(nèi)漏聲音強度的影響如圖10所?？梢钥闯?，3種閥門的開啟高度-內(nèi)漏聲音強度曲線大體趨勢相同，均呈現(xiàn)先升高再下降最后趨于平穩(wěn)的趨勢;當(dāng)開啟高度一定時，公稱直徑和內(nèi)漏聲音強度成反比關(guān)系，當(dāng)開啟高度為4.2 mm時，DN 300閥門的內(nèi)漏聲音強度最低，僅為11 dB。

3 結(jié)論

3.1 天然氣管道機械閥門內(nèi)漏流場聲學(xué)信號能量主要集中在頻帶[3，2]和[3，6]，即30～90 kHz之間，其中[3，6]頻帶的內(nèi)漏信號強度最強。

3.2 在相同壓力下，對于不同規(guī)格的球閥閥門，其聲學(xué)特征參數(shù)（頻率峰值、均方根）均與天然氣管道機械閥門內(nèi)漏流場流量成正比，其中，均方根是最優(yōu)秀的檢測機械閥門內(nèi)漏流場聲學(xué)特性參數(shù)的指標(biāo)。

3.3 泄漏孔隙尺寸與機械內(nèi)漏流場流量、能量均成正比。

3.4 在開啟高度相同時，公稱直徑和內(nèi)漏聲音強度成反比。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李鳳，王文和，游赟，等.天然氣管道泄漏的聲-壓耦合識別方法[J].應(yīng)用聲學(xué)，2020，39（3）：402-408.

[2] 謝輝，戈禧蕓，劉建，等.不同規(guī)格節(jié)流孔板的節(jié)流和聲學(xué)特性[J].東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，41（4）：587-593.

[3] 鮑懷謙，張冬鳴，張重，等.往復(fù)制冷壓縮機氣缸內(nèi)流場特性分析研究[J].流體機械，2020，48（7）：22-26.

[4] 王磊，胡志強，柯珂，等.極地冷海淺層天然氣水合物地層聲學(xué)特性模擬實驗研究[J].中國海上油氣，2022，34（4）：218-224.

[5] 張生樂，賈曉丹，夏苑，等.通海管路排出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化對聲學(xué)特性的影響分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2020，42（13）：54-58.

[6] 陳德錦，嚴(yán)謹(jǐn)，羅楊陽，等.考慮聲固耦合效應(yīng)的輸流管道聲振特性分析[J].中國艦船研究，2021，16（3）：137-143;151.

[7] 張曼，張立申，王隨林，等.供熱管道泄漏流場/聲源特性及其變化規(guī)律[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2021，40（3）：312-318.

[8] 張鵬，姚正學(xué)，劉思銘.雙彎頭天然氣管道流固耦合振動特性分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2022，22（1）：115-122.

[9] 霍施宇，楊嘉豐，鄧云華，等.排氣道鈦合金環(huán)形聲襯聲學(xué)特性試驗[J].航空動力學(xué)報，2020，35（2）：272-279.

[10] 孟德遠(yuǎn)，陳飛，張海運，等.壓力無關(guān)型風(fēng)量控制閥流場特性分析[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2019，39（12）：1246-1251.

[11] 王剛，趙啟揚，周子翔，等.針?biāo)ㄊ介y門姿控系統(tǒng)內(nèi)流場特性仿真研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2021，54（2）：166-172.

[12] 康倬華，賀巖松，徐中明，等.兩腔型雙模式車用消聲器流場及聲學(xué)特性分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2019，42（8）：22-29.

[13] 朱亮.基于聲發(fā)射特征參數(shù)的閥門內(nèi)漏神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2019，45（4）：39-42.

[14] 馮安安，岳建海，鄭義，等.思維進(jìn)化算法優(yōu)化小波包去噪仿真分析[J].計算機仿真，2020，37（7）：285-290.

[15] 王杰，李愛蓉.小波包分析識別氣液固三相流流型[J].石油化工，2020，49（1）：62-69.

（收稿日期：2022-12-15，修回日期：2024-04-29）