埋地天然氣管道泄漏振動信號傳播特性研究

李 俊 張家瑞 范斌斌 馬 天 王 振 翟小偉

(1.西安科技大學安全科學與工程學院 2.陜西省煤火災害防治重點實驗室 3.中石化安全工程研究院有限公司)

0 引 言

當今社會，化石能源仍在世界能源分布利用中占主導地位，天然氣作為其中的一種低碳能源，發揮著越來越重要的作用。隨著天然氣管道數量的增多和使用時間的延長，再加上天然氣管道在運行過程中也會受到外界復雜地理環境的影響，導致管道不可避免地出現了一些嚴重的問題，比如老化磨損、打孔盜油氣、管道占壓、地質災害等。這些都會對管道造成損傷，甚至發生泄漏事故。天然氣泄漏一般較為隱蔽，不易察覺，沒有液體泄漏那么明顯直觀。而且天然氣管道一旦發生泄漏事故，造成的危害不僅有巨大的經濟損失，更為嚴重的是由于天然氣易燃、易爆的特點會對當地人民群眾的生命構成威脅。

因此，對天然氣管道泄漏的監測顯得尤為重要。實時監測管道是否泄漏并對泄漏位置準確定位，可以有效保障天然氣管道的安全運行。現有的天然氣管道檢測技術主要有負壓波法、音波法、瞬態模型法[1-3]、光纖干涉環技術、偏振光時域反射技術、相位光時域反射技術和陣列式光纖光柵振動傳感技術[4-6]等。與地表管道泄漏不同，埋地管道泄漏監測和及時識別地下空間泄漏的難度更大。光纖監測法是近些年來研究的熱門，如采用分布式光纖測溫監測技術，天然氣泄漏會引起土壤溫度變化，傳感光纖通過監測管道附近溫度變化實現泄漏的識別，只有當光纖位于管道上方100 mm處才可以檢測到溫度變化，探測到氣體泄漏，而位于200 mm或更遠處的光纖則很難探測到土壤溫度的變化[7]。分布式光纖測溫技術對于小孔徑泄漏監測不到，并且溫度變化會在土壤迅速衰減，導致誤報率比較高，無法了解現場實際管道泄漏情況。另外，分布式光纖聲傳感技術[8]也可用于監測天然氣管道泄漏，通過監測空氣中天然氣管道泄漏引起的振動，達到對管道泄漏識別的目的。分布式聲傳感系統監測空氣中泄漏引起的音頻信號，在土壤中衰減大，不適合埋地管道泄漏監測。

當天然氣管道泄漏時，氣體沖擊管道周圍的土壤，產生土壤振動。通過對振動信號分析，可以有效地識別泄漏位置。氣體與泄漏孔壁之間的摩擦力會在管壁上激發應力波，使管道發生振動。同時，一些振動波會穿過土壤。筆者以多孔介質中聲傳播理論和加速度傳感器測振動技術為核心[9]，借助ABAQUS有限元數值模擬和現場試驗相結合的方法，建立真實的埋地天然氣管道泄漏模型，對埋地天然氣管道泄漏振動信號在土壤中的傳播特性進行系統研究；通過對埋地天然氣管道在不同泄漏壓力、不同泄漏孔徑產生的泄漏振動信號，在不同種類土壤中的傳播特性進行定量分析。了解天然氣管道泄漏振動信號在土壤中的傳播特性，可以確定泄漏信號在不同土壤類型和地形條件下的傳播距離、傳播速度等參數，從而更好地預測和評估泄漏事件的危險程度，采取相應措施保障人員和環境的安全；同時，研究泄漏振動信號傳播的路徑、衰減規律等，以期為天然氣管道泄漏檢測傳感器的敷設提供指導和建議，提高管道泄漏的檢測精度和靈敏度，減少誤報和漏報的情況，提高天然氣管道系統的安全性和可靠性。

1 理論模型

由于天然氣管道是埋入地下的，振動信號通過土壤傳遞到加速度傳感器，振動信號在通過土壤傳遞的過程中會造成信號的衰減，所以需要了解土壤特性對振動信號衰減的影響。

通過對天然氣泄漏荷載下振動隨距離衰減的規律進行試驗研究，測試了傳播距離為1 m中10個距離位置的信號幅值。分析了測試場地同一泄漏孔徑、不同泄漏壓力下，傳播不同距離信號幅值隨傳播距離的變化特征。近似認為天然氣泄漏載荷下的振動能量主要為瑞利波能量，并據此將實測結果與經典的彈性半空間瑞利波的分布規律進行對比[10]。

天然氣泄漏傳給土壤的能量由體波和瑞利波聯合傳播。將2種波迭加起來，可得距波源中心r處自由地面振幅為：

(1)

建立了以天然氣泄漏為振源的振動信號衰減公式，將式(1)的振幅改寫為加速度形式[11-12]：

(2)

與振動波源半徑有關的系數ξo如表1所示；與土壤種類有關的衰減系數βt，如表2所示[11-12]。

表1 系數ξoTable 1 Coefficient ξo

表2 土壤衰減系數βtTable 2 Soil attenuation coefficient βt

2 數值模型

通過ABAQUS軟件對天然氣管道泄漏進行仿真模擬，對式(2)進行驗證。首先，創建一個與現場試驗環境相似的二維模型，其參數為：密度1.5 g/cm3，彈性模型35 GPa，泊松比0.3，瑞利阻尼0.628 3；設置分析步、邊界條件和載荷與模型之間相互作用，通過模擬作業得到可視化結果。

在ABAQUS有限元分析中，土壤的本構仍選取彈性模型，土壤模型尺寸為1.0 m×1.5 m×0.5 m，使用ABAQUS內置的各向同性彈性模型，土壤阻尼為瑞利阻尼[13]。

土壤邊界效應會在一定的程度上影響振動信號傳播的響應結果，因為波在土壤中傳播，會在邊界反射或衍射[14]。因此，為了模擬實際情況，四周可以選取無限元；也可以擴大土壤的模型，使得土壤邊界條件對振動信號響應結果基本沒影響。在這種情況下，邊界條件設置為上、下均為完全固定。

劃分網格后即可以進行計算。同時，建設以11個點的集合，在可視化模塊觀測計算以11個點為集合的結果，可以得到每一個單元節點的加速度云圖。如果需要分析任意以單元節點的加速度，可以從結果中直接導出。

可視化模塊在有限元分析中也扮演著重要的角色，可在該模塊對分析結果的正確性進行初步判斷，導出合適的數據能增加基礎響應分析的工作效率。圖1所示為模擬泄漏壓力為1.5 、2.5 、3.5 MPa下，圓形泄漏孔徑2 mm，傳播方向正對泄漏口的有限元仿真結果加速度云圖。圖1中網格紅色部分是施加加速度載荷位置，模擬振動信號沿X軸傳播，即氣體泄漏方向，顏色越深加速度數值越小。

圖1 2 mm孔徑在不同壓力下可視化加速度云圖Fig.1 Visual acceleration nephogram for leakage at aperture of 2 mm and different pressures

通過ABAQUS仿真泄漏壓力為3.5 MPa，泄漏孔徑為2 mm，傳播方向正對泄漏口，振動信號在礫石、粗砂、黏土(干)、中砂和黏土(濕)中傳播特性，結果如圖2所示。圖2中，g為重力加速度。

由圖2可知，在施加相同載荷情況下，改變土壤密度，振動信號在土壤中傳播過程中衰減幅值也有所變化，即土壤密度變小，振動信號在土壤中傳播衰減幅值也減小，反之亦然。相比其他種類土壤，在濕黏土中振動信號傳播衰減幅值較小。

仿真同一土壤類型，泄漏壓力為3.5 MPa，泄漏孔孔徑分別為2、4及6 mm，傳播方向正對泄漏口，結果如圖3所示。

由圖3可知：天然氣管道泄漏在泄漏孔附近產生的瞬間加速度與泄漏孔徑大小呈正相關，與沿管道泄漏孔正對方向傳播距離呈負相關；不同泄漏孔徑振動信號在土壤中傳播規律一致，傳播距離到1 m后，振動信號峰值加速度值基本相同。

圖2 2 mm孔徑下振動信號在不同種類土壤傳播特性Fig.2 Propagation characteristics of vibration signals in different types of soils at a leakage aperture of 2 mm

3 現場試驗

試驗地點在中石化青島華山試驗基地，土壤類別為淤泥質黏土，系數ξo與土壤衰減系數βt分別取值為0.95、1.55×10-3s/m。用壓縮空氣模擬天然氣泄漏，試驗過程中分別模擬1.5、2.5及3.5 MPa泄漏壓力下天然氣泄漏振動。由于現場條件有限，僅測試了泄漏孔徑為2、4及6 mm，傳播方向正對泄漏口的情況。采用加速度傳感器采集模擬埋地管道氣體泄漏造成的土壤振動信號，分析信號特性。試驗測試設備為上海澄科MCC1608G的DAQ數據采集設備，IEPE加速度傳感器[15]，恒流適配器，50 m、220 V供電設施，筆記本計算機，加速度監控分析軟件一套。其中加速度傳感器型號為CT1010LC，此傳感器是將電荷放大電路集成內置在壓電傳感器內，采用二線制形式(導線屏蔽層為地，芯線是恒流電源入與信號輸出共用)，具有抗干擾好，使用方便，信噪比高等優點。為模擬集輸管道現場工況下泄漏振動信號特征，設計了集輸管道泄漏模擬試驗裝置，如圖4所示。裝置主要由壓縮空氣鋼瓶、儲氣罐、試驗管線組成。壓縮空氣鋼瓶用于提供試驗用壓縮空氣，儲氣鋼瓶設計壓力9.5 MPa、體積2 m3，試驗管線采用直徑200 mm鋼制管道。管線長度為5 m，埋地深度1 m，管線一端封閉一個長度為20 cm的密閉空腔，用于連接進氣氣路及模擬泄漏孔。

圖4 模擬埋地管道氣體泄漏過程試驗實物圖及結構圖Fig.4 Physical and structural diagrams for simulating gas leakage of buried gas pipeline

泄漏口直徑采用2、4和6 mm，泄漏方向正對泄漏口。泄漏壓力采用1.5、2.5、3.5 MPa來模擬不同泄漏壓力對土壤振動的影響。試驗過程中，不銹鋼管的口直接正對傳感器。圖5為打開閥門后，傳感器測量得到的泄漏信號時域圖。圖5展示了在10 kHz采樣頻率下，壓縮空氣鋼瓶的連續泄漏產生的振動信號。

圖5 典型的泄漏信號時域圖Fig.5 Time domain diagram of typical leakage signal

4 數據分析

通過現場采集泄漏時的振動信號，泄漏孔徑為2、4、6 mm，泄漏壓力為1.5、2.5、3.5 MPa，在泄漏點正對方向[16-17]布置點式加速度傳感器采集振動信號信號幅值，分別采集正對泄漏點0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9及1.0 m處的信號幅值。同時通過有限元分析，模擬現場試驗4種泄漏壓力下泄漏振動信號在土壤中的傳播情況，將有限元數據提取出來，以理論值作為參考。

當泄漏孔徑為2 mm，泄漏壓力分別為1.5、2.5、3.5 MPa時，有限元模擬振動信號傳播和現場振動信號在土壤中傳播時衰減特性基本符合(見圖6)，振動信號的衰減曲線符合式(2)的指數衰減。從圖6可以看出，泄漏壓力為1.5、2.5、3.5 MPa，圓形泄漏孔徑2 mm，振動信號在土壤中傳播0.5 m后信號幅值分別為0.06g、0.15g、0.22g，可知現場試驗振動信號幅值在0.5 m之前衰減幅值較大，傳播距離越遠，曲線越趨近于平滑。

圖6 孔徑2 mm泄漏孔在不同泄漏壓力下振動信號傳播曲線Fig.6 Vibration signal propagation curves for leakage at aperture of 2 mm and different pressures

孔徑為4、6 mm泄漏孔在不同泄漏壓力下振動信號傳播曲線如圖7、圖8所示。由圖7和圖8可知：當泄漏孔徑為4、6 mm時，在3種不同泄漏壓力下，有限元模擬和現場試驗數據曲線基本符合，與2 mm孔徑衰減特性一致；孔徑為4、6 mm時，振動信號在土壤中傳播0.5 m時，信號衰減幅值較大，振動信號在土壤中傳播1 m后，曲線同樣趨近于平滑。

圖7 孔徑4 mm泄漏孔在不同泄漏壓力下振動信號傳播曲線Fig.7 Vibration signal propagation curves for leakage at aperture of 4 mm and different pressures

圖8 孔徑6 mm泄漏孔在不同泄漏壓力下振動信號傳播曲線Fig.8 Vibration signal propagation curves for leakage at aperture of 6 mm and different pressures

不同泄漏壓力下振動信號傳播到同一距離處的信號幅值如圖9所示。由圖9可知：泄漏孔徑為2 mm時，泄漏壓力越大，振動信號在土壤中從0.1 m傳播到0.3 m時的衰減幅值越大；振動信號在傳播距離0.1～0.3 m之間能量損失比較嚴重。

圖9 不同泄漏壓力下振動信號傳播到同一距離處的信號幅值Fig.9 Amplitude of vibration signals propagating to a same distance at different leakage pressures

通過現場采集的不同泄漏壓力下的試驗數據得出如圖10所示的擬合曲線。擬合出的衰減公式為：

y=(1.373±0.010 01)×e-x/(0.186 95±0.002 02)+

(0.058 82±0.002 05)

(3)

圖10 擬合曲線及擬合殘差Fig.10 Fitting curve and fitting residual

推算出在泄漏孔徑為2 mm，泄漏壓力為1.5 MPa下，產生的泄漏信號傳播1 m左右時振動信號趨于穩定，而傳感器位置超過1 m或者更遠時很難檢測到振動信號。由圖10b可知，各點均勻分布在殘差為0的線上下方，呈現出近似正態分布的特點，符合正常擬合公式的特征。殘差的方差在各自的響應變量范圍內基本保持穩定，樣本數據擬合較好。

5 結 論

(1)天然氣管道泄漏瞬間產生明顯的振動波，有限元仿真與現場試驗結果符合較好。泄漏壓力不變時，泄漏口產生的振動信號幅值與泄漏孔徑的大小呈正相關，振動信號幅值在土壤中沿泄漏口正對方向傳播呈現指數衰減。

(2)同一孔徑，管道壓力越大，泄漏產生的振動信號幅值越大。不同泄漏壓力下振動信號在土壤中傳播，振動信號幅值在傳播了0.5 m之前衰減幅值較大。通過對比不同土壤質量密度下振動信號傳播特性得出，土壤質量密度變小，振動信號在土壤中傳播衰減幅值也減小，反之亦然。

(3)在沿埋地天然氣管道泄漏監測過程中，掌握泄漏氣體對土壤的壓力導致振動信號在土壤中的傳播特性，可為同類型埋地中振動信號檢測的傳感器敷設規劃提供參考。