埋地對聚乙烯燃氣管道泄漏聲信號的影響分析

摘 要： 為探究埋地聚乙烯燃氣管道的管壁泄漏聲信號特性及土壤對泄漏聲信號的影響，對埋地管道泄漏聲的產生機理、泄漏氣體能量損耗規律和仿真得到的埋地管道泄漏流場分布進行研究，得出管壁泄漏聲信號的聲源構成及其隨土壤孔隙率的變化規律，并通過實驗采集分析不同情況下的管壁泄漏聲信號，驗證理論分析與仿真的結果。結果表明：埋地聚乙烯燃氣管道的管壁泄漏聲信號主要由泄漏氣體與土壤及管壁氣固耦合所產生的偶極子聲源主導；在土壤孔隙率較大時，管壁泄漏聲信號要高于架空管道，但會隨著土壤孔隙率的降低而降低，當孔隙率足夠小時，會低于架空管道。

關鍵詞： 埋地環境; 氣體管道; 泄漏聲; 主導聲源

中圖分類號： TB9; TE832 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）11–0033–07

0 引 言

管道作為第五大運輸方式，是高效便捷的燃氣主要輸運工具之一，但是由于腐蝕、老化、第三方破壞等原因，管道的泄漏事故時有發生。管道泄漏不僅會造成財產損失、污染環境，嚴重甚至會威脅人們的生命財產 [1-2]，因此需要及時地發現管道泄漏并進行處理。聲波法[3] 作為管道泄漏檢測的一種熱門方法，由于其具有高靈敏度、高定位精度和適應性強等優點被大量研究，該方法主要通過識別沿管內介質和管壁傳播的泄漏聲信號對管道進行檢漏。

泄漏源聲信號的特征規律是聲波法信號處理和泄漏定位的重要基礎。劉翠偉等[4-5] 通過仿真和實驗研究了管道泄漏聲的產生機理和泄漏聲信號特征，認為輸氣管道泄漏的聲源由單極子聲源、偶極子聲源及四極子聲源組成，泄漏聲多為低頻聲信號。葉迎春等[6] 通過對聲源組成方程進行分析，認為管道泄漏由質量流引起的單極子聲源可以忽略，泄漏聲源由氣體湍流產生的四極子聲源和泄漏與管壁作用產生的偶極子聲源構成。閆成穩等[7] 通過對氣體管道泄漏流場仿真模擬得出氣體管道泄漏口處的噴流速度超過聲速，故認為氣體管道泄漏聲源由四級子為主，并通過實驗得出泄漏聲源的聲壓級隨管道壓力和泄漏孔徑的增大而增大。李堯斌等[8] 通過對不同泄漏孔形輸氣管道的泄漏聲源特性進行實驗分析，得出輸氣管道的泄漏信號幅值隨著壓力增加呈先增后減的變化趨勢，圓形孔的泄漏信號幅值、ASL 值、振鈴計數要小于矩形孔、三角形孔和不規則形孔。上述主要是對架空管道泄漏聲信號的產生機理及特征規律進行研究，而大部分燃氣管道都是埋于地下，土壤環境會影響氣體管道泄漏的聲源特性。黎思杰等[9] 通過對埋地氣體管道進行實驗分析得出土壤會削弱管道泄漏聲波的相對聲強，并且埋地管道在中低壓時，泄漏聲源的主導頻率為低頻段3～6 kHz。但只考慮了土壤對泄漏聲信號的削弱作用，并未考慮泄漏發聲機理的變化。李堯斌等[10-11]通過對埋地管道泄漏的發聲機理分析，認為泄漏聲主要由氣體與管壁及土壤相互作用產生的偶極子聲源和氣體紊流產生的四級子聲源構成，并通過實驗分析得出埋地管道泄漏聲源信號的頻率主要分布在6-8 kHz，泄漏聲源的能量參數ASL 值、RMS 值隨著壓力的增加呈先增加后減小趨勢，并隨土壤濕度的增加而減小。

上述研究都是對金屬管道的泄漏聲信號進行研究，而塑料管道由于彈性模量要遠低于金屬管道，其固有頻率與金屬管道存在較大差別[12]，所產生的泄漏聲信號頻率分布不同于金屬管道[13-14]，為了將聲波法用于埋地聚乙烯燃氣管道的泄漏檢測與定位中，本文主要對埋地聚乙烯氣體管道的管壁泄漏聲信號的聲源構成和埋地及土壤孔隙率對泄漏聲信號的影響規律進行研究；通過理論和仿真分析了管壁泄漏聲信號的主導聲源和埋地環境及土壤孔隙率對管壁泄漏聲信號的影響，實驗采集分析了架空管道和三種土壤孔隙率的埋地管道管壁泄漏聲信號，驗證了理論分析與仿真的結果。