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《中国石油大学(华东)》 2016年
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输气管道泄漏声波产生及传播特性研究

刘翠伟  
【摘要】:随着天然气工业的迅速发展,天然气管道大规模铺设,泄漏事故时有发生,使得输气管道泄漏检测与定位技术的研究意义重大,其中声波法由于具有灵敏度高、定位精度高、误报率低、检测时间短、适应性强等优点,成为当前的研究热点。一直以来,国内外学者对声波法泄漏监测技术开展了大量的工作和研究,但现行的理论主要集中于声波信号处理以及声波传感器技术的研究,对声波的产生及传播特性研究较少,针对泄漏声波产生特性的研究,并没有明确的泄漏声波产生模型即理论计算公式;声波传播特性的研究中,声波幅值衰减模型的建立没有考虑管道内气体流动的影响,且声波衰减仅考虑了幅值衰减,没有考虑声波波形的变化;声波信号的处理中,对微弱信号声波特征量的提取缺乏系统研究且算法复杂;泄漏定位一直集中于声速以及时间差的求解。为解决这些问题,本文将依据流体力学、气体动力学、气动声学的基础理论知识,以理论研究为基础,结合实验手段,分析输气管道泄漏声波产生特性,尤其是分析声波特征敏感性,深入研究声波传播规律,建立泄漏声波衰减模型,并根据衰减模型提出新的泄漏定位方法,主要研究工作和成果如下:(1)建立了泄漏声波产生模型,总结了泄漏声波幅值的半经验半理论公式,对泄漏声波的产生特性进行了理论分析、数值模拟以及实验研究:泄漏声波的声源特性为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;泄漏声波的“稀疏波”特性为随着传输距离的增大,膨胀波的波形将发生漫延;泄漏声波的水击波特性为声波的幅值可以通过求解直接水击压力获得,并以水击波特性为基础推导了泄漏声波幅值的经验公式,且经验公式在小管径和大管径管线以及现场管线都得到了较好的验证。(2)首次提出了小波变换融合盲源分离算法的技术对泄漏声波信号进行处理,采用该技术对声波初始信号以及传播过程中的声波波形进行了拟合研究。研究结果表明:不论是小管径还是大管径实验,所采集的数据通过小波变换融合盲源分离算法的技术进行处理都能够准确定位泄漏时刻,同时对微弱信号的泄漏幅值有明显的补偿作用;定义了“声波持续时间”和“时间系数”描述采集得到的声波信号,且在声波信号的传播过程中,声波出现“拉长”现象。(3)确定了泄漏声波在输气管道中的传播以一维平面波形式进行,推导了泄漏声波的传播公式,建立了耦合粘热效应、湍流效应和气体流动的泄漏声波幅值衰减的理论模型、数值仿真模型和实验拟合模型:从理论上建立了粘性均匀流动介质中考虑气体流动、湍流效应和粘热效应的声波幅值衰减模型;采用三维时域脉冲法,通过计算流体力学方法建立了声波传播的数值仿真模型,用来计算声波在管道中的衰减因子,验证了衰减因子理论模型的正确性,同时对声波波形的变化规律进行了研究,得到了流动对声波波形的影响规律;具体为随传播距离的增加,时间系数变化规律呈现指数曲线趋势,顺流时,雷诺数越大越不利于原始波形的保存,逆流时,雷诺数越大,越有利于原始波形的保存;管径不变时,衰减因子随声波传播距离的增加出现减小趋势;得到了变径管存在时变径处、管径变化对声波衰减的影响,计算了等效管长,得到了衰减因子与管径的数学关系式;通过实验拟合得到了10 mm管线顺流和逆流情况下的衰减因子,理论计算值与实验拟合值相比,采用原始信号计算得到的顺流衰减因子误差都在6.0%以内,采用小波特征计算得到的衰减因子顺流时误差都在7.0%以内,逆流时误差也都在12.0%以内;通过实验计算得到了42 mm管线顺流和逆流情况下的小波特征衰减因子,与实验拟合值相比,顺流时理论计算得到衰减因子的误差处于-0.634%~-1.940%,逆流时理论计算衰减因子的误差处于-1.842%~-2.046%,并验证了衰减因子与管径的比例关系。(4)以声波幅值衰减模型为基础提出了新的泄漏定位方法,且以声波产生及传播特性为基础研究了声波法泄漏检测与定位技术的应用:在10 mm管线中,采用传统定位方法对原始信号进行处理并定位的误差处于-0.821%~0.119%;采用基于声波幅值的定位方法对原始信号进行处理并定位的误差处于-2.297%~2.423%;采用传统定位方法对小波特征进行定位的误差处于-0.768%~0.705%;对小波特征采用基于声波幅值的定位方法时,采用理论衰减因子的定位误差为-1.55%~7.646%,采用实验衰减因子的定位误差为-2.603%~2.653%。在42 mm管线中,传统定位方法的定位误差大部分都处于0.1%的数量级,最大误差为-0.780%;基于声波幅值的定位误差,采用实验拟合衰减因子时处于0.01%数量级,最大定位误差为0.054%;采用理论计算衰减因子时处于0.1%数量级和1%的数量级,最大定位误差为1.211%。
【学位授予单位】:中国石油大学(华东)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TE973.6

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