CN106018561A - 不同管道结构中声波幅值衰减系数的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不同管道结构中声波幅值衰减系数的测量系统及方法，包括测试管道，测试管道的中间位置可拆卸的串联待测管道结构，在待测管道结构的前一段测试管道和后一段测试管道均安装有采集管内流体动态压力信号的音波传感器，对不同工况下的泄漏产生的音波信号进行采集；同时在测试管道的首段和末端还安装有采集测试管内压力、流量、温度的传感器，音波传感器、采集测试管内压力、流量、温度的传感器均与数据处理装置相连。本发明避免了对实际输气管线进行现场实验，节省大量的人力物力，同时根据测量出的不同管道结构中声波幅值衰减系数计算等效管长建立普适性的管道声波幅值衰减公式，增强音波泄漏检测系统的适用性和推广性。

Description

不同管道结构中声波幅值衰减系数的测量系统及方法

技术领域

本发明属于管道安全监控技术领域，尤其涉及流动情况下不同管道结构声波幅值衰减系数的测量系统。

背景技术

油气管道发生泄漏时，流体介质流出管道，管内压力骤降产生声波。声波沿管内介质传播，管道系统是由直管、弯头、三通及变径管等元件组成。当泄漏声波通过这些元件时，都不同程度的存在衰减，有的声能转化为热能，有的声能被反射回声源处。

根据声波导理论，声波在直管段中传播时常以平面波形式传播。在平面波中，衰减情况与衰减系数、离泄漏声源距离的乘积成指数关系，通常表示为P＝P₀e^-αx。其中α为直管段中的声波衰减系数。而当声波经过弯头、三通、变径管等时，由于流通界面突然发生变化，这些结构使管道内传播的平面波发生变化，声场从平面波声场变化为复杂多维波声场，声波幅值衰减不再遵循平面波的衰减规律。目前常用的做法采用一个经验修正系数σ来考虑不同管道结构对声波衰减的影响，使直管段声波衰减公式变为：P＝P₀e^-σαx，而此经验修正系数σ需要对具体的管道进行实验拟合得到，一方面耗费了大量的人力物力，另一方面得到的公式也不具有普适性，影响音波泄漏检测系统的适用性和推广性。

根据调研结果，现阶段涉及声波衰减系数的测量方法主要是首先选取需要测量的固态材料作为样品，然后选用超声波检测仪器，利用需要测量固态材料对超声波检测仪器进行调校。接着使用调整好的超声波仪器，采用常规超声波检测方法对需要测量的固态材料进行超声波检测，至少记录4次超声波回波的声压幅值及声程值，按记录的超声波回拨的声压幅值、声程值，用常规方法建立声压、声程乘积对数函数与声程曲线图，使用所建立的曲线图进行线性拟合，拟合出线性函数关系式，线性函数式斜率即为现场被测量固态材料的超声波衰减系数。

现有的专利较少涉及声波在不同油气管道结构中的衰减模型，声波在不同管道结构中的衰减大多数是通过经验修正系数σ考虑的，对声波在不同油气管道结构中的衰减系数的测量没有进行具体描述，具体表现在：

(1)现油气管道声波衰减公式中：P＝P₀e^-σαx，σ为经验修正系数，是将泄漏音波信号频率分成若干个频段，然后测得这些频段在不同泄漏点的声压振幅数据，通过直管段平面声波衰减公式P＝P₀e^-αx拟合得到的，这些频段的划分的主观性较强，准确性和一致性难以保障，同时也增加了计算量。

(2)此经验修正系数σ需要对具体的管道进行实验拟合得到，一方面耗费了大量的人力物力，另一方面得到的公式也不具有普遍的适用性，影响音波泄漏检测系统的适用性和推广性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于构建不同管道结构声波幅值衰减系数的测量系统，明确系统组成以及确定系统实现泄漏声波幅值衰减系数测量的技术方案，建立具有普适性的泄漏声波幅值衰减公式。

不同管道结构中声波幅值衰减系数的测量系统，包括测试管道，所述的测试管道的中间位置可拆卸的串联待测管道结构，在待测管道结构的前一段测试管道和后一段测试管道均安装有采集管内流体动态压力信号的音波传感器，对不同工况下的泄漏产生的音波信号进行采集；同时在测试管道的首段和末端还安装有采集测试管内压力、流量、温度的传感器，所述的音波传感器、采集测试管内压力、流量、温度的传感器均与数据处理装置相连。

所述的待测管道结构可以是不同的管道结构。

进一步的，在所述的测试管段的首端安装压缩机，气体介质经压缩机加压后通过冷干机过滤气体的水分并冷却压缩气体，由于经过冷干机出口的压力不稳定，直接进入到测试管道会影响到试验结果，所以在冷干机之后设有高压缓冲罐，此外高压罐也具有为压缩机提供背压的作用。为了能够完成不同压力等级的试验，在过滤器的出口安装有精密减压阀，气体经过调压器之后进入到测试管段。

进一步的，在测试管道的不同位置处安装有球阀和泄漏孔板，管线泄漏是通过球阀和带泄漏孔板的法兰共同实现的。

进一步的，所述的泄漏孔板的孔径设置不同的大小规格来模拟不同大小的泄漏。并在管道起点安装质量流量控制器，它既可以起到流量计量的作用还可以调节进入测试管段的气体的流量，使流动进入管道充分发展段，即进入湍流段。

进一步的，所述的音波传感器包括四个，在待测管道结构的前一段测试管道安装两个，分别为传感器I、II，在待测管道结构的后一段测试管道安装两个，分别为传感器III、IV；其中传感器与待测不同管道结构的最近距离应大于待测管道直径的3倍，避免管道截面变化处气流的扰动影响。传感器I和II的安装间距与传感器III和IV的间距相同，其中传感器安装间距根据声学测量标准ASTM E1050-98和GBIT 18696.2-2002确定,如下：

传感器安装间距尺寸由测量频率的范围确定，根据对实验音波信号的频域、时频域联合分析可以得出，泄漏音波信号中频率5-100Hz的能量占优，能够测量到上限频率的传声器安装间距根据公式计算，下限频率的安装间距根据公式计算；上限频率的传声器安装间距根据公式计算；下限频率的安装间距根据公式计算；其中：C₀为声波在介质中传播的速度，f_u为可测频率的上限，f_i为可测频率下限；S_u为上限频率的传声器安装间距；S_i为下限频率的传声器安装间距。所以，对传声器的安装间距设计短、长两套间距，短间距保证高频信号的测量，长间距保证低频信号的测量；

进一步的，所述的音波传感器采用压电传声器，所述的压电传声器的探头平面与管道内壁面平齐；该传声器可在高压环境下工作，适于在有流的管道中使用；音波器安装时需要满足绝缘要求。

进一步的，所述的数据处理装置包括信号调理器、模数转换器与中控计算机，所述的信号调理器为各个传感器提供电源并进行信号调理，模数转换器将各个传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，中控计算机统一接收并集中处理各传感器信号。

对上述采集的数据进行处理的方法如下：

A.分别采用小波分析方法对待测管道结构起、终点采集的原始泄漏音波信号进行处理得到不同频段的声波幅值，其中小波基选取sysm8或者db4；分解层数n根据采样频率F确定，确定公式为：获得的管道起、终点声波幅值为：P_o1和P_o2；

B.将上一步中的起、终点声波幅值带入公式：求得其声波幅值衰减系数；

C.将上一步中的声波幅值衰减系数带入公式：求算出等效管长；

D.将等效管长代入公式：即得出具有普遍适用性的声波幅值衰减公式；其中，P₀为现场实际管道泄漏初始点声波压力幅值，Mpa；P为现场实际管道x处声波压力幅值，Mpa；α为现场实际管道直管段中的声波幅值衰减系数；x为直管段管长,m；x_e为不同管道结构的等效管长，m。

本发明的有益效果如下：

本发明通过构建不同管道结构中声波幅值衰减系数的测量系统，可以避免对实际输气管线进行现场实验，节省大量的人力物力，同时根据测量出的不同管道结构中声波幅值衰减系数计算等效管长建立普适性的管道声波幅值衰减公式，增强音波泄漏检测系统的适用性和推广性。本发明原理简单，操作方便，测量结果准确，增强了现阶段基于声波幅值衰减和声波幅值衰减模型进行尤其管道泄漏定位系统的实用性。

附图说明

图1为本发明不同管道结构中声波幅值衰减系数的测量系统组成示意图；

图2为本发明不同管道结构中声波幅值衰减系数的测量的原理流程图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清晰明了，参照附图对本发明进行进一步详细说明。

如附图1所示，不同管道结构中声波幅值衰减系数的测量系统由硬件部分和软件部分组成。硬件部分包括音波传感器组、信号调理器、模数转换器与中控计算机组成以及通过法兰连接的可拆卸的不同管道结构(弯管、变径管、分支管等)，具体如下：

测量系统包括测试管道，所述的测试管道的中间位置可拆卸的串联待测管道结构，在待测管道结构的前一段测试管道和后一段测试管道均安装有采集管内流体动态压力信号的音波传感器，对不同工况下的泄漏产生的音波信号进行采集；同时在测试管道的首段和末端还安装有采集测试管内压力、流量、温度的传感器，所述的音波传感器、采集测试管内压力、流量、温度的传感器均与数据处理装置相连。待测管道结构可以是不同的管道结构。

进一步的，在测试管段的首端安装压缩机，气体介质经压缩机加压后通过冷干机过滤气体的水分并冷却压缩气体，由于经过冷干机出口的压力不稳定，直接进入到测试管道会影响到试验结果，所以在冷干机之后设有高压缓冲罐，此外高压罐也具有为压缩机提供背压的作用。为了能够完成不同压力等级的试验，在过滤器的出口安装有精密减压阀，气体经过调压器之后进入到测试管段。

进一步的，在测试管道的不同位置处安装有球阀和泄漏孔板，管线泄漏是通过球阀和带泄漏孔板的法兰共同实现的。

进一步的，泄漏孔板的孔径设置不同的大小规格来模拟不同大小的泄漏。并在管道起点安装质量流量控制器，它既可以起到流量计量的作用还可以调节进入测试管段的气体的流量，使流动进入管道充分发展段，即进入湍流段。

进一步的，音波传感器包括四个，在待测管道结构的前一段测试管道安装两个，分别为传感器I、II，在待测管道结构的后一段测试管道安装两个，分别为传感器III、IV；其中传感器与待测不同管道结构的最近距离应大于待测管道直径的3倍，避免管道截面变化处气流的扰动影响。传感器I和II的安装间距与传感器III和IV的间距相同，其中传感器安装间距根据声学测量标准ASTM E1050-98和GBIT 18696.2-2002确定,如下：

传感器安装间距尺寸由测量频率的范围确定，根据对实验音波信号的频域、时频域联合分析可以得出，泄漏音波信号中频率5-100Hz的能量占优，能够测量到上限频率的传声器安装间距根据公式计算，下限频率的安装间距根据公式计算；上限频率的传声器安装间距根据公式计算；下限频率的安装间距根据公式计算；其中：C₀为声波在介质中传播的速度，f_u为可测频率的上限，f_i为可测频率下限；S_u为上限频率的传声器安装间距；S_i为下限频率的传声器安装间距。所以，对传声器的安装间距设计短、长两套间距，短间距保证高频信号的测量，长间距保证低频信号的测量；

进一步的，音波传感器采集管内流体动态压力信号，信号调理器为音波传感器提供电源并进行信号调理，模数转换器将音波传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，中控计算机统一接收并集中处理各传感器信号。软件系统安装于中控计算机，由Labview软件编制，实现音波信号实时显示、滤波、特征提取。

如附图1所示，首先气体介质经压缩机加压后通过冷干机过滤气体的水分并冷却压缩气体，气体经过调压器调压后进入待测管段。

在声波传感器上游处模拟泄漏，泄漏通过安装球阀和孔板的方式实现，球阀控制泄漏发生快慢，孔板控制泄漏孔径。

在管道测试段的起、终点以及中间位置安装有数据采集系统，对测试管道的常规数据进行采集。通过采集的数据计算直管道声波衰减系数α。

进一步，有流情况下直管段声波衰减系数α的计算公式为：

$\mathrm{\α}=\frac{w^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}\[\frac{4}{3}{\mathrm{\η}}^{\′}+{\mathrm{\η}}^{\′\′}+\mathrm{\χ}(\frac{1}{C_v}-\frac{1}{C_p})\]+\frac{F}{2d}M$

其中：管道直径r，m；介质密度ρ₀，kg/m³；角频率 f为频段声波的中心频率，Hz；管内声波传播速度c，m/s；介质切变黏滞系数η'，Pa·s；容变黏滞系数η”，Pa·s；热传导系数χ，w/(m·K)；介质的定容比热C_v，kj/(kg·K)；定压比热C_p，kj/(kg·K)；F弗劳德数；M马赫数。

待测的不同管道结构通过法兰和测试管段进行连接，在不同管道结构测试段的起、终点安装有声波传感器，对不同工况下的泄漏产生的声波信号进行采集。采用小波分析对采集的泄漏音波信号进行处理得到不同频段的声波幅值，小波基采用sym8或者db4；根据声波信号的采样频率F以及频段的要求确定小波分析的分解层数n，可得待测管道结构起终点的声波幅值P_o1和P_o2。

于是其声波幅值衰减系数可根据公式计算出来，然后根据公式计算等效管长，最终确定具有普适性的声波幅值衰减公式其中，P₀为现场实际管道泄漏初始点声波压力幅值，Mpa；P为现场实际管道x处声波压力幅值，Mpa；α为现场实际管道直管段中的声波幅值衰减系数；x为直管段管长,m；x_e为不同管道结构的等效管长，m。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.不同管道结构中声波幅值衰减系数的测量系统，其特征在于：包括测试管道，所述的测试管道的中间位置可拆卸的串联待测管道结构，在待测管道结构的前一段测试管道和后一段测试管道均安装有采集管内流体动态压力信号的音波传感器，对不同工况下的泄漏产生的音波信号进行采集；同时在测试管道的首段和末端还安装有采集测试管内压力、流量、温度的传感器，所述的音波传感器、采集测试管内压力、流量、温度的传感器均与数据处理装置相连。

2.如权利要求1所述的不同管道结构中声波幅值衰减系数的测量系统，其特征在于：在所述的测试管段的首端安装压缩机，气体介质经压缩机加压后通过冷干机过滤气体的水分并冷却压缩气体；所以在冷干机之后设有高压缓冲罐。

3.如权利要求2所述的不同管道结构中声波幅值衰减系数的测量系统，其特征在于：为了能够完成不同压力等级的试验，在高压缓冲罐的出口安装有精密减压阀，气体经过调压器之后进入到测试管段。

4.如权利要求1所述的不同管道结构中声波幅值衰减系数的测量系统，其特征在于：在所述测试管道的不同位置安装有球阀和泄漏孔板，测试管泄漏是通过球阀和带泄漏孔板的法兰共同实现的。

5.如权利要求1所述的不同管道结构中声波幅值衰减系数的测量系统，其特征在于：所述的泄漏孔板的孔径设置不同的大小来模拟不同大小的泄漏，且在测试管道起点安装质量流量控制器。

6.如权利要求1所述的不同管道结构中声波幅值衰减系数的测量系统，其特征在于：所述的音波传感器包括四个，在待测管道结构的前一段测试管道安装两个，分别为传感器I、II，在不同管道结构的后一段测试管道安装两个，分别为传感器III、IV；其中传感器与待测不同管道结构的最近距离应大于待测管道直径的3倍；传感器I和II的安装间距与传感器III和IV的间距相同。

7.如权利要求1所述的不同管道结构中声波幅值衰减系数的测量系统，其特征在于：传感器I和II的安装间距与传感器III和IV的安装间距均由测量频率的范围确定，上限频率的传声器安装间距根据公式计算；下限频率的安装间距根据公式计算；其中：C₀为声波在介质中传播的速度，f_u为可测频率的上限，f_i为可测频率下限；S_u为上限频率的传声器安装间距；S_i为下限频率的传声器安装间距。

8.如权利要求1所述的不同管道结构中声波幅值衰减系数的测量系统，其特征在于：所述的音波传感器采用压电传声器，所述的压电传声器的探头平面与管道内壁面平齐。

9.如权利要求1所述的不同管道结构中声波幅值衰减系数的测量系统，其特征在于：所述的数据处理装置包括信号调理器、模数转换器与中控计算机，所述的信号调理器为各个传感器提供电源并进行信号调理，模数转换器将各个传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，中控计算机统一接收并集中处理各传感器信号。

10.采用权利要求1-9任一所述的系统进行不同管道结构中声波幅值衰减系数测量的方法，其特征在于：

A:分别采用小波分析方法对待测管道结构起、终点采集的原始泄漏音波信号进行处理得到不同频段的声波幅值，其中小波基选取sysm8或者db4；分解层数n根据采样频率F确定，确定公式为：获得的待测管道结构的起、终点声波幅值为：P_o1和P_o2；

B:将上一步中的起、终点声波幅值带入公式：求得其声波幅值衰减系数；

C:将上一步中的声波幅值衰减系数带入公式：其中，α为直管道声波衰减系数，求算出等效管长；

D:将等效管长代入公式：即得出普适性的声波幅值衰减规律；其中，P₀为现场实际管道泄漏初始点声波压力幅值，Mpa；P为现场实际管道x处声波压力幅值，Mpa；α为现场实际管道直管段中的声波幅值衰减系数；x为直管段管长,m；x_e为不同管道结构的等效管长，m。