CN113606504B - 供液管道泄漏量声学检测方法 - Google Patents

供液管道泄漏量声学检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种供液管道泄漏量声学检测方法，首先确定供液管道上泄漏孔的位置，将泄漏孔处流体形成的声源视为活塞声源；然后测量供液管道上各个检测点与泄漏孔之间距离、每个检测点采集来源于泄漏孔的声压；接着基于检测点距离、声压检测数据计算泄漏孔的半径；最后基于泄漏孔的半径结合流速计算泄漏量。本发明实现了声学方法中泄漏孔泄漏量的检测，扩展了声学方法在泄漏检测领域的应用范围。

Description

供液管道泄漏量声学检测方法
技术领域
本发明涉及声学检测方法领域，具体是一种供液管道泄漏量声学检测方法。
背景技术
城市供水是关乎国计民生的一项重要产业，管道运输是城市供水的主要方式。随着城市规模的扩大，供液管道的分布范围变广，供液管道的距离变长，因此管道泄漏事故发生的频率变高。一旦发生管道泄漏，不仅会造成宝贵的水资源浪费而且大量泄漏会导致地表塌陷等次生灾害的发生，从而可能造成巨大的损失。因此，不断地发展有效的管道泄漏检测方法具有重要意义。
已有的供液管道泄漏检测方法包括质量/体积平衡法、负压波法、探地雷达检测法和声检测法等。质量/体积平衡法只能估计大体泄漏量并且无法确定泄漏的位置。负压波法只能检测突发性的大泄漏，而对微小的泄漏不敏感；探地雷达检测法难以在寒冷气候下应用，同时难以应用于湿润的土地。声检测法则以其广泛的适应性和有效性，在长期的应用过程中受到人们的青睐。
声检测法在应用中主要有三类检测仪器，包括地面声音监听设备、泄漏声音相关器和管道内传感器。其中，地面声音监听设备主要有探声杆和听音棒，利用简单的声音收集设备直接对管道泄漏声进行检测。该设备虽然经济实惠，但要求检测人员具有丰富的经验，同时该设备对小泄漏不敏感。泄漏声音相关器也是目前使用较为广泛的声发射检漏设备，它探测噪声的传播速度并通过计算噪声传播到两端探测器的时间来判断泄漏点位置。但由于管道泄漏声的高频分量在传播过程中衰减很大，所以该设备对于直径较大的管道并不适用。管道内声传感器将声学传感器置于管道内部，利用其在管道内部移动或游动在内部检测管道的泄漏。管内检测的方式保证了检测精度，但管内游移传感器的控制难度较大。现有声检测法由于存在各种局限性，因此虽然能确定泄漏位置，但无法确定泄漏孔的泄漏量。
发明内容
本发明的目的是提供一种供液管道泄漏量声学检测方法，以解决现有技术声检测法无法确定供液管道泄漏量的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
供液管道泄漏量声学检测方法，包括以下步骤：
步骤1、利用声学探测技术，确定供液管道上泄漏孔的位置，将供液管道泄漏孔处流体形成的声源视为活塞声源，活塞声源情况下流体在泄漏孔中作垂直于供液管道中流体流动方向的简谐振动；
步骤2、在供液管道上设定n个检测点，分别测量各个检测点与泄漏孔之间距离ri，并在每个检测点采集来源于泄漏孔的声压Pi，其中i表示检测点的编号，i＝1、2、3、4……n；
步骤3、通过公式(1)计算泄漏孔的半径，公式(1)如下：
Figure GDA0003653281310000021
上述公式(1)中：
Pi为步骤2中在每个检测点采集的来源于泄漏孔的声压；
ri为步骤2中采集的每个检测点与泄漏孔之间距离；
j为虚数单位；
ω为活塞声源简谐振动的角频率，ω＝2πf，f为活塞声源简谐振动的振动频率，f根据供液管道的材料确定；
ρ0为供液管道内流体密度，根据供液管道内实际流动的流体种类确定；
u0为活塞声源简谐振动的振动速度幅值；
a表示活塞声源的半径，等效为需要求得的泄漏孔的半径；
J1表示第一类、第一阶贝塞尔函数，J1如公式(2)所示：
Figure GDA0003653281310000022
公式(2)中，x为活塞声源处任意一点简谐振动的位移，并有
Figure GDA0003653281310000023
Figure GDA0003653281310000024
其中
Figure GDA0003653281310000025
为活塞声源简谐振动的初相位，t为活塞声源简谐振动的时间，x0为对应x点的简谐振动的最大位移；
k为活塞声源的波数，k＝ω/c，c为声速；
θ表示泄漏点到泄漏中心点的连线与活塞声源中心点的法线的夹角；
步骤4、根据简谐振动公式，求得步骤3中活塞声源处任意一点简谐振动的最大位移x0如公式(3)所示，并求得活塞声源简谐振动的振动速度幅值u0如公式(4)所示，公式(3)和公式(4)如下：
Figure GDA0003653281310000031
u0＝ωx0 (4)，
公式(3)中：
P0为供液管道泄漏孔处压强即等于供液管道内压强，通过对供液管道测量获得；
Figure GDA0003653281310000032
为活塞声源流体柱段长度即为供液管道壁厚，通过对供液管道测量获得；
T为活塞声源简谐振动的周期，T如公式(5)所示：
Figure GDA0003653281310000033
公式(5)中，m为活塞声源流体柱段质量，m＝ρ0×πa2；
步骤5、将步骤4得到的公式(3)、(4)代入公式(1)中，得到活塞声源的半径即泄漏孔的半径a如公式(6)所示：
Figure GDA0003653281310000034
步骤6、利用供液管道内与泄漏口的压差计算泄漏流速，结合公式(6)计算得到单位时间泄漏孔的泄漏量。供液管道内压强为P0，泄漏孔外为标准大气压Patm＝0.1MPa，此时泄漏孔与管道内压强损失ΔP＝(Pc)/l,Pc＝P0-Patm，
Figure GDA0003653281310000035
为活塞声源流体柱段长度即为供液管道壁厚；泄漏孔处泄漏流速如公式(7)所示：
Figure GDA0003653281310000036
其中C为谢才系数，
Figure GDA0003653281310000037
a为步骤5中求出的泄漏孔半径，n为管道粗糙率可查表得到。根据公式(6)、(7)可求得单位时间泄漏量Vout＝π2aV1。
进一步的，步骤1中，采用超声波探声仪或水听器，基于声检测法确定供液管道上泄漏孔的位置。
进一步的，步骤3中，活塞声源尺寸相对于辐射声波的波长较小时，将活塞声源的辐射指向性视为全向，定义活塞声源指向性函数D(θ)如公式(8)所示：
Figure GDA0003653281310000038
根据第一类、第一阶贝塞尔函数J1在ka<1条件下的固有特性，当ka<1时，
Figure GDA0003653281310000041
当
Figure GDA0003653281310000042
时，无论θ为何值，分子分母中的kasinθ都会约去，并有D(θ)≈1；
步骤5中，将D(θ)≈1代入至公式(1)中后，再将公式(3)、公式(4)代入公式(1)中，从而得到公式(6)。
进一步的，步骤6中，基于单位时间泄漏孔的泄漏量，计算得到持续时间段泄漏孔的泄漏量。
与现有技术相比，本发明基于声学检测过程，将液体供液管道泄漏特征与活塞声学相结合，把泄漏孔处水柱等效为简谐振动的液体活塞，在现有技术确定供液管道泄漏孔位置的基础上，首次实现了声学方法中泄漏孔泄漏量的检测，扩展了声学方法在泄漏检测领域的应用范围。
附图说明
图1是本发明实施例管道内计算点位置示意图。
图2是本发明实施例仿真分析中流体管道物理模型与边界条件示意图。
图3是本发明实施例仿真分析中泄漏孔处网格划分示意图。
图4是本发明实施例仿真分析中压力等值线图。
图5是本发明实施例仿真分析中声学物理模型及边界条件示意图。
图6是本发明实施例仿真分析中总场声压示意图。
图7是本发明方法流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图7所示，本实施例包括以下步骤：
步骤1、本实施例以供液管道中流体为水为例进行说明，首先利用声学探测技术，确定供液管道上泄漏孔的位置，将供液管道泄漏孔处水流形成的声源视为活塞声源，活塞声源情况下水流在泄漏孔中作垂直于供液管道中流体流动方向的简谐振动。
步骤1中，利用已有的声学探测技术如超声波探声仪、水听器等，可以探测泄漏的供液管道沿线声音分布情况，在探测供液管道沿线泄漏声分布情况时，利用泄漏声分布趋势或借助泄漏声传播到测声仪的时间等方法，可确定泄露孔的位置。
供液管道泄漏发生后，由于管道内外的压差，管道内的水通过泄漏孔喷射，会在泄漏孔处形成高速射流，这种高速射流声可视为管道泄漏的主要声源。当泄漏稳定时，泄漏孔处的水体产生简谐振动并形成声源，该声源可以用活塞声源来描述(文献Wang G Z,Ye H2010Leakage detection and location of fluid transport pipeline(Beijing:Tsinghua University Press)p141(in Chinese)[王桂增,叶昊2010流体输送管道的泄漏检测与定位(第一版)(北京:清华大学出版社)第141页])，因此本实施例步骤1中将供液管道泄漏孔处水流形成的声源视为活塞声源。
步骤2、在供液管道上设定n个检测点，分别测量各个检测点与泄漏孔之间距离ri，并在每个检测点采集来源于泄漏孔的声压Pi，其中i表示检测点的编号，i＝1、2、3、4……n。
步骤2中，可在供液管道上沿轴向设置多个检测点，多个检测点可以按泄漏孔呈对称分布，并且泄漏孔轴向每侧的各个检测点中相邻检测点间距相同，由此可简化后续的计算过程。当然，其他设置方式以及随机设置多个检测点同样能够实现后续的计算过程。
步骤3、活塞声源的声压根据文献P.M.Morse.1984 Theoretical acoustics(Beijing:Science Press)p449.，得到公式(1)如下：
Figure GDA0003653281310000051
上述公式(1)中：
Pi为步骤2中在每个检测点采集的来源于泄漏孔的声压。
ri为步骤2中采集的每个检测点与泄漏孔之间距离。
j为虚数单位。
ω为活塞声源简谐振动的角频率，ω＝2πf，f为活塞声源简谐振动的振动频率，f根据供液管道的材料确定。本实施例以铸铁材料的供液管道为例，在铸铁供液管道中，水泄漏声信号的频率成分集中在1.6kHz-1.8kHz左右(文献Yang J.2007Ph.D.Dissertation(Chongqing:Chongqing university)(in Chinese)[杨进.2007博士学位论文(重庆：重庆大学)])，即本实施例中f在1.6kHz-1.8kHz左右。
ρ0为供液管道内流体密度，本实施例中即为水的密度。
u0为活塞声源简谐振动的振动速度幅值。
a表示活塞声源的半径，等效为需要求得的泄漏孔的半径。
k为活塞声源的波数，k＝ω/c，c为声速。
θ表示泄漏点到泄漏中心点的连线与活塞声源中心点的法线的夹角；
J1表示第一类、第一阶贝塞尔函数，J1如公式(2)所示：
Figure GDA0003653281310000061
公式(2)中，x为活塞声源处任意一点简谐振动的位移，并有
Figure GDA0003653281310000062
Figure GDA0003653281310000063
其中
Figure GDA0003653281310000064
为活塞声源简谐振动的初相位，t为活塞声源简谐振动的时间，x0为对应x点的简谐振动的最大位移；
活塞声源尺寸相对于辐射声波的波长较小时，将活塞声源的辐射指向性视为全向，定义活塞声源指向性函数D(θ)如公式(8)所示：
Figure GDA0003653281310000065
根据第一类、第一阶贝塞尔函数J1在ka<1条件下的固有特性，当ka<1时，
Figure GDA0003653281310000066
当
Figure GDA0003653281310000067
时，无论θ为何值，分子分母中的kasinθ都会约去，并有D(θ)≈1。故本实施例中D(θ)≈1。
在此条件下，影响活塞声源的因素主要为ω、u0和a。其中，ω＝2πf，f根据供液管道材料为已知量，因此若想得到活塞声源的半径a，还需要在后续步骤中计算得到u0。
步骤4、活塞声源描述了液体振动形成的声源，但其中的活塞声源振动速度的幅值u0无法通过供液管道及液体参数计算得出，所以只能进行定性研究。本实施例通过对管道泄漏过程的详细分析，定量地确定了管道泄漏时液体的振动状态，从而可以根据管道及液体参数直接计算得到泄漏引起的声压值，分析如下：
活塞声源由泄漏孔处的水振动产生，这种振动由孔内推动力和孔外回复力促成。当泄漏发生时，由于管内压强大于管外压强，压差形成孔内推动力使得水从泄漏孔向外形成高速射流。泄漏孔内部高速射流形成负压区，负压区在水中形成空穴。根据以上分析，本实施例提出空穴与孔外大气压的压差形成的反向力可视为泄漏孔处水振动的回复力，该力导致一部分水回流，从而形成液体振动。可以认为推动力与回复力相等，泄漏孔内的水柱段垂直于供液管道中水流流动方向上做简谐振动，形成液体活塞，设其振动频率为f，活塞上任意一点位移为x，该点的最大位移为x0。
根据简谐振动公式(文献Ye W G,Yu G X 2012 University physics(Beijing:Tsinghua University Press)p84(in Chinese)[叶伟国，余国祥2012大学物理(北京：清华出版社)第84页])有：
F＝-kx (9)，
Figure GDA0003653281310000071
公式(9)中，F管道内压差所形成的内推力。
公式(5)中，T为活塞声源简谐振动的周期，m为活塞声源流体柱段质量，m＝ρ0×πa2。
根据公式(5)和(8)，求得步骤3中活塞声源处任意一点简谐振动的最大位移x0如公式(3)所示，
Figure GDA0003653281310000072
公式(3)中：
P0为供液管道泄漏孔处压强即等于供液管道内压强，通过在供液管道上游加压站仪表对供液管道测量获得。
Figure GDA0003653281310000073
为活塞声源流体柱段长度即为供液管道壁厚，通过测量供液管道内、外半径，再计算内、外半径差值得到。
Fmax是回复力的最大值。
S＝πa2为泄漏孔(活塞声源)截面积。
v为活塞声源水柱段体积。
根据简谐振动的位移x和速度u的关系，有公式(10)、(11)：
Figure GDA0003653281310000074
Figure GDA0003653281310000075
公式(9)、(10)中，
Figure GDA0003653281310000076
为活塞声源简谐振动的初相位，t为活塞声源简谐振动的时间。根据公式(9)、(10)可得活塞声源简谐振动的振动速度幅值u0如公式(4)所示：
u0＝ωx0 (4)。
步骤5、将步骤4得到的公式(3)、(4)代入公式(1)中，经变形整理得到活塞声源的半径即泄漏孔的半径a如公式(6)所示：
Figure GDA0003653281310000081
步骤6、利用供液管道内与泄漏口的压差计算泄漏流速，结合公式(6)计算得到单位时间泄漏孔的泄漏量。供液管道内压强为P0，泄漏孔外为标准大气压Patm＝0.1MPa，此时泄漏孔与管道内压强损失ΔP＝(Pc)/l,Pc＝P0-Patm，
Figure GDA0003653281310000082
为活塞声源流体柱段长度即为供液管道壁厚；泄漏孔处泄漏流速如公式(7)所示：
Figure GDA0003653281310000083
其中C为谢才系数，
Figure GDA0003653281310000084
a为步骤5中求出的泄漏孔半径，n为管道粗糙率可查表得到。根据公式(6)、(7)可求得单位时间泄漏量Vout＝π2aV1。
仿真实验：
通过上述分析和推导，本实施例成功地建立了定量的供液管道泄漏声学理论模型，将供液管道及液体参数与活塞声压相联系，求解出了活塞声压计算所需的活塞声源振动速度幅值u0，从而可以进一步通过活塞声压公式计算出管道泄漏的理论声压值。下面进行实例的计算。
设一段管道长度为6m，管道内直径为0.048m，管道壁厚为
Figure GDA0003653281310000085
泄漏孔直径为a＝0.004m，管内压强为0.5MPa，可认为P0＝0.5MPa，管材为球墨铸铁，f＝1800Hz，可解得u0。由此可以求解出管道内任意点的声压。此处求解泄漏孔下方两侧距中点位置分别为1.46m和2.28m的A，B两点处的声压，管道内计算点位置如图1所示。
根据所提理论模型和已知的参数，可求得管内A、B两点处的声压值分别为PA＝1368Pa和PB＝876Pa。为了和上述理论计算值进行比较，下面通过软件仿真确定A、B两点处的声压值。
本实施例软件仿真及结果如下：
仿真软件选择有限元仿真软件，首先进行流体仿真。图2给出了流体仿真的物理模型示意图和边界条件。供液管道内直径为0.048m，管道长度设为6m，管道壁为0.0005m，泄漏孔直径为0.004m。左侧为压力入口，压力条件设置为0.5MPa，右侧为压力出口1，压力条件设置为0.5MPa，供液管道正中间设有泄漏孔，设置为压力出口2，压力条件设置为标准大气压0.1MPa。
图3给出了在有限元软件中划分的正四面体网格，为了在泄漏孔处得到较好的计算精度，将最小单元设置为0.123，最大单元增长率为1.5，狭窄区域分辨率为0.5。物理场选为k-ε湍流，研究类型为瞬态研究，时间步长Δt＝0.5s，容差因子为0.5。
图4给出了在泄漏孔附近的压力等值线图。利用结果中的后处理功能，可以求出当泄漏稳定后泄漏孔内部的压强值P0，并可解得u和u0。
进一步，将求解出的u作为声学仿真的激励值并进行声学仿真。建立如图5所示的三维管道声学仿真模型示意图。管道长为6m，直径为0.048m，活塞声源直径为0.004m，法向速度为u，管道边界设置为平面波辐射。物理场为瞬态-压力声学，研究类型为瞬态研究。
图6给出了管内总场声压的仿真结果，利用后处理功能可以得到管道内任意位置的声压。利用结果中派生值的计算点功能，求得距离声源1.46m处的A点和距离声源2.28m处的B点声压值分别为PA＝1833.8Pa，PB＝1769.3Pa。
因此，通过本实施例建立的模型，基于实测得到的供液管道任意一个检测点的声压P，进而能够反推离活塞声源即泄漏孔位置的距离r，并且在接近泄漏孔位置时，采用本实施例建立的模型反推泄漏孔位置时具有良好的检测效果。
此外，虽然本实施例以供液管道中流体为水为例进行了详细的分析，但是所提理论模型对流体(如石油等)的泄漏评估同样适用，只需替换公式中相应的密度值即可。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (4)

1.供液管道泄漏量声学检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用声学探测技术，确定供液管道上泄漏孔的位置，将供液管道泄漏孔处流体形成的声源视为活塞声源，在活塞声源情况下流体在泄漏孔中作垂直于供液管道中流体流动方向的简谐振动；
步骤2、在供液管道上设定n个检测点，分别测量各个检测点与泄漏孔之间距离ri，并在每个检测点采集来源于泄漏孔的声压Pi，其中i表示检测点的编号，i＝1、2、3、4……n；
步骤3、通过公式(1)计算泄漏孔的半径，公式(1)如下：
Figure FDA0003653281300000011
上述公式(1)中：
Pi为步骤2中在每个检测点采集的来源于泄漏孔的声压；
ri为步骤2中采集的每个检测点与泄漏孔之间距离；
j为虚数单位；
ω为活塞声源简谐振动的角频率，ω＝2πf，f为活塞声源简谐振动的振动频率，f根据供液管道的材料确定；
ρ0为供液管道内流体密度，根据供液管道内实际流动的流体种类确定；
u0为活塞声源简谐振动的振动速度幅值；
a表示活塞声源的半径，等效为需要求得的泄漏孔的半径；
J1表示第一类、第一阶贝塞尔函数，J1如公式(2)所示：
Figure FDA0003653281300000012
公式(2)中，x为活塞声源处任意一点简谐振动的位移，并有
Figure FDA0003653281300000013
Figure FDA0003653281300000014
其中
Figure FDA0003653281300000015
为活塞声源简谐振动的初相位，t为活塞声源简谐振动的时间，x0为对应x点的简谐振动的最大位移；
k为活塞声源的波数，k＝ω/c，c为声速；
θ表示泄漏点到泄漏中心点的连线与活塞声源中心点的法线的夹角；
步骤4、根据简谐振动公式，求得步骤3中活塞声源处任意一点简谐振动的最大位移x0如公式(3)所示，并求得活塞声源简谐振动的振动速度幅值u0如公式(4)所示，公式(3)和公式(4)如下：
Figure FDA0003653281300000021
u0＝ωx0 (4)，
公式(3)中：
P0为供液管道泄漏孔处压强即等于供液管道内压强，通过对供液管道测量获得；
Figure FDA0003653281300000027
为活塞声源流体柱段长度即为供液管道壁厚，通过对供液管道测量获得；
T为活塞声源简谐振动的周期，T如公式(5)所示：
Figure FDA0003653281300000022
公式(5)中，m为活塞声源流体柱段质量，m＝ρ0×πa2；
步骤5、将步骤4得到的公式(3)、(4)代入公式(1)中，得到活塞声源的半径即泄漏孔的半径a如公式(6)所示：
Figure FDA0003653281300000023
步骤6、利用供液管道内与泄漏口的压差计算泄漏流速，结合公式(6)计算得到单位时间泄漏孔的泄漏量，供液管道内压强为P0，泄漏孔外为标准大气压Patm＝0.1MPa，此时泄漏孔与管道内压强损失ΔP＝(Pc)/l，Pc＝P0-Patm，
Figure FDA0003653281300000026
为活塞声源流体柱段长度即为供液管道壁厚；泄漏孔处泄漏流速如公式(7)所示：
Figure FDA0003653281300000024
其中C为谢才系数，
Figure FDA0003653281300000025
a为步骤5中求出的泄漏孔半径，n为管道粗糙率可查表得到，根据公式(6)、(7)可求得单位时间泄漏量Vout＝π2aV1。
2.根据权利要求1所述的供液管道泄漏量声学检测方法，其特征在于，步骤1中，采用超声波探声仪或水听器，基于声检测法确定供液管道上泄漏孔的位置。
3.根据权利要求1所述的供液管道泄漏量声学检测方法，其特征在于，步骤3中，活塞声源尺寸相对于辐射声波的波长较小时，将活塞声源的辐射指向性视为全向，定义活塞声源指向性函数D(θ)如公式(8)所示：
Figure FDA0003653281300000031
根据第一类、第一阶贝塞尔函数J1在ka＜1条件下的固有特性，当ka＜1时，
Figure FDA0003653281300000034
当
Figure FDA0003653281300000033
时，无论θ为何值，分子分母中的kasinθ都会约去，并有D(θ)≈1；
步骤5中，将D(θ)≈1代入至公式(1)中后，再将公式(3)、公式(4)代入公式(1)中，从而得到公式(6)。
4.根据权利要求1所述的供液管道泄漏量声学检测方法，其特征在于，步骤6中，基于单位时间泄漏孔的泄漏量，计算得到持续时间段泄漏孔的泄漏量。
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