天然气管道机械阀门内漏流场声学特性研究

王放 李正峰 姜波 詹一鸣 石阳

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403004

摘 要 以某天然气管道机械阀门为研究对象，选取不同规格球阀，采用小波包方法对阀门的内漏声学信号实施能量分析，获取天然气管道机械阀门内漏流场声学信号特征值，并分析不同压力下天然气管道机械阀门内漏流场声学特性参数对内漏流场的影响。结果表明：声学特性相关参数（频率峰值、均方根）均可作为天然气管道机械阀门内漏检测指标，实现天然气管道机械阀门的内漏检测。

关键词 天然气管道 机械阀门 内漏流场 声学特性 小波包分析

中图分类号 TQ055.8+1   文献标志码 A   文章编号 0254?6094（2024）03?0348?07

Study on Acoustic Characteristics of Internal Leakage Flow Field of

Mechanical Valves in Natural Gas Pipelines

WANG Fang1， LI Zheng?feng2， JIANG Bo2， ZHAN Yi?ming2， SHI Yang2

（1. Tianjin LNG Emergency Reserve Project Department， Beijing Gas Group Co.， Ltd.;

2. Beijing Gas Group （Tianjin） LNG Co.， Ltd.）

Abstract   Taking a mechanical valve in the natural gas pipeline as the object of research， the ball valves with different specifications were selected， and the wavelet packet method was used to analyze energy of the valves internal leakage acoustic signals so as to obtain internal leakage flow fields acoustic signal eigenvalues of the mechanical valve， including analyzing influence of the acoustic characteristics parameters of the mechanical valve at different pressures. The results show that， the parameters related to acoustic characteristics（peak frequency and root mean square） can be used as the internal leakage detection indicators to realize mechanical valves internal leakage detection.

Key words    natural gas pipeline， mechanical valve， internal leakage flow field， acoustic characteristics， wavelet packet analysis

作者简介：王放（1979-），高级工程师，从事天然气管道建设与运营、LNG接收站建设与运营、数字化与智能化的研究工作，wfang1979@yeah.net。

引用本文：王放，李正峰，姜波，等.天然气管道机械阀门内漏流场声学特性研究[J].化工机械，2024，51（3）：348-353;469.

机械阀门作为天然气管道的核心部件，可控制天然气管道内部介质的流向，保障天然气管道安全运行[1]。当机械阀门因腐蚀出现泄漏时，不仅会污染环境，而且可能会引发爆炸，严重危害人们的生命和财产安全[2～4]。机械阀门的内漏原因比较隐蔽，极大地增加了机械阀门内漏检测难度[5]，因此，研究机械阀门的内漏检测方法，提高天然气管道机械阀门内漏检测精度至关重要。

目前，相关领域学者已经开展了天然气管道机械阀门内漏检测研究。陈德锦等研究了天然气管道声固耦合效应的声振特性，该方法以声固耦合为基础，构建管道数学模型，利用参数计算方法，得出管道阀门声振模态图，按照该模态图可以得到阀门内漏原因，但由于该方法计算复杂，导致其检测效率较低[6]。张曼等研究了管道泄漏声源特性，该方法构建了一个声学CA模型，通过耦合数值方法分析温度对管道阀门声源特性的影响，但因该模型适应性低，导致研究结果不全面[7]。

声学特性管道内漏检测方法是根据管道内漏流场的喷流噪声检测内漏位置的，目前已在实践中取得了较好的应用效果[8]。因此，笔者通过研究天然气管道机械阀门内漏流场声学特性，为机械阀门内漏检测提供理论基础，从而达到提高天然气管道机械阀门内漏检测精度，保障天然气管道安全运行的目的。

1 试验对象及方法

1.1 试验对象

选取某天然气管线中3种尺寸的机械阀门（尺寸为7 mm×7 mm的DN 100型球阀阀门、尺寸为11 mm×11 mm的DN 200型球阀阀门、尺寸为

15 mm×15 mm的DN 300型球阀阀门）作为试验对象，开展天然气管道机械阀门内漏流场声学特性研究。该天然气管线全长531 km，年输气量72亿立方米，途经15个县区，共设有机械阀门6 526个。试验对象所属管线基本参数见表1。

1.2 试验设备及流程

天然气管道机械阀门内漏流场声学特性试验设备包括机械阀检测台架与声发射检测系

统[9～11]。其中，机械阀检测台架具体设备及其性能参数列于表2，声发射检测系统设备及其性能指标列于表3。

试验流程为：将待测机械阀门固定在管道上并关闭阀门，同时与声发射检测系统相连，通过夹具固定机械阀门和声发射传感器[12，13]。经减压阀减压后将氮气输入天然气管道中，传感器探针和天然气管道壁触碰，可检测天然气管道内上下游喷流声强，同时管道内设置两个待测点（图1），通过分析待测点声学特性检测出天然气管道机械阀门内漏情况。此时，内漏气体流量通过流量计完成记录，当天然气管道内上下游压力趋于稳定时，天然气管道机械阀门内漏流场声学信号可利用声发射传感器实现检测。通过放大器放大内漏流场声学信号，经数据采集卡将信号转换成数字信号并传输至终端机，采用小波包分析[14，15]得出天然气管道机械阀门内漏流场声学信号特征值。

在天然气管道机械阀门内漏流场声学特性试验中，初始化传感器标定后，设置E、F点为待测

点，用夹具固定E点并将下游管线的F点与声发射传感器相连。在机械阀门上游施加不同压力（3、6、9 MPa），下游放空。在不同压力下调节机械阀门进行内漏模拟，每隔1 min记录机械阀门压力、声发射传感器时域信息，当压力表显示30 kPa时结束测试。采用气体状态公式求解机械阀门内漏流量后，通过分析提取声学信号特征参数和内漏流量间的关系，得出试验结果。

1.3 机械阀门内漏流场声发射检测原理

机械阀门内漏流场会产生声学信号，通过选取声学信号的相关参数指标（如泄漏孔隙、公称直径、均方根、功率谱密度、声功率和频率峰值）作为评价标准，提取检测信号中可表示机械阀门内漏特征的信息，从而提高天然气管道机械阀门内漏检测效率。

选取声学信号均方根作为评价标准，假设声学信号内存在M个样本，即y[0]、y[1]、…、y[m-1]，则均方根E计算式如下：

E=

y[m-1]

×（1/M）（1）

声学信号的功率谱密度Q[k]也可表示天然气管道机械阀门内漏特征，其计算式为：

Q[k]=（H/M）×|Y[k]|

=（H/M）×

y[m-1]exp-2π

k （2）

其中，H为采样周期;Y[k]为声学信号的离散傅里叶变换;k为声学信号数量，0≤k≤M-1。

机械阀门内漏流场声学信号的声功率P与泄漏信号平均能量近似相等，其表达式如下：

P∝E（3）

内漏率O指数和均方根指数呈正相关关系，其关系式为：

lg E=d+blg O（4）

其中，b、d为系数。

频率峰值P表达式为：

P=max[Y[k]]（5）

2 试验及结果分析

2.1 声学特征参数和内漏信号关系

为了提高天然气管道机械阀门内漏检测精度，利用小波包方法对检测声学信号实施降噪处理，机械阀门内漏流场声学信号处理过程如图2所示。

分析图2可知，采用小波包方法对检测声学信号实施降噪处理后，可去除多余环境噪声，保留有价值的信号，为机械阀门内漏检测奠定了数据基础。

对降噪处理后的机械阀门内漏流场声学信号实施三层小波包分解，即将频率为120 kHz的信号划分为4个频带（分别为[3，1]、[3，2]、[3，6]、[3，7]），结果如图3所示。

针对声学信号功率谱密度在不同频带下的分布情况，在不同压力下利用小波包实施能量分析，结果如图4所示。可以看出，天然气管道机械阀门内漏流场声学信号能量主要集中在频带[3，2]和[3，6]中，即30～90 kHz之间，其中频带[3，6]的内漏信号最强。

2.2 声学特征参数和内漏流场流量关系

在不同压力（3、6、9 MPa）下，3种口径机械阀门在[3，6]频带中声学特征参数变化曲线如图5～7所示。

分析图5～7可知，在压力作用下，不同尺寸球阀阀门的声学特征参数（频率峰值、均方根）均与天然气管道机械阀门内漏流场流量成正比;当内漏流场流量上升时，阀门的声学特征参数也随之上升，压力越大，阀门的声学特征参数随内漏流场流量增加的变化越明显;这说明声学特征参数——频率峰值、均方根可作为天然气管道机械阀门内漏检测指标。

2.3 机械阀门泄漏孔隙对机械阀门内漏影响

在3种尺寸的机械球阀阀门密封圈上划出不同尺寸的小口，泄漏孔隙横截面积依次为DN 300球阀阀门>DN 200球阀阀门>DN 100球阀阀门。将机械球阀阀门重新安装在天然气管道上实

压力测试，得出不同机械阀门泄漏孔隙与内漏流场流量关系曲线如图8所示。可以看出，当压力一定时，泄漏孔隙越大，则泄漏流场流量越大;当泄漏孔隙最大时，随着压力升高，机械阀门内漏流场流量线性增大，天然气管道内漏流场流量最高达到32 L/min。

3种阀门在不同压力下的能量变化曲线如图9所示。可以看出，当天然气管道压力升高时，能量呈上升趋势且有轻微波动;当压力一定时，泄漏孔隙越大，则能量越高。

2.4 公称直径的声音特性分析

设置进口压力3 MPa，测试3种天然气管道球阀在不同开度下，下游管道同一待测点上，阀门

流量关系曲线

开启高度对内漏声音强度的影响如图10所。可以看出，3种阀门的开启高度-内漏声音强度曲线大体趋势相同，均呈现先升高再下降最后趋于平稳的趋势;当开启高度一定时，公称直径和内漏声音强度成反比关系，当开启高度为4.2 mm时，DN 300阀门的内漏声音强度最低，仅为11 dB。

3 结论

3.1 天然气管道机械阀门内漏流场声学信号能量主要集中在频带[3，2]和[3，6]，即30～90 kHz之间，其中[3，6]频带的内漏信号强度最强。

3.2 在相同压力下，对于不同规格的球阀阀门，其声学特征参数（频率峰值、均方根）均与天然气管道机械阀门内漏流场流量成正比，其中，均方根是最优秀的检测机械阀门内漏流场声学特性参数的指标。

3.3 泄漏孔隙尺寸与机械内漏流场流量、能量均成正比。

3.4 在开启高度相同时，公称直径和内漏声音强度成反比。

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（收稿日期：2022-12-15，修回日期：2024-04-29）