埋地天然气管道泄漏振动信号传播特性研究

李 俊 张家瑞 范斌斌 马 天 王 振 翟小伟

(1.西安科技大学安全科学与工程学院 2.陕西省煤火灾害防治重点实验室 3.中石化安全工程研究院有限公司)

0 引 言

当今社会，化石能源仍在世界能源分布利用中占主导地位，天然气作为其中的一种低碳能源，发挥着越来越重要的作用。随着天然气管道数量的增多和使用时间的延长，再加上天然气管道在运行过程中也会受到外界复杂地理环境的影响，导致管道不可避免地出现了一些严重的问题，比如老化磨损、打孔盗油气、管道占压、地质灾害等。这些都会对管道造成损伤，甚至发生泄漏事故。天然气泄漏一般较为隐蔽，不易察觉，没有液体泄漏那么明显直观。而且天然气管道一旦发生泄漏事故，造成的危害不仅有巨大的经济损失，更为严重的是由于天然气易燃、易爆的特点会对当地人民群众的生命构成威胁。

因此，对天然气管道泄漏的监测显得尤为重要。实时监测管道是否泄漏并对泄漏位置准确定位，可以有效保障天然气管道的安全运行。现有的天然气管道检测技术主要有负压波法、音波法、瞬态模型法[1-3]、光纤干涉环技术、偏振光时域反射技术、相位光时域反射技术和阵列式光纤光栅振动传感技术[4-6]等。与地表管道泄漏不同，埋地管道泄漏监测和及时识别地下空间泄漏的难度更大。光纤监测法是近些年来研究的热门，如采用分布式光纤测温监测技术，天然气泄漏会引起土壤温度变化，传感光纤通过监测管道附近温度变化实现泄漏的识别，只有当光纤位于管道上方100 mm处才可以检测到温度变化，探测到气体泄漏，而位于200 mm或更远处的光纤则很难探测到土壤温度的变化[7]。分布式光纤测温技术对于小孔径泄漏监测不到，并且温度变化会在土壤迅速衰减，导致误报率比较高，无法了解现场实际管道泄漏情况。另外，分布式光纤声传感技术[8]也可用于监测天然气管道泄漏，通过监测空气中天然气管道泄漏引起的振动，达到对管道泄漏识别的目的。分布式声传感系统监测空气中泄漏引起的音频信号，在土壤中衰减大，不适合埋地管道泄漏监测。

当天然气管道泄漏时，气体冲击管道周围的土壤，产生土壤振动。通过对振动信号分析，可以有效地识别泄漏位置。气体与泄漏孔壁之间的摩擦力会在管壁上激发应力波，使管道发生振动。同时，一些振动波会穿过土壤。笔者以多孔介质中声传播理论和加速度传感器测振动技术为核心[9]，借助ABAQUS有限元数值模拟和现场试验相结合的方法，建立真实的埋地天然气管道泄漏模型，对埋地天然气管道泄漏振动信号在土壤中的传播特性进行系统研究；通过对埋地天然气管道在不同泄漏压力、不同泄漏孔径产生的泄漏振动信号，在不同种类土壤中的传播特性进行定量分析。了解天然气管道泄漏振动信号在土壤中的传播特性，可以确定泄漏信号在不同土壤类型和地形条件下的传播距离、传播速度等参数，从而更好地预测和评估泄漏事件的危险程度，采取相应措施保障人员和环境的安全；同时，研究泄漏振动信号传播的路径、衰减规律等，以期为天然气管道泄漏检测传感器的敷设提供指导和建议，提高管道泄漏的检测精度和灵敏度，减少误报和漏报的情况，提高天然气管道系统的安全性和可靠性。

1 理论模型

由于天然气管道是埋入地下的，振动信号通过土壤传递到加速度传感器，振动信号在通过土壤传递的过程中会造成信号的衰减，所以需要了解土壤特性对振动信号衰减的影响。

通过对天然气泄漏荷载下振动随距离衰减的规律进行试验研究，测试了传播距离为1 m中10个距离位置的信号幅值。分析了测试场地同一泄漏孔径、不同泄漏压力下，传播不同距离信号幅值随传播距离的变化特征。近似认为天然气泄漏载荷下的振动能量主要为瑞利波能量，并据此将实测结果与经典的弹性半空间瑞利波的分布规律进行对比[10]。

天然气泄漏传给土壤的能量由体波和瑞利波联合传播。将2种波迭加起来，可得距波源中心r处自由地面振幅为：

(1)

建立了以天然气泄漏为振源的振动信号衰减公式，将式(1)的振幅改写为加速度形式[11-12]：

(2)

与振动波源半径有关的系数ξo如表1所示；与土壤种类有关的衰减系数βt，如表2所示[11-12]。

表1 系数ξoTable 1 Coefficient ξo

表2 土壤衰减系数βtTable 2 Soil attenuation coefficient βt

2 数值模型

通过ABAQUS软件对天然气管道泄漏进行仿真模拟，对式(2)进行验证。首先，创建一个与现场试验环境相似的二维模型，其参数为：密度1.5 g/cm3，弹性模型35 GPa，泊松比0.3，瑞利阻尼0.628 3；设置分析步、边界条件和载荷与模型之间相互作用，通过模拟作业得到可视化结果。

在ABAQUS有限元分析中，土壤的本构仍选取弹性模型，土壤模型尺寸为1.0 m×1.5 m×0.5 m，使用ABAQUS内置的各向同性弹性模型，土壤阻尼为瑞利阻尼[13]。

土壤边界效应会在一定的程度上影响振动信号传播的响应结果，因为波在土壤中传播，会在边界反射或衍射[14]。因此，为了模拟实际情况，四周可以选取无限元；也可以扩大土壤的模型，使得土壤边界条件对振动信号响应结果基本没影响。在这种情况下，边界条件设置为上、下均为完全固定。

划分网格后即可以进行计算。同时，建设以11个点的集合，在可视化模块观测计算以11个点为集合的结果，可以得到每一个单元节点的加速度云图。如果需要分析任意以单元节点的加速度，可以从结果中直接导出。

可视化模块在有限元分析中也扮演着重要的角色，可在该模块对分析结果的正确性进行初步判断，导出合适的数据能增加基础响应分析的工作效率。图1所示为模拟泄漏压力为1.5 、2.5 、3.5 MPa下，圆形泄漏孔径2 mm，传播方向正对泄漏口的有限元仿真结果加速度云图。图1中网格红色部分是施加加速度载荷位置，模拟振动信号沿X轴传播，即气体泄漏方向，颜色越深加速度数值越小。

图1 2 mm孔径在不同压力下可视化加速度云图Fig.1 Visual acceleration nephogram for leakage at aperture of 2 mm and different pressures

通过ABAQUS仿真泄漏压力为3.5 MPa，泄漏孔径为2 mm，传播方向正对泄漏口，振动信号在砾石、粗砂、黏土(干)、中砂和黏土(湿)中传播特性，结果如图2所示。图2中，g为重力加速度。

由图2可知，在施加相同载荷情况下，改变土壤密度，振动信号在土壤中传播过程中衰减幅值也有所变化，即土壤密度变小，振动信号在土壤中传播衰减幅值也减小，反之亦然。相比其他种类土壤，在湿黏土中振动信号传播衰减幅值较小。

仿真同一土壤类型，泄漏压力为3.5 MPa，泄漏孔孔径分别为2、4及6 mm，传播方向正对泄漏口，结果如图3所示。

由图3可知：天然气管道泄漏在泄漏孔附近产生的瞬间加速度与泄漏孔径大小呈正相关，与沿管道泄漏孔正对方向传播距离呈负相关；不同泄漏孔径振动信号在土壤中传播规律一致，传播距离到1 m后，振动信号峰值加速度值基本相同。

图2 2 mm孔径下振动信号在不同种类土壤传播特性Fig.2 Propagation characteristics of vibration signals in different types of soils at a leakage aperture of 2 mm

3 现场试验

试验地点在中石化青岛华山试验基地，土壤类别为淤泥质黏土，系数ξo与土壤衰减系数βt分别取值为0.95、1.55×10-3s/m。用压缩空气模拟天然气泄漏，试验过程中分别模拟1.5、2.5及3.5 MPa泄漏压力下天然气泄漏振动。由于现场条件有限，仅测试了泄漏孔径为2、4及6 mm，传播方向正对泄漏口的情况。采用加速度传感器采集模拟埋地管道气体泄漏造成的土壤振动信号，分析信号特性。试验测试设备为上海澄科MCC1608G的DAQ数据采集设备，IEPE加速度传感器[15]，恒流适配器，50 m、220 V供电设施，笔记本计算机，加速度监控分析软件一套。其中加速度传感器型号为CT1010LC，此传感器是将电荷放大电路集成内置在压电传感器内，采用二线制形式(导线屏蔽层为地，芯线是恒流电源入与信号输出共用)，具有抗干扰好，使用方便，信噪比高等优点。为模拟集输管道现场工况下泄漏振动信号特征，设计了集输管道泄漏模拟试验装置，如图4所示。装置主要由压缩空气钢瓶、储气罐、试验管线组成。压缩空气钢瓶用于提供试验用压缩空气，储气钢瓶设计压力9.5 MPa、体积2 m3，试验管线采用直径200 mm钢制管道。管线长度为5 m，埋地深度1 m，管线一端封闭一个长度为20 cm的密闭空腔，用于连接进气气路及模拟泄漏孔。

图4 模拟埋地管道气体泄漏过程试验实物图及结构图Fig.4 Physical and structural diagrams for simulating gas leakage of buried gas pipeline

泄漏口直径采用2、4和6 mm，泄漏方向正对泄漏口。泄漏压力采用1.5、2.5、3.5 MPa来模拟不同泄漏压力对土壤振动的影响。试验过程中，不锈钢管的口直接正对传感器。图5为打开阀门后，传感器测量得到的泄漏信号时域图。图5展示了在10 kHz采样频率下，压缩空气钢瓶的连续泄漏产生的振动信号。

图5 典型的泄漏信号时域图Fig.5 Time domain diagram of typical leakage signal

4 数据分析

通过现场采集泄漏时的振动信号，泄漏孔径为2、4、6 mm，泄漏压力为1.5、2.5、3.5 MPa，在泄漏点正对方向[16-17]布置点式加速度传感器采集振动信号信号幅值，分别采集正对泄漏点0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9及1.0 m处的信号幅值。同时通过有限元分析，模拟现场试验4种泄漏压力下泄漏振动信号在土壤中的传播情况，将有限元数据提取出来，以理论值作为参考。

当泄漏孔径为2 mm，泄漏压力分别为1.5、2.5、3.5 MPa时，有限元模拟振动信号传播和现场振动信号在土壤中传播时衰减特性基本符合(见图6)，振动信号的衰减曲线符合式(2)的指数衰减。从图6可以看出，泄漏压力为1.5、2.5、3.5 MPa，圆形泄漏孔径2 mm，振动信号在土壤中传播0.5 m后信号幅值分别为0.06g、0.15g、0.22g，可知现场试验振动信号幅值在0.5 m之前衰减幅值较大，传播距离越远，曲线越趋近于平滑。

图6 孔径2 mm泄漏孔在不同泄漏压力下振动信号传播曲线Fig.6 Vibration signal propagation curves for leakage at aperture of 2 mm and different pressures

孔径为4、6 mm泄漏孔在不同泄漏压力下振动信号传播曲线如图7、图8所示。由图7和图8可知：当泄漏孔径为4、6 mm时，在3种不同泄漏压力下，有限元模拟和现场试验数据曲线基本符合，与2 mm孔径衰减特性一致；孔径为4、6 mm时，振动信号在土壤中传播0.5 m时，信号衰减幅值较大，振动信号在土壤中传播1 m后，曲线同样趋近于平滑。

图7 孔径4 mm泄漏孔在不同泄漏压力下振动信号传播曲线Fig.7 Vibration signal propagation curves for leakage at aperture of 4 mm and different pressures

图8 孔径6 mm泄漏孔在不同泄漏压力下振动信号传播曲线Fig.8 Vibration signal propagation curves for leakage at aperture of 6 mm and different pressures

不同泄漏压力下振动信号传播到同一距离处的信号幅值如图9所示。由图9可知：泄漏孔径为2 mm时，泄漏压力越大，振动信号在土壤中从0.1 m传播到0.3 m时的衰减幅值越大；振动信号在传播距离0.1～0.3 m之间能量损失比较严重。

图9 不同泄漏压力下振动信号传播到同一距离处的信号幅值Fig.9 Amplitude of vibration signals propagating to a same distance at different leakage pressures

通过现场采集的不同泄漏压力下的试验数据得出如图10所示的拟合曲线。拟合出的衰减公式为：

y=(1.373±0.010 01)×e-x/(0.186 95±0.002 02)+

(0.058 82±0.002 05)

(3)

图10 拟合曲线及拟合残差Fig.10 Fitting curve and fitting residual

推算出在泄漏孔径为2 mm，泄漏压力为1.5 MPa下，产生的泄漏信号传播1 m左右时振动信号趋于稳定，而传感器位置超过1 m或者更远时很难检测到振动信号。由图10b可知，各点均匀分布在残差为0的线上下方，呈现出近似正态分布的特点，符合正常拟合公式的特征。残差的方差在各自的响应变量范围内基本保持稳定，样本数据拟合较好。

5 结 论

(1)天然气管道泄漏瞬间产生明显的振动波，有限元仿真与现场试验结果符合较好。泄漏压力不变时，泄漏口产生的振动信号幅值与泄漏孔径的大小呈正相关，振动信号幅值在土壤中沿泄漏口正对方向传播呈现指数衰减。

(2)同一孔径，管道压力越大，泄漏产生的振动信号幅值越大。不同泄漏压力下振动信号在土壤中传播，振动信号幅值在传播了0.5 m之前衰减幅值较大。通过对比不同土壤质量密度下振动信号传播特性得出，土壤质量密度变小，振动信号在土壤中传播衰减幅值也减小，反之亦然。

(3)在沿埋地天然气管道泄漏监测过程中，掌握泄漏气体对土壤的压力导致振动信号在土壤中的传播特性，可为同类型埋地中振动信号检测的传感器敷设规划提供参考。