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发布时间：2021-12-25 14:35所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要：根据埋地燃气管道泄漏实时监测的特点与要求，设计了基于声波技术检测埋地管道泄漏的实验平台，并将其应用于课程教学中。实验平台测试得出不同泄露工况下，声波信号的时域幅值、主频等特征指标，为基于声波手段的埋地燃气管道泄露检测工作提供了可靠的基础数据支
摘要：根据埋地燃气管道泄漏实时监测的特点与要求，设计了基于声波技术检测埋地管道泄漏的实验平台，并将其应用于课程教学中。实验平台测试得出不同泄露工况下，声波信号的时域幅值、主频等特征指标，为基于声波手段的埋地燃气管道泄露检测工作提供了可靠的基础数据支撑。该平台明显提升了学生对燃气泄漏检测原理及方法的掌握程度，锻炼了学生的创新思维和创新能力。
关键词：埋地管道;泄漏检测;实验平台;声波
随着城镇燃气设施建设的迅速发展，燃气管线铺设范围不断扩大，城市管网系统逐渐趋于复杂[1]。由于部分管线服役年限较长，受自然因素腐蚀[2]或人为因素破坏[3]等，管道微泄漏(孔径小于20mm)[4]事故频繁发生，为燃气管网的安全运行带来了重大隐患。基于声波信号的埋地燃气管道泄漏检测技术，由于实时性好、成本较低和易于实现的特点，得到了广泛的应用。
文献[5]研究了数据采集与信号处理系统，证明了声学方法可以应用于管道泄漏的检测，特别是天然气管道泄漏检测。文献[6]研究了油气管道泄漏声波信号中的次声波频段(0~20Hz)的传播规律，并基于次声波信号进行泄漏定位。文献[7]通过埋地输气管道的泄漏声波测试实验，发现管道泄漏的声波信号分布在0~400kHz的频率范围内。
文献[8]提出了一种“由区域到精确”的多级框架地下管道泄漏定位方法，通过实地验证得出当传感器距离在10~33m之间变化时，可以获得较高的泄漏定位精度。基于声波信号的管道泄漏检测技术具有较好的前瞻性和应用价值[9]。传统燃气泄漏平台的教学中，由于气体是无色透明的，学生难以直接观察燃气泄漏形态[10-11]，导致学生对气体的扩散行为及泄漏初期的浓度场等内容理解不透彻[12]。
根据泄漏气体会改变泄漏孔上方土壤结构，导致土壤形态发生变化的特性，建立了二维可视化埋地燃气管道泄漏实验系统，将成熟的燃气泄漏科研成果转化为教学案例[13]，不仅丰富了教学内容，而且充分发挥了教师科研对教学的促进作用，提高了学生创新思维与创新能力。埋地燃气管道泄漏声波检测实验平台，基于MATLAB的图像与声波信号处理技术，可开展不同气压、埋土深度、泄漏孔径等条件下的燃气泄漏实验，通过实验可得到燃气泄漏产生声波的传播规律，了解声波检测系统的基本构成，掌握声波法泄漏检测基本原理、声波检测系统的操作方法，进而加深学生对声波检测技术在工程应用中的认识和理解。
1实验平台及教学设计
1.1设计要求
实验平台的设计应尽可能接近埋地燃气管道泄漏的实际状况，并可以演示不同泄漏工况下的气体扩散行为及声波特征，以加深学生从多角度对燃气泄漏过程的认知，实验设计中需注意以下几点。
(1)二维可视化板状模型中，孔径、管径以及模型之间的尺寸关系应符合实际工况[14-15]。
(2)参考国家标准《城镇燃气设计规范》，考虑到室内相似物理模型实验的可操作性，确定管道埋深。
(3)参考城镇建设行业标准《城镇燃气输配工程施工及验收规范》，回填土应分层夯实，管道两侧及管顶以上500mm内回填土必须采用人工夯实，每层虚铺厚度必须小于200mm，标准中规定，回填土压实后，图中的区和II区部位的压实度不应小于90%。
(4)根据实测室外土壤参数分层控制土壤的含水率与密度，不同含水率的土壤密度控制，应严格按照质量与体积关系确定。
(5)声波与图像数据要与实验过程同步保存，记录实验过程的微弱现象变化，捕捉典型数据。
1.2实验平台设计
实验平台分为实验主体和监测系统两部分，实验主体主要包括二维可视化有机玻璃箱体(尺寸为90cm×25cm×110cm)、管道、气源。实验监测系统主要包括高精度数据采集仪、数码相机等。
实验管道选用镀锌钢管，管长为500mm，内径为20mm。管道的一端通过高压软管连接储气罐，另一端进行封闭处理，在管道中间位置安装孔径为2mm的泄漏孔用来模拟泄漏源。实验时，通过调节减压阀控制压力，压力表的压差范围为0~1.6MPa，精度为0.01MPa。实验气体主要使用压缩空气，选择便捷式无刷变频空压机作为持续供气源，其供气压力为0.2~0.6MPa。
同时，为了避免因用气量不平衡而造成气压波动，配置专用安全储气罐稳定系统压力。为研究土壤中不同传播距离的声波时域幅值特征，在土壤埋深为60cm的条件下，在土壤表层沿管道方向布置传感器阵列，选择1#、2#、3#、4#、5#传感器在不同位置处测试得到的声波信号进行分析。
利用该实验平台开展埋地管道气体泄漏实验，土壤含水率可以设置为0~20%，泄漏气体压力可以设置为0.2~0.6MPa。该实验平台也可开展实践类教学，平台不仅可以设置不同气体压力、土壤性质、传播距离等多种工况的泄漏实验，而且可以选择声波信号的时域幅值、主频以及频带能量等多个特征指标来表征不同的泄漏工况。
1.3实验教学设计
基于声波的埋地燃气管道泄漏检测实验需要位学生协同操作：位学生负责组装箱体并完成填土，位学生负责布置传感器、采集数据并记录参数，位学生负责管控阀门模拟泄漏，位学生负责实验数据处理分析。教学过程如下。
(1)实验前，向学生介绍实验平台、相关设备及实验安全教育。
(2)讲解模拟埋地燃气管道泄漏检测的整个实验具体操作过程、声波检测基本原理、实验现象及数据分析处理方法等。
(3)指导学生分组开展实验，对学生在实验过程的操作、数据采集系统的参数设置操作进行指导。以燃气管道泄漏模拟实验为例，实验流程如下：①组装实验箱体;②将安装有泄漏孔的实验管道通过镀锌钢管与储气罐连接，并将管道一端球阀关闭，然后将管道放入箱体指定位置，使泄漏孔方向朝上;③分层填装土样，实验过程中每放置10cm土壤使用7.5kg的金属夯，从200mm的受控高度落下，共10次夯锤，将土壤压实，应注意在上层土壤填入前对下层土壤刮毛，逐层填至60cm并保持土壤颗粒分布均匀贴合紧密。
④土壤装填完毕后，在土壤表面每隔10cm放置个频响范围为0.5Hz~8kHz的加速度传感器，然后通过BNC线与数据采集仪主机相连;⑤打开LED补光灯，将数码相机镜头对焦至以泄漏孔为中心的区域，设置采集仪的采样频率为51.2kHz，测试前检查传感器是否正常，调整减压阀到指定压力后，打开球阀，开始实验，实验过程中保持无噪声干扰，同时记录实 验现象变化，当实验维持某一现象10min不变时，即可关闭球阀，停止实验;⑥每次实验前需要重新组装箱体，重新填土，保证每次实验的独立性。
2实验结果及教学应用
2.1实验现象
用MATLAB软件对数码相机采集的泄漏过程图像进行灰度化、去噪、灰度变换处理，强化图像所反映的土壤表面特征，得到气体运移规律。根据所提取的图像信息可知，在泄漏发生的初期，气体进入土壤颗粒之间，在土壤内部瞬间形成气体流动通道，土壤因气体的不断流动与填充而变的较为松散，同时部分土壤颗粒会通过土壤内部通道被带出，导致泄露孔上方会产生小孔洞和少量微裂隙。随着泄漏的持续，土壤内部气体的流失速度远远小于气体的填充速度，气体与土壤颗粒之间的碰撞愈发激烈，随着泄漏通道的延伸扩展，土壤颗粒被大量带出，土壤的受扰区域逐渐变大。
2.2声波响应规律
埋地燃气管道泄漏过程中，土壤颗粒与气体耦合产生不同频率、幅值、能量特征的声波。选择声波信号的时域幅值、主频等特征指标表征不同的泄漏工况，对燃气管道微泄漏的精确探测以及泄漏事故的预防工作具有重要指导意义。针对传播距离这一变量，对埋地燃气管道微泄漏实验结果进行分析，找出传播距离与声波时频特征的关系。
2.2.1时域幅值
由于声强和声功率通常不容易直接测量，需根据测量到的声压转换，因此实验采用测量声压来表示声音的强度，即时域幅值。泄漏声波信号时域幅值的变化，在一定程度上反映了气体与土壤相互作用的阶段变化。以含水率10%，压力0.2MPa的泄漏工况为例，实验测得不同传播距离处的声波时域波形，可以看出不同距离处的泄漏声波波形基本一致，但时域幅值表现出明显差异。根据—5#不同距离处声波传感器的时域最大幅值，可知随着传播距离的增加，时域幅值逐渐降低 。
虽然5#比1#传感器距离泄漏源的距离仅大0.11m，但时域幅值却从0.6m·s2降低至0.05m·s2，降低了91%。声波在土壤中传播时，其强度随传播距离的增加会逐渐减弱。声波的衰减一般分为种主要类型：吸收衰减、散射衰减和扩散衰减[16]。前两类衰减取决于传播介质的特性，而后一类则是声源特性引起的。本实验中由土壤含水率引起的声波衰减系数变化即为吸收与散射衰减导致，由气体压力大小引起的声波衰减系数变化即为扩散衰减导致。
2.2.2主频特征
时域信号在经过傅立叶变换分解后，变成多个单一频率正弦信号的叠加，因此可以把一个时域信号变换以频率成分表示的结构形式，即频域变换，将频域变换以直角坐标形式表示即可得到相应频谱图。以土壤含水率为0%，气体压力为0.3MPa工况为例，由不同距离处的传感器的所采集的声波信号，不同距离检测的泄漏声波主频(峰值频率)。
1#传感器位于泄漏孔的正上方，与泄漏声源距离最近，因此1#传感器的主频较大，并且存在1.5kHz的高频分量。随着传播距离的增加，1.5kHz的高频分量在传播0.04m的距离之后消失，虽然此处声波主频为170Hz，但是仍存在122Hz的次主频，并且在此距离处的低频分量显著增加。随着传播距离的进一步增大，声波主频持续降低，在5#传感器位置处(距离为0.72m)，主频降至90Hz。
2.3应用效果
平台在课程实践教学过程中，能够生动形象地让学生学习并掌握埋地燃气管道泄漏时的声波特征及其时频规律，学习泄漏检测等知识点，为学生在“安全检测与监控技术”课程中涉及的可燃气体泄漏监测传感器的布局优化提供具体思路，同时也对安全科学与工程相关课程中分析和理解可燃气体非均匀燃爆火焰及超压特征具有指导意义。在学生掌握了一定的泄漏检测知识之后，可以根据教学质量效果进一步开展气体泄漏基础定位教学工作。在埋地管道上表面不同距离处放置至少两个声波传感器。气体泄漏时，产生的弹性波沿着管道和土壤传播，并由前置放大器放大。然后，根据不同距离处声波信号的振幅差，采用一维定位模型确定泄漏源的大致区域。
最后，通过互相关分析进行后续信号分析，精确定位泄漏源[8]。这一系列教学工作的开展，不仅拓展了学生的视野，培养了学生的兴趣爱好，更充分发挥了本平台的最大应用价值。 结语为满足实验教学要求，根据埋地燃气管道泄漏实时监测的特点与要求，研制了一种燃气管道泄漏声波检测实验教学平台，并以泄漏过程中的声波特征及其演变规律为例应用于课程教学中。详细介绍了实验平台的主体结构、监测方法、测试原理和数据分析等，并借助该平台进行了0.2~0.6MPa压力状态下燃气泄漏测试对比实验。该实验平台可满足多种条件下的燃气泄漏测试。实验教学平台不仅提升了学生对相关知识点的掌握程度，而且还培养了学生解决实际问题的能力。
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作者：马衍坤，钟庆，赵敖寒
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《埋地燃气管道泄漏声波检测实验平台及教学应用》