基于音波法的输气管道泄漏检测与定位

为研究输气管道音波法泄漏检测技术的基本原理和应用方法,从而为音波法泄漏检测技术在输气管道上的推广使用提供理论和实践基础,首先根据现场实验工况建立仿真模拟模型,对泄漏音波产生机理进行分析与验证;其次根据仿真模拟结果完成现场实验,并对现场实验数据进行了时频联合分析,包括短时傅里叶变换、小波变换、Hilbert-Huang变换和广义S变换,提取可用于远距离传播的音波信号特征;然后应用可远距离传播的信号特征,对长距离输气管道的泄漏进行检测,取得了较好的效果;最后采用提取的音波特征量进行泄漏定位,定位精度高.研究结果表明,通过信号处理得到泄漏音波信号特征可以用于长距离输气管道泄漏检测.     

基于希尔伯特黄变换的输气管道泄漏音波时频特性分析

为获得有效直观的音波特征量,采用基于希尔伯特-黄变换的时频分析方法对输气管道泄漏音波能量分布清晰刻画。通过搭建实验管道获得泄漏信号,并对该信号进行经验模态分解(EMD)获得有限数量的固有模态函数(IMF),对IMF进行希尔伯特变换求解瞬时频率,获得信号的时频谱、边际谱;对实验所得泄漏信号进行希尔伯特黄变换,获得信号时频谱;据所得时频谱分析泄漏音波信号特性,获得有效音波特征量。结果表明,希尔伯特黄变换能清晰刻画音波信号的时频域特性,通过希尔伯特黄变换可获得输气管道泄漏音波信号的有效特征量,从而为泄漏检测技术提供支持,进而为输气管道音波法泄漏检测技术应用奠定基础。     

障碍物条件下的甲烷水平喷射火燃烧特性研究

为探究障碍物条件下甲烷水平喷射火的燃烧特性,搭建了实验装置,从障碍物高度、宽度以及与喷射源距离三个方面进行室内实验。研究结果表明:障碍物的存在能够有效影响火焰的传播;随着障碍物的高度增加,火焰内部局部扰流加强,火焰沿轴线方向的传播速度随之降低;随着障碍物的宽度增加,火焰高度先减小后增大,火焰面积变化不大;随着障碍物与喷射源间距增大,火焰高度先增大后减小,火焰面积不断增大。研究还发现,火焰中心的最高温度基本位于火焰长度的40%～70%位置处,故障碍物位置应设在距离喷射源轴线位置的火焰长度40%～50%处以达到最佳的抑制火焰效果。研究结果能够为以障碍物来控制甲烷水平喷射火危害范围的应用提供理论指导。     

水下输气管道泄漏扩散特性模拟研究

建立了水下输气管道泄漏三维CFD数值模型，同时基于积分模型建立了预测数学模型，研究了不同泄漏速率和水深下气体在水体中扩散的速度、羽流半径以及上升到水面时形成泉涌高度的变化规律，并利用实验验证了两种模型的准确性，两种模型可以准确地模拟羽流特征参数的变化。结果表明：水下天然气管道泄漏扩散经历了初始阶段、充分发展阶段和表面流动阶段三个阶段，在气泡羽流上升过程中伴随着卷吸和紊动沸腾现象；羽流的径向速度近似呈高斯分布并且随着径向距离的增加逐渐降低；羽流的轴向速度随着水深的增加而降低，且在接近泄漏孔口的位置，轴线上羽流的速度急速衰减；随着气泡羽流紊动的发展，羽流半径逐渐向两侧发展并且随着水深近似呈线性增长。     

甲烷爆炸对建筑物内外压力场分布的影响

天然气泄漏导致的预混爆炸，会严重威胁周围人员的生命及财产安全，因此掌握气体预混爆炸在建筑物周围产生压力场的分布至关重要。基于Fluent软件，建立了适用于甲烷无约束爆炸超压的计算模型，并通过实验数据对其修正，结果表明：在化学计量浓度下参与燃烧爆炸的预混气体体积约为总体积的1/3，即当量体积。在此基础上建立了适用于甲烷约束爆炸的仿真模型，分析了建筑物高度和宽度对建筑周围压力场的影响，并进一步研究了气体爆炸对建筑物内部压力场分布的影响。结果表明，在建筑物不失效前提下，背对爆炸源一侧中上部为较安全区域，在紧急爆炸事故中，盲目的向下逃生，反而容易受到爆炸超压的强烈冲击。     

压扁阻断对聚乙烯燃气管道力学性能的影响

压扁阻断是基于聚乙烯(PE)管道良好的韧性而设计的专用管线施工及抢险维修技术，近年来得到了广泛的应用。但是不规范的压扁阻断会引起PE管道损伤，缩短其使用寿命，严重影响燃气管网的安全运行。为了创建安全高效的压扁阻断工艺流程、保证PE燃气管道的安全运行，采用实验室试验与有限元模拟相结合的方法，探究了压扁阻断对PE管道力学性能的影响规律，重点分析了挤压速度、管壁压缩率、挤压棒尺寸、管道和挤压棒之间摩擦系数等对管道最大应力和塑性应变的影响情况。研究结果表明：①压扁阻断后的PE管道耳朵处的弹性模量和屈服应力仅为初始值的17%和72%；②管道最大载荷、最大应力和最大塑性应变随挤压速度、管壁压缩率的增大而增大；③减小挤压棒尺寸虽然会降低最大挤压载荷，但却能明显增大管道最大应力和塑性应变；④降低管道和挤压棒之间的摩擦系数有利于减小管道最大应力和塑性应变。结论认为，压扁阻断会引起PE管道力学性能的衰退，建议给压扁阻断后的PE管道尤其是耳朵处施加必要的防护措施；同时，增大挤压工具尺寸、减小管道和挤压棒之间的摩擦系数，可以减小管道应力和塑性应变，有利于PE管道的安全运行。     

纯氢与掺氢天然气节流特性及节流系数预测新方法

依托天然气管道掺氢输送,可实现氢能的高效经济储运,天然气节流作为关键环节,掺氢将极大改变节流特性,从而影响管道安全运行。为此,采用数值模拟方法研究了纯氢与掺氢天然气节流特性,并在天然气节流系数经验公式的基础上,建立了三段式节流系数预测新方法。研究结果表明：(1)纯氢节流特性与以甲烷为主的天然气节流明显不同,纯氢表现为节流负效应;(2)不同掺氢比时,节流正负效应转变压力不同,天然气中掺氢不超过30%时,对混合气体节流效应转变压力影响较小,但氢浓度更高时,节流效应转变压力随之降低,直至氢浓度80%～92%左右时,气体此后均表现为节流负效应;(3)节流阀门开度随氢浓度增加而增加,以流量波动时阀门调节范围为限制,天然气掺氢浓度不宜超过30%;(3)天然气节流系数经验公式仅适用于氢浓度不超过30%的掺氢天然气,在此基础上修正,得到以氢气为主混合气的节流特性预测公式,根据掺氢比提出以0～30%、30%～80%、80%～100%的三阶段公式,可很好地估算纯氢与掺氢天然气节流特性及系数。结论认为,该研究成果可为纯氢与掺氢甲烷混合气体节流系数的估算提供依据,为氢气安全储运提供技术指导。     

小波分析与FCM在输气管泄漏监测中的应用研究

选择输气管道泄漏、压缩机和旁通的若干信号为样本,筛选能有效反映不同工况样本特征的几个特征量组成多维特征向量并作为FCM聚类的输入,计算聚类中心。结果表明:自相关函数最大值、小波谱、小波熵、平均幅值作为特征量能较好地反映输气管不同运行工况音波信号的特征,FCM聚类能较好地区分泄漏工况与正常操作工况的运行模式。     

埋地输气管道泄漏特性实验研究

为给埋地输气管道发生泄漏事故的后果分析提供边界条件，采用自行设计的环道装置，以空气作为实验介质，在不同土壤埋深（0~60 cm）、泄漏孔径（1~4 mm）和泄漏压力（10~50 kPa）条件下进行埋地管道气体泄漏实验，研究不同条件下气体泄漏量、动态压力、泄漏点前压力降的变化规律。对实验数据进行拟合，得到泄漏量与土壤埋深、泄漏孔径、泄漏压力的定量关系式，泄漏量与动态压力幅值的定量关系式，泄漏量与泄漏点前压力降的定量关系式。将计算结果与架空管道气体泄漏量计算的理论模型做对比，通过引入系数 \alpha ，得出适用于小孔泄漏（d ≤ 20 mm）、亚音速流动（P≤ 90 kPa）条件下埋地输气管道泄漏量预测的定量关系式。     

掺氢天然气环境下管道钢氢脆行为研究进展

为推动我国掺氢天然气管道的发展,综述了目前含氢气环境下管道钢氢脆的研究成果,总结了温度、压力、掺氢比等运行条件对钢材氢脆的影响,分析了钢材强度、微观组织、氢陷阱等材料性质与管道钢氢脆行为之间的联系,归纳了预防和抑制管道钢氢脆行为的方法。笔者认为,当前亟待解决的科学技术问题包括进一步探究掺氢天然气管道环境下不同运行条件对管道钢氢脆行为的影响规律;确定掺氢天然气管道的安全运行温度、压力、掺氢比等关键参数;建立不同服役条件下掺氢天然气管道输送的安全评价方法,完善掺氢天然气管道与现役管道相容性评价体系;形成掺氢天然气管道的设计规范和相关标准;开展气体抑制剂和阻氢涂层等抗氢脆方法的评价。