CN104034800B - 输送管道水力探测和运载流体管道状态评估方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种输送管道水力探测评估方法，包括步骤：步骤1：在沿着管道流动的管道流体中产生压力波；步骤2：检测压力波与管道局部变异相互作用后产生的交互信号，其中，交互信号为通过所述压力波与管道局部变异发生作用反射回来的压力信号，用来补偿由于管道流体产生的压力效应，交互信号的特征即交互信号幅度的改变；步骤3：通过接收到的交互信号的特征，确定压力波与局部管壁接触后的管壁状况；步骤4：基于交互信号，确定管道状况中管道局部变异的范围。本发明可应用于多种输送用途的管道中，并可用于包括金属管，陶瓷管和塑料管在内的各种材质的管道中，具有广泛的应用领域。

Description

输送管道水力探测和运载流体管道状态评估方法及***

技术领域

本发明涉及一种管道评估领域，尤其是应用于管道状态中局部变化的评估，具体涉及输送管道水力探测和运载流体管道状态评估方法及***。

背景技术

管网是供排水企业最主要的基础设施，管网的主要作用是输送或将分散的流体收集。管网还可进行石油和天然气的输送。根据不同的需求，这些管网可建在地上或埋于地下。当金属管道的保护衬里遭到破坏时，随着时间的变化，内部管壁会形成腐蚀，并导致滋生结核杆菌。金属管道外部也会发生腐蚀，管道上的金属生成腐蚀副产物并在管道表面形成凹坑。以水泥管为例，水泥管破损后，水泥浸出液会流入管道进入水体中。这些会导致管壁变薄，管道弹性强度损失等问题，这些问题会造成爆管风险的增加。

爆管问题的存在，尤其是对大容量的管道爆管，会对周围居民和环境造成重大影响。因此，公用事业单位需要花费大量的工作进行管道状态评估，并对出现问题的管道进行检测并修复。随着管网使用年限的增加，为保证管网运行安全可靠，对管网进行持续的维护很重要。

传统管道状态检测的方法有多种，其中应用最多的是侵入式检测方法，即从管道截口断面取样观察腐蚀程度，但是这种破坏式测试方法渐渐不被业内采用，主要是由于采样需要开挖管道，并且在采样后需要对管道进行后续的修复。另一种检测技术即闭路电视(CCTV)摄像技术，这种技术通常需要伸入到管道中，而且仅仅通过摄像对管壁状况进行视觉上的分类。其他非侵入式检测方法如超声波测量仪，在一个给定的测量位置，直接测定管壁厚度，这种方法取决于管道是在地上还是在地下。另外，超声波测量技术需要对某一区域管道位置进行预评估，而对于大片区域中离散分布的管道位置采用此种方法耗时费力。以上两种技术均只能探测到指定位置的管道信息，但是对管壁的破损情况不能准确的评估。

另一种无损检测技术即在管道的初始端发射声音信号，沿着管道在其下游的位置检测声信号，通过记录从管道发射端到检测端声波的平均传播速度，可推断出声波经过部分的管道状况。此过程具有非破损检测的优势，但是声波检测技术只能对测量区间的管道质量进行累计测量，不能对管壁发生破损的位置进行准确的定位。

在平均测量得到的结果中，其中有一大部分无需更换的管道会被替换掉，这是由于管壁破损情况分布不均，且管道在生产和安装过程中都会存在缺陷。公用事业单位在管网维护管理工作中，主要是发现并修补出现问题的管道区域，而不是将整根管道替换。

综上所述，本发明专利开发一种新的技术和方法，评估管道现状，并提高判断管道破损的准确度。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种管道状态评估***与方法，该评估方法主要包括沿管道方向产生压力波，并检测压力波与管道中出现局部变异的管道发生相互作用后的压力波交互信号，根据检测到的信号分析管道状况。该方法还包括根据压力波交互信号接收的时序确定管道发生局部变异的位置，根据接收的压力波交互信号特征确定管道发生变异的范围。

根据本发明提供的一种输送管道水力探测评估方法，包括如下步骤：

步骤1：在沿着管道流动的管道流体中产生压力波；

步骤2：检测压力波与管道局部变异相互作用后产生的交互信号，其中，交互信号为通过所述压力波与管道局部变异发生作用反射回来的压力信号，用来补偿由于管道流体产生的压力效应，交互信号的特征即交互信号幅度的改变；

步骤3：通过接收到的交互信号的特征，确定压力波与局部管壁接触后的管壁状况；

步骤4：基于交互信号，确定管道状况中管道局部变异的范围。

优选地，在所述步骤1中，具体地，沿管道在源位置改变管道压力和/或改变流体特征，其中，改变管道压力或改变流体特征包括在源位置排放流体和/或停止排放。

优选地，所述步骤3，具体包括如下步骤：

步骤3.1：发射瞬变压力波源；

步骤3.2：压力波与管道发生交互作用，并产生交互信号；

步骤3.3：接收交互信号；

步骤3.4：建立管道瞬变模型，解析压力波交互信号，确定管道状况。

优选地，其特征在于，对于指定的反射波，都有与其对应的交互信号，所述步骤4包括如下步骤：

步骤4.1＇：建立管段瞬变模型；

步骤4.2＇：接收管段局部变异后的交互信号；

步骤4.3＇：确定Joukowsky方程变量参数；

步骤4.4＇：计算并确定管段变异范围；

其中，瞬变模型是通过如下步骤建立的：

步骤i1：确定管道变异类型；

步骤i2：人工设定管道渗漏量；

步骤i3：确定压力波传播速度；

步骤i4：建立压力波管道传播统治方程；

步骤i5：瞬变模型校正。

优选地，通过如下步骤来提高交互信号的强度：

步骤A：减脉冲步骤，具体为：去除交互信号中脉冲部分结合瞬变波头；

步骤B：低通过滤步骤，具体为：利用低通带宽的过滤器将通过步骤A处理后的交互信号进行过滤，将收到的滤波信号进一步去除；

步骤C：加脉冲步骤，具体为：将步骤A处理前的交互信号的脉冲部分重新引入通过步骤B处理后的交互信号，并生成无趋势信号。

优选地，在步骤3中，通过补偿平均波速的变化可进一步精确管道变异的位置，其中平均波速的定义为：对不同时段压力波所对应的瞬时波速，通过对不同管段的压力波传播速度进行统计分析，得到在这一类型管道中传播的平均速度。

优选地，在步骤4中，包括如下步骤：

-把压力交互信号变化的大小转化为压力波局部波速的变化，具体为：

$\mathrm{\ΔH}=-\frac{a}{g}\mathrm{\ΔV}$ 式(1)

其中，ΔH为指定反射波压头变化，a为压力波在流体中沿管道的传播速度，g为重力加速度常数，ΔV为流速变化大小；

-将压力波局部波速变化与局部管壁厚度建立对应关系，具体为：

$a=\sqrt{\frac{K/\mathrm{\ρ}}{1+(K/E)(D/t)c}}---\left(2\right)$

其中，K为水的体积弹性模量，ρ为水的密度，E为管壁的弹性模量，t为管壁厚度，D为管道内径，c为管道约束因子，当管道为柔性接口时c＝1，当管道为刚性管道接口时c＝1-v²，v为泊松比，刚性管道接口即管道外壁安装带鞍型基座的焊接接口或水泥类密封材料，柔性接口为能承受一定量的轴向线变位和相对角变位的管道接口。

根据本发明提供的一种输送管道水力探测评估***，包括如下装置：

第一压力波产生装置，用于在沿着管道流动的管道流体中产生压力波；

第一交互信号检测装置，用于检测压力波与管道局部变异相互作用后产生的交互信号，其中，交互信号为通过所述压力波与管道局部变化发生作用反射回来的压力信号，用来补偿由于管道流体产生的压力效应，交互信号的特征即交互信号变化幅度的改变；

第一数据处理装置，用于通过接收到的交互信号的特征，确定压力波与局部管壁接触后的管壁状况，并基于交互信号，确定管道状况中管道局部变异的范围。

根据本发明提供的一种运载流体管道状态评估方法，包括如下步骤：

步骤1：沿着管道方向，在源位置产生压力波；

步骤2：在不同监测位置检测多个由压力波与管道局部变化相互作用后产生的交互信号，其中，交互信号为通过所述压力波与管道局部变异发生作用反射回来的压力信号，用来补偿由于管道流体产生的压力效应，交互信号的特征即交互信号变化幅度的改变；其中，检测位置包括源位置；

步骤3：通过交互信号时间确定管道中局部变化的位置；

步骤4：基于交互信号的特征判断管道局部变化的程度。

优选地，所述步骤3包括如下步骤：

步骤301：确定压力波在管道中的传播速度；

步骤302：记录压力波发射和接收时间差；

步骤303：基于速度时间公式计算管道局部变化的距离；

步骤304：计算管道局部变化位置相对于压力波源的位置。

优选地，发射压力波与管道局部变化发生相互作用后，产生压力波交互信号，该交互信号对管道局部变化程度(如管壁厚度，管道内衬腐蚀情况等)均有对应的交互信号强度，基于此反射信号强度特征确定管道局部变化大小。

根据本发明提供的一种运载流体管道状态评估方法评估***，包括如下装置：

第二压力波产生装置，用于沿着管道方向，在源位置产生压力波；

第二交互信号检测装置，用于在不同监测位置检测多个由压力波与管道局部变化相互作用后产生的交互信号，其中，交互信号为通过所述压力波与管道局部变异发生作用反射回来的压力信号，用来补偿由于管道流体产生的压力效应，交互信号的特征即交互信号变化幅度的改变；其中，检测位置包括源位置；

第二数据处理装置，通过交互信号时间确定管道中局部变化的位置，并基于交互信号的特征判断管道局部变化的程度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明可应用于多种输送用途的管道中，并可用于包括金属管，陶瓷管和塑料管在内的各种材质的管道中，具有广泛的应用领域。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为管道状态评估工作流程；

图2为管道待评估截面图；

图3为压力波交互信号曲线；

图4为不同程度破损的管道截面的对比示意图其中，t_s表示管壁无腐蚀厚度；

图5为压力波交互信号去趋势化流程；

图6为压力波交互信号中去趋势过程；

图7为管道中平均波速效应对压力波交互信号的影响；

图8为管道中压力波源与测量点纵向图；

图9为不同测量点对应的波速曲线；

图10为压力波源G点两侧R1和L1测量压力波交互信号；

图11为瞬变模型确定管道变异范围流程；

图12为瞬变模型分析管段压力波交互信号变化；

图13为瞬变模型全局搜索步骤预测波速变化；

图14为模拟平均波速及管壁厚度变化；

图15为管段实测和基于全局搜索预测的压力信号比较；

图16为不同测量点实测结果与模拟结果比较；

图17为SCE和超声技术对管壁厚度测量结果比较；

图18为第一测量点压力波交互信号叠加结果；

图19为第二测量点压力波交互信号叠加结果。

图中：

200为管道；

210为外壁；

220为内衬。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

针对目前管道状况评估中通用技术存在的问题，本发明提供一种以瞬变模型为基础的管道状态评估方法，其评估流程如图1所示：

该工作流程可应用于城市用水及农业灌溉等长距离供水管道的状态评估中，其管道截面图2所示。图2所示的为一段典型的低碳钢水泥砂浆内衬管道200，其外壁210由低碳钢组成，内衬220由水泥砂浆组成。图示管道外径为762mm，内径D＝727.5mm，壁厚t＝17.25mm。管道内衬恶化从220开始，并逐渐加深，最终会影响到管道的使用寿命。

产生压力 根据图1所示的流程，通过压力发生器在管道200中产生压力波，在管道消火栓位置迅速打开并关闭闸门，此时沿着管道的水流会逐渐停止，水沿管道流向逐渐停止的过程等同于压力波形成的瞬变波头沿管道传播的过程。在关闭消火栓并形成瞬变波头之前，先排放大约5000L的水，使管道中形成稳定的水流。本发明中，通过在消火栓下游安装定制的压力发生器来关闭侧边排放的水流。排放出来的水可用于城市绿化用水或者可以储存水的地方。

压力发生装置包括与阀门直径相当的法兰盘、球阀、扭簧装置及一个调节排放量大小的喷嘴(直径在25～50mm之间)，排放的水通过直径100mm的PVC管道连接至水池，PVC排放管安装多重反向底阀用以减轻来自主管道的负压。PVC管上同时安装两个叶轮流量计用于检测排放流量。

为获得某一区域详细的压力波交互信号，在地上管道两个冲刷阀之间需要生成一组压力波，而地下管道仅能通过消火栓进行连接(城市管道尤其如此)。此时压力发生器主要是由球阀、扭簧装置、喷嘴反向底阀及流量计组成。

检测压力 主要是针对管道中压力波与多个管道局部变异发生相互作用并产生的压力波交互信号的检测。本发明中，压力检测器主要由转换装置和记录装置组成。通常情况下，根据实地情况将测量点选在消火栓位置并引入压力传感器。压力波检测器、笔记本电脑及数据记录单元同步到GPS装置和其他测量点中，每一个测量点都配置压力记录***，管道瞬变频率2000～10000Hz，引发瞬变时间为4～6分钟，每个测量点的仪器设置时间大概为10分钟。管道局部变异，包括：管壁弹性模量的变化、管壁厚度的变化、管道横截面积的变化。

在本发明领域内，还有一些广泛应用的压力检测装置，如以文丘里效应和水听器为基础的压力计。另外，压力计还可以实现在线监测，通过远程控制进行压力数据记录。图3是压力波交互信号曲线，图中以压头(m)对时间的方程表示，压力波交互信号300由三段不同曲线组成，310段为初始无变化部分，这段区域压力基本是恒定的。320段压力突然跳转，主要是管道中形成压力波。330段压力迅速变化，主要是压力波遇到管道中局部变异形成反射波，如管壁破损等。

确定位置 管道局部变异位置的确定通过图3中330段压力波交互信号的时间分析。本例中，管道中平均波速的确定是基于假设管壁厚度不变，根据确定的波速，管道变异的位置可通过压力改变到达峰值的时间确定。

确定范围 管道中变异范围可通过Joukowsky方程确定，Joukowsky方程表述如下：

$\mathrm{\ΔH}=-\frac{a}{g}\mathrm{\ΔV}---\left(1\right)$

式(1)中，a为压力波在流体中沿管道传播速度，g为重力加速度常数，ΔH为指定反射波压头变化，ΔV为流速变化大小。

ΔV可通过流量计确定，或根据排放口口径大小进行计算，管道中压力波传播速度a可通过下列公式计算：

$a=\sqrt{\frac{K/\mathrm{\ρ}}{1+(K/E)(D/t)c}}---\left(2\right)$

式(2)中，K为水的体积弹性模量，ρ为水的密度，E为管壁的弹性模量，t为管壁厚度，D为管道内径，c为管道约束因子，当管道为柔性接口时c＝1，当管道为全制约管道时c＝1-v²，v为泊松比，全制约管道即管道外壁安装带鞍型基座的包含焊接或螺栓法兰接头。

通过上式可确定管道中的压力波传播速度a，图3压力交互信号曲线中压降的计算可确定管壁厚度及管道内径。对于水泥砂浆内衬的管道，管壁厚度可通过水泥砂浆和金属管道弹性模量比值转化为同等厚度的金属管壁。

管道中不同程度的损坏对压力波传播速度a及管壁厚度的影响可通过图4进行观测，(a)为没有水泥砂浆内衬，(b)为1mm厚的腐蚀，(c)为2mm厚的腐蚀，(d)为3mm厚的腐蚀,t_s为无腐蚀厚度。不同腐蚀程度的内径及对应的波速列于表1：

表1 不同程度破损对应的管道数据

管道破损程度及破损位置可根据以上提供的压力波交互信号数据获得。

在上述描述的流体中，压力波的产生同时会引起压力效应补偿问题。有些情况下，在产生压力波之前管道中还未形成静态或稳态流，这主要是为了保证将排出的水全部收集。因此，压力波的产生导致流体压力的长期震荡并引起总体压力的上下起伏取决于测定的反射波信号。

在这种情况下，通过消除这些趋势的过程来提高压力波交互信号强度，其分析流程如图5所示。

减脉冲 压力波交互信号中脉冲部分结合瞬变波头首先被去除。低通过滤 低通带宽的过滤器将接收到的信号过滤，将收到的滤波信号进一步去除。加脉冲 压力波交互信号的脉冲部分重新被引入，并生成无趋势信号。图6是图3中330段无趋势压力波交互信号段，此段信号可用于分析管道中发生局部变异的范围。

对于单个测量位置，管道中平均波速变化范围很大，通过补偿平均波速的变化可进一步精确管道变异的位置。

图7表示不同平均波速对压力波交互信号的影响，710段为初始位置测定的信号，720段为空间上与初始位置分离的压力波交互信号。从图7可以看出，相对于初始压力波，压力波交互信号结构变化范围较大。这种结构性的变化可用于确定初始位置和测量位置之间的平均波速。在这种情况下，可测量和源位置相关的初始脉冲，其长度约为7ms。待波头到达测量点时，脉冲可分散成50ms的长度。图中750段时间差异对应初始压力波交互信号710段及第二压力波交互信号720段，750段和740段分别对应最小及最大波速，通过730段的时间差异计算出平均波速。该平均波速可应用于修正测量的压力波交互信号，并进一步精确定位管道破损位置。

图8描述的是管道纵向测量图，图中G点为压力波源，测量点R1，R2，R3和L1，L2，L3分别位于压力波源的右侧和左侧。

图中，管道200不一定是一条直线型的管道，其物理特征也可不相同，可以是由多个管道节点连接成的管道，管材、管道走向等均不受限制。图9是根据图8中管道测量点处不同波速曲线。

在多个测量点存在的情况下，由压力波源位置发射的压力波会向两个方向传播。因此，在G点位置两侧存在的管壁变异情况均可被检测到。如前所示，管道中的平均波速可能会受到测量区域内的管道总体状态变化，因此会导致压力波交互信号随时间偏移。

图10展示了压力波源位置G两侧的测量点R1和L1压力波交互信号变化，R1位于G点的上游，L1位于G点下游。

如前所述，平均波速的变化可用于确定管段，平均波速可由初始压力波脉冲波形确定，初始压力波交互信号可基于假设的管段流速信号修改，假设速度发生变化直到获得第二段压力波交互信号。对于一个给定的管段，平均波速可用于补偿由时间偏移引起的测量压力波交互信号，此时间偏移将会导致压力波交互信号的向前或向后偏移，并使不同测量位置的信号能联系起来。

回到图1中确定范围步骤，管道变异范围可通过瞬变模型确定，管道中瞬变流可依据基本非稳态连续性动量方程计算：

$\frac{\∂H}{\∂t}+\frac{a^2}{\mathrm{gA}}\frac{\∂Q}{\∂x}=0---\left(3\right)$

$\frac{\∂H}{\∂x}+\frac{1}{\mathrm{gA}}\frac{\∂Q}{\∂t}+h_f=0---\left(4\right)$

上式中忽略对流加速度及斜率项，式中：

H-压头(m)

Q-流量(m³/s)

t-时间坐标

x-空间坐标

a-压力波在流体中沿管道传播速度

A-管道内截面积(m²)

g-重力加速度常数

·-偏微分计算符号

上式(4)中计算层流和湍流摩擦系数h_f可通过式(5)计算：

$h_f=\frac{\mathrm{fQ}\left|Q\right|}{{2\mathrm{gDA}}^2}+\frac{16v\mathrm{}}{{\mathrm{gD}}^{2}A}(\frac{\∂Q}{\∂t}*W)\left(t\right)---\left(5\right)$

式中：

D-管径

W-层流，光滑管道湍流或粗糙管道湍流非稳态摩擦权重方程

f-准稳态摩擦因子

v-运动粘度

准稳态和非稳态摩擦可分别通过上述方程(5)计算，非稳态摩擦可根据非稳态摩擦权重方程中代入到瞬变事件中的流量计算。

在本例中，使用高效递归逼近算法计算非稳态湍流摩擦，上述方程(3)和(4)可通过特征线法解偏微分方程：

$[H(x,t)-H(x-\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt})]+\frac{a}{\mathrm{gA}}[Q(x,t)-Q(x-\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt})]+a{\mathrm{\Δth}}_f=0---\left(6\right)$

$h_f=\frac{\mathrm{fQ}(x,t)\left|Q(x-\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt})\right|}{{2\mathrm{gDA}}^2}---\left(7\right)$

式中：

Δx-空间离散程度

Δt-时间离散

H(x,t)-t时刻管道位置x处的压头m

H(x-Δx,t-Δt)-时间反向离散Δt，空间位置反向离散Δx时的压头m,

Q(x,t)-t时刻管道位置x处的流量(m³/s)

Q(x-Δx,t-Δt)-时间离散Δt，空间位置离散Δx时流量(m³/s)

$[H(x,t)-H(x+\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt})]-\frac{a}{\mathrm{gA}}[Q(x,t)-Q(x+\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt})]-a{\mathrm{\Δth}}_f=0---\left(8\right)$

$h_f=\frac{\mathrm{fQ}(x,t)\left|Q(x+\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt})\right|}{{2\mathrm{gDA}}^2}---\left(9\right)$

式中：

H(x+Δx,t-Δt)-空间正向离散，时间反向离散的压头，m

Q(x+Δx,t-Δt)-空间正向离散，时间反向离散的流量，m³/s

方程(6)和(8)为C⁺和C^-协调方程，通过方程变形和简化可解出压头H的值。

$\begin{array}{c}H{(x,t)}^{+}=[H(x-\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt})+\frac{a}{\mathrm{gA}}Q(x-\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt})]\\ -[\frac{a}{\mathrm{gA}}+\frac{f}{{2\mathrm{gDA}}^2}\mathrm{a\Δt}|Q(x-\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt}|]{Q(x,t)}^{+}\end{array}---\left(10\right)$

其中，·⁺表示正向协调性方程；

上式(10)可简化为

H(x,t)⁺＝C⁺-B⁺Q(x,t)⁺ (11)

式中C⁺表示代数式 $[H(x-\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt})+\frac{a}{\mathrm{gA}}Q(x-\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt})],$ B⁺表示代数式

$[\frac{a}{\mathrm{gA}}+\frac{f}{{2\mathrm{gDA}}^2}\mathrm{a\Δt}|Q(x-\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt}|];$

$\begin{array}{c}H{(x,t)}^{-}=[H(x+\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt})-\frac{a}{\mathrm{gA}}Q(x+\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt})]\\ +[\frac{a}{\mathrm{gA}}+\frac{f}{{2\mathrm{gDA}}^2}\mathrm{a\Δt}|Q(x+\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt}|]{Q(x,t)}^{-}\end{array}---\left(12\right)$

其中，·^-表示逆向协调性方程；

上式(12)可简化为：

H(x,t)^-＝C^-+B^-Q(x,t)^- (13)

C^-和表示代数式 $[H(x+\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt})-\frac{a}{\mathrm{gA}}Q(x+\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt})],$ B^-表示代数式 $[\frac{a}{\mathrm{gA}}+\frac{f}{{2\mathrm{gDA}}^2}\mathrm{a\Δt}|Q(x+\mathrm{\Δx},t-\mathrm{\Δt}|],$ a/gA可表示为管道的阻抗B。

通过对上述方程的求解，可以看出在方程的众多参数中，管道阻抗B正比于压力波在流体中沿管道传播速度a，反比于管道横截面积。对于标准几何结构的管道，管道截面积变化不大，而管壁厚度及管道弹性的变化影响较大。以本例中的管道为例，水泥内衬的脱落会导致一定比例的管壁变薄及弹性模量损失，而一旦管内壁直接暴露在水中，腐蚀会逐渐加剧并导致管壁厚度减小。

管壁受损的直接结果即管道传播的波速速度降低，管道横截面积会增加，因此管道阻抗B会降低。如此一来，管壁厚度及管道内衬的变化会导致管道压力的变化，并对反射回去的瞬变信号发生改变，通过确定反射信号发生改变的位置即可确定管道变异的位置。

基于协调性方程建立瞬变模型，采用管道长度为5m，时间步长为0.0049261s的管道，管道物理几何性质包括管道理论直径、材料弹性模量、伯松比率、流体密度及本体模量，通过测量点稳态压力测量确定管道水力边界条件。瞬变模型建立后，对这5m长的管道进行反复的试错实验，确定预测的压力波交互信号，并和之前测定的交互信号比较。瞬变模型同时考虑与感应压力波相关的水力特性，并基于测量或推断的压力与流量确定。

选定的管道中波速的变化同时还包括了管壁厚度、弹性、管道内径及沿管道长度方向的截面积的变化。这些变化同时导致管道阻抗B发生变化，并影响预测的压力反射信号。之后，管道上测量点(G，L1，R1)预测的和实测的压力波反射信号经过对波速的多次试错实验进行比较，这种方法不受之前描述的测量点之间平均波速的影响。

在另一个应用实例中，管道发生变异的范围可通过基于全瞬变模型的全局搜索步骤进行。图11表示的是本发明中另一种确定管道变异范围的流程。

首先是建立初始瞬变模型，在本例中，初始瞬变模型的建立基于一段长2000m的管道，管道被分成400段长度为5m的管段，这些管段的参数根据所需的精细程度和计算能力发生变化。如果只需对最近的100m范围内的管道变异情况进行测定，在不影响最低计算能力的情况下，管道长度尽可能的取短。

初始瞬变模型建立在管道物理特征及流体流量基础之上，并作为初始方案的优化过程。在另一应用实施过程中，初始瞬变模型的建立包括依据管道变异情况初始估计的预处理过程。管道状况初始估计包括但不限于以下几个方面：

测量点之间通过脉冲波形分析或其他形式确定的波速预估

多相关时间偏移压力信号

使用Joukowsky压力公式导出初始波速与位置的函数关系

基于试错法得到的初始瞬变模型

使用上述提到的预处理方法可得到沿管道方向有用的波速(管壁厚度)信息，并可降低建立瞬变模型的计算时间。对于上述2000m的管道，划分成400×5m的管道后，采用预处理方法，可降低至150×5m的管道长度。初始分析表明对于5m长的管道，根据反射的最大压力信号计算的波速为800m/s。

图12为选定的一段5m长的管段上压力波交互信号分布情况，根据压力信号分布判断管道发生变异的位置。预处理过程的准确度可采用更接近的测量区间或者用150×5m管段区间长度。

初始瞬变模型主要是用于生成预测的压力波交互信号并和实测的压力波交互信号进行比较，比较过程得到预测与实测信号差异，差异大小通过观测信号与模拟信号总平方差的最小二乘法确定。总平方差可简化为全局搜索优化过程中目标函数与最低目标函数之间的差异。如果模拟与实测差异小于某一设定值或达到最低值，那么该相关瞬变模型即可确定为方案瞬变模型；如果模拟与实测差异大于某一设定值，则进行模型修改并重新进行信号分析。以上描述的方法被认定为反向瞬变模型分析方法，其对于不同管段管道变异产生的压力波交互信号均可进行处理。

在本发明中，遗传算法(GA)和群体复合形进化算法(SCE)均被用于对瞬变模型的修改过程，在这种情况下，瞬变模型中每一管段都有不同的波速，通过全局搜索步骤确定一组波速能同时减小测量压力波交互信号差异，并确定修改后的瞬变模型。

通过遗传算法搜索过程，对收集的反射信号进行处理。第一遗传算法分析过程(GA1)其遗传算法参数设置如下表2所示，初始波速为915m/s，波速变化范围800-1000m/s，第二遗传算法分析过程(GA2)采样相同的遗传参数设置，初始波速为915m/s，波速变化范围700-1100m/s。GA1和GA2模拟分析时间大约花费24小时。

表2 遗传算法参数设置

采用群体复合形进化算法(SCE)分析过程参数列于表3，初始波速为915m/s，波速变化范围700-1100m/s，计算时间需要168小时。

表3 群体复合形进化算法参数设置

图13是150个管段中各管段波速预测值变化趋势，从图中可以看出，GA1和GA2算法得到的结果比SCE算法结果变化更显著，主要是由于GA算法和SCE算法参数设置的差异，另一个原因即遗传算法持续时间较短。

GA2算法的得到的偏差明显比GA1大，其主要是因为GA2限定的波速范围比GA1大，以SCE算法得到的波速相对稳定，且和平均波速相差不大。分析结果比较发现SCE算法对管道波速预测的方法较可靠。

基于以上分析，分别以SCE方法和平均计算结果方法对150个管段波速和对应的管壁厚度进行瞬变模型分析，结果如图14所示。

从图14中可清楚的看出，波速范围限定在700-1100m/s时，管壁厚度范围变化在2-9mm之间，图中得到的管壁厚度是以SCE步骤通过获得模拟的波速范围得到的。

通过SCE分析管壁厚度与模拟波速的对应关系后，分别以GA1，GA2和SCE方法模拟的压力波交互信号与实测的压力波交互信号进行比较，得到结果如图15所示。

从图中可以看出，GA2和SCE过程模拟结果相似，但比GA1过程略有不同。图中正向和反向压力反射信号可通过全局搜索方法实现瞬变模型全模拟，GA2和SCE模拟结果与实测压力反射信号符合较好。

图16结果表明在另一测量点采用同样的模拟过程，同样能得到类似的模拟结果，且模拟结果与实测能较好的匹配。

图17所示结果为采用SCE步骤(1910段)对2km长的管道厚度进行评估，并与超声检测(1920段)结果进行比较，通过图中1930段可反映对应不同管段的平均波速变化。

与逆向瞬变分析方法相比，图中与管段对应的平均波速信息(1930段)提供的信息量较少。例如，图中桩号15280-15700m之间对应的管段区间内平均波速较低，通过超声检测技术可明显确定这段管道的破损情况，但是不能对这段管道破损情况进行定量分析，逆向瞬变分析可准确地得到管段发生局部变异的位置信息。

通过对应的测量点时间偏移压力波交互信号结果的叠加，可获得逆向瞬变分析更进一步的确认结果。图18和图19所示的压力波交互信号是对图17结果的叠加，图18中实测管壁厚度减小，时间偏移信号及桩号15280-15700m之间的逆向瞬变分析结果差异明显，图19更进一步证实了这三中结果之间的变化关系。

综上所述，本发明专利提供一套***的技术和方法，主要用于管道状态中局部变化的检测，与传统的检测技术相比(CCTV，超声检测)，该项技术发明不需要进行详细的管道检测，在本发明的各项具体实例中，可通过划分管段将发生局部变化的管段进行隔离，并通过不同算法得到的结果进行比较。

本发明中“瞬变”可理解为管道中一种产生压力波的方式，瞬变类似于管道中的“水锤现象”，无论是“瞬变”，声测或者其他形式的压力波，其发生原理都是相似的。

本发明技术不仅可应用于输水及配水管道，还可用于其他形式的压力流管道，如污水管道，石油管道及输送气体管道。本发明技术可应用但不限于以下类型的管道：

-金属管道如铸铁管，低碳钢管，球墨铸铁管及不锈钢管等

-陶瓷管如钢精混凝土管，水泥管或玻璃体粘土管

-塑料管如PVC管，HDPE管，玻璃纤维增强塑料管及ABS管道等

另外，本发明还可应用于以上两种或两种以上材料混合形成的管壁。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种输送管道水力探测评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在沿着管道流动的管道流体中产生压力波；

步骤2：检测压力波与管道局部变异相互作用后产生的交互信号，其中，交互信号为通过所述压力波与管道局部变异发生作用反射回来的压力信号，用来补偿由于管道流体产生的压力效应，交互信号的特征即交互信号幅度的改变；

步骤3：通过接收到的交互信号的特征，确定压力波与局部管壁接触后的管壁状况；

步骤4：基于交互信号，确定管道状况中管道局部变异的范围；

所述步骤3，具体包括如下步骤：

步骤3.1：发射瞬变压力波；

步骤3.2：压力波与管道发生交互作用，并产生交互信号；

步骤3.3：接收交互信号；

步骤3.4：建立管道瞬变模型，解析压力波交互信号，确定管道状况；

对于指定的反射波，都有与其对应的交互信号，所述步骤4包括如下步骤：

步骤4.1＇：建立管段瞬变模型；

步骤4.2＇：接收管段局部变异后的交互信号；

步骤4.3＇：确定Joukowsky方程变量参数；

步骤4.4＇：计算并确定管段变异范围；

其中，瞬变模型是通过如下步骤建立的：

步骤i1：确定管道变异类型；

步骤i2：人工设定管道渗漏量；

步骤i3：确定压力波传播速度；

步骤i4：建立压力波管道传播统治方程；

步骤i5：瞬变模型校正；

在步骤4中，包括如下步骤：

-把压力交互信号变化的大小转化为压力波局部波速的变化，具体为：

其中，ΔH为指定反射波压头变化，a为压力波在流体中沿管道的传播速度，g为重力加速度常数，ΔV为流速变化大小；

-将压力波局部波速变化与局部管壁厚度建立对应关系，具体为：

$a=\sqrt{\frac{K/\mathrm{\ρ}}{1+(K/E)(D/t)c}}---\left(2\right)$

其中，K为水的体积弹性模量，ρ为水的密度，E为管壁的弹性模量，t为管壁厚度，D为管道内径，c为管道约束因子，当管道为柔性接口时c＝1，当管道为刚性管道接口时c＝1-v²，v为泊松比，刚性管道接口即管道外壁安装带鞍型基座的焊接接口或水泥类密封材料，柔性接口为能承受一定量的轴向线变位和相对角变位的管道接口；瞬变模型中每一管段都有不同的波速，通过全局搜索步骤确定一组波速能同时减小测量压力波交互信号差异，并确定修改后的瞬变模型。

2.根据权利要求1所述的输送管道水力探测评估方法，其特征在于，在所述步骤1中，具体地，沿管道在源位置改变管道压力和/或改变流体特征，其中，改变管道压力或改变流体特征包括在源位置排放流体和/或停止排放。

3.根据权利要求1所述的输送管道水力探测评估方法，其特征在于，通过如下步骤来提高交互信号的强度：

步骤A：减脉冲步骤，具体为：去除交互信号中脉冲部分结合瞬变波头；

步骤B：低通过滤步骤，具体为：利用低通带宽的过滤器将通过步骤A处理后的交互信号进行过滤，将收到的滤波信号进一步去除；

步骤C：加脉冲步骤，具体为：将步骤A处理前的交互信号的脉冲部分重新引入通过步骤B处理后的交互信号，并生成无趋势信号。

4.根据权利要求1所述的输送管道水力探测评估方法，其特征在于，在步骤3中，通过补偿平均波速的变化可进一步精确管道变异的位置，其中平均波速的定义为：对不同时段压力波所对应的瞬时波速，通过对不同管段的压力波传播速度进行统计分析，得到在这一类型管道中传播的平均速度。