给水管道及其漏失监测装置的制作方法

本发明属于给水管网技术领域，具体涉及一种给水管道漏失监测装置及配置有该给水管道漏失监测装置的给水管道。

背景技术

我国给水管网漏失率一直居高不下，近几年我国主要城市供水管网平均漏失率约为18％，因城市供水管网漏失导致的年损失水量超过60亿m³。

给水管道漏失修复的方法主要有开挖修复和非开挖修复两类，这两种方法均属于被动修复方法，耗时长、对路面影响大，并且是在已经确定漏失位置的基础上展开的，而给水管道漏点定位是一项耗时耗力的工作。目前常用的管道漏失检测技术存在定位精度低、干扰因素难以去除等缺陷，各地水司普遍采用的给水管网检漏方法是人工听漏法，检漏仪器包括电子听漏仪、听音棒等，使用上述仪器探测漏点不仅效率低，无法适应城市庞大的供水管网体系，而且即使能找到漏失位置，从发生漏失到找到漏点一般也要数周甚至数月的时间，在此期间漏点一直在泄漏，这不但造成了很大的浪费，也会对周围道路基础产生冲刷，影响路基安全性。

技术实现要素：

本发明实施例涉及一种给水管道漏失监测装置及配置有该给水管道漏失监测装置的给水管道，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本发明实施例涉及一种给水管道漏失监测装置，包括环形外护管件，所述外护管件具有可套装在给水管道上的内环开口安装端以及与所述内环开口安装端连通的漏失监测内腔，于所述漏失监测内腔中设有吸水膨胀橡胶以及嵌置于所述吸水膨胀橡胶内的分布式光纤，所述分布式光纤两端分别穿出所述外护管件。

作为实施例之一，所述吸水膨胀橡胶的最大膨胀体积大于所述漏失监测内腔的体积。

作为实施例之一，所述吸水膨胀橡胶为硫化型膨胀橡胶。

作为实施例之一，所述外护管件包括两个半环管体，两所述半环管体拼接固定并围设形成所述漏失监测内腔。

作为实施例之一，两所述半环管体拼接处夹设有硅胶垫。

作为实施例之一，所述分布式光纤套设有柔性护套，且其位于所述外护管件之外的光纤段还套设有刚性护套，所述刚性护套套设于所述柔性护套之外。

作为实施例之一，所述分布式光纤在所述外护管件上的穿设处密封处理。

本发明实施例涉及一种给水管道，包括管道本体，所述管道本体的至少部分管段上设有如上所述的给水管道漏失监测装置，所述外护管件套装于对应位置处的管段上。

作为实施例之一，至少于所述管道本体的连接部位处套装有所述外护管件。

作为实施例之一，所述管道本体内布置有多个监测组，各所述监测组沿所述管道本体不同充满度位置依次布置，每个上述监测组包括至少一条分布式监测光纤，各所述分布式监测光纤均沿所述管道本体轴向设置于所述管道本体内壁上，各所述分布式监测光纤均连接有光源发生装置和数据采集装置，所述数据采集装置连接有数据处理中心。

本发明实施例至少具有如下有益效果：

本发明提供的给水管道漏失监测装置，可安装在给水管道上，当给水管道发生漏失时，外护管件的漏失监测内腔中迅速充水，吸水膨胀橡胶吸水膨胀后挤压嵌装于其内部的分布式光纤，使分布式光纤产生较大的应变，进而使光纤中的入射光在应变发生位置产生波长异于其余正常位置的后向瑞利散射光，位于监控中心的分布式光纤解调仪能识别异常的后向瑞利散射，并根据光在光纤中的传播时间以及传播速度确定漏失发生的位置，起到漏失报警与定位的作用。相较于传统的给水管道人工检漏方法，本实施例提供的给水管道漏失监测装置能实现对给水管道的自动实时漏失监测，其结构简单，监测灵敏度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例一提供的给水管道漏失监测装置的横剖结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的给水管道漏失监测装置的纵剖结构示意图；

图3为本发明实施例三提供的一种基于ofdr分布式光纤的给水管道在线监测系统的整体结构示意图；

图4为本发明实施例三提供的分布式光纤组件的布置结构图；

图5为图2的局部放大图；

图6为本发明实施例三提供的分布式温度补偿光纤的截面示意图；

图7为本发明实施例三提供的分布式光纤组件的布置结构的纵断面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1和图2，本发明实施例提供一种给水管道漏失监测装置，包括环形外护管件200，所述外护管件200具有可套装在给水管道100上的内环开口安装端以及与所述内环开口安装端连通的漏失监测内腔，于所述漏失监测内腔中设有吸水膨胀橡胶300以及嵌置于所述吸水膨胀橡胶300内的分布式光纤400，所述分布式光纤400两端分别穿出所述外护管件200。一般地，给水管道100为圆形管道，上述的外护管件200对应优选为圆环形管件，且其内环直径与给水管道100外壁直径大致相同，以保证其内环开口安装端贴靠装夹在给水管道100上。作为优选的方案，上述外护管件200包括两个半环管体，两所述半环管体拼接固定并围设形成所述漏失监测内腔；进一步优选地，如图1，该两个半环管体上分别设有耳板201，两个半环管体的耳板201贴合并通过螺栓固定在一起，即该外护管件200呈抱箍式结构，两个半环管体拼接后抱紧给水管道100，一方面保证该外护管件200固定结构的稳定性，可以承受吸水膨胀橡胶300膨胀时产生的压力，另一方面，尽量减小该外护管件200与给水管道100之间的装配间隙，提高密封性。上述外护管件200即包括环形的外环板和两块环形的壁板，两壁板优选为是平板状板体，分别连接在外环板的左右两端且用于与给水管道100连接，两壁板与外环板围成的槽腔即构成上述的漏失监测内腔，槽底即为外护管件200外环板的内板面。上述的吸水膨胀橡胶300优选为固定在上述外环板的内板面上。上述外环板、壁板等均具有一定厚度，优选为在3～8mm范围内。

进一步优选地，两半环管体拼接处夹设有硅胶垫，以保证二者拼接后构成的外护管件200的密封性。另外，分布式光纤400在外护管件200上的穿设处密封处理，本实施例中，优选为通过环氧树脂密封并将分布式光纤400固定在外护管件200上。

本实施例提供的给水管道漏失监测装置，可安装在给水管道100上，当给水管道100发生漏失时，外护管件200的漏失监测内腔中迅速充水，吸水膨胀橡胶300吸水膨胀后挤压嵌装于其内部的分布式光纤400，使分布式光纤400产生较大的应变，进而使光纤中的入射光在应变发生位置产生波长异于其余正常位置的后向瑞利散射光，位于监控中心的分布式光纤400解调仪能识别异常的后向瑞利散射，并根据光在光纤中的传播时间以及传播速度确定漏失发生的位置，起到漏失报警与定位的作用。相较于传统的给水管道100人工检漏方法，本实施例提供的给水管道漏失监测装置能实现对给水管道100的自动实时漏失监测，其结构简单，监测灵敏度高。

优选地，上述分布式光纤400采用ofdr(光频域反射)分布式光纤400，其既是传感元件，也是信号传输元件，可监测对象总数较多、信号传输距离较远，可实现25～35km范围内沿程无限个测点的漏失监测，因而能很好地适应市政给水管网监测点分布范围广、数量多的特点。具体地，可采用一根分布式光纤400串接所有的漏失监测测点，该分布式光纤400入口端连接光发射器及分布式光纤400解调仪，根据该分布式光纤400解调仪识别后向瑞利散射光，根据接受的后向瑞利散射光的时间即可判断漏失发生的位置；当然，也可以采用多根分布式光纤400并联的结构，无论是一根分布式光纤400串联各漏失监测测点还是多根分布式光纤400并联，都能构成在线监测网，保证对市政给水管网的有效监控。

优选地，所述分布式光纤400套设有柔性护套，且其位于所述外护管件200之外的光纤段还套设有刚性护套，所述刚性护套套设于所述柔性护套之外。通过柔性护套及刚性护套可以较好地保护分布式光纤400，可减少外界扰动对光纤的干扰，而在外护管件200内仅包覆柔性护套，保证其在吸水膨胀橡胶300的作用下能够发生变形。

作为优选地实施例，上述吸水膨胀橡胶300的最大膨胀体积大于所述漏失监测内腔的体积，从而吸水膨胀橡胶300在完全膨胀后能够紧贴在给水管道100外壁上并对给水管道100外壁产生较大压力，起到临时性自主修复的作用，泄漏发生8～10h后泄漏量可降低50％，30h后泄漏量可降低90％，50h后泄漏量可降低95％以上(以上数据是在有压流体为自来水，压力0.35mpa条件下测得)。所述吸水膨胀橡胶300优选为采用硫化型膨胀橡胶300，成本低廉，膨胀效果较好；进一步优选地，该硫化型膨胀橡胶300由氯丁橡胶(cr322)与交联型聚丙烯酸钠(paana，吸水倍率高于400)经物理共混后制得，两种原料对人体无毒副作用，在长时间浸水条件下无溶解物析出，因此不会对输配水管网中的水产生污染，并且其抗压强度为4mpa、撕裂强度为3.5mpa，而市政供水管网的压力一般在0.3～0.6mpa之间，远低于膨胀橡胶300的抗压强度。

实施例二

本发明实施例提供一种给水管道，包括管道本体100，所述管道本体100的至少部分管段上设有上述实施例一所提供的给水管道漏失监测装置，所述外护管件200套装于对应位置处的管段上。该给水管道漏失监测装置的具体结构此处不作赘述。本实施例中，优选为将给水管道漏失监测装置预装在管道接口等薄弱位置，如法兰接口、承插接口、焊接接口、螺纹接口等位置。如图2示出了将上述给水管道漏失监测装置安装在给水管道100法兰接口处的示意图，上述外护管件200将连接法兰包围在内，上述吸水膨胀橡胶300与连接法兰之间具有一定的间距，以控制在10～20mm为佳。在上述外护管件200与管道本体100之间的连接位置处密封处理，如在二者接触处夹设硅胶垫。

实施例三

如图3所示，本发明实施例提供一种基于ofdr分布式光纤的给水管道在线监测系统，可配置在上述实施例二所提供的给水管道上，其包括依次连接的分布式光纤组件500、光源发生装置600、数据采集装置700以及数据处理中心900，所述光源发生装置600用于向分布式光纤组件500发射激光以及接收分布式光纤组件500传回的散射光，可采用一台宽带线性扫频光源和一台迈克尔逊干涉仪来实现，所述数据采集装置700用于对分布式光纤组件500传回的光纤监测信号进行采集，可采用光电探测器来实现，所述光电探测器采集分布式光纤组件500传回的光信号，将光信号转换成电信号，并通过信号无线传输器800传递给数据处理中心900，所述数据处理中心900包括终端计算机以及配套的数据处理软件，用于根据接收的分布式光纤组件500的监测值进行分析，获取给水管道100的各项监测参数。如图4和图7所示，所述分布式光纤组件500包括设置于给水管道100内部不同充满度位置的多个监测组，本实施中，所述监测组具有三个，包括分别设置于给水管道100充满度0.85、0.5以及0.15位置处的第一监测组501、第二监测组502以及第三监测组503，每个监测组包括一条分布式监测光纤505，所述分布式监测光纤505设置于给水管道100内壁且沿给水管道100轴向设置。本发明分布式监测光纤505既是信号感应装置，又是信号传输装置，可实现给水管道100的分布式在线监测，且该监测系统空间分辨率高(可达mm级)，对于监测系统沿程的任何一点，能通过光纤的应变值来实时获取该位置的流体流速、瞬变流、管道淤积以及管道的健康状况，监测全面，有助于对给水系统进行宏观调控；本发明监测精度高(可精确至0.5με)，监测范围广(通常可超过50km)，沿程采用光信号传输，信号损耗小，抗电磁干扰能力强。

作为实施方式之一，所述分布式监测光纤505包括由内向外依次设置的光纤纤芯5001、涂覆层5002、包覆层5003以及柔性护套5004。优选地，所述分布式监测光纤505采用环氧树脂粘贴于给水管道100内壁。

如图5所示，作为本实施例的优选，每个监测组还包括一条分布式应变补偿光纤506，所述分布式应变补偿光纤506与对应的所述分布式监测光纤505并排设置，其监测值作为分布式监测光纤505的参照，用以排除外界噪声、振动等的干扰。可选地，所述分布式应变补偿光纤506包括由内向外依次设置的光纤纤芯5001、涂覆层5002、包覆层5003、柔性护套5004和刚性护套5005，通过刚性护套排除外界干扰。所述分布式应变补偿光纤506同样采用环氧树脂7粘贴于给水管道100内壁。

如图4所示，作为本实施例的优选，所述分布式光纤组件500还包括设于给水管道100内壁顶端的分布式温度补偿光纤504，用于监测外界温度变化引起的应变，从而对所述分布式监测光纤505的监测值进行补偿。如图6所示，可选地，所述分布式温度补偿光纤504包括由内向外依次设置的光纤纤芯5001、涂覆层5002、包覆层5003、柔性护套5004和刚性护套5005，所述柔性护套5004和所述刚性护套5005之间具有间隙，以保证光纤及柔性护套5004能在刚性护套5005内自由移动。所述分布式温度补偿光纤504也采用环氧树脂7粘贴于给水管道100内壁。通过将分布式温度补偿光纤504设于给水管道100内壁顶端，管内流体流动引起的应力无法直接作用于分布式温度补偿光纤504，且通过刚性护套，外界干扰引起的应力也无法直接作用于分布式温度补偿光纤504，即分布式温度补偿光纤504监测到的应变只与外界温度变化有关。

进一步地，所述分布式光纤组件500整体沿选定阀门井进入相应的给水管道100，以该阀门井下游连接的给水管道100端部作为监测起点，分布式光纤组件500的各条光纤在给水管道100内按排布需要分开布置。在经过选定阀门井以及下游阀门井的位置，所述分布式光纤组件500采用整体外套不锈钢套管的形式沿阀门井内壁敷设，防止光纤受到外部破坏，光纤在不锈钢套管内能够自由移动。分布式光纤组件500在阀门井内不进行流体特征监测，只进行结构健康监测。

所述分布式光纤组件500的各条光纤都可以采用普通单模光纤，成本低廉，适合在城市给水系统中大规模使用。

分布式光纤组件500的各条光纤均以单端连接的方式从监测起点引出，监测起点的位置可结合给水管网的特点灵活选取，光纤终止位置即为监测系统末端，末端光纤无需考虑回路。

所述数据处理中心900根据接收的分布式光纤组件500的监测值进行分析，获取给水管道100的各项监测参数的具体方法如下：

利用分布式监测光纤505的光谱偏移量与流体流速呈正相关的关系，先采用分布式光纤在试验环境中对流速与切应力进行标定，在实际监测过程中通过标定值和分布式监测光纤505的切应力反算出流体流速；

通过分布式监测光纤505的应变值以及应变波动范围得到瞬变流的压力波动范围以及能量耗散情况；

根据分布式监测光纤505的应变监测结果中是否出现某一段应变值的波动范围明显小于该位置周围应变值的波动，判断管道是否出现淤积；

根据分布式监测光纤505是否有位置出现恒定的应变异常峰值，判断给水管道100是否出现管道蠕变、非均匀沉降、局部断裂、连接口脱落或者管道腐蚀的管道健康问题。

所述数据处理中心900还可以通过分布式应变补偿光纤506以及分布式温度补偿光纤504的监测值实现对外界干扰的补偿，具体方法如下：

将分布式监测光纤505的监测值减去分布式应变补偿光纤506的监测值，即可消除外界振动干扰误差；

将分布式监测光纤505的监测值减去分布式温度补偿光纤504的监测值，即可消除外界温度变化产生的误差。

通过上述外界干扰误差补偿的措施，使得监测的精度更高。

下面对数据处理中心获取各项监测参数以及对外界干扰进行补偿的原理及详细方法进行说明。

数据处理中心可以获取五大监测参数：流速监测、瞬变流监测、充满度监测、管道淤积监测和管道健康监测参数。

1)流速监测

在大口径输水管中，水流动形式主要是非稳态剪切近壁紊流，湍流黏度随时间与空间而变化，目前关于紊流的理论尚不成熟，流体对管道内壁的环向切应力难以精确地定量表示，但可以通过以下推导定性证明其与轴向时均流速的关系。

管道流可以用navier-stokes方程进行描述，但方程中固有的非线性项导致方程迄今为止无法精确求解。法国学者boussinesq对navier-stokes方程中的reynalds应力项进行了量化研究，推导出湍流中轴向切应力表达式：

式中，αm为紊动动量交换系数；

ρ为水的密度；

u、y分别为轴向流速和环向流速。

与之类似，可以得到管道流环向切应力表达式：

结合德国学者l.prandtl提出的半经验紊流理论(混合长度理论)，对上述湍流环向切应力公式进一步简化，得：

式中，l为流团掺混过程中的平均自由程。

流体环向紊动强度又可由下式表示：

流体紊动强度用以衡量其紊动程度，对于近壁紊流，轴向时均流速越大，流体各向紊动性越强，即随轴向时均流速的增加，环向流速变化率大于轴向时均流速，因此可以认为式中项与流体轴向时均流速呈正相关，即给水管道中流体轴向时均流速越大，流体对管道内壁的环向切应力也越大。

上述结论也可通过以下公式定性推导：

湍动能k的估算公式如下：

式中，v为流体的平均流速；

i为湍流强度，其计算公式如下：

式中，v为流体的平均流速；

υ为流体运动粘性系数；

d为水力半径。

将(1-5)、(1-6)两式合并，得：

由式(1-6)可以得出流体平均流速与湍动能的定量关系，在流体流动过程中，湍动能将以脉动粘性应力和脉动应变组成的变形功的形式耗散，即形成湍流旋涡，在管道内壁附近，不同尺寸的湍流旋涡与管道内壁发生碰撞。流速越大，流体湍动能越大，湍流旋涡对管道内壁的切应力越大。

对于分布式光纤，其内部的后向瑞利散射光和参考臂中的参照光能发生拍频干涉，对干涉光谱进行傅里叶变换，便可以获得分布式光纤沿程的各种信息，而分布式光纤某点外界条件(应变等)改变时，该点的后向瑞丽散射光谱发生偏移，偏移量与应变值成正比。上文中已用两种方法定性证明管道中流体流速与管道环向切应力呈正相关，由材料力学公式可知，材料所受应力与应变成正比，而光纤应变又与光谱偏移量成正比，因此可以认为，光谱偏移量与流体流速成正相关。基于ofdr的分布式光纤极为灵敏，监测精度达0.5με。可采用分布式光纤在试验环境中对流速与切应力进行标定，在后期监测中通过标定值和切应力可反算出流体流速。需要说明的是，紊流流动极为复杂，本发明中提及的流速监测功能存在一定误差，但通过本系统提出的多种误差消除措施，及后期监测过程中的数据积累与校对，可以将误差控制在一定范围内。

2)瞬变流(水锤)监测

根据给水管道的实时流态信息对管道系统的关键节点进行智能控制，主要体现在阀门开度变化、水泵运行工况变化等。这些系统参数的变化将对管内水流流态产生重要影响，尤其是大口径管道在满流状态下，阀门的突然关闭或水泵突然停止都可能产生水锤，对管道结构造成损害。俄国学者joukovsky提出在瞬变流条件下管道压力和流速的关系：

式中，δh为流速突变过程中产生的水头(m)；

a为压力波波速(m/s)；

g为重力加速度，(m/s2)；

v0为管道内流体平均流速(m/s)。

由上式可知瞬变流过程中流体流速水头将部分或全部转变成压力水头(忽略局部水损)，对管道内壁产生较大的正应力，促使分布式光纤应变。由于水锤只发生在管道局部位置，对于整条给水管线，在水锤发生的局部位置分布式光纤的应变值将显著增大，明显大于该点上下游其他位置的应变值，体现在计算机屏幕上的将是纵坐标(应变值)异常凸起的一串瞬时应变峰，具体的，通过读取该串异常应变峰的横坐标波动范围(即影响范围)可以得到瞬变流的压力波动范围，通过读取该串异常应变峰波峰和波谷的最值可以得到瞬变流能量耗散情况。

3)管道淤积监测

原水管道淤积通常发生在局部转弯点或变坡点，当管道的淤积层覆盖第三监测组时，流体的紊动对第三监测组的影响将因淤积层的存在被大幅削弱，第三监测组的分布式监测光纤应变监测结果将是某段横坐标对应的应变值波动范围明显小于该位置周围的波动，此外通过对比同一位置第二监测组与第三监测组的应变信号差异，也可判断管道的淤积位置，进而读取该横坐标值，可进一步获得发生淤积管段的长度。

4)管道健康监测

分布式光纤传感系统还可实现管道蠕变、非均匀沉降、局部断裂、连接口脱落、管道腐蚀等管道健康监测。以上现象均基于分布式光纤应变监测原理，即当管道某处发生出现上述问题时，分布式光纤的相应位置会出现恒定的应变异常峰，通过读取该应变异常峰对应的横坐标位置，并进行坐标系换算，即可获得管道事故点的具体位置。值得说明的是，当管道发生脱节、断裂等时，相应位置的分布式光纤可能会断裂，在该种情况下仍能通过后向瑞利散射对故障点进行定位，但后期需更换相应位置的光纤。分布式光纤的局部更换可通过光纤熔接机完成。

给水管道通常埋设在城市道路下方，外界振动等干扰较大，所述数据处理中心还可以采用如下干扰补偿方法进行补偿：

1)应变补偿

给水管道或深隧通常埋设在城市道路下方，车辆行驶或管道周边施工等产生的振动会对分布式光纤监测系统造成一定的干扰。为排除以上干扰，在第一、第二及第三监测组中，各设置一条分布式应变补偿光纤。分布式应变补偿光纤最外侧采用刚性护套包覆，可避免管道内流体流动对其影响，最外层的刚性护套与次外层的柔性护套紧密连接，可以认为应变补偿光纤的监测值是外界干扰的综合体现，将分布式监测光纤的监测值减去分布式应变补偿光纤的监测值，即可消除外界干扰误差。

2)温度补偿

分布式光纤监测系统将安装在管道中长期工作，随着季节交替，外界温度变化也将引起光纤内部折射率发生改变，从而产生一定的误差。为此，在管道内壁顶端敷设一条分布式温度补偿光纤，该光纤最外层为刚性护套，次外层为柔性护套，刚性护套与柔性护套之间存在一定空隙，即分布式光纤及其柔性包覆层可在刚性护套中自由伸缩。通过该种措施，外界干扰及管内流体流动引起的应力无法直接作用于温度补偿光纤，即温度补偿光纤监测到的应变只与外界温度变化有关。将分布式监测光纤的监测值减去分布式温度补偿光纤的监测值，即可消除外界温度变化产生的误差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。