一种可控瞬变流泄漏检测系统的设计方法与流程

本发明涉及一种可控瞬变流泄漏检测系统的设计方法，是一种用于确定水利工程、市政供水输水管道可控瞬变流泄漏检测所涉及典型参数的反问题分析法，是一种管道系统漏损检测、评估和泄漏点定位系统的设计方法。

背景技术：

泄漏是管道输送液体过程中一种普遍存在的现象，造成大量的资源损失、能量浪费和环境污染。据统计，城市供水管网的平均产销差率约17.9%，部分城市甚至超过了25%，由此导致的年损失水量超过了50亿m³。如何对管道输水工程、输配水管网、城市排水管网中泄漏进行快速准确定位，成为了当前社会的一个热点需求，也是建设节水型社会迫切需要解决的关键问题之一。

瞬变流检测法通过人为地在管道内制造扰动，使系统产生瞬变流，根据典型位置压力信号的畸变和衰减特性辨识泄漏信息。由于在瞬变条件下，即使微小的泄漏也会使管道的水压波形产生明显差别，因此，瞬变流检测法的准确性和可靠性较高。

针对瞬变流泄漏检测法，已形成了基于瞬变压力波形畸变和衰减特性辨识泄漏孔信息的理论方法，并在实验室内取得了较为理想的应用效果。但瞬变流一般是通过快速或周期性扰动管道首端、中间或末端的阀门来激发的，这在工程实际运行中是绝对不允许的。因此，可控瞬变流泄漏检测法成为了该技术领域的研究热点。

如何激发可控瞬变流，以及如何根据待检测管道的典型特征，包括管长、管径、供水压力等水力参数，确定激励装置各结构的参数特征，既能激发满足泄漏检测的可控瞬变流，又能保证管道的结构安全，成为了该技术应用于工程实践需要解决的首要问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的问题，本发明提出了一种可控瞬变流泄漏检测系统的设计方法。所述的方法基于可控瞬变流激励装置，提出了一种使用可控瞬变流对泄漏点位置进行精确定位的系统的设计方法，使泄漏点定位更加精确，检测更加方便。

本发明的目的是这样实现的：一种可控瞬变流泄漏检测系统的设计方法，所述的系统包括：通过连接管道与待检测管道连通的可控瞬变流激励装置，所述的连接管道与待检测管道的连接处设有压力传感器；所述的可控瞬变流激励装置包括：带有加压活塞的加压腔，所述的加压腔与储能腔连通，所述的储能腔通过向检测腔开启的单向阀与检测腔连通，所述的单向阀通过弹簧调节机构调节单向阀的开启力，所述的储能腔设有与进水阀连通的进水口，所述的检测腔设有通过出水阀与待检测管道连通的出水口；

所述方法的步骤如下：

步骤1，待检测管道的沿程阻力系数的计算：收集待检测管道的管长、管径、管材和局部阻力特性，根据管道材料确定绝对粗糙度，并计算待检测管道的沿程阻力系数λ0：

式中：为待检测管道直径；为待检测管道的绝对粗糙度；

步骤2，连接管道的沿程阻力系数的计算：确定连接管道的管长、管径、管材和局部阻力特性，根据管道材料确定绝对粗糙度，并计算连接管道的沿程阻力系数λ1：

式中：为连接管道直径；为连接管道的绝对粗糙度；

步骤3，收集待检测管道数据：收集待检测管道所连接水库的水头和待检测管道可承受的压力；

步骤4，确定检测时的可控瞬变流的强度：

式中：为瞬变流最大增压幅值；为瞬变流最大降压幅值；

式中：ρ为水的密度；g为重力加速度；

步骤5，待检测管道流速变化的计算：

式中：为待检测管道的波速，计算公式如下：

式中：为水的体积弹性模量；为待检测管道的杨氏弹性模量；为待检测管道的壁厚；

步骤6，瞬变流激励装置压力pa的计算：

中间参数m为：

式中：为待检测管道长度；为待检测管道局部阻力系数总和；为待检测管道的流速，；为连接管道长度；为连接管道局部阻力系数总和；为待检测管道的面积，；为连接管道的面积，；

步骤7，初始压缩量计算：计算弹簧调节机构的初始压缩量δx：

式中：为阀瓣面积，；为阀瓣直径；为阀瓣和与阀瓣一起运动的所有零件的整体质量；为弹簧的弹性系数；

步骤8，加压腔体积的计算：

式中：为可控瞬变流泄漏检测系统的周期，；

步骤9，加压活塞的直径dp的计算：

式中：为对活塞施加的作用力；

步骤10，加压腔长度的计算：

。

本发明产生的有益效果是：本发明利用待检测管道长度、承压、口径、波速、水力摩阻等典型参数，通过水力瞬变计算的反问题分析手段，在不进行开挖等土方工程的前提下，从而确定输水管道是否泄漏及其位置的系统的设计方法。所述的设计方法所设计的系统可以应用在水利工程、市政供水等输水管道的泄漏检测，为可控瞬变流激励装置的设计提供理论支撑，也为可控瞬变流泄漏检测的应用提供技术依据。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例所述方法所设计系统的示意图；

图2是本发明的实施例所述的可控瞬变流激励装置结构示意图；

图3是本发明的实施例所述的方法的流程图；

图4是瞬变流泄漏检测时域法原理图；

图5是本发明的实施例所述的方法的设计实例泄漏检测系统效果。

具体实施方式

实施例：

本实施例是一种可控瞬变流泄漏检测系统的设计方法，所述的系统（见图1）包括：通过连接管道01与待检测管道02连通的可控瞬变流激励装置03，所述的连接管道与待检测管道的连接处设有压力传感器04；所述的可控瞬变流激励装置（见图2）包括：带有加压活塞1的加压腔2，所述的加压腔与储能腔3连通，所述的储能腔通过向检测腔4开启的单向阀5与检测腔连通，所述的单向阀通过弹簧调节机构6调节单向阀的开启力，所述的储能腔设有与进水阀7连通的进水口，所述的检测腔设有通过出水阀8与待检测管道连通的出水口。

本实施例所述检测系统主要是由可控瞬变流激励装置、连接管道和压力传感器构成，可控瞬变流激励装置主要用于激励瞬变流，经由连接管道在待检测管道中产生一个压力激波，再利用压力传感器监测压力激波在待检测管道中的传播状况，以分析压力激波特性，用以判断待检测管道是否泄漏，如果有泄漏则还能够通过分析获得泄漏孔05在待检测管道上的位置。

待检测管道的源头是水库06，这里所述的水库是水源的总称，可以是储水罐、水池等。待检测管道与瞬变流激励装置之间通常还要设置一段连接管道，在所述系统的设计方法中，这段连接管道的阻力影响不容忽视。

所述的瞬变流激励装置是产生瞬变流的关键，其中的许多要素都影响整个检测系统的效率和精度。

由于要有活塞在其中运动，加压腔的形状一般使用圆筒形，类似于一个液压缸。圆筒中的活塞的一侧是水，另一侧则与大气连通。活塞上设有加压杆，相当于液压缸的缸杆，加压时，对缸杆施加力，使活塞对水施加压力，形成加压。

储能腔和检测腔形状可以是方形盒子，也可以是圆筒形，两者之间使用单向阀连通。储能腔和检测腔可以是焊接在一起的方形盒子，形成一体，两者之间的隔板上设置单向阀。储能腔和检测腔之间也可以使用短管连接，在短管上设置单向阀，但这样设计会产生一些水头损失，应当在计算中予以考虑。

单向阀是常闭型单向阀，即在常态时是关闭的，并利用弹簧维持常闭状态。单向阀开启是由于加压活塞对水施加了压力，促使储能腔中的水压超过单向阀弹簧的作用力。

当储能腔和检测腔设置在一起时，单向阀需专门设计，以适应两个腔之间的连接方式。单向阀的形式可以是传统的圆台形阀瓣和与之相配的阀座，或其他形式。单向阀的阀瓣通过弹簧予以施压，产生控制输出水压力的作用。

对加压腔加压时可以直接用人力对活塞施压。由于是直接施压，作用力小，这种方式适用于被测直径较小的管道。当需要较大作用力时，可以在活塞上连接杠杆，通过杠杆的放大作用产生较大作用力。

加压腔通过管道与储能腔连通或敞口连通。敞口连通是指加压腔与储能腔连接的部位不封闭，而是以缸体连接的方式完全敞开的与储能腔连接，如图2所示。也可以将加压腔的两端封闭，形成类似于液压缸的形式，通过液压管与储能腔连接。

为顺畅地将水充满各个腔可以在储能腔和检测腔上设置排气孔，充水时打开排气孔，水充满后将排气孔关闭。在排气孔上可以使用螺栓作为阻塞件，也可以在排气孔上安装排气阀，或普通阀门，只是普通阀门在水充满储能腔和检测腔之后需要手动关闭。

弹簧调节机构可以有多种形式，如采用引导单向阀的阀杆运动的导向件，并利用弹簧或拉或压或扭对阀杆施加作用力。不论是拉、压、扭，其作用力的方向都是使单向阀关闭。根据不同的作用力方向可以设置各种不同的弹簧调节件，调节弹簧弹力，藉以调节单向阀的开启力。

图2所示的是可控瞬变流激励装置的原理图，在实际中还应当有连接这些零件要素的支架，将调节弹簧及其调节件与加压腔、储能腔和检测腔固定在一起，形成一个完整的整体。图2中将加压腔、储能腔和检测腔从下到上依次排列只是一种排列的方式，也可以从上向下排列，或者横向排列，如何排列需根据结构设计，而具体的结构只要能够实现其功能即可。

本实施例所述方法的具体设计过程和分析如下（步骤的流程如图3所示）：

一、基础资料收集

包括三个步骤：

步骤1，待检测管道的沿程阻力系数的计算：收集待检测管道的管长、管径、管材和局部阻力特性，根据管道材料确定绝对粗糙度，采用下式计算沿程阻力系数：

（1）

式中：为待检测管道直径（见图1），m；为待检测管道的绝对粗糙度，m。

步骤2，连接管道的沿程阻力系数的计算：瞬变流激励装置可通过供水管道上的空气阀或检修阀井连接在主管道，根据现场接入情况，确定连接管道的管长、管径、管材，根据管道材料确定绝对粗糙度，采用下式计算沿程阻力系数：

（2）

式中：为连接管道直径（见图1），m；为连接管道的绝对粗糙度，m。

步骤3，收集待检测管道数据：收集待检测管道所连接水库水头（见图1），待检测管道可承受压力。

二、待检测管道瞬变流强度确定

待检测管道瞬变流强度必须限制在合理范围之内，瞬变压力过高，可能会产生爆管，影响工程安全和管道供水；瞬变压力过低，信噪比也就越低，压力传感器不容易捕获。分析过程如下：

（1）瞬变流增压幅度

为增强信噪比，提高瞬变流泄漏检测压力信号的可辨识度，瞬变流增压的下限为

（3）

式中：为激励装置工作引起待检测管道的瞬变流增压幅值，m。

为确保待检测管道的工程安全，瞬变流增压的上限为：

（4）

式中：为水的密度，kg/m³；为重力加速度，m/s²。

因此，可控瞬变流最大增压幅值为：

（5）

（2）瞬变流降压幅度

在瞬变流泄漏检测过程中，水锤负压不能降低至蒸汽压力以下，以免液体汽化形成蒸汽空穴，称之为水柱分离，之后，水柱弥合会产生更大的水锤压力，增加爆管风险。为保证待检测管道的工程安全，瞬变流降压的下限为：

（6）

式中：为激励装置工作引起待检测管道的瞬变流降压幅值，m。

（3）瞬变流强度

因此，可控瞬变流的强度为：

（7）

约束条件为式(5)和式(6)。满足式(5)~(6)的要求，可选择较大值。

总结上述三点归纳为：步骤4，确定检测时的可控瞬变流的强度：

（7）

式中：为瞬变流最大增压幅值；为瞬变流最大降压幅值。

（5）

（6）

式中：ρ为水的密度；g为重力加速度。

三、瞬变流激励装置所需压力计算

要计算瞬变流激励装置所需压力，首先要计算待检测管道流速变化。

（1）步骤5，待检测管道流速变化的计算公式：

（8）

式中：为待检测管道的流速变化，m/s；为待检测管道的波速，m/s。

待检测管道波速计算公式为：

（9）

式中：为水的体积弹性模量，pa；为待检测管道的杨氏弹性模量，pa；为待检测管道的壁厚，m。

（2）瞬变流激励装置压力pa的计算，分析过程如下：

恒定流状况下，对水库、待检测管道、连接管道和激励装置出口列能量方程：

（10）

式中：为待检测管道长度（见图1），m；为待检测管道局部阻力系数总和；为待检测管道的流速，m/s，；为连接管道长度（见图1），m；为连接管道局部阻力系数总和；为连接管道的流速，m/s。

待检测管道和连接管道满足连续性方程：

（11）

式中：为待检测管道的面积，m²，；为连接管道的面积，m²，。

联立式(10)和式(11)可得：

（12）

式中：。

上述分析归纳为：步骤6，瞬变流激励装置压力pa的计算：

（12）

中间参数m为：

式中：为待检测管道长度；为待检测管道局部阻力系数总和；为待检测管道的流速，；为连接管道长度；为连接管道局部阻力系数总和；为待检测管道的面积，；为连接管道的面积，。

四、恒压可控瞬变流激励装置设计

以下计算涉及恒压可控瞬变流激励装置的一些硬件关键参数的具体计算，包括：弹簧初始压缩量计算、加压腔体积计算、活塞尺寸计算、加压腔长度。

（1）弹簧初始压缩量计算

分析过程为：检测腔和储能腔间阀门打开满足如下关系式：

（13）

式中：为阀瓣面积，m²，；为阀瓣直径（见图2），m；为阀瓣、阀杆和导向筒这一整体件的质量，kg；为弹簧的弹性系数，n/mm；为弹簧的初始压缩量，mm。

弹性系数计算公式为：

（14）

式中：为弹簧材料的切变模量，pa；为弹簧材料直径，mm；为弹簧中径，mm；为弹簧有效圈数。

因此，弹簧初始压缩量的计算公式为：

（15）

上述分析归纳为：步骤7，初始压缩量计算：计算弹簧调节机构的初始压缩量δx：

()

式中：为阀瓣面积，；为阀瓣直径；为阀瓣和与阀瓣一起运动的所有零件的整体质量；为弹簧的弹性系数。

（2）加压腔体积计算

分析过程如下：

连接管的长度通常为1~2m，其压力传播时间远小于待检测管道，因此，瞬变流检测系统的周期为：

（16）

式中：为瞬变流检测系统的周期，s。

加压腔体积为：

（17）

式中：为加压腔体积，m³。

以上分析归纳为：步骤8，加压腔体积的计算：

()

式中：为可控瞬变流泄漏检测系统的周期，。

（3）活塞尺寸计算

步骤9，加压活塞的直径dp的计算：

（18）

式中：为活塞直径（见图2），m；为工程现场可施加的作用力，n。

（4）加压腔长度计算

步骤10，加压腔长度的计算：

（19）

式中：为加压腔长度（见图2），m。

五、数学模型

（1）管道

管道的动量方程和连续方程为：

（20）

（21）

式中：为测压管水头，m；为沿管道中心线方向的距离，m；为水流流速，m/s；为重力加速度，m/s²；为时间，s；为稳态摩阻；为非恒定摩阻；为水击波速，m/s；为管道倾角，°。

稳态摩阻的计算公式为：

（22）

式中：为沿程阻力系数；为管道直径，m。

非恒定摩阻的计算公式为：

（23）

式中：为系数，；；为雷诺数。

（2）上游水库

管道上游为水库时，水位的变化相较于整个水力瞬变过程是非常缓慢的，可以忽略不计，因此，可假定水库水位恒定：

（24）

式中：为管道起始节点的测压管水头，m；为水库水位，m。

（3）管道中的阀门

管道中阀门流量的计算公式为

（25）

式中：为阀门流量，m³/s；为阀门流量系数；为阀门开启面积，m²；为阀门进、出口的压力水头差，m。

（4）泄漏孔

对于管道中的泄漏孔，泄漏孔流量为：

（26）

式中：为泄漏孔的流量，m³/s；为泄漏孔的流量系数；为泄漏孔的面积，m²；为泄漏孔的水头，m。

根据瞬变流检测时域法，泄漏孔距激励装置的距离l（见图4）为：

（27）

式中：为减压波回传至测压点的时间，s；为单向阀开启时间，s。

（5）可控恒压可控瞬变流激励装置：

（28）

式中：hpn为管道末端节点的测压管水头，m；

设计示例：

（一）基础资料收集：

待检测管道，长度300m、管径0.1m、管壁厚5mm、管材为镀锌钢管，当量粗糙度为0.15mm，根据式（1），沿程阻力系数为0.0217。

（二）连接管道，长度2m、管径0.008m、管壁厚1mm、管材为钢管，当量粗糙度为0.046mm，根据式（2），沿程阻力系数为0.0317。

水库水位为5m，待检测管道可承受压力为1.0mpa。

（三）待检测管道瞬变流强度确定

根据式（3）和式（4），可控瞬变流强度，最大增压幅度为。

根据式（6），可控瞬变流最大降压幅度为

根据式（7），可控瞬变流的强度为，选择

（四）激励装置所需压力计算

水的弹性模量为2.19×10⁹pa，钢管杨氏弹性模量为2.0×1011pa，根据式（9），待检测管道的波速。

根据式（8），待检测管道流速变化m/s。

根据式（12），激励装置所需压力=178201.15pa。

（五）恒压可控瞬变流激励装置设计

阀瓣、阀杆和导向筒整体件质量为2.0kg，激励装置压力为时，弹簧弹力204.33n。

弹簧材料的切变模量为7×10⁴mpa，材料直径4.1mm，弹簧中径30.1mm，有效圈数为7圈，根据式（14），弹簧刚度为12.95n/mm，根据式（15），弹簧的初始压缩量为15.77mm。

根据式（16），瞬变流检测系统的周期为0.895s；由（17）式确定加压腔体积为0.26l。

假定加压杆作用面直径0.04m，根据式（18）反推所需推力仅为224n，远小于正常成年人可施加作用力500~600n，根据式（19），加压腔长度为0.20m。

（六）检测效果

假定泄漏点位于距上游67m，利用上述方法设计可控瞬变流泄漏检测系统，在有泄漏和无泄漏工况的压力波形如图5所示。水锤波传播至泄漏点时，减压波反射至测压点，两者时间差=0.249s，距下游侧233.9m，距上游的辨识距离为66.1m，与实际距离的偏差仅为0.9m。由此可见，根据上述方法设计的可控瞬变流泄漏检测系统，满足可控、恒压、低强度及高精度检测的要求。