利用泵诱发水力瞬变进行基于环向应变的现场管道泄漏检测

《Measurement》：Hoop strain-based leakage detection in field pipeline using pump induced hydraulic transients

　　

- 阻尼法检测在一条由三种材料组成的5.3公里在役管道中进行了测试。
- 均匀管道公式已扩展为分段均匀本征函数。
- 缓慢停机泵停可作为常规运行瞬态来源。
- 基于压力的定位在所有六种情况下的误差均不超过13%。
- 初步的DIC测试展示了非接触式阻尼检测的可行性。

## 引言

管道系统是为住宅、工业和农业区域供水的基础设施。全球许多系统已运行数十年，且往往超过其设计寿命[1], [2]。老化埋地管道的泄漏会导致水资源损失，并可能降低水质。持续泄漏还可能在管道周围引发土壤侵蚀和空腔形成。这一过程可能导致地面沉降，在严重情况下甚至造成道路坍塌[3]。由于大多数管道埋在地下，此类泄漏可能长时间未被发现。准确且及早地检测泄漏对于安全高效的管道运行至关重要[4]。

已研究了多种无损检测技术用于管道检查，包括声发射（AE）[5], [6]、声学方法[7], [8]、探地雷达[9]、红外热成像[10]和基于振动的方法[11]。AE曾被用于评估现有管道的水泄漏[12]。该方法随后被扩展应用于注水试验中的受损管道，涵盖模型和在役结构[13]。最近，AE被应用于水锤事件中以检测农业管道中的泄漏特征[14]。这些技术可以在不对管道进行侵入式访问的情况下检测异常。其中，声学方法是最广泛使用的，用于通过放置在地表传感器的方式检测泄漏引起的噪声。其性能取决于管道材料、土壤特性、泄漏大小和环境噪声等因素。泄漏引起的信号快速衰减限制了检测范围[1], [15], [16]。其他技术也面临环境变异性、空间分辨率和系统成本等实际限制[17], [18]。对于物理上不可接近的管道，这些方法的适用性进一步受限，例如运行在地下深处、关键基础设施下方或地震后条件的管道。

为应对这些挑战，基于瞬态测试的技术（TTBTs）已获得越来越多的关注[1], [19], [20], [21]。TTBTs利用瞬态事件产生的压力波来研究有压管道的内部状态。压力波在管道内以高速传播。典型波速范围为塑料管道中约300 m/s至金属管道中1400 m/s。单个测量点可以覆盖数公里量级的管道距离。这一特性对于可接近性有限的长距离管道系统非常有用。TTBTs的有效性已在实验室规模实验和现场调查中得到验证[19]。在TTBT框架内已开发出多种方法，并根据泄漏引起的信息类型进行分类。基于反射的方法通过分析从泄漏点反射的压力波来定位异常[22], [23], [24], [25], [26]。频率响应方法通过共振峰的变化来检测泄漏[27], [28], [29], [30]。逆瞬态分析（ITA）通过最小化实测与数值模拟压力响应之间的差异来估算泄漏参数[31], [32], [33], [34], [35], [36]。匹配场处理利用全频域信息，能够在噪声条件下定位泄漏[37], [38], [39], [40], [41]。基于阻尼的方法最初由Wang等人[42]提出，利用了泄漏导致瞬态压力信号中各谐波分量衰减率不同的事实。阻尼幅度指示泄漏大小，而不同谐波之间阻尼率之比提供泄漏位置信息。该方法可直接求解泄漏位置和大小。Nixon等人[43]考察了阻尼法的适用范围。每种TTBT方法利用压力波与泄漏相互作用的不同方面。其适用性取决于管道系统的特性和测量条件。

在TTBTs中，将压力波引入管道的方式是一个重要的实际考量。Brunone等人[19]综述了文献中报道的实验条件，发现阀门操作是瞬态产生的主要来源。Guo等人[21]也对各种压力波产生方法进行了比较，包括阀门操作、专用设备如便携式压力波发生器[25], [44], [45], [46]、压电波产生系统[47]、侧向排放阀门操作[48], [49], [50], [51]以及泵操作。虽然泵操作在少数案例中被使用过，但该方法对于现场应用是一个有吸引力的选项。泵通常安装在有压管道系统中，且无需额外设备。在这些方法中，泵的跳闸已被用于实际输水管线中的泄漏预定位[24], [52], [53]。泵的跳闸可以产生大幅度的尖锐压力波。这对于检测泄漏引起的反射非常有用。与此同时，这种突然停机也会对管道及其组件产生较大的瞬态压力[54]。相比之下，缓慢停机泵停是有压管道系统的常规运行程序。在此程序中，泵停止之前排放阀被逐步关闭。该程序产生的瞬态幅度适中，极少被探索作为TTBTs的瞬态来源。

TTBTs现场实施中的另一个方法学考量是测量量的选择。本研究考察了环向应变作为上述方法中使用的内压测量的替代方案。在实际中，压力传感器通常安装在人孔内的通气阀处，可能需要额外的法兰来安装传感器。在老化管道设施中，配件的腐蚀可能使压力传感器难以安装在预定位置。这些实际约束可能限制可用于TTBTs的测量点的数量和布置。作为压力监测的替代方案，使用外部管道应变作为诊断指标已被探索。众所周知，瞬态压力波不仅取决于流体的可压缩性，还取决于管壁的弹性[55]。因此，在瞬态事件期间，管壁变形与内部压力变化耦合在一起。在线性弹性假设下，薄壁管道的环向应变与内部压力成正比[56]。因此，环向外部的应变可用于推断内部压力波形而无需进入管道内部。应变测量可在管道表面可接近的位置进行，如阀门井和泵站，而无需修改管道本身。应变片是一种成熟且广泛采用的表面应变测量技术。一旦粘贴到管道上，它们可提供高时间分辨率的局部读数，适合捕捉水锤引起的瞬态应变。应变片的安装仅需在阀门井内接触管道外表面，不需要修改管道或中断管道运行。[57]通过应变片测量了在役管道上因泵启停引起的水锤事件的环向应变，并在薄壁圆柱假设下确认了与内部压力的理论预测相符。Mei等人[58]通过逆有限元法从离散应变数据重构了水锤作用下管道的动态变形。重构在数值上被证明可用于结构健康监测。本研究使用实测环向应变进行泄漏定位。除应变片外，数字图像相关法（DIC）已被探索作为测量管道表面应变的非接触式替代方案。DIC是一种全场光学技术，通过追踪目标表面上的散斑图案来捕捉表面位移和应变[59]。由于DIC不需要与管道物理接触，它可以应用于无法粘贴应变片的地方，例如通道受限的密闭空间[60]。图1展示了同时使用应变片和DIC进行基于应变的管道泄漏检测的概念示意图。本研究的作者之前已将DIC应用于水锤事件期间管道环向应变的测量。[57]中的DIC测量还显示与同时获得的应变片测量结果相符。[61]将DIC应用于具有模拟泄漏的在役农业管道系统，并量化了泄漏引起的环向应变波动的阻尼。然而，DIC在现场管道中基于阻尼的泄漏定位应用尚未得到验证。因此，除使用压力传感器和应变片进行的主要调查外，本研究还包括一个使用DIC的初步可行性测试。

基于上述前期研究，本研究将基于阻尼的泄漏检测方法应用于由纤维增强塑料砂浆（FRPM）、钢和PVC-U管道组成的在役泵送管道。使用缓慢停机泵停作为现场实验的瞬态来源。它不需要专用的瞬态发生设备。Wang等人[42]提出的阻尼法公式是在恒定波速的均匀管道假设下推导的。然而，在多材料管道中，波速在管道段之间差异很大。这种变化可能使均匀管道假设失效，从而限制原始公式的定位精度。因此，本研究基于系统特有的空间本征函数将公式扩展为适用于分段均匀管道的形式。扩展公式通过在不同泄漏位置和排放条件下的现场实验进行了验证。本研究的目的是：(i) 在多材料在役管道中比较均匀管道和分段均匀管道公式的定位精度；以及(ii) 验证分段均匀管道公式适用于基于压力和基于应变片的测量。此外，还进行了DIC基非接触式阻尼检测的初步可行性测试，以探索其未来现场部署的潜力。本研究为在常规运行瞬态条件下将基于阻尼的泄漏检测方法应用于多材料在役管道提供了定量依据。它还提供了一个框架，用于评估现场条件下单一泄漏的检测极限。

## 章节摘要

### 水锤压力与管道响应

在有压管道中，流动的水具有动能。流动条件的快速变化，如阀门突然关闭，将这种动能转化为内部压力增加，并以水锤波的形式传播。由此产生的压力振荡以压缩和拉伸相交替的方式沿管道传播，并在阀门、水库、支管或泄漏等几何或水力不连续处反射。波传播速度a...

### 定位程序的假设

第2.2节的公式在五个假设下应用于实测数据。第一个假设是每段内的横截面积恒定。则特征值问题是一个传输问题。本征函数及其梯度在每个连接处连续[62]。五段管道具有相同的标称直径600毫米。因此，本管道满足该假设。

第二个假设是弱阻尼近似。

## 结果与讨论

本节使用三种测量方法评估了分段均匀估算框架。第5.1节考察了六种实验情况下的内部水压测量。第5.2节考察了基于应变片的管道表面变形测量作为接触式替代方案。第5.3节考察了基于DIC的管道表面变形测量作为非接触式替代方案，在Test II条件下的三种情况进行了初步可行性测试。在节...

## 结论

本研究将基于阻尼的方法应用于在役泵送灌溉管道。该管道由FRPM、钢和PVC-U管道组成。泄漏位置从谐波阻尼率之比估算。Wang等人[42]的均匀管道公式被扩展为分段均匀本征函数公式。该扩展考虑了管道段之间的波速变化。常规的缓慢停机泵停被用作瞬态来源。该程序不需要...

## CRediT作者贡献声明

Yuto Takahashi: 撰写——原稿，可视化，项目管理，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。Taiki Hagiwara: 撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，调查。

铃木哲也：写作——审阅与编辑、监督、项目管理、方法学、调查、资金获取、概念化。利益冲突声明：作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本研究报告中的工作。致谢：作者感谢米泽平土地改良区的山木翼、伊藤久弥、千田厚、末次角太郎、藤谷悠太（日本水谷咨询有限公司）、北之原智弘、本间纯、坪田智马（大林道路株式会社）、柴野一真、向井萌花、田中裕梦（新潟大学科学技术大学院）、池田幸辉、田上圭香、大岛圭一郎（新潟大学农学部）在实地调查中给予的合作。高桥悠人 | 萩原大辉 | 铃木哲也