一种可控恒压低强度瞬变流激励装置和方法

摘要

本发明涉及一种可控恒压低强度瞬变流激励装置和方法，包括：带有手动加压活塞的加压腔，加压腔与储能腔连通，储能腔通过向检测腔开启的单向阀与检测腔连通，单向阀通过弹簧调节机构调节单向阀的开启力；储能腔设有与进水阀连通的进水口，检测腔设有通过出水阀与被测管道连通的出水口。本发明通过使用弹簧调节机构实现了简单方便地对激励装置压力进行调节。在进行管道泄漏检测时，不需要任何电力或者其他动力源配合，利用人工即能够在被测管道中激发瞬变流，这极大地方便了管道泄漏检测这类经常在野外难于找到能源支撑的工作。瞬变流的压力可以控制在很低的程度，避免了压力过大对管道造成破坏。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可控恒压低强度瞬变流激励装置和方法，是一种管道系统的健康诊断装置和方法，是一种管道系统漏损检测、评估和泄漏点定位的装置和方法。

背景技术

控制管道漏损的首要问题是泄漏点的定位。区别于传统的人工在线巡查、声学方法、振动监测或光纤、红外传感、负压波法等技术，瞬变流检测法是一种主动式技术手段。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点位置。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。Covas等利用管道末端阀门制造正弦扰动信号，根据驻波原理和系统对扰动的频域响应进行泄漏检测。Taghvaei等利用管道进口信号发生器控制的电磁阀制造频率为0.5Hz的方波信号，通过倒频谱变换分析实测的瞬态压力数据来辨识管道泄漏孔信息。国外Colombo等、Ferrante等、Lee等学者和国内郭新蕾等、段焕丰等、张巧玲等学者在研究中所使用的瞬变流激发方法也同样是，迅速关闭或开启管道首端、中间或末端的阀门以产生流量脉冲。

上述方法在实验室内实现起来相对简单，但应用于实际管道可能面临以下问题。从管理层面讲，市政供水很难为了进行泄漏检测而对管道中的阀门进行快开、快关或周期性调节，这种操作的社会影响大。从技术角度讲，阀门小开度全关或全开产生的流量脉冲不易控制，且阀门小开度时的流量系数随开度变化很大，阀门开度与流量系数之间的关系难以率定。从安全角度讲，在阀门开度与流量系数关系不明了的情况下，阀门快开、快关或周期性操作所产生的水锤压力不可控，易产生爆管。因此，如何在管道系统中制造一种低强度的、可以控制的瞬变流，用于管道系统的泄漏检测，成为了工程实践需要解决的一个问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明提出了一种可控恒压低强度瞬变流激励装置和方法。所述的装置不需要其他供电或加压设备，可用于管道输水工程、输配水管网、城市排水管网中泄漏点的快速准确定位。

本发明的目的是这样实现的：一种可控恒压低强度瞬变流激励装置，包括：带有手动加压活塞的加压腔，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被测管道连通的出水口。

进一步的，所述的手动加压活塞的手动加压端设有加压手柄或加压杠杆。

进一步的，所述的加压腔通过管道与储能腔连通或敞口连通。

进一步的，所述的储能腔和检测腔分别设有带阻塞件的排气孔。

进一步的，所述的阻塞件是螺栓或排气阀。

进一步的，所述的弹簧调节机构包括：引导单向阀的阀杆运动的导向件，所述的阀杆与调节阀门开启力的弹簧连接，所述的弹簧与调节弹簧弹力的调节件连接。

进一步的，所述的导向件是杆状的导向轴，所述的阀杆尾部为能够在导向轴上滑动的圆筒，所述的弹簧为压簧，所述的调节件是调节盘，所述的压簧套在导向轴上，所述的压簧的一端压在圆筒的尾部，所述的调节盘压在压簧的另一端，所述的调节盘与导向轴螺纹连接。

进一步的，所述的导向轴固定在顶板上，所述的顶板通过支架与检测腔固定连接。

进一步的，所述的支架上设置有显示弹簧压缩量的标尺。

一种使用上述装置的可控恒压低强度瞬变流激励方法，所述方法的步骤如下：

步骤1，连接管道：将进水口连接在水源上，并将出水口连接在被测管道上；

步骤2，检测腔注水：打开出水阀将被测管道中的水从出水口注入检测腔，使检测腔中的水压达到被测管道中的水压，同时将检测腔中的空气排出；

步骤3，储能腔和加压腔注水：将加压腔的手动加压活塞移动至加压腔腔体最下侧，打开进水阀，使水源的水从进水口注入储能腔和加压腔，并使储能腔和加压腔中的水压尽可能达到检测腔的压力，同时将储能腔和加压腔中的空气排出，关闭进水阀；

步骤4，调整开启力：通过旋转调节盘对压簧施加压力，使压簧压缩，并通过标尺读取压簧的压缩量，以获取适应管道检测要求的单向阀开启力：

压簧从自由状态压缩到管道检测要求的压缩量Δx为：

式中：>₀为检测设定压力，p₀=ρg>₀；ρ为水的密度；g为重力加速度；H₀为激励装置设定水头；A₁为单向阀阀瓣下侧面积；M为圆筒、阀杆和阀瓣一体件的质量；k为弹簧弹性系数；

步骤5，实施管道泄漏检测：根据管道泄漏检测要求对手动加压活塞施加压力，当且仅当手动加压活塞所施加的力使加压腔和储能腔中的水压达到检测设定压力p₀时单向阀开启；储能腔中水压所产生的能量传导至被测管道，使被测管道压力产生瞬态变化；通过在输水管道上与瞬变流激励装置连接处设置压力传感器，监测瞬变流压力波并对其进行分析，获取泄漏点的位置。

本发明产生的有益效果是：本发明通过使用弹簧调节机构实现了简单方便地对激励装置压力进行调节。在进行管道泄漏检测时，不需要任何电力或者其他动力源配合，利用人工即能够在被测管道中激发瞬变流，这极大地方便了管道泄漏检测这类经常在野外难于找到能源支撑的工作。瞬变流的压力可以控制在很低的程度，这对于老旧管道的泄漏检测十分重要，避免了压力过大对管道造成破坏。

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是本发明的实施例一所述装置的结构原理图；

图2是本发明的实施例七、八、九所述装置的结构示意图；

图3是本发明的实施例十所述方法的验证实例所使用的系统原理图；

图4是瞬变流泄漏检测时域法原理图；

图5是本发明的实施例十所述方法的验证实例的设计压力为30m的瞬变特性示意图；

图6是本发明的实施例十所述方法的验证实例的设计压力为40m的瞬变特性示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种可控恒压低强度瞬变流激励装置，如图1所示。本实施例包括：带有手动加压活塞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5开启的单向阀4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8，所述的检测腔设有通过出水阀9与被测管道10连通的出水口11。

本实施例的要点在于，第一要点：手动产生压力，无需电力等其他任何辅助能源，减少了野外泄漏检测的许多麻烦。第二要点：利用弹簧力控制单向阀的开启力，具有良好的可控性。其可控性的优势在于可以根据检测需要调节激励装置压力的大小，避免了瞬变流压力过大，对被测管道正常输水产生影响甚至损坏管道，同时方便改变测试条件，为优化测试条件提供了良好的环境。第三要点，激励装置压力是恒定的。当且仅当压力达到设定值时，激励装置运行，其优势在于使产生瞬变流的边界条件恒定，即产生了比较稳定的检测条件。

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。

本实施例所述的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。单向阀开启是由于手动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。单向阀的阀杆通过弹簧予以施压，产生控制输出水压力的作用。

本实施例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。当然也可以使用机械方式对手动活塞进行加压，甚至使用电力等辅助能源加压，但这需要连接电力系统，对于野外作业就比较麻烦。虽然本发明强调的是手动加压，但并不能说明只能使用手动加压，也可以使用动力加压。

本实施例所述的加压腔通过管道与储能腔连通或敞口连通。所述的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1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。

所述的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，调节弹簧的作用力，藉以调节单向阀的开启力。

图1所示的是本实施例所述装置的原理图，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1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，如何排列只要能够实现其功能即可。

为方便调节弹簧压力，可以在弹簧变形的位置设置标尺，通过阅读标尺确定弹簧变形的大小，以确定单向阀开启力的大小。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于手动加压活塞的细化。本实施例所述的手动加压活塞的手动加压端设有加压手柄或加压杠杆101，见图1。

加压手柄可以直接安装在手动加压活塞的活塞杆上。手柄可以是一根与活塞杆垂直的短杆或其他形式。加压杠杆可以是手压（向下）杠杆或者是摆动杠杆（横向拉），也可以是脚踩杠杆等多种形式。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于加压腔与储能腔连接方式的细化。本实施例所述的加压腔通过管道与储能腔连通或敞口连通。

加压腔实际相当于一个圆筒形的缸体，手动加压活塞在圆筒形的缸体中往复运动，其实际作用相当于一个液压缸，如果加压腔与储能腔敞口连通，即为液压缸的一端不封闭，而是整个圆筒的截面完全敞开的与储能腔连接。这样储能腔和加压腔在构件上是合一的，在制造过程中可以将圆筒形的加压腔直接焊接在盒子形的储能腔上。

使用管道的连接即使用一个液压管将加压腔与储能腔连接在一起，这相当于一个液压系统，加压腔为一个液压缸，而储能腔则是一个蓄能器。储能腔和加压腔在构件上是分离的，加压腔是单独的液压缸，而储能腔也是一个单独的盒子。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于储能腔和检测腔的细化。本实施例所述的储能腔和检测腔分别设有带阻塞件12、13的排气孔14、15，如图1所示。

在检测之前，需要对整个装置充水。为了方便充水，可以分别在储能腔和检测腔上设置排气孔，并在排气孔上设置阻塞件。当需要排气时开启阻塞件，使储能腔或检测腔中的空气顺畅地排入大气中。所述的阻塞件可以是螺栓，也可以是其他能够截止水流动的阀门。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于阻塞件的细化。本实施例所述的阻塞件是螺栓或排气阀。

封闭排气孔的螺栓应当带有密封圈或密封垫，以避免腔内的水泄漏，使水压降低。

排气阀只允许空气从腔中排出但能够截止水从腔内排出。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于弹簧调节机构的细化。本实施例所述的弹簧调节机构包括：引导单向阀的阀杆运动的导向件，所述的阀杆与调节阀门开启力的弹簧连接，所述的弹簧与调节弹簧弹力的调节件连接。

弹簧的弹力方向一般情况下只能是一个自由度，特别是压簧，如果没有导向设施，很可能出现失稳，因此，本实施例使用了导向件。

导向件是固定的，用以引导阀杆做一个自由度的运动。导向件可以是圆筒形，也可以是圆柱体或者杆状物。当导向件是圆筒形时，导向件套在往复运动的阀杆上，约束阀杆只能上下或左右做一个自由度的运动。如果导向件是杆状物时，阀杆就应当固定连接一个圆筒形物体，而圆筒状物体在杆状导向件的引导下做一个自由度的运动。

弹簧可以使用拉簧、压簧或扭簧，通过不同的机构设置，都可以实现对单向阀开启力的调节。

调节弹簧弹力的调节件根据不同的弹簧可以设计多种形式，不论采用的弹簧是拉簧、压簧还是扭簧，都可以采用螺纹调节、凸轮调节等机构实现。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于整体结构的细化。本实施例所述的导向件是杆状的导向轴601，所述的阀杆尾部401为能够在导向轴上滑动的导向筒602，所述的弹簧为压簧603，所述的调节件是调节盘604，所述的压簧套在导向轴上，所述的压簧的一端压在圆筒的尾部，所述的调节盘压在压簧的另一端，所述的调节盘与导向轴螺纹连接，如图2所示。

本实施例所述的结构是实现实施例一所述装置的实际结构。本实施例是一种加压腔、储能腔和检测腔从下到上依次排列状态，这种排列有利于单向阀的开启和关闭，调节单向阀开启力的调节机构在装置的上半部分，方便调节单向阀的开启力。

使用杆状的导向轴与圆筒配合引导压簧和阀杆的运动使两者一致，再通过在导向轴上的螺纹使调节盘能够上下移动，用以调节压簧对圆筒的作用力，借以调节单向阀的开启力。

由于导向轴需要固定，因此，导向轴可以使用固定设施与检测腔固定连接，固定设置有多种形式，如采用支架或其他方式。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于整体结构的细化。本实施例所述的导向轴固定在顶板16上，所述的顶板通过支架17与检测腔固定连接，如图2所示。

本实施例中，顶板、导向轴、支架、检测腔、储能腔和加压腔为整体件，可以是焊接、也可以是法兰或螺纹连接。其中，顶板与检测腔的顶盖通过4根、6根或多根圆柱型支架连接为一体。

检测腔、储能腔及加压腔可以是圆柱形、长方体型或其他棱柱体型，结构体型不影响其功能。加压腔可以布置在储能腔的正下方，也可以布置在储能腔的侧面。

导向轴的上侧切割螺纹，调节盘可沿导向轴上下移动；导向轴下侧为圆柱体，导向筒可沿导向轴上下滑动。

调节盘沿导向轴向下移动时，调节盘与导向筒之间压簧的压缩量增加，压簧初始应力增大，作用在阀瓣上的机械力增加，压力也相应地增大；反之，当调节盘向上移动时，压力减小。

导向筒、阀杆和阀瓣为整体件，可焊接或通过螺纹连接。正常情况下，整体件在自身重力和压簧弹力的作用下，处于关闭状态。用于管道系统泄漏检测时，通过加压腔加压，当且仅当储能腔的水压达到设定值时打开，高压水由储能腔进入检测腔，并经过出水管进入被检测管道。

检测腔由主腔体、出水管、出水阀、排气孔和螺栓组成。主腔体用于存储被测管道激发瞬变流的水体，出水管通过出水阀与被测管道连接。排气孔用于检测腔充水时排出腔体内的气体，充水完成后，螺栓用于封堵排气孔。

同样地，储能腔也是由主腔体、进水管、进水阀、排气孔和螺栓组成，其作用与检测腔对应部件作用相同。

加压腔由主腔体和加压杆组成，主腔体用于存储被检测管道激发瞬变流的水体，加压杆用于施加压力。

实施例九：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于支架的细化。本实施例所述的支架上设置有显示弹簧压缩量的标尺18，如图2所示。

在泄漏检测中调节压力大小，明确调节盘的位置十分重要，因此，本实施例设置了标尺，以方便精确地确定调节盘的位置。标尺上的刻度可以直接刻出所产生的压力值。

实施例十：

本实施例是一种应用上述实施例所述装置的可控恒压低强度瞬变流泄漏检测方法。利用所述装置进行检测时还要增加一些压力传感器等其他元素，并将这些元素和所述装置一同连接到被测管道上形成一个系统，其系统如图3所示。检测系统包括：水库01（代表水源的总称，可以是储水罐、水池等），连接水库的被测管道02，与被测管道连通的所述装置03，即：可控恒压低强度瞬变流激励装置，在所述装置与被测管道的连接处设置测压点04，即设置灵敏度较高的压力传感器的位置，被测管道上泄漏点05。

（1）准备工作：

打开排气孔，检测腔出水管连接水源并打开出水阀，向检测腔内充水。当检测腔充满水后，关闭出水阀和排气孔。将加压腔的手动加压活塞移动至加压腔腔体最下侧（即使加压腔达到最大容积），向储能腔和加压腔内充水，其步骤与检测腔充水相同。

将调节盘调节至理想位置，弹簧初始压缩量Δx为：

(1)

式中：p₀为激励装置设定压力，Pa，p₀=ρgH₀；ρ为水的密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；H₀为激励装置设定水头，m；A₁为单向阀阀瓣下侧面积，m²；M为导向筒、阀杆和阀瓣一体件的质量，kg；k为弹簧弹性系数，N/m。

图3为概化的供水管网模型，一般是水库—管道—用户。将检测腔的出水管与待检测管道连接，并在待测管道连接处的上游侧安装压力传感器。

（2）泄漏检测：

将检测腔的出水阀打开，推动加压腔的加压杆，当且仅当加压腔的压力达到所需压力p₀时，检测腔与储能腔之间的单向阀打开，高压水通过检测腔、出水管和出水阀进入待测管道，激发瞬变流用于泄漏检测。

加压腔的阀瓣下侧面积A₂为：

(2)

式中：F为正常成年人的力量，可考虑500~600>

数学模型：

管道：

管道的动量方程和连续方程为：

(3)

(4)

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

稳态摩阻的计算公式为：

(5)

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：

(6)

式中：k₃为系数，；；为雷诺数。

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：

(7)

式中：为管道起始节点的测压管水头，m；为水库水位，m。

管道中阀门：

管道中阀门流量的计算公式为：

(8)

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

泄漏孔：

对于管道中的泄漏孔，泄漏孔流量为：

(9)

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

根据瞬变流检测时域法原理，如图4所示，泄漏孔距激励装置的距离为：

(10)

式中：t₁为减压波回传至测压点的时间，s；t₀为单向阀开启时间，s。

可控恒压低强度瞬变流激励装置：

(11)

式中：H_PN为管道末端节点的测压管水头，m；ρ为水的密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²。

本实施例所述方法的具体步骤如下：

步骤1，连接管道：将进水口连接在水源上，并将出水口连接在被测管道上；

步骤2，检测腔注水：打开出水阀将被测管道中的水从出水口注入检测腔，使检测腔中的水压达到被测管道中的水压，同时将检测腔中的空气排出；

步骤3，储能腔和加压腔注水：将加压腔的手动加压活塞移动至加压腔腔体最下侧，打开进水阀，使水源的水从进水口注入储能腔和加压腔，并使储能腔和加压腔中的水压尽可能达到检测腔的压力，同时将储能腔和加压腔中的空气排出，关闭进水阀；

步骤4，调整开启力：通过旋转调节盘对压簧施加压力，使压簧压缩，并通过标尺读取压簧的压缩量，以获取适应管道检测要求的单向阀开启力：

压簧从自由状态压缩到管道检测要求的压缩量Δx为：

式中：p₀为激励装置设定压力，Pa，p₀=ρgH₀；ρ为水的密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；H₀为激励装置设定水头，m；A₁为单向阀阀瓣下侧面积，m²；M为导向筒、阀杆和阀瓣一体件的质量，kg；k为弹簧弹性系数，N/m。

步骤5，实施管道泄漏检测：根据管道泄漏检测要求对手动加压活塞施加压力，当且仅当手动加压活塞所施加的力使加压腔和储能腔中的水压达到检测设定压力p₀时单向阀开启。储能腔中水压所产生的能量传导至被测管道，使被测管道压力产生瞬态变化。通过在输水管道上与瞬变流激励装置连接处设置压力传感器，监测瞬变流压力波并对其进行分析，获取泄漏点的位置。

验证算例：

对于图3所示系统，上游水库水位为4.0m，检测管道长度为200m，直径为0.1m，波速1000m/s，沿程阻力系数0.02。可控恒压低强度瞬变流激励装置通过长度为2.0m，直径为8mm，当量粗糙度为0.1mm的细管与主管道连接。泄漏孔位于距上游管道50m处，。可控恒压低强度瞬变流激励装置的设计压力H₀=30~50m。

可以看出，设计水头为30m时，如图5所示，测压点瞬变压力最大值、最小值分别为8.26m和0.53m；设定水头为40m时，如图6所示，测压点瞬变压力最大值、最小值分别为9.06m和-0.22m。水锤波传播至泄漏点时，减压波反射至测压点，两者时间差=0.3018s，距测压点距离为150.9m，距上游水库为49.1m，与实际泄漏点相差仅为0.9m。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如各个腔之间的连接方式、各种公式的运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

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