大型埋地压力输水管道渗漏连续监测方法与爆管预警系统

摘要

本发明公开一种大型埋地压力输水管道渗漏连续监测方法，包括步骤：（1）在大型压力输水管道内布置连续监测信号采集设备，在管道外布置信号测量和分析设备；（2）测量被监测压力输水管道在正常运行工况时的振动、应变、声波和压力变化基础信号数据；模拟被监测的压力输水管道渗漏过程，测量渗漏过程中出现的振动、应变、啸叫和水压变化特征信号数据；（3）分析监测数据，建立反映被监测管道工作性态的模型，确定危害程度等级和预警阈值，开发分析判断模块和险情发布模块；（4）进行被监测压力管道的连续监测，当危害程度达到预警阈值时，发布警报。

说明书

技术领域

本发明适用于大型压力输水管道的安全监测技术领域，涉及跨流域调 水工程、水利水电工程和市政工程，亦适用于石化等行业输送或储存其他 液态或气态物质的压力管道或压力容器的安全监测，具体地涉及一种大型 埋地压力输水管道渗漏连续监测方法与爆管预警系统。

背景技术

为解决民生水利，保障大中型城市供水，我国已建设引滦入津、东深 供水、引大入秦等一大批引调水工程，在建和拟建的大型跨流域引调水工 程还有南水北调、引汉济渭等。大型压力输水管道是引调水工程的重要组 成部分。

国内外已建大型压力输水管道爆管事故时有发生，这些事故不仅严重 威胁城市供水安全，造成宝贵水资源的浪费，带来巨大的经济损失，还会 带来次生灾害，严重威胁输水管沿线人民的生命安全。

目前国内外对于大型埋地压力输水管道的爆管都缺乏有效的预警手 段。我国已建成的大型埋地压力输水管道主要通过定期停水检修的方法预 防爆管事故的发生，由于大型埋地压力输水管道停水检修间隔时间长(通常 一年检修一次)，检修期短，通过停水检修的方法并不能有效杜绝爆管发生， 我国新建或在建的部分埋地压力输水管道虽然在管道外局部埋设了渗漏仪 等监测仪器，但是受各种适用条件制约，对预警爆管的有效性不高，而且 监测仪器由于深埋于地下，难以进行维护和技术升级，因此，亟需研发一 种有效的、适用于已建成或在建大型埋地压力输水管道的渗漏连续监测方 法与爆管预警系统，以保障我国大中城市供水安全，为社会经济可持续发 展保驾护航。

虽然大型埋地压力输水管道的爆管原因很多，但最重要且难以预防的 一类爆管是由管道局部渗漏引起的爆管。这类爆管有一个发展过程，首先 是由各种原因引发管道局部渗漏，进而在管内水压下形成射流，高速喷射 的水流冲走管道外的沙土，为管道向外扩张提供了空间，当这个空间足够 大时管道在内压下爆裂形成爆管。大量观察和实验显示，在由渗漏引起爆 管的过程中，高速喷出的水流会引起管道振动和啸叫，并随着渗漏严重程 度的发展引起管内压力变化。本发明正是着眼于这些伴生现象，通过在大 型压力输水管道内监测管道振动、啸叫、压力变化和管壁应变来实现对这 类爆管的预警。理论分析和现场试验都证明，该方法原理可靠，精度高， 不仅适用于新建压力输水管道，亦适应于已建成的压力输水管道，便于监 测设备维护和技术升级，是我国压力输水管道安全运行的亟需技术。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种大型 埋地压力输水管道渗漏连续监测方法，其通过在大型压力输水管道内监测 管道振动、啸叫、压力变化和管壁应变来实现对这类爆管的预警，精度高， 不仅适用于新建压力输水管道，亦适应于已建成的压力输水管道，便于监 测设备维护和技术升级。

这种大型埋地压力输水管道渗漏连续监测方法，所述方法基于压力输 水管道渗漏过程中会产生射流，出现管道振动、啸叫和管内压力变化现象； 这种连续监测方法，包括以下步骤：

（1）在大型压力输水管道内布置连续监测信号采集设备，在管道外布 置信号测量和分析设备；

（2）测量被监测压力输水管道在正常运行工况时的振动、应变、声波 和压力变化基础信号数据；模拟被监测的压力输水管道渗漏过程，测量渗 漏过程中出现的振动、应变、啸叫和水压变化特征信号数据；

（3）分析监测数据，建立反映被监测管道工作性态的模型，确定危害 程度等级和预警阈值，开发分析判断模块和险情发布模块；

（4）进行被监测压力管道的连续监测，出现异常信号数据时，系统自 动判断其是否由管道渗漏引起，判断这些信号是否来源于同一个渗漏点并 精确定位渗漏点位置，对来源于同一个渗漏点的信号，根据振动和啸叫的 强度、频谱特性以及水压变化数据判断渗漏的危害程度；当危害程度达到 预警阈值时，发布警报。

本方法通过在大型压力输水管道内监测管道振动、啸叫、压力变化和 管壁应变来实现对这类爆管的预警，精度高，不仅适用于新建压力输水管 道，亦适应于已建成的压力输水管道，便于监测设备维护和技术升级。

还提供了利用这种大型埋地压力输水管道渗漏连续监测方法的爆管预 警系统，包括以下组成：

（1）在大型压力管道内布置的连续监测信号采集设备，包括分布式振 动和应变传感光纤、水声检波器及电缆、光纤光栅水压计及传输光缆；

（2）在大型压力管道外布置的信号测量和分析设备，包括分布式光纤 振动和应变监测系统、水声检波器声波振动测量装置、光纤光栅水压测量 装置；

（3）分析判断模块、险情发布模块；

（4）因特网数据传输系统。

具体实施方式

这种大型埋地压力输水管道渗漏连续监测方法，所述方法基于压力输 水管道渗漏过程中会产生射流，出现管道振动、啸叫和管内压力变化现象； 这种连续监测方法，包括以下步骤：

（1）在大型压力输水管道内布置连续监测信号采集设备，在管道外布 置信号测量和分析设备；

（2）测量被监测压力输水管道在正常运行工况时的振动、应变、声波 和压力变化基础信号数据；模拟被监测的压力输水管道渗漏过程，测量渗 漏过程中出现的振动、应变、啸叫和水压变化特征信号数据；

（3）分析监测数据，建立反映被监测管道工作性态的模型，确定危害 程度等级和预警阈值，开发分析判断模块和险情发布模块；

（4）进行被监测压力管道的连续监测，出现异常信号数据时，系统自 动判断其是否由管道渗漏引起，判断这些信号是否来源于同一个渗漏点并 精确定位渗漏点位置，对来源于同一个渗漏点的信号，根据振动和啸叫的 强度、频谱特性以及水压变化数据判断渗漏的危害程度；当危害程度达到 预警阈值时，发布警报。

本方法通过在大型压力输水管道内监测管道振动、啸叫、压力变化和 管壁应变来实现对这类爆管的预警，精度高，不仅适用于新建压力输水管 道，亦适应于已建成的压力输水管道，便于监测设备维护和技术升级。

优选地，步骤（4）中根据振动、啸叫、压力变化信号强度沿管线分布 的最大值的位置确定漏水点的位置时，采用样条插值方法可以提高漏水点 位置推测精度。

优选地，该系统包括振动、应变、声波和压力监测装置、分析判断模 块、险情发布模块和网络数据传输系统。振动、应变、声波和压力监测装 置由设置于管道内的信号采集设备和设置于管道外的测量记录装置组成； 分析判断模块用于判断采集到的特殊信号是否由管道渗漏引起，判断各种 特殊信号是否来源于同一个渗漏点并精确定位渗漏点位置，并根据振动和 啸叫的强度、频谱特性以及水压变化数据判断渗漏的危害程度；险情发布 模块在监控终端发布测量和险情数据，当危害程度达到预警阈值时，发出 声光报警，还通过网络向相关人员的手机发出警报。

还提供了利用这种大型埋地压力输水管道渗漏连续监测方法的爆管预 警系统，包括以下组成：

（1）在大型压力管道内布置的连续监测信号采集设备，包括分布式振 动和应变传感光纤、水声检波器及电缆、光纤光栅水压计及传输光缆；

（2）在大型压力管道外布置的信号测量和分析设备，包括分布式光纤 振动和应变监测系统、水声检波器声波振动测量装置、光纤光栅水压测量 装置；

（3）分析判断模块、险情发布模块；

（4）因特网数据传输系统。

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前 提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围由权利要求书界定不限于下述的实施例。

1.根据监测的大型埋地压力输水管道工程特性进行监测设计。压力输 水管道口径需满足人工安装监测光纤、电缆和光缆的要求，通常不小于 1.5m；按照管线长度和出线长度定制分布式振动和应变传感光纤、水声检 波器及电缆、光纤光栅水压计及传输光缆，光纤、电缆和光缆外护套选用 高密度HDPE材料，以达到良好的防水效果；根据监测的管材衰减特性确定 水声检波器的安装间距、数量和电缆芯数，将水声检波器密封在电缆内， 与电缆形成一个整体，采用数字式水声检波电缆可在一条电缆内最多密封 进数千个传感器，同时大幅度减少电缆芯数；根据管道埋深地理高程和压 力变幅范围，确定光纤光栅水压计的分布。

2.在大型埋地压力输水管道内安装分布式振动和应变传感光纤、水声 检波器电缆和光纤光栅水压计传输光缆，光纤需固定在管道内壁上，采用 与管材粘接性能良好、环保无毒的粘接剂，电缆和光缆可视管道内流速局 部固定，在管壁底部固定时，通常固定点间距不超过5m，在管身其它部位 固定时，需加密。

3.光纤前端和末端位置需现场选择适当部位打孔引出压力输水管道外 部，分别安装前端传感单元和末端传感单元，传感光缆、前端传感单元、 末端传感单元需安装在防水接续盒中，为防止外界环境对前端传感单元， 末端传感单元及引出端传感光缆的影响，需要把前端和末端防水接续盒安 装在地表下大于0.5米深度，并做好隔振和防水保护。

4.完成分布式光纤振动监测装置、管道振动水声检波分析监测装置和 管道内水压力光纤光栅动态监测装置的连接。

5.大型埋地压力输水管道恢复通水后，首先监测各运行工况下（包括 管线上水泵、各类阀门的启闭）的振动、水声、水压等基础数据，然后人 为控制管线上的放空阀模拟不同程度的渗漏，取得不同工况、不同泄漏程 度时管线振动、水声、水压等实验数据，通过交叉分析，归纳出合适的报 警阀值。

鉴于不同材质的压力管道泄漏产生的振动和啸叫频率、传播速度、衰 减特性各不相同，为确保预警效果，系统安装后，需对振动、噪音和压力 同步进行连续监测，通过现场试验优化预警阀值指标，最终建立泄漏综合 连续监测和爆管预警系统。

本发明的有益效果如下：

1.本发明基于压力输水管道渗漏过程中会产生射流，出现管道振动、 啸叫和管内压力变化，采用连续监测方法可以有效甄别导致爆管发生的危 害性渗漏并精确定位渗漏部位，实现在危害性渗漏导致爆管前预警。

2.本发明在大型埋地压力输水管道内安装连续监测信号采集设备，无 需开挖埋设，便于系统维护和升级改造。

3.本发明采用连续监测技术，能够对大型埋地压力输水管道进行全程 连续监测，具有无监测盲区、精度高、实时性好、受偶然因素影响小的特 点。该系统也可以用于新建的大型压力输水管道。

4.本发明综合采用分布式光纤振动和应变监测技术、管道振动水声检 波技术、管道内水压力光纤光栅动态监测技术监测相关物理参量，系统能 够适应跨流域调水工程采用的多种管材。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技 术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发 明技术方案的保护范围。