供水管网漏失及管道损伤的早期声波诊断技术

Early acoustic diagnostic techniques is studied for urban water supply network leakage and pipeline damage detection using acoustic transmission theory, physical and numerical simulation technology, uncertainty analysis and parallel computing technology. The researches include: 1) take use of pipeline physical model simulation experiments to study pipeline corrosion, deformation, formation mechanism of leakage and establish mathematical model.2) build pipeline acoustic transmission laboratory bench to study the variation of the acoustic transmission mechanisms and audio signals of acoustic initiative or passive pipe detection relating with pipeline parameters.3) construct a laboratory pipe network, discuss sound transmission in pipeline damage identification and location under different conditions, set up structures of pipe network and information of acoustic transmission database.4) use numerical simulation techniques to simulate and verify the acoustic transmission in constructed computer simulation model of the laboratory pipe network, create the dynamic model of pipel network. 5) introduce parallel computing technology for the analysis and simulation of uncertainty factors influence mechanisms in the formation of pipeline damage, establish acoustic transmission coupled model with the uncertainty factors. 6）establish software/hardware system of early acoustic diagnosis for water supply pipeline damage..This research aims to establish early acoustic diagnosis theories and technical methods for water supply pipeline damage, in order to find signs of damages before pipeline breaks. Thus, we will get greater social and economic benefits by turning pipeline network failure prevention from passive leakage detection and emergency repair into initiative prevention.

采用声波传输理论、物理与数值模拟技术、不确定分析与并行计算的理论和方法，研究城市供水管网漏失及管道损伤的早期声波诊断技术，包括1）利用管道物理模型模拟实验，研究管道腐蚀、形变、渗漏的形成机制并建立数学模型；2）建立管道声波传输实验台，研究声波主、被动检测管道缺陷的声传输机理、声讯号与管道参数相关的变化规律；3）建立实验室管网，研究不同工况下利用声传输对管道损伤进行识别与定位，建立管网结构与声传输信息数据库；4）利用数值模拟技术，建立实验室管网计算机仿真模型，对声传输进行模拟、校验，建立管网动态模型；5）引入并行计算技术进行管道损伤形成中不确定性因素影响机制分析与模拟，建立其与声传输的耦合模型；6）建立管网漏损早期诊断软硬件系统。.本研究旨在建立供水管道损伤早期声波诊断的理论与技术方法，以实现管道破损泄漏前即发现其破损征兆，将管网故障防范由被动检漏、抢修转为主动预防，将产生较大社会经济效益。

针对长期以来供水管网漏损严重、爆管时有发生，而管网日常管理侧重于检漏、爆管等事故发生后的补救，本项目提出“供水管网漏失及管道损伤的早期声波检测技术”，旨在降低管网漏损及各种故障造成的损失，及时诊断管道缺陷，实现事故防范从被动检漏、抢险转为主动预防，保证管网安全运行。研究成果如下：.（1）建立了基于GIS的供水管网漏损及检漏方法数据库。建立管网漏损因素层次结构模型，采用多因素相互耦合分析法计算表明一级评价指标间既相互制约又相互对应发展。（2）针对管道腐蚀、受压形变是漏损主要因素，通过实验，提出了管道内壁腐蚀垢层生长的三阶段理论，建立了腐蚀垢层稳定状态的电化学判据，阐明了管道配件基于流场分布的空间点位腐蚀变化规律；揭示了典型滨海盐土环境中管道土壤腐蚀机理及局部腐蚀的电化学进程，阐明了高氯离子环境下铁的羟基氯化物对土壤腐蚀的加速现象和氧扩散对于腐蚀速率的控制机制。同时，就管道老化中的腐蚀、地面载荷两个因素进行管道受压实验，研究管道破损阈值、应变-荷载等变化规律，建立模拟腐蚀管道的剩余抗压模型。（3）建立管道漏损声波检测实验系统，根据不同管材、管道不同结构参数与运行参数的单因素、多因素耦合的管道泄漏声波检测实验，确定了多种泄漏条件交互作用下，漏点声信号特征及其主要影响因素；提出了漏损定位组合方法，即对不同管材选择适宜的小波变换后，再建立不同管材漏点定位的优化模型，该方法大大减小了管道漏点定位误差。（4）建立管道缺陷超声波主动检测实验系统，选择超声波不同发射接收方式、不同信号参数等进行不同条件下管道不同损伤程度的检测实验，确定了管道损伤的超声波检测方式、传输特性及其规律；采用维格纳－威尔分布时频分析方法实现了钢管和球墨铸铁管道损伤定位，该方法可有效描述信号能量分布特征，能较准确地检测管道损伤位置。进一步根据地震勘探的多次叠加观测原理，采用微弱信号增强技术，将具有发射波波形的所有数据按照波形对应关系叠加，有效提高了信噪比和定位精度。（5）建立了管道内外腐蚀组合预测模型、管道剩余抗压预测模型，实现了对管道腐蚀、受损抗压各影响因素的不确定分析；建立了基于并行计算的管道腐蚀空间分布规律的计算机仿真模型、管道损伤超声波检测的计算机仿真模型，模拟结果经实验验证效果良好。.整合上述研究成果，建立了供水管网漏损声波检测信息系统、供水管网漏损早期声波诊断系统，部分成果应用于供水企业运行管理。