王仁江

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110003)

由于各種自然或人為原因，不可避免地出現(xiàn)管道故障問(wèn)題，不但會(huì)導(dǎo)致水資源的極大浪費(fèi)，也會(huì)危及人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此，對(duì)工程各個(gè)階段的安全進(jìn)行監(jiān)控是十分必要的，對(duì)管道運(yùn)行故障的監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入的研究，既有理論上的指導(dǎo)作用，又有較大的實(shí)用價(jià)值[1]。當(dāng)前，長(zhǎng)距離輸水隧洞管道采用示蹤劑檢測(cè)法，在管道中添加一定量放射性示蹤劑，一旦管道出現(xiàn)泄漏問(wèn)題時(shí)，管道內(nèi)的示蹤劑就會(huì)隨著泄漏物質(zhì)擴(kuò)散到管道外，由此可以確定管道是否出現(xiàn)泄漏。使用電纜檢測(cè)法主要是利用平行于管道的電纜檢測(cè)管道是否出現(xiàn)故障，一旦出現(xiàn)故障，管道泄漏物質(zhì)就會(huì)與電纜產(chǎn)生反應(yīng)，改變電纜特性，根據(jù)電纜阻抗大小推測(cè)泄漏位置[2]。雖然檢測(cè)方法眾多，但對(duì)于小的泄漏點(diǎn)和緩慢泄漏問(wèn)題還無(wú)法進(jìn)行有效檢測(cè)。為此，本文提出長(zhǎng)距離輸水隧洞管道運(yùn)行故障監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方法。

1 長(zhǎng)距離輸水隧洞管道故障監(jiān)測(cè)的瞬變流數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

瞬變監(jiān)測(cè)法是目前管道運(yùn)行故障監(jiān)測(cè)技術(shù)中的一個(gè)熱點(diǎn)和發(fā)展方向，它的基本原理是采用迅速關(guān)閉末端閥門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)暫態(tài)流動(dòng)，水錘波在穿過(guò)管道時(shí)會(huì)發(fā)生折射，從而引起管道內(nèi)的壓力失真，因此通過(guò)改變閥端壓力，可以判斷出故障位置和程度[3]。在此基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)對(duì)某一特定的邊界條件下的瞬變流量進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得管道壓力、流量相關(guān)參數(shù)，為管道的故障監(jiān)測(cè)提供了模擬依據(jù)[4]。

為了便于建立數(shù)學(xué)模型，必須引入一定的基本假定條件：①管道中的液體是均勻的，并填滿(mǎn)整個(gè)管道，僅考慮管道中各個(gè)水力參數(shù)的變化；②在管道中，液體是一維的，也就是液體本身的變形是線性的。

采用瞬變監(jiān)測(cè)法對(duì)長(zhǎng)距離輸水隧洞管道進(jìn)行失效監(jiān)測(cè)，其主要步驟如下：

步驟一：讀取管網(wǎng)數(shù)據(jù)，并對(duì)管網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行分析。

步驟二：分析各管段波速，并對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一時(shí)程計(jì)算。

步驟三：按照計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，對(duì)不同管道進(jìn)行分段處理。

步驟四：由各個(gè)剖面上的流速求出不穩(wěn)定的摩阻系數(shù)。

步驟五：利用目前周期內(nèi)各個(gè)區(qū)段的流量、壓力，將其視為下一階段的初始狀態(tài)[5]。在每一個(gè)計(jì)算周期中，對(duì)瞬態(tài)過(guò)程的迭代處理可以分成兩個(gè)階段：第一階段是采用兩個(gè)可兼容的公式，求解管道內(nèi)首末斷面的流量和壓力；第二階段是在迭代處理過(guò)程中，結(jié)合管段相鄰邊界條件方程，求解管道內(nèi)首末斷面的流量和壓力。

步驟六：以所計(jì)算出的流量和壓力為下一階段的初值，并重復(fù)步驟四到步驟六，該計(jì)算循環(huán)一直持續(xù)到暫態(tài)運(yùn)算完成為止。

根據(jù)以上步驟，設(shè)計(jì)管道故障監(jiān)測(cè)瞬變流過(guò)程分析流程，見(jiàn)圖1。

圖1 管道故障監(jiān)測(cè)瞬變流過(guò)程分析流程圖

在長(zhǎng)距離輸水隧洞管道故障監(jiān)測(cè)過(guò)程中，最大限度地減小測(cè)量值和計(jì)算值之間的差別，是進(jìn)行管道失效監(jiān)測(cè)的主要目的[6]。因此，其目標(biāo)函數(shù)可表示為：

(1)

采用實(shí)時(shí)反問(wèn)題分析方法，對(duì)長(zhǎng)距離輸水隧洞管道中的瞬態(tài)流量進(jìn)行仿真，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。管道故障對(duì)暫態(tài)壓力波幅值的衰減有很大影響，通過(guò)修改模型中的故障參數(shù)，減小測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果誤差，從而確定故障類(lèi)型[7]。其實(shí)質(zhì)是求解系統(tǒng)辨識(shí)中的逆向問(wèn)題及參數(shù)識(shí)別問(wèn)題，在給定初始故障狀態(tài)和故障位置后，對(duì)同一位置的同一物理量(流量和壓力)進(jìn)行計(jì)算，如果計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值基本一致，則說(shuō)明通過(guò)構(gòu)建的管道故障監(jiān)測(cè)的瞬變流數(shù)學(xué)模型能夠提取精準(zhǔn)瞬變參數(shù)[8]。

2 長(zhǎng)距離輸水隧洞管道運(yùn)行故障監(jiān)測(cè)

通過(guò)上述獲取的瞬變參數(shù)信息，使用小波變換技術(shù)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)距離輸水隧道管道運(yùn)行故障問(wèn)題。使用小波變換技術(shù)克服了以往單分辨率識(shí)別瞬變參數(shù)不精準(zhǔn)的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)信號(hào)局部信息的時(shí)域和頻域表征，能夠根據(jù)信號(hào)特定調(diào)節(jié)方式確定信號(hào)發(fā)出的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障精準(zhǔn)定位[9]。對(duì)于低頻信號(hào)，可以使用較高的時(shí)域分辨率改善頻域窗口；而對(duì)于高頻信號(hào)，則可以用較低的頻域分辨率來(lái)交換精確的時(shí)域位置[10]。基于此，設(shè)計(jì)長(zhǎng)距離輸水隧洞管道運(yùn)行故障監(jiān)測(cè)模型，見(jiàn)圖2。

圖2 長(zhǎng)距離輸水隧洞管道運(yùn)行故障監(jiān)測(cè)模型

由圖2可知，首先利用小波分析技術(shù)對(duì)采集到的流量、壓力信號(hào)進(jìn)行去噪處理，然后利用小波分析進(jìn)行流量奇異點(diǎn)檢測(cè)，最后使用相關(guān)分析法進(jìn)行管道故障定位。

2.1 基于小波去噪的信號(hào)突變點(diǎn)分析

使用小波去噪方法分析信號(hào)突變點(diǎn)，首先是將小波分解后的各個(gè)層次系數(shù)中大于或等于一定閾值的系數(shù)進(jìn)行去噪處理，然后使用反演方法重建去噪信號(hào)，最后對(duì)信號(hào)中不能使用的部分進(jìn)行有效處理，從而使有效部分信號(hào)得到增強(qiáng)[11]。信號(hào)突變點(diǎn)監(jiān)測(cè)是在不同的尺度上“磨光”原始信號(hào)，然后對(duì)磨光后信號(hào)的一階、二階導(dǎo)數(shù)的極值或零交點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[12]?；诖耍笕⌒〔ㄗ儞Q經(jīng)過(guò)平滑處理后的一階、二階導(dǎo)數(shù)，公式為：

(2)

使用小波變換系數(shù)的過(guò)零點(diǎn)和局部極值點(diǎn)能夠監(jiān)測(cè)故障信號(hào)突變點(diǎn)，其原理為：將小波變換視為平滑函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)時(shí)，小波變換的局部極值點(diǎn)就是信號(hào)的突變點(diǎn)[13]；將小波變換視為平滑函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)時(shí)，小波變換的過(guò)零點(diǎn)就是信號(hào)的突變點(diǎn)[14]。根據(jù)上述求取的小波變換后的一階、二階導(dǎo)數(shù)，對(duì)實(shí)際測(cè)得的信號(hào)采用高頻3細(xì)分量小波進(jìn)行分解，見(jiàn)圖3。

圖3 高頻3細(xì)分量小波分解

由圖3可知，在3層細(xì)分信號(hào)中，可確定最大位置點(diǎn)，也就是突變信號(hào)的位置。

2.2 基于相關(guān)分析法的管道故障定位

2.2.1 相關(guān)函數(shù)構(gòu)建

對(duì)相關(guān)函數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，能有效提取出微弱信號(hào)，而對(duì)于微小變化的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析，則能得到比較明顯的結(jié)果[15]。對(duì)于兩個(gè)不同隨機(jī)噪聲β1(f)和β2(f)，這兩個(gè)噪聲的相關(guān)函數(shù)反映了它們?cè)诓煌瑫r(shí)刻的相似程度，在沒(méi)有出現(xiàn)管道故障情況下，可以將其看作均值為0的隨機(jī)噪聲，可表示為：

(3)

式中：τ為延遲時(shí)間；T為處理周期。

相關(guān)函數(shù)反映了兩種不同信號(hào)的相似性，可以用來(lái)描述兩種信號(hào)間的關(guān)系，也可以用來(lái)描述兩種信號(hào)的相似性。這種方法能有效去除噪聲，過(guò)濾不相關(guān)的成分，并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)與故障診斷。

2.2.2 故障監(jiān)測(cè)定位

通過(guò)上述提取的微弱信號(hào)，構(gòu)建連續(xù)信號(hào)離散化模型，見(jiàn)圖4。

圖4 連續(xù)信號(hào)離散化模型

通過(guò)構(gòu)建的相關(guān)函數(shù)，對(duì)其進(jìn)行離散化處理后，可將相關(guān)函數(shù)改為：

(4)

式中：N為離散次數(shù)；x為異常信號(hào)監(jiān)測(cè)位置；y為噪聲信號(hào)位置。

在沒(méi)有故障的情況下，相關(guān)函數(shù)的數(shù)值幾乎為0；而在故障的情況下，相關(guān)函數(shù)的數(shù)值也會(huì)有明顯的改變。當(dāng)該變化量到達(dá)臨界點(diǎn)時(shí)，就被視為管道出現(xiàn)了故障問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)最大相關(guān)函數(shù)，求出兩個(gè)信號(hào)的延遲，由此根據(jù)定位公式(4)進(jìn)行管道故障定位。

通過(guò)對(duì)故障位置處壓力信號(hào)和信號(hào)傳輸?shù)絺鞲衅鞯臅r(shí)間差分析，可確定故障點(diǎn)位置。其中，對(duì)于故障點(diǎn)位置的信號(hào)傳輸時(shí)間差，可以通過(guò)相關(guān)函數(shù)峰值來(lái)確定；由于壓力信號(hào)自身均值很大，在故障情況下，上下游壓力信號(hào)的相關(guān)性基本不變。所以，有必要把壓力信號(hào)變換成差壓信號(hào)，然后再進(jìn)行相關(guān)分析。采用差壓信號(hào)求得的相關(guān)函數(shù)，不但消除了平均值，還能使上下游的壓力由下降沿向極值方向變化，對(duì)故障位置的定位更為有利。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證長(zhǎng)距離輸水隧洞管道運(yùn)行故障監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)合理性，布置了供水管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖5。

圖5 供水管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置示意圖

由圖5可知，所有節(jié)點(diǎn)高度都被設(shè)定為0，在上游，采用不變水壓的壓力池供給管網(wǎng)，壓力是25 m。穩(wěn)態(tài)時(shí)，管道的下游出口流量為1 L/s。測(cè)試節(jié)點(diǎn)T6處發(fā)生泄漏，泄漏量為0.6 L/s，漏氣面積為0.000 03 m2。在下端與操縱閥門(mén)相連，在0.25 s內(nèi)關(guān)閉。在T1-T6處設(shè)置6個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，對(duì)水錘波在不漏水、滲漏條件下的衰減進(jìn)行分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

水力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)物理模型見(jiàn)圖6。

圖6 水力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)物理模型

由圖6可知，實(shí)驗(yàn)管道采用鍍鋅鋼管，管道采用環(huán)形布置。在管線中部，存在兩個(gè)人為的泄漏孔，并通過(guò)閥門(mén)和電磁流量計(jì)進(jìn)行泄漏檢測(cè)；在管道中部，設(shè)有三通，分別是小型管網(wǎng)接口、管道出口、尾水管口。

3.3 測(cè)壓點(diǎn)分析

對(duì)于6個(gè)測(cè)試點(diǎn)，在有無(wú)泄漏工況下對(duì)管道壓力進(jìn)行測(cè)試分析。其中T1、T2、T3與T6泄漏點(diǎn)之間存在一定距離，影響較小；而T4、T5與T6泄漏點(diǎn)之間距離較近，影響較大，其中T5與T6泄漏點(diǎn)之間距離最近，影響最大。

對(duì)于T1、T2、T3測(cè)試點(diǎn)管道壓力測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)圖7。

圖7 T1、T2、T3測(cè)試點(diǎn)管道壓力測(cè)試

由圖7可知，T1、T2、T3測(cè)試點(diǎn)管道壓力測(cè)試結(jié)果均與實(shí)際值相差不大。其中，對(duì)于T1測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試值與實(shí)際值基本一致，誤差最大為1 Pa；對(duì)于T2測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試值與實(shí)際值在時(shí)間為0.7～0.8 s時(shí)，存在最大為0.5 Pa的偏差；對(duì)于T3測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試值與實(shí)際值在時(shí)間為0.7～0.8 s時(shí)，存在最大為2.5 Pa的偏差。

對(duì)于T4測(cè)試點(diǎn)管道壓力測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)圖8。

圖8 T4測(cè)試點(diǎn)管道壓力測(cè)試

由圖8可知，對(duì)于T4測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試值僅與實(shí)際值存在最大為0.5 Pa的誤差，但與T1、T2、T3測(cè)試點(diǎn)相比，相差較大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是該測(cè)試點(diǎn)與泄漏點(diǎn)T6在一側(cè)管道上，影響該點(diǎn)的壓力。

對(duì)于T5測(cè)試點(diǎn)管道壓力測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)圖9。

圖9 T5測(cè)試點(diǎn)管道壓力測(cè)試

由圖9可知，對(duì)于T5測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試值僅與實(shí)際值存在最大為0.4 Pa的誤差，但是與T1、T2、T3測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試值相差較大，與T4測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試值相差相對(duì)較小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是，該測(cè)試點(diǎn)不僅與泄漏點(diǎn)T6在一側(cè)管道上，而且還與泄漏點(diǎn)T6相距最近。

通過(guò)上述分析結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的長(zhǎng)距離輸水隧洞管道運(yùn)行故障監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)結(jié)果不會(huì)受到外界因素影響，與實(shí)際值相差不大。

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合管道故障監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，針對(duì)所研究的方法應(yīng)用開(kāi)展研究，涉及管道瞬態(tài)變化、數(shù)值仿真、小波去噪處理、離散化處理等步驟。首先，對(duì)管道瞬態(tài)進(jìn)行了分析，并對(duì)其瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)。結(jié)合多個(gè)實(shí)例，對(duì)管道在不同的故障參數(shù)下的瞬變流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真。采用小波去噪技術(shù)對(duì)管道壓力、流量信號(hào)進(jìn)行去噪處理，結(jié)合小波奇性法進(jìn)行了數(shù)值模擬。之后經(jīng)過(guò)離散化的處理方法，提取出微弱信號(hào)，進(jìn)而確定時(shí)間差，依據(jù)位置關(guān)系式進(jìn)行故障點(diǎn)定位。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知，該方法解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法存在的監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度低的問(wèn)題，并能夠更加確切反映實(shí)際壓力的變化過(guò)程，對(duì)提高供水安全可靠性起到重要作用。