朱貴兵,李 俊,蘇善昭

(上海市供水水表強(qiáng)制檢定站有限公司,上海 201900)

在城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)中,尤其是在超級(jí)大都市上海,供水管網(wǎng)規(guī)模龐大,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,部分供水管網(wǎng)已運(yùn)行超過100年[1]。目前在役供水管道的主要構(gòu)成材料以鋼管和鑄鐵管為主,金屬管道使用率超過70%。盡管在敷設(shè)時(shí)對(duì)供水管道內(nèi)部采取了防腐措施,仍然存在因管材材質(zhì)參差不齊、管道超齡使用、管網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境惡劣等因素而導(dǎo)致管道內(nèi)壁出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕、結(jié)垢。與此同時(shí),在管網(wǎng)運(yùn)行期間,因管網(wǎng)維護(hù)不當(dāng)、鄰近工程私接亂改而導(dǎo)致管內(nèi)出現(xiàn)氣囊、障礙物、冗余接口、變形甚至漏點(diǎn)等影響管網(wǎng)正常運(yùn)行的現(xiàn)象。

以往的供水管線評(píng)估模型多使用單純的爆管事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來評(píng)價(jià)管道事故,而統(tǒng)計(jì)量的限制不足以用來對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行全面風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[2]。2021年上海市出臺(tái)了《城市供水管網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)規(guī)范》地方標(biāo)準(zhǔn),從管道物理屬性、管網(wǎng)周邊環(huán)境、管網(wǎng)運(yùn)維狀態(tài)3個(gè)方面總結(jié)了影響城市供水管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性的要素,并從區(qū)域重要程度、影響居民數(shù)量、中斷供水時(shí)間、事件漏失水量、影響區(qū)域范圍等情況對(duì)供水管網(wǎng)事故后造成的影響進(jìn)行評(píng)價(jià),填補(bǔ)了供水管網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)缺乏的空白[3]。

面對(duì)供水管網(wǎng)密集度高、體量大、管齡長(zhǎng)等特征,同時(shí)因超大型城市道路交通及各種地下管網(wǎng)的復(fù)雜性,使得供水管網(wǎng)的改造和維修帶來巨大挑戰(zhàn),越來越多的管道在超齡和受損狀態(tài)下運(yùn)行,給城市安全帶來隱患。近年來,上海引入了Permanet、智能球、Sahara、Aquarius等國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的管網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)手段用于管網(wǎng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)以發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)漏損,降低管網(wǎng)產(chǎn)銷差。其中,Sahara技術(shù)不僅可以用于發(fā)現(xiàn)管道漏損,更能夠憑借其可視化的檢測(cè)成果來了解管道內(nèi)部的實(shí)際受損狀態(tài)、用數(shù)據(jù)量化綜合管況以反映管道最真實(shí)的情況。類似于Sahara的基于聲學(xué)、無損檢測(cè)手段的國(guó)內(nèi)檢測(cè)設(shè)備諸如Snake701、諦聽TM60、G70也已成熟運(yùn)用在管道內(nèi)檢測(cè)中,在上海市檢測(cè)長(zhǎng)度逾200 km,但針對(duì)特定管段的管道運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方法尚未統(tǒng)一。本文借鑒排水管道評(píng)估的方法,采用定級(jí)和打分的半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法對(duì)管道進(jìn)行受損狀態(tài)評(píng)估,同時(shí)結(jié)合管段影響用戶量、敷設(shè)區(qū)位、周邊道路等級(jí)等因素,細(xì)化各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素及分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo),給出了建議權(quán)重值,并以此建立供水管道失效后果的評(píng)估方法。

1 管道內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)前的管道內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)一般都是高靈敏水聽器、高清視覺集成的帶水帶壓無損檢測(cè)技術(shù),均可在正常供水狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)主檢測(cè)設(shè)備的投放和對(duì)管道內(nèi)部高清影音數(shù)據(jù)的采集。

鑒于實(shí)際應(yīng)用過程中各種管道內(nèi)檢測(cè)設(shè)備的參數(shù)、操作使用以及檢測(cè)能力大同小異,本文將以深圳市博銘維技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)制造的型號(hào)為Snake701的供水管道內(nèi)檢測(cè)設(shè)備為參考。Snake701配備了以下一系列的組件以形成一整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng):1)單節(jié)內(nèi)置高靈敏度水聽器、高清攝像單元、高精度定位發(fā)射模塊以及微型6軸慣性導(dǎo)航姿態(tài)傳感器的膠囊式探視器倉(cāng)(集成度優(yōu)于上代串式傳感器倉(cāng));2)輔助探視器倉(cāng)進(jìn)入待檢管道的插入裝置(較上代笨重的管式推送裝置更便捷);3)抗拉300 kg的線纜及纜盤,包含探視器通信光纜、供電線纜、鋰電池以及與操控平臺(tái)連接的通信模組;4)送纜、收纜裝置,包含計(jì)米器和消毒裝置;5)接收定位信號(hào)的追蹤定位機(jī);6)插入式流量計(jì);7)控制探視器聲光系統(tǒng)、收送線纜、接收和處理音視頻的平板電腦。

該套檢測(cè)設(shè)備在理想條件下能夠檢測(cè)管徑DN200～DN3000的任意類型和材質(zhì)的供水管道,能夠通過DN500及以上帶有蝶閥的復(fù)雜管道。該套檢測(cè)系統(tǒng)能夠通過插入裝置連接最小DN80的閘閥將帶有牽引傘的探視器倉(cāng)投放至待檢管道,探視器倉(cāng)將依靠水流傳遞給牽引傘的推力在管道中實(shí)現(xiàn)前行,在管況良好的情況下(檢測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)單個(gè)管道彎度不大于90°,累計(jì)彎度不小于270°;管內(nèi)水流速為0.3～3.0 m/s;管內(nèi)水壓為0.1～1.7 MPa),單次有效檢測(cè)距離理論上不受限制(需定制線纜長(zhǎng)度)。在檢測(cè)過程中,主檢管道無需停水但需要一定的流速(與主檢管道相連接的其他管段需停水),Snake701配備了5種不同型號(hào)的牽引傘以適應(yīng)在不同流速情況下的檢測(cè),所以在檢測(cè)前需使用插入式流量計(jì)對(duì)管中流速進(jìn)行測(cè)量,并以測(cè)得的流速數(shù)據(jù)作為傘面選擇的依據(jù)。圖1為管道內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)的工作示意圖。

圖1 管道內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)工作Fig.1 Working Inspection System in Pipeline

Snake701檢測(cè)系統(tǒng)的視頻系統(tǒng)能夠清晰地觀察到管道內(nèi)存在的管道閥門、支管、非法接頭等管道附屬管件或滯留氣囊、管瘤、堆積物、泄漏等缺陷情況,并能夠根據(jù)慣性導(dǎo)航姿態(tài)傳感器確認(rèn)附屬物或缺陷的時(shí)鐘位置,根據(jù)管徑、檢測(cè)距離、圖像估算出缺陷面積大小及嚴(yán)重程度。高靈敏度水聽器能夠智能識(shí)別漏點(diǎn)大小。在檢測(cè)時(shí),當(dāng)發(fā)現(xiàn)氣囊、管瘤、漏點(diǎn)、非法接頭等需要進(jìn)行地面定位時(shí),可使用接收定位信號(hào)的追蹤定位機(jī)對(duì)探視器的位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位。該系統(tǒng)可對(duì)覆土深度不超過8 m的管道中的探視器進(jìn)行精準(zhǔn)定位,定位精確到±0.5 m。

2 管道運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估模型的構(gòu)建

2.1 管道受損狀態(tài)評(píng)估

供水管道的受損狀況跟管道本身材質(zhì)、管徑大小、所使用年限等因素有關(guān),定義供水管道的缺陷類型包括:結(jié)構(gòu)缺陷、連接缺陷及運(yùn)行狀態(tài)缺陷。結(jié)構(gòu)性缺陷主要是本體結(jié)構(gòu)的損壞,是由管道發(fā)生腐蝕、變形、斷裂等導(dǎo)致的。連接缺陷是未在管線圖中標(biāo)注的冗余支管等連接。功能性缺陷主要是指管道內(nèi)部因施工、制水工藝等原因造成管道內(nèi)部過水?dāng)嗝孀冃?、混入雜質(zhì)懸浮物等。

供水管道的受損狀況的研究首先需要選擇評(píng)價(jià)指標(biāo),評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性也取決于評(píng)價(jià)指標(biāo)是否正確、合理、可靠。管徑、管材、管齡、覆土深度、道路等級(jí)等指標(biāo)在國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)供水管網(wǎng)健康狀況中被大量選用[4],因供水管道本身具有多樣性和復(fù)雜性,在進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選時(shí),需要考慮的健康狀況影響因素眾多。鑒于上海市區(qū)中心范圍內(nèi)的管道在覆土深度、運(yùn)行管壓、溫差、道路荷載指標(biāo)間差異較小,所以在進(jìn)行評(píng)估指標(biāo)選擇時(shí),重點(diǎn)考慮管材、管徑、管齡以及檢測(cè)所見的結(jié)構(gòu)、連接和運(yùn)行狀態(tài)缺陷。

管道受損狀態(tài)評(píng)估(半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法)由兩大項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素構(gòu)建:管道缺陷檢測(cè)結(jié)果及管道物理屬性。缺陷檢測(cè)結(jié)果定義如表1所示,管徑D、管材M、管齡A3個(gè)管道物理屬性指標(biāo)評(píng)分參照《城市供水管網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)規(guī)范》(表2～表4)。供水管道受損狀態(tài)評(píng)估采用式(1)～式(6)計(jì)算。

(1)

表1 管道缺陷定義Tab.1 Definition of Pipeline Defect

表2 管材物理屬性指標(biāo)評(píng)分值Tab.2 Physical Attribute Index Score of Pipe Material

表3 管徑物理屬性指標(biāo)評(píng)分值Tab.3 Physical Attribute Index Score of Pipe Diameter

表4 管齡物理屬性指標(biāo)評(píng)分值Tab.4 Physical Attribute Index Score of Pipeline Service Life

ω1+ω2=1

(2)

ωL1+ωL2+ωL3=1

(3)

Smax=max{pi}

(4)

Smax≥S時(shí),F=Smax

(5)

Smax

(6)

其中:S、F——管道受損狀態(tài)評(píng)分;

pi——缺陷等級(jí)評(píng)分系數(shù),參照表5;

表5 管道缺陷等級(jí)評(píng)分系數(shù)Tab.5 Grading Coefficient of Pipeline Defect Grade

n——缺陷總數(shù);

ω1、ω2——缺陷檢測(cè)結(jié)果、管道物理指標(biāo)的計(jì)算權(quán)重,分別取0.7、0.3;

ωL1、ωL2、ωL3——管道物理指標(biāo)中管徑、管材和管齡的計(jì)算權(quán)重,分別取0.15、0.4、0.45[3]。

計(jì)算得到管道受損狀況評(píng)分?jǐn)?shù)值后,可通過表6對(duì)管道受損狀態(tài)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估,等級(jí)越高代表管道受損狀態(tài)越嚴(yán)重。

表6 管道受損狀態(tài)等級(jí)評(píng)估Tab.6 Grade Assessment of Damaged State Pipeline

2.2 管道失效后果等級(jí)評(píng)估

管道失效后果即管道發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事件后引起的各類損失或不利影響,可通過管道失效后影響用戶量、管道敷設(shè)區(qū)位及管道所在道路等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)定。按照事故影響用戶數(shù)量的多少,可以500戶、1 000戶、2 000戶為界劃分出4個(gè)區(qū)間,影響人口越多,后果越嚴(yán)重,取值越大。按照事故發(fā)生區(qū)位的重要性,劃分為重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)區(qū)域鄰近區(qū)以及一般區(qū)域。按照事故發(fā)生區(qū)位對(duì)道路交通的影響可劃分為主干路、次干路及支路。管道失效后果評(píng)分系數(shù)和失效后果評(píng)估權(quán)重分別如表7、表8所示。管道失效后果評(píng)分R計(jì)算如式(7)。

表7 管道失效后果評(píng)分系數(shù)Tab.7 Score Coefficient of Pipeline Failure Consequence

(7)

其中:qi——第i項(xiàng)失效后果評(píng)估評(píng)分系數(shù);

Ei——第i項(xiàng)失效后果評(píng)估權(quán)重;

n——失效后果評(píng)價(jià)總數(shù)。

計(jì)算得管道失效后果評(píng)分?jǐn)?shù)值后,可通過表9對(duì)管道失效后果等級(jí)進(jìn)行評(píng)估,等級(jí)越高代表管道失效后影響程度越高。

表9 失效后果等級(jí)評(píng)估Tab.9 Failure Consequence Grade Assessment

2.3 管道運(yùn)行狀態(tài)等級(jí)評(píng)估

綜合考慮管道受損狀態(tài)及管道失效后果二者的影響,對(duì)管道運(yùn)行狀態(tài)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估,運(yùn)行狀態(tài)等級(jí)分為低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)級(jí)別,評(píng)估方式如表10所示。

表10 管道運(yùn)行狀態(tài)等級(jí)評(píng)定方法Tab.10 Grade Evaluation Method of Pipeline Operation State

3 供水管道內(nèi)檢測(cè)結(jié)果評(píng)估實(shí)例

《上海市供水管網(wǎng)隱患管道閉環(huán)管控工作指南(試行)》要求對(duì)市內(nèi)當(dāng)年無法改造的隱患管網(wǎng)進(jìn)行閉環(huán)管理,一系列先進(jìn)的管網(wǎng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)手段得到了應(yīng)用和推廣。作為管網(wǎng)閉環(huán)管理措施之一的系纜式管道內(nèi)檢測(cè)已實(shí)施了逾200 km的檢測(cè)工作,指導(dǎo)了部分中心城區(qū)的管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)排查及老舊管網(wǎng)更新改造工作,同時(shí)積累了大量的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn),在降低城市供水漏失率、減少供水管網(wǎng)事故等方面取得了顯著成效。圖2展示了檢測(cè)過程中部分典型缺陷圖。

圖2 典型管道缺陷Fig.2 Typical Pipeline Defect

本文結(jié)合實(shí)際,選取上海市中心城區(qū)某路段DN500鑄鐵管進(jìn)行了管道內(nèi)檢測(cè)及管道運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估。該管段埋設(shè)于1991年,管段長(zhǎng)為76.6 m,已運(yùn)行超30年,目前尚在服役狀態(tài),缺陷檢測(cè)結(jié)果匯總?cè)绫?1所示。

表11 供水管道檢測(cè)缺陷匯總Tab.11 Summary of Inspection Defects of Water Supply Pipelines

由表11中的檢測(cè)結(jié)果,參照本文提出的管道受損狀態(tài)評(píng)估方法,計(jì)算得出管道受損狀態(tài)評(píng)分F=S=3.71,評(píng)估為該管道受損狀態(tài)等級(jí)為2級(jí)(狀態(tài)不佳)?？紤]該管段敷設(shè)在一般區(qū)域的主干路,影響用戶數(shù)小于500戶,則該管段失效后果等級(jí)為2級(jí)(影響中等)。綜合考慮管道受損狀態(tài)及管道失效后果二者的影響,按照風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),該管道運(yùn)行狀態(tài)等級(jí)為中風(fēng)險(xiǎn),管道基本符合安全要求,管道存在劣化及病害加劇跡象,有可能影響系統(tǒng)安全和整體功能,應(yīng)對(duì)該管道缺陷部位采取維修措施,加強(qiáng)定期檢測(cè)或監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論及展望

管道內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)憑借其高效性、精確性、安全性以及可視化的檢測(cè)成果,可以應(yīng)用于城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估。本文結(jié)合供水管道內(nèi)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn),采用管道內(nèi)窺檢測(cè)的方法,以管道內(nèi)可視化檢測(cè)成果結(jié)合半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法分析管道缺陷,參考國(guó)內(nèi)外管線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,分析本地區(qū)影響供水管道的主要因素,提出了針對(duì)城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)中某一特定管段運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估、量化管道風(fēng)險(xiǎn)的方法,解決了目前供水管道維護(hù)管理被動(dòng)、滯后等問題,能夠?yàn)楣艿谰S護(hù)管理與更新改造提供一定的技術(shù)依據(jù)。

本文提出的評(píng)估方法綜合考慮了管道本身以及周圍環(huán)境的影響,可在根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況調(diào)整和優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行推廣應(yīng)用,在技術(shù)上具有一定的借鑒意義。然而,本文提出的評(píng)估方法一方面受限于影響管道健康狀況因素的差異化指標(biāo),另一方面是檢測(cè)數(shù)據(jù)的量化。當(dāng)前技術(shù)條件下的管道內(nèi)檢測(cè)僅是對(duì)管道內(nèi)部的聲光數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,手段較為單一,且復(fù)雜的服役狀態(tài)和環(huán)境對(duì)其多有掣肘,需要結(jié)合其他檢測(cè)手段進(jìn)行交叉驗(yàn)證和多數(shù)據(jù)融合分析評(píng)估,以對(duì)管道進(jìn)行全面、精準(zhǔn)的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估,同時(shí)可建立供水管道動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型以實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)預(yù)警。在當(dāng)前人工智能技術(shù)較為發(fā)達(dá)的背景下,通過缺陷樣本的積累可以逐步設(shè)計(jì)出高精準(zhǔn)率管道缺陷識(shí)別模型,并將其集成至檢測(cè)系統(tǒng)中,以提高管道運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的質(zhì)量和效率。