李哲+李夢科

摘 要：水錘效應(yīng)，是由于水（或其他液體）輸送過程中，由于閥門突然開啟或關(guān)閉、水泵突然停止等原因，使流速發(fā)生突然變化，同時(shí)產(chǎn)生大幅度波動(dòng)的現(xiàn)象。產(chǎn)生振動(dòng)波在流體管道壁傳播，這是一種有害管道能量形式。但該能量在傳輸過程中會(huì)攜帶上管道物理組織特性、管壁接觸邊界特性、流體性質(zhì)等檢測有用信息。如能獲得能量傳輸參數(shù)與管道漏點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)表達(dá)式或解析解，將能夠從根本上解決目前地下管網(wǎng)只能通過雷達(dá)探測、高人工成本，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、以及無法預(yù)防管道泄露，管道泄漏才能后發(fā)找到漏點(diǎn)的現(xiàn)狀，進(jìn)而避免了管道流體對環(huán)境的污染以及流體泄露損耗。

關(guān)鍵詞：水錘效應(yīng)；防護(hù)措施；漏點(diǎn)監(jiān)測；早期預(yù)防；實(shí)時(shí)監(jiān)測

1 研究背景及意義

管道輸運(yùn)是運(yùn)輸行業(yè)中的很重要的一種輸運(yùn)方式。管道輸運(yùn)具有自己特有的優(yōu)勢：效率高、污染小、成本低并且受外界影響小。所以幾乎所有的流體包括液體、氣體都用管道來輸運(yùn)。城市地下管網(wǎng)極其發(fā)達(dá)，包括輸水（冷、熱）、輸油、輸氣等，且管道運(yùn)輸在全球都有廣泛的應(yīng)用空間，市場空間極為龐大。

隨著管道使用時(shí)間的增加，管網(wǎng)不可避免的會(huì)出現(xiàn)磨損，以及由于水錘效應(yīng)產(chǎn)生的對管網(wǎng)的沖擊振動(dòng)，使得管道容易發(fā)生泄漏或者堵塞。管道泄漏不僅會(huì)造成寶貴資源的浪費(fèi)，環(huán)境的污染甚至?xí)：Φ饺嗣竦纳?cái)產(chǎn)安全。

目前，國內(nèi)多數(shù)城市都采用被動(dòng)檢漏的方法或以被動(dòng)法為主進(jìn)行檢測的方法。檢測實(shí)驗(yàn)多采取人工手動(dòng)進(jìn)行，由經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員通過聽漏儀沿著管道逐段的診聽來自地下因?yàn)樾孤┒l(fā)出的響聲。這種方法檢測成本高；容易受環(huán)境干擾，常常需要工人在夜間進(jìn)行測試；可靠性比較低，小截面漏點(diǎn)的泄漏信息難以獲取。對比之下，基于水錘效應(yīng)震動(dòng)的管網(wǎng)檢測，其實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、預(yù)判性、低成本特性都非常明顯。

2 目前常用水錘防護(hù)措施

水錘形成主要有兩點(diǎn)原因：第一點(diǎn)輸水工程在正常運(yùn)行時(shí)，受溫度的影響，溶解于水中的空氣游離出來聚于管道凸部上方形成空穴，影響管內(nèi)波速的傳遞，需及時(shí)排出；第二點(diǎn)，管內(nèi)壓力隨地勢的起伏升高或降低，當(dāng)壓力降到蒸氣壓力時(shí)會(huì)形成蒸氣空穴，使管道的一些高點(diǎn)或折點(diǎn)附近發(fā)生水柱分離，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成斷流彌合水錘。

目前已經(jīng)有多種防護(hù)措施來解決這類由降壓波的發(fā)生與傳播開始的水錘升壓問題，常用的防護(hù)措施是：注水或注空氣穩(wěn)壓，從而控制系統(tǒng)中的水錘壓力振蕩，防止了真空和斷流空腔再彌合水錘過高的升壓，屬于這種類型的有單向調(diào)壓塔或單（雙）向調(diào)壓水池、空氣罐和進(jìn)排氣補(bǔ)氣閥等。除此之外還有：合理選擇閥門種類，延長其啟閉歷時(shí)，進(jìn)行閥門調(diào)節(jié)與控制、水錘消除器、防爆膜、設(shè)置旁通管、取消止回閥等泄水降壓措施。

這里主要介紹空氣罐的作用原理?？諝夤奘侵竷?nèi)部充有一定量壓縮氣體的金屬水罐裝置，一般安裝在水泵出口附近的管路上。當(dāng)發(fā)生事故空氣罐停泵后，管道中的壓力降低，罐內(nèi)空氣迅速膨脹，下層水體在氣壓作用下迅速補(bǔ)充給主管道，以防止水柱分離，當(dāng)水流由管道返回空氣罐時(shí)，由于節(jié)流孔突出管口的作用，阻力很大，從而控制了罐內(nèi)壓力的迅速上升；倒瀉水流使水泵進(jìn)入水輪機(jī)工況后，泵出口的逆止閥迅速關(guān)閉，管中壓力上升，出水管中的高壓使水流入空氣罐中，罐內(nèi)空氣壓縮，從而減小管道中的壓力上升。空氣罐的主要缺點(diǎn)是需要一套配備的設(shè)備和儀器，且需要時(shí)常維護(hù)，花銷費(fèi)用大，所以時(shí)常采用單向調(diào)壓塔來替代空氣罐，兩者原理基本相同。

3 實(shí)時(shí)檢漏系統(tǒng)的提出

目前水錘防護(hù)措施的出發(fā)點(diǎn)多數(shù)是建立在對停泵水錘危害的早期防治上，但是并不能實(shí)現(xiàn)對管道狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測以及提前預(yù)防。本文提出一種基于水錘效應(yīng)的管道漏點(diǎn)檢測及自供電模塊的設(shè)想，實(shí)現(xiàn)檢測裝置通過監(jiān)測管道內(nèi)水錘效應(yīng)產(chǎn)生的振動(dòng)波信號進(jìn)行漏點(diǎn)判斷。此檢測集成模塊主要包括用于振動(dòng)波信號收集的測試模塊、能量供給模塊。

自供電機(jī)制基于流體壓電效應(yīng)、流體摩擦生電效應(yīng)、流體水錘效應(yīng)，利用微納加工技術(shù)制備微能量采集模塊實(shí)現(xiàn)。當(dāng)壓電芯片內(nèi)的晶體受到外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。可以通過流體中存在的壓力變化基于壓電效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生電荷由環(huán)形壓電薄膜兩端引出進(jìn)入儲(chǔ)電設(shè)備，同時(shí)獲得管網(wǎng)中該節(jié)點(diǎn)流體壓力變化的電信號送入監(jiān)測裝置單元。其次，管道內(nèi)設(shè)有微納漏點(diǎn)檢測模塊監(jiān)測流體的流量、頻率和壓力等參數(shù)，檢測水錘效應(yīng)產(chǎn)生振動(dòng)波沿管道傳輸信息。檢測模塊接收到信號會(huì)受到管道破損、堵塞等因素的影響，經(jīng)管道數(shù)據(jù)管理中心計(jì)算分析可以準(zhǔn)確獲得管道漏點(diǎn)信息，是漏點(diǎn)維修的重要信息。漏點(diǎn)檢測模塊和能量供給模塊集成在一起設(shè)于流體管道內(nèi)所有關(guān)節(jié)點(diǎn)上。采用的自供電機(jī)制，避免了能源浪費(fèi)和更換電源麻煩的問題，同時(shí)也避免了管道檢漏的過程中目標(biāo)檢測范圍大、檢測耗時(shí)耗力、定位不精確、不能實(shí)時(shí)檢測等問題。

本文提出的管道泄漏自檢系統(tǒng)，能夠保證在無人值守的情況下發(fā)現(xiàn)管道泄漏的具體位置、漏點(diǎn)大小、漏點(diǎn)邊界條件、漏點(diǎn)形狀等參數(shù)集，無須耗費(fèi)大量人力、物力、長時(shí)間進(jìn)行大范圍被動(dòng)檢測，便于直接在漏點(diǎn)位置對管道精確開挖修復(fù)；不需要對檢測裝置提供有線供電或電池供電，由供電模塊采集管道壓力效應(yīng)、摩擦效應(yīng)、水錘效應(yīng)等流體自身攜帶能量實(shí)現(xiàn)檢測自供電模式。

4 總結(jié)

本文簡單介紹了目前主要的水錘防護(hù)措施，并提出了管道泄露的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。意在通過研究地下管網(wǎng)水錘效應(yīng)引起的震動(dòng)波在管道中的傳輸形式，并分析該能量傳輸和管道物理性質(zhì)、接觸界面性質(zhì)、流體性質(zhì)的解析方程，能量傳輸過程中沿管壁的阻尼形態(tài)等。獲得能量分布、變化與管道物質(zhì)特性的關(guān)聯(lián)屬性，獲得管道與外圍接觸界面邊界條件的解析解。獲得沿管道傳輸?shù)乃N震動(dòng)能量特性，包括振幅、相位、頻率等數(shù)據(jù)，分析其因管道材質(zhì)、管道物理形態(tài)（有無漏點(diǎn)、腐蝕減薄、環(huán)境參數(shù)變化、接觸物質(zhì)形態(tài)改變、界面分離等）的變化而產(chǎn)生的變化，并以管道位置為自變量之一的組合函數(shù)表示出來。但本文仍欠缺最為重要的函數(shù)表達(dá)式部分，需要后期理論工作進(jìn)一步完善。