□陳增峰

（新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局）

1 引言

新疆長(zhǎng)距離調(diào)水工程，全長(zhǎng)180 km，解決沿途生態(tài)、工業(yè)、城鎮(zhèn)等用水問(wèn)題。主體工程為管道建安工程，主要包括PCCP管、PE管、鋼管、閥井、閥門(mén)、管道附件、構(gòu)件、陰極保護(hù)、管道鎮(zhèn)支墩、過(guò)溝等等。該項(xiàng)目沿線地形平坦，上部為全新統(tǒng)沖洪積黃土，下部為含土砂礫石、砂卵礫石，部分地段為濕陷性黃土段。含土砂礫石層對(duì)混凝土、鋼結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，黃土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。回填料為開(kāi)挖料篩分后分層填筑，濕密度2.09 g/cm3，干密度2.03 g/cm3。由各種原因造成管道泄漏將給供水方造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，增加維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本。為預(yù)防和解決上述問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于壓力瞬變法PCCP 管道泄漏檢測(cè)方法，以期在實(shí)際施工和運(yùn)行中得到應(yīng)用。

2 設(shè)備與方法

2.1 設(shè)備設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)使用了各種類(lèi)型的管道網(wǎng)絡(luò)，管道網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)多種方法來(lái)構(gòu)建，方便采集數(shù)據(jù)。根據(jù)易于制造且易于在整個(gè)測(cè)試設(shè)置中操縱的實(shí)際管道尺寸對(duì)管道模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。管道連接到一系列管道特征，例如：90°角，T 型接頭和不同類(lèi)型的管道直徑。管道的出口保持連接至水箱，以使來(lái)自管道的水端排放到水下，如圖1所示。防止壓力波的突然膨脹并使波的負(fù)壓最小化影響傳感器收集數(shù)據(jù)。

在某些情況下，在壓力管道中不可避免地會(huì)出現(xiàn)“水錘”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象可能發(fā)生在所有壓力管道系統(tǒng)中，引起管道系統(tǒng)的強(qiáng)烈振動(dòng)和破壞。電磁閥可用于控制在管道中產(chǎn)生水錘。電磁閥由開(kāi)關(guān)控制，可以隨時(shí)控制創(chuàng)建水錘的位置。

圖1 測(cè)試裝置設(shè)計(jì)圖

PresSystems（NI-DAQ）在管道中發(fā)生壓力變化時(shí)收集數(shù)據(jù)。只要泵連續(xù)運(yùn)行，水就會(huì)在系統(tǒng)中流通。MDPE管的總長(zhǎng)度為57.90 m；從管道的入口開(kāi)始，即從泵開(kāi)始，一直到位于水箱后部管道的出口。管道附有一些會(huì)影響管道性能的管道特征，獲得的信號(hào)響應(yīng)將從換能器中獲取，盡管此信號(hào)響應(yīng)會(huì)影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，泄漏點(diǎn)A 的距離經(jīng)測(cè)量為27.08 m。泄漏是通過(guò)管道上一定距離處鉆一個(gè)孔而產(chǎn)生的，可以控制該泄漏的打開(kāi)或關(guān)閉。

2.2 集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解

集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EEMD）在提取信號(hào)以適應(yīng)非線性信號(hào)和非平穩(wěn)系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)時(shí)更適用。EEMD 的關(guān)鍵思路在于對(duì)由EMD 獲得的模式求均值，該模式應(yīng)用于原始信號(hào)上的幾種高斯白噪聲。由此產(chǎn)生的分解解決了EMD 模式混合問(wèn)題，但是引入了新的問(wèn)題。在文章提出的方法中，于分解的每個(gè)階段添加特定的噪聲，并計(jì)算唯一的殘差以獲得每種模式?？梢缘贸鼋Y(jié)論，通過(guò)引入噪聲輔助方法緩解了模態(tài)混合問(wèn)題。

所獲取的單個(gè)本征模式函數(shù)（IMF）的標(biāo)度差異很大，或者在不同的IMF 組件中具有相同的標(biāo)度讀數(shù)。模式混合可能導(dǎo)致嚴(yán)重的數(shù)據(jù)混疊和時(shí)間頻率分布，并導(dǎo)致IMF 數(shù)據(jù)被抑制。數(shù)學(xué)表達(dá)式（1）～（3）可概括上述理論：

其中，x（t）是原始信號(hào)，wm（t）是添加白噪聲，xm（t）是的噪聲信號(hào)，L是EMD方法的IMF數(shù)量，并且N是EEMD方法的個(gè)數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 水錘法單個(gè)泄漏檢測(cè)信號(hào)

使用電磁閥記錄該信號(hào)響應(yīng)，以引發(fā)水錘。與手動(dòng)打開(kāi)和關(guān)閉閥門(mén)的方法相比，此方法顯示了一種更好的獲取信號(hào)的方式，可以調(diào)節(jié)水流并減少水錘過(guò)程中管道的振蕩。電磁閥處于常閉狀態(tài)，因此連續(xù)3 次關(guān)閉閥門(mén)造成水錘現(xiàn)象，DASYLab 軟件記錄每個(gè)數(shù)據(jù)。

3.2 閥門(mén)關(guān)閉對(duì)管道泄漏的信號(hào)響應(yīng)

獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示了管道的行為響應(yīng)，信號(hào)反映整個(gè)PCCP管道本身的特性。該壓力脈沖以水的聲速（管道的波速）沿兩個(gè)方向遠(yuǎn)離爆裂起點(diǎn)。圖2（a），2（b）和2（c）表示從實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲得的壓力傳感器的原始響應(yīng)，其中壓力（P）隨壓力變化而變化。在3種不同的壓力水平下記錄原始響應(yīng)：1 mmHg，2 mmHg，3 mmHg。由于壓力水平的差異，壓力越高，產(chǎn)生的信號(hào)頻率越高，這導(dǎo)致信號(hào)的振幅越高。

對(duì)帶有信號(hào)屏蔽的EEMD方法進(jìn)行分析得到的原始響應(yīng)得出結(jié)果，表明該管道與任何類(lèi)型的泄漏有關(guān)。因此，使用MATLAB軟件采用信號(hào)屏蔽方法通過(guò)EEMD分析來(lái)自2 mmHg數(shù)據(jù)的信號(hào)響應(yīng)，其中該信號(hào)被分解為一系列IMF，隨后將其轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)頻率（IF），進(jìn)一步分析計(jì)算。

圖2 （a）1 mmHg （b）2 mmHg （c）3 mmHg信號(hào)響應(yīng)圖

圖3 帶有相應(yīng)IF（2 mmHg）的第5個(gè)IMF直到第8個(gè)IMF的分析泄漏點(diǎn)A信號(hào)圖

圖3顯示了針對(duì)2 mmHg壓力水平的基于IMF及其相應(yīng)IF的信號(hào)分析。為了從原始響應(yīng)中分解出信號(hào)，使用MATLAB軟件進(jìn)行了拆分。可以看出，從第5 個(gè)IMF 到第8 個(gè)IMF 分別使用IF 所獲得的結(jié)果，以便選最佳IF 進(jìn)行進(jìn)一步分析。與所有中頻相比，第5 中頻顯示出較好的響應(yīng)，可以用作分析計(jì)算的參考。

圖4顯示了在壓力水平為2 mm Hg時(shí)檢測(cè)到的泄漏點(diǎn)A上的泄漏時(shí)，第五次中頻的響應(yīng)值?？梢钥闯觯降? 次IF 響應(yīng)中的所有峰值，會(huì)發(fā)生壓力紊亂并在檢測(cè)到的信號(hào)中產(chǎn)生波動(dòng)響應(yīng)。能夠計(jì)算第5 個(gè)IF 響應(yīng)中每個(gè)峰值的時(shí)間差。根據(jù)收集的數(shù)據(jù)和分析，與實(shí)際測(cè)量泄漏距離相比，每個(gè)信號(hào)讀數(shù)可能會(huì)有不同。

圖4 泄漏點(diǎn)A（2 mm Hg）漏點(diǎn)A第5瞬時(shí)頻率圖

根據(jù)計(jì)算得出的管道中的聲速為524.31 m/s。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中針對(duì)2 mm Hg 壓力收集的數(shù)據(jù)以及從換能器獲得的信號(hào)響應(yīng)計(jì)算得出的數(shù)據(jù)，讀取2 mm Hg的時(shí)間差為0.10 s，并從所定位的壓力傳感器識(shí)別出漏點(diǎn)距離為26.82 m，實(shí)際漏點(diǎn)距離為27.08 m。百分比誤差為0.96%。顯然，根據(jù)上述方法測(cè)算漏點(diǎn)取得了良好的效果，具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用瞬態(tài)方法檢測(cè)PCCP 管的泄漏情況。使用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓‥EMD）方法來(lái)分解響應(yīng)與原始響應(yīng)。選擇反映內(nèi)部模式函數(shù)（IMF）的一系列信號(hào)分解，分析IMF信號(hào)以捕獲差異，根據(jù)百分比誤差，將分析數(shù)據(jù)與泄漏的實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較。研究結(jié)果顯示誤差＜1%，該方法對(duì)泄漏檢測(cè)具有較好可靠性和準(zhǔn)確性。