水錘效應(yīng)的防護與漏點監(jiān)測的設(shè)想

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，同時產(chǎn)生大幅度波動的現(xiàn)象。產(chǎn)生振動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)與管道漏點之間關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)表達式或解析解，將能夠從根本上解決目前地下管網(wǎng)只能通過雷達探測、高人工成本，費時費力、以及無法預(yù)防管道泄露，管道泄漏才能后發(fā)找到漏點的現(xiàn)狀，進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)；防護措施；漏點監(jiān)測；早期預(yù)防；實時監(jiān)測

1 研究背景及意義

管道輸運是運輸行業(yè)中的很重要的一種輸運方式。管道輸運具有自己特有的優(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。城市地下管網(wǎng)極其發(fā)達，包括輸水（冷、熱）、輸油、輸氣等，且管道運輸在全球都有廣泛的應(yīng)用空間，市場空間極為龐大。

隨著管道使用時間的增加，管網(wǎng)不可避免的會出現(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，使得管道容易發(fā)生泄漏或者堵塞。管道泄漏不僅會造成寶貴資源的浪費，環(huán)境的污染甚至?xí)：Φ饺嗣竦纳敭a(chǎn)安全。

目前，國內(nèi)多數(shù)城市都采用被動檢漏的方法或以被動法為主進行檢測的方法。檢測實驗多采取人工手動進行，由經(jīng)驗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為泄漏而發(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行測試；可靠性比較低，小截面漏點的泄漏信息難以獲取。對比之下，基于水錘效應(yīng)震動的管網(wǎng)檢測，其實時性、準確性、預(yù)判性、低成本特性都非常明顯。

2 目前常用水錘防護措施

水錘形成主要有兩點原因：第一點輸水工程在正常運行時，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，需及時排出；第二點，管內(nèi)壓力隨地勢的起伏升高或降低，當壓力降到蒸氣壓力時會形成蒸氣空穴，使管道的一些高點或折點附近發(fā)生水柱分離，嚴重時會造成斷流彌合水錘。

目前已經(jīng)有多種防護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、空氣罐和進排氣補氣閥等。除此之外還有：合理選擇閥門種類，延長其啟閉歷時，進行閥門調(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。空氣罐是指內(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充給主管道，以防止水柱分離，當水流由管道返回空氣罐時，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；倒瀉水流使水泵進入水輪機工況后，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。空氣罐的主要缺點是需要一套配備的設(shè)備和儀器，且需要時常維護，花銷費用大，所以時常采用單向調(diào)壓塔來替代空氣罐，兩者原理基本相同。

3 實時檢漏系統(tǒng)的提出

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

自供電機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現(xiàn)。當壓電芯片內(nèi)的晶體受到外力作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當外力作用方向改變時，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)進行發(fā)電，產(chǎn)生電荷由環(huán)形壓電薄膜兩端引出進入儲電設(shè)備，同時獲得管網(wǎng)中該節(jié)點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)生振動波沿管道傳輸信息。檢測模塊接收到信號會受到管道破損、堵塞等因素的影響，經(jīng)管道數(shù)據(jù)管理中心計算分析可以準確獲得管道漏點信息，是漏點維修的重要信息。漏點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)點上。采用的自供電機制，避免了能源浪費和更換電源麻煩的問題，同時也避免了管道檢漏的過程中目標檢測范圍大、檢測耗時耗力、定位不精確、不能實時檢測等問題。

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、漏點大小、漏點邊界條件、漏點形狀等參數(shù)集，無須耗費大量人力、物力、長時間進行大范圍被動檢測，便于直接在漏點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措施，并提出了管道泄露的實時監(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、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)表達式部分，需要后期理論工作進一步完善。