水錘效應的防護與漏點監測的設想

李哲+李夢科

摘 要：水錘效應，是由于水（或其他液體）輸送過程中，由于閥門突然開啟或關閉、水泵突然停止等原因，使流速發生突然變化，同時產生大幅度波動的現象。產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、流體性質等檢測有用信息。如能獲得能量傳輸參數與管道漏點之間關聯的數學表達式或解析解，將能夠從根本上解決目前地下管網只能通過雷達探測、高人工成本，費時費力、以及無法預防管道泄露，管道泄漏才能后發找到漏點的現狀，進而避免了管道流體對環境的污染以及流體泄露損耗。

關鍵詞：水錘效應；防護措施；漏點監測；早期預防；實時監測

1 研究背景及意義

管道輸運是運輸行業中的很重要的一種輸運方式。管道輸運具有自己特有的優勢：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。城市地下管網極其發達，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用空間，市場空間極為龐大。

隨著管道使用時間的增加，管網不可避免的會出現磨損，以及由于水錘效應產生的對管網的沖擊振動，使得管道容易發生泄漏或者堵塞。管道泄漏不僅會造成寶貴資源的浪費，環境的污染甚至會危害到人民的生命財產安全。

目前，國內多數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出的響聲。這種方法檢測成本高；容易受環境干擾，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，基于水錘效應震動的管網檢測，其實時性、準確性、預判性、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，影響管內波速的傳遞，需及時排出；第二點，管內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生水柱分離，嚴重時會造成斷流彌合水錘。

目前已經有多種防護措施來解決這類由降壓波的發生與傳播開始的水錘升壓問題，常用的防護措施是：注水或注空氣穩壓，從而控制系統中的水錘壓力振蕩，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壓塔或單（雙）向調壓水池、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，進行閥門調節與控制、水錘消除器、防爆膜、設置旁通管、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?？諝夤奘侵竷炔砍溆幸欢繅嚎s氣體的金屬水罐裝置，一般安裝在水泵出口附近的管路上。當發生事故空氣罐停泵后，管道中的壓力降低，罐內空氣迅速膨脹，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，由于節流孔突出管口的作用，阻力很大，從而控制了罐內壓力的迅速上升；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閉，管中壓力上升，出水管中的高壓使水流入空氣罐中，罐內空氣壓縮，從而減小管道中的壓力上升?？諝夤薜闹饕秉c是需要一套配備的設備和儀器，且需要時常維護，花銷費用大，所以時常采用單向調壓塔來替代空氣罐，兩者原理基本相同。

3 實時檢漏系統的提出

目前水錘防護措施的出發點多數是建立在對停泵水錘危害的早期防治上，但是并不能實現對管道狀況的實時監測以及提前預防。本文提出一種基于水錘效應的管道漏點檢測及自供電模塊的設想，實現檢測裝置通過監測管道內水錘效應產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、流體摩擦生電效應、流體水錘效應，利用微納加工技術制備微能量采集模塊實現。當壓電芯片內的晶體受到外力作用時，內部就產生電極化現象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比?？梢酝ㄟ^流體中存在的壓力變化基于壓電效應進行發電，產生電荷由環形壓電薄膜兩端引出進入儲電設備，同時獲得管網中該節點流體壓力變化的電信號送入監測裝置單元。其次，管道內設有微納漏點檢測模塊監測流體的流量、頻率和壓力等參數，檢測水錘效應產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，經管道數據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于流體管道內所有關節點上。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，能夠保證在無人值守的情況下發現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；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、摩擦效應、水錘效應等流體自身攜帶能量實現檢測自供電模式。

4 總結

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測系統。意在通過研究地下管網水錘效應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、接觸界面性質、流體性質的解析方程，能量傳輸過程中沿管壁的阻尼形態等。獲得能量分布、變化與管道物質特性的關聯屬性，獲得管道與外圍接觸界面邊界條件的解析解。獲得沿管道傳輸的水錘震動能量特性，包括振幅、相位、頻率等數據，分析其因管道材質、管道物理形態（有無漏點、腐蝕減薄、環境參數變化、接觸物質形態改變、界面分離等）的變化而產生的變化，并以管道位置為自變量之一的組合函數表示出來。但本文仍欠缺最為重要的函數表達式部分，需要后期理論工作進一步完善。