基于壓力瞬變法的遠距離調水PCCP管道泄漏檢測方法研究

□陳增峰

（新疆伊犁河流域開發建設管理局）

1 引言

新疆長距離調水工程，全長180 km，解決沿途生態、工業、城鎮等用水問題。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、管道附件、構件、陰極保護、管道鎮支墩、過溝等等。該項目沿線地形平坦，上部為全新統沖洪積黃土，下部為含土砂礫石、砂卵礫石，部分地段為濕陷性黃土段。含土砂礫石層對混凝土、鋼結構具微腐蝕性，黃土對鋼結構具中等腐蝕性?；靥盍蠟殚_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濟損失，增加維護和運營成本。為預防和解決上述問題，開發了基于壓力瞬變法PCCP 管道泄漏檢測方法，以期在實際施工和運行中得到應用。

2 設備與方法

2.1 設備設計

該實驗使用了各種類型的管道網絡，管道網絡可以通過多種方法來構建，方便采集數據。根據易于制造且易于在整個測試設置中操縱的實際管道尺寸對管道模型進行實驗。管道連接到一系列管道特征，例如：90°角，T 型接頭和不同類型的管道直徑。管道的出口保持連接至水箱，以使來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壓最小化影響傳感器收集數據。

在某些情況下，在壓力管道中不可避免地會出現“水錘”現象。這種現象可能發生在所有壓力管道系統中，引起管道系統的強烈振動和破壞。電磁閥可用于控制在管道中產生水錘。電磁閥由開關控制，可以隨時控制創建水錘的位置。

圖1 測試裝置設計圖

PresSystems（NI-DAQ）在管道中發生壓力變化時收集數據。只要泵連續運行，水就會在系統中流通。MDPE管的總長度為57.90 m；從管道的入口開始，即從泵開始，一直到位于水箱后部管道的出口。管道附有一些會影響管道性能的管道特征，獲得的信號響應將從換能器中獲取，盡管此信號響應會影響實驗數據的分析，泄漏點A 的距離經測量為27.08 m。泄漏是通過管道上一定距離處鉆一個孔而產生的，可以控制該泄漏的打開或關閉。

2.2 集成經驗模態分解

集成經驗模態分解（EEMD）在提取信號以適應非線性信號和非平穩系統的大量數據時更適用。EEMD 的關鍵思路在于對由EMD 獲得的模式求均值，該模式應用于原始信號上的幾種高斯白噪聲。由此產生的分解解決了EMD 模式混合問題，但是引入了新的問題。在文章提出的方法中，于分解的每個階段添加特定的噪聲，并計算唯一的殘差以獲得每種模式?？梢缘贸鼋Y論，通過引入噪聲輔助方法緩解了模態混合問題。

所獲取的單個本征模式函數（IMF）的標度差異很大，或者在不同的IMF 組件中具有相同的標度讀數。模式混合可能導致嚴重的數據混疊和時間頻率分布，并導致IMF 數據被抑制。數學表達式（1）～（3）可概括上述理論：

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

3 結果與討論

3.1 水錘法單個泄漏檢測信號

使用電磁閥記錄該信號響應，以引發水錘。與手動打開和關閉閥門的方法相比，此方法顯示了一種更好的獲取信號的方式，可以調節水流并減少水錘過程中管道的振蕩。電磁閥處于常閉狀態，因此連續3 次關閉閥門造成水錘現象，DASYLab 軟件記錄每個數據。

3.2 閥門關閉對管道泄漏的信號響應

獲得的實驗數據顯示了管道的行為響應，信號反映整個PCCP管道本身的特性。該壓力脈沖以水的聲速（管道的波速）沿兩個方向遠離爆裂起點。圖2（a），2（b）和2（c）表示從實驗過程中獲得的壓力傳感器的原始響應，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：1 mmHg，2 mmHg，3 mmHg。由于壓力水平的差異，壓力越高，產生的信號頻率越高，這導致信號的振幅越高。

對帶有信號屏蔽的EEMD方法進行分析得到的原始響應得出結果，表明該管道與任何類型的泄漏有關。因此，使用MATLAB軟件采用信號屏蔽方法通過EEMD分析來自2 mmHg數據的信號響應，其中該信號被分解為一系列IMF，隨后將其轉換為瞬時頻率（IF），進一步分析計算。

圖2 （a）1 mmHg （b）2 mmHg （c）3 mmHg信號響應圖

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

圖3顯示了針對2 mmHg壓力水平的基于IMF及其相應IF的信號分析。為了從原始響應中分解出信號，使用MATLAB軟件進行了拆分?？梢钥闯觯瑥牡? 個IMF 到第8 個IMF 分別使用IF 所獲得的結果，以便選最佳IF 進行進一步分析。與所有中頻相比，第5 中頻顯示出較好的響應，可以用作分析計算的參考。

圖4顯示了在壓力水平為2 mm Hg時檢測到的泄漏點A上的泄漏時，第五次中頻的響應值?？梢钥闯?，到第5 次IF 響應中的所有峰值，會發生壓力紊亂并在檢測到的信號中產生波動響應。能夠計算第5 個IF 響應中每個峰值的時間差。根據收集的數據和分析，與實際測量泄漏距離相比，每個信號讀數可能會有不同。

圖4 泄漏點A（2 mm Hg）漏點A第5瞬時頻率圖

根據計算得出的管道中的聲速為524.31 m/s。在實驗過程中針對2 mm Hg 壓力收集的數據以及從換能器獲得的信號響應計算得出的數據，讀取2 mm Hg的時間差為0.10 s，并從所定位的壓力傳感器識別出漏點距離為26.82 m，實際漏點距離為27.08 m。百分比誤差為0.96%。顯然，根據上述方法測算漏點取得了良好的效果，具有潛在應用價值。

4 結 語

采用瞬態方法檢測PCCP 管的泄漏情況。使用集合經驗模式分解（EEMD）方法來分解響應與原始響應。選擇反映內部模式函數（IMF）的一系列信號分解，分析IMF信號以捕獲差異，根據百分比誤差，將分析數據與泄漏的實際測量值進行比較。研究結果顯示誤差＜1%，該方法對泄漏檢測具有較好可靠性和準確性。