基于聲波的管道泄漏檢測技術可行性評估＊

沈曉鈞 劉 斌 宋文進

（陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西西安 710000）

0.引言

世界各地的家庭和工業對水的需求正在迅速增加，而淡水資源正變得日益稀少。目前，配水基礎設施嚴重惡化，供水管道嚴重滲漏，使得供需失衡更加嚴重。此外，管道泄漏還會影響水質，導致污染物滲入，甚至帶來健康問題。為了解決這一嚴重問題，迄今為止已經研究了許多泄漏檢測技術（ALDTs），從簡單的目視檢測到復雜的聲學檢測[1-2]。

研究人員對各種泄漏檢測技術的特定優勢、局限性和對不同應用場景的適用性進行了研究。這些研究大部分集中在一般的檢測技術，但也有一部分關注聲學檢測技術。基于聲學的泄漏檢測方法（以下簡稱ALDTs）在實踐中得到了廣泛應用，其原理是泄漏會引起噪聲或振動信號穿過管壁或水柱，并且可以使用適當的傳感設備檢測到這些信號。盡管ALDTs在中小直徑（小于300mm）金屬管道中應用效果較好，其對塑料管道和大直徑金屬管道的適用性一直不確定，主要是因為這類管道中可能存在較大的信號衰減率。

最新的研究通過在管道內放置可自由移動或一端通過纜繩固定的聲傳感器，提高了ALDTs對塑料和大直徑金屬管道的適用性[3-4]。因此本文回顧了幾種泄漏檢測方法，并根據以下標準對它們進行了比較:成本（CC）、可靠性（CR）、泄漏量化能力（CQ）和管道接入要求（CA）。然后使用蒙特卡羅層次分析法對aldts進行比較評估，確定它們對典型應用場景的相對適用性。

1.水管聲波泄漏檢測方法優選綜述

泄漏檢測方法涵蓋了利用各種科學原理的廣泛技術范圍。表1列出了多種輸水管道檢測技術，并根據是否采用聲學原理，將幾種常用的管道檢測技術分為聲學和非聲學兩類[5-9]。根據非聲學技術是否直接表明泄漏的存在而不需要通過推斷指標進一步分析，可將其進一步分為直接方法和間接方法。聲學類技術也分為兩組：第一組技術包括偵聽設備、噪聲記錄器和泄漏-噪聲相關器，它們只能進行泄漏檢測和定位；第二組技術包括自由游動或纜繩固定聲傳感器和聲發射技術，除了泄漏檢測和定位外，還能夠評估管道的結構狀況。首先，介紹聲學檢測技術：

表1 水管檢測技術分類

1.1 監聽設備（LD）

監聽技術是一種自19世紀50年代以來一直使用的管道泄漏檢測方法，如圖1所示，該技術是利用廉價的監聽桿和水中聽音器，通過消防栓或閥門監聽漏水處發出的聲音來檢測漏水情況。LD聲音信號會受到環境噪音的干擾，因此檢測精度較低，微小泄漏難以發現。增設壓電材料、可調放大器和噪聲濾波器后可在需要的頻率范圍內過濾環境噪聲。除了監測閥門或消防栓外，基于聲音的傳感器，如地面麥克風也能夠檢測泄漏在地下產生的聲音。

現有研究表明，隨著覆蓋深度的增加、泄漏點與監測位置之間距離的增加、土壤電導率的降低、管道內流體壓力的降低以及溫度的升高，LD技術監測的準確性降低。LD技術在大直徑金屬和塑料管道中的監測精度也不確定，因為這類管道的聲衰減率更高，例如，塑料管道中的聲衰減速率比金屬管道中的聲衰減速率大5倍。LD設備連接到消防栓或閥門的安裝時間大約5min左右，而其平均工作時間在2min～5min，這取決于操作人員對管道系統泄漏聲音的熟悉程度。

1.2 噪音記錄儀（NL）

噪聲記錄儀是一種20世紀90年代以來就已上市的聲學泄漏檢測儀。如圖1（b）所示，噪聲記錄器可以永久或臨時嵌入管道系統（通常至少連續兩個晚上），并通過編程監聽泄漏。對記錄數據進行統計分析，尤其是一段時間內的噪音強度和一致性，可以檢測出可能存在的泄漏。一旦檢測到疑似泄漏，就會通過無線電信號啟動報警狀態。與只能以特別方式使用的手工技術（如LD）不同，NL可以永久使用。此外，在人口密集地區很難進行人工調查，比較適用NL方法。在NL技術中，金屬管道（直徑≤400mm），記錄器之間的距離宜為100m，塑料管道宜為50m。NL設備的安裝時間約為每臺設備20min～30min，操作簡單，但每隔一段時間后，需要專業人員分析收集的數據。表2詳細比較了LD技術和NL技術的應用、優點和局限性。

1.3 泄漏噪聲相關器（LNC）

LNC主要用于檢測是否泄漏和初步定位。LNC技術需要在泄漏點附近的管道上選擇兩個接觸點，安裝加速度計或檢漏器，如圖1（c）所示。利用兩個接觸點信號之間的相關性來估算泄漏位置。檢漏器用于定位較小泄漏，放置在泄漏點附近（小于4.5m），更適用于塑料管道。LNC技術每天可由兩名工作人員檢查3km的管道。對于小直徑金屬管道（小于300mm），首選加速度計作為傳感器。LNC設備的安裝時間為每個工位10min～20min，而平均檢測時間在30min～60min，具體特征見表2。

1.4 自由游動聲傳感器（FSA）

FSA是一種聲學泄漏檢測儀，技術原理如圖1（d）所示，主要由一個自由游動的泡沫球和鋁合金內芯組成，鋁合金內有測量儀表。適用于直徑為250mm或更大的管道。這種技術通過自由游泳球直接靠近噪聲源，因此，與之前的設備相比，它更適合于高衰減管道，如塑料制成的管道。FSA技術也被用于結構管道的檢測。泡沫球的核心直徑約為60mm，內有聲采集設備、數據存儲設備和電源。鋁芯周圍的泡沫殼可以根據管徑、壓力、構造等參數的不同而選擇不同直徑，這樣可降低管道中的環境噪聲；外殼的球形設計可更靈活地通過小半徑彎管。FSA設備從一個直徑至少為100mm的閥門進入管道，然后自由地游到下游的采出點。對記錄的管道聲音頻率變量進行評估，比較記錄的數據與泄漏校準曲線，聲波頻率和功率可以表明泄漏的存在和嚴重程度。隨著數據點的增加，泄漏校準曲線的準確性隨之提高，因為泄漏指示器是各種現場標準的函數，如壓力、管道直徑和管道構造。FSA技術在理想條件下，在壓力超過70kPa的管道中，可以檢測到小至0.11L/min的泄漏。該設備還能夠每3s發送一次超聲波脈沖，在測量過程中跟蹤球的位置；或者可以通過GPS跟蹤，可以以±1m的精度確定泄漏位置。表2重點介紹了FSA技術的具體應用、優缺點。需要注意的是，FSA技術很難識別距離小于0.8m的集群泄漏，這一限制也適用于其他聲學泄漏檢測設備。FSA技術的安裝時間和使用時間根據要檢查的管道長度有很大的差異，平均安裝時間約為1h。

1.5 纜繩固定聲傳感器（TA）

纜繩固定聲傳感器自20世紀90年代中期以來一直在泄漏檢測行業中使用。如圖1（e）所示，該裝置包括一個安裝在纜繩末端的檢漏傳感器，可記錄泄漏噪音，有時也可進行結構檢查。TA技術與FSA技術類似，利用了直接通過泄漏點附近的優勢，與外部泄漏檢測方法相比，提高了塑料管道和大直徑金屬管道泄漏檢測的適用性。TA系統從一個直徑大于50mm的分接點連接到管道中，并流向直徑大于250mm的管道。當TA系統通過一個漏水點時，就會檢測到聲音。操作人員從管道外跟蹤傳感器，可定位檢測到的泄漏位置。現場試驗證明，TA對泄漏的靈敏度可達0.015L/min，對泄漏的定位精度可達±1m。還可在TA系統中增設攝像頭，獲得更多管道狀況的信息，同樣，可以增加管道壁評估傳感器，用于金屬管道壁厚的檢測。此外，TA系統還能夠檢測內部腐蝕、非法接頭、未知的橫向裂縫以及內部襯砌的損壞。

TA系統的平均安裝時間約為1h，根據管道的大小和狀況，TA技術的平均測量時間在1h～3h;對于老舊水管來說，測量時間預計會更長，見表2。

1.6 聲發射（AE）

聲發射技術是一種用于混凝土管道，特別是大直徑管道的實時泄漏檢測和完整性檢測的技術。誘發聲發射的兩種情況包括：（1）傳感器可以檢測到從泄漏處流出的受壓流體所產生的能量波，如圖1（f）所示；（2）局部裂縫的增長、泄漏處的空化、土壤的移動以及由于泄漏而在管道開口處固體顆粒的暫時滯留，都可能產生聲波并通過管道材料或流體傳播。不同的傳感器，如水診器、壓電、光纖和微機電均可與AE技術一起使用，適用的監測頻率在10kHz到40kHz之間。為保證記錄數據的分辨率，傳感器的最大間距建議為100m。在進行數據分析之前，必須對噪聲進行過濾，例如過往車輛、泵和地面運動的噪聲。靠近泄漏點的傳感器的平均信號幅值越高，潛在泄漏點的范圍就越小。AE技術除地表開挖所需時間外，估計平均安裝時間約為1h，而平均使用時間在2h～3h，見表2。

圖1 不同聲學檢漏方法的原理

表2 不同聲學檢漏技術的優缺點

2.不同ALDTs的比較評估

從4個方面比較了不同的ALDTs對4種典型應用場景的適用性。

2.1 應用場景

本文研究的4種應用場景如表3所示。場景1和場景2表示小直徑（d<300mm）和大直徑（d≥300mm）金屬管道。場景3表示小直徑塑料管道（d<300mm），場景4為大直徑混凝土管道（d>600mm）。

表3 ALDTs的應用場景

2.2 性能評估

2.2.1 可靠性（CR）

可靠性意味著檢測結果的可信度，可以解釋為檢測到泄漏并將其與水管道系統中的環境噪聲區分開來的概率，而不會出現誤報或漏報。這取決于使用ALDT時可能的錯誤信號來源和誤報或漏報的可能性。每種ALDT的錯誤信號來源已在前文詳述。為了估計誤報的可能性，綜合研究ALDTs已有的檢測報告，針對不同的應用場景，可將其定性分為低、中、高可靠性3類，如表4和表5所示。表4給出了ALDTs在不同標準下的定量評分，根據ALDTs的適用性，在不同的應用場景下，調整后的性能評分如表5所示。現場試驗中，可靠性低的技術（評分為1）產生的誤報率很高。相比之下，得分為3的高可靠性技術在現場試驗中產生的結果更準確。檢測結果一致性較差，比低可靠性類別的技術較好的，歸入中等可靠性類別，得分為2。表4和表5中給出的ALDT性能評分是假設以臨時方式使用而不是以永久布置的方式使用得出的。另外，ALDT的評分取決于其應用場景，因為不同ALDTs有更適用的管道。例如，LNC的可靠性準則評分在場景1中高于場景2和場景3，這是因為它對小直徑金屬管道更適合。LNC技術可通過增強相關函數，提高窄帶泄漏誘導信號的峰值檢測，使其成為比其他管道類型更可靠的小直徑金屬管道ALDT。據此，表5中的性能評分對表4中的評分標準進行了調整。

2.2.2 量化性能（CQ）

ALDTs在量化泄漏嚴重程度方面的能力各不相同，泄漏嚴重程度對于管道管理中的維修計劃至關重要。如表4所示，無法量化泄漏嚴重程度的技術被歸為“無能”類，得分為1；可量化的技術被歸為“有能力”類，得分為3，需要額外校準才能獲得較準確的量化數據的技術，被歸為“略有能力”類別，得分為2。在表5中，只有FSA和TA被評為“有能力”確定泄漏嚴重程度，可將管道泄漏測量記錄的數據與校準曲線進行比較得出，其他大部分ALDTs技術均不能進行準確量化。

2.2.3 接入方式（CA）

不同ALDTs接入管道的方式各有不同，分為3類，見表4和表5，需要從埋地管道表面接入的ALDT設備會大大增加接入難度，被歸為“管道表面”類別，得分為1，聲發射技術要求整個檢測長度內設備都附著在管道表面，其評分為1。而那些能夠方便地接入諸如消防栓等地面設備的ALDT被歸為“地面”類，得分為3分。LD、NL和LNC技術得分為3。通過管道內轉換器工作的內聯aldt需要兩個接入點，一個用于插入，另一個用于提取，這些ALDT被歸為“僅插入和提取”類別，得分為2。一些設備可有多個類別，但可靠性不同；例如，LNC可以通過“管道表面”和“地面”工作，但敲擊消防栓（地面）更準確，同樣，LD也可以通過“地面”和人工檢查來工作，但據報道，“地面”更準確。

2.2.4 費用（CC）

根據檢測單位長度管道的總成本，將ALDT分為高、中、低3類，性能評分分別為1、2、3，如表4所示。對各種ALDTs進行比較的總成本包括與勞動力、設備、數據分析相關的成本，以及使用這些技術帶來的間接成本。

表4 ALDTs的評分規則

設備成本包括設備成本和人力、時間等成本。根據前文所述，LD使用的設備比FSA、TA和AE更便宜，基于相關器材技術（如LNC）的設備成本很高。另一方面，人工成本取決于每個ALDT的設置要求，以及檢查單位長度管道所需的時間。如果需要進入管道的外表面，人工成本會明顯提高。其他技術，包括LD、NL和LNC，勞動力成本更低。與NL和LNC相比，LD技術的傳感器靈敏度較低，因此需要縮短傳感器之間的間距，這反過來又導致勞動力成本提高，其次是NL和LNC。FSA和TA技術只需要兩個接入點（接入管道和取出），檢測所需時間長但成本最低。數據分析成本取決于分析的難易程度，對于LNC、FSA和AE技術，由于分析檢測數據的復雜性，其分析成本相對較高。

ALDTs在成本方面的得分是基于它們在上述所有成本類別中的綜合表現。針對表5所示的4種應用場景，按成本對ALDTs進行評級，結果表明，對于成本來說，LD是唯一可以歸類為“低”類別的技術，因為其在大多數成本類別中處于較低水平，其他ALDTs被分為成本中的“中等”或“高”類別。同時，在成本項小直徑管道（如場景1和場景3）的FSA得分低于大直徑管道（如場景2和場景4），這是因為FSA設備進入小直徑管道內部的成本更高。

表5 4種應用場景下ALDTs產品性能評估

3.結論

輸水系統管道泄漏是管網系統的主要問題之一。隨著管道使用時間的增長，對管道監測和修復的技術需求也隨之不斷增長。基于聲學的泄漏檢測技術（ALDTs）的流行，本文系統地回顧了6種商用ALDTs，并針對各種典型應用場景提出了適當的技術建議。評估的技術包括聽力設備、噪聲記錄器、泄漏噪聲相關器、自由游動聲傳感器、纜繩固定聲傳感器和聲發射。評估這6種技術的標準包括成本、可靠性、量化泄漏的能力和管道接入要求。

研究表明，監聽裝置和泄漏噪聲相關器適合于檢測和定位小直徑金屬管道的泄漏。因為聲音衰減較大，大直徑金屬管道和小直徑塑料管道的監測，用傳統技術如監聽裝置會存在問題。此時，自由游動聲傳感器和纜繩固定聲傳感器技術是最合適的，也可用于大直徑混凝土管道的泄漏檢測。需要注意的是，本文提及的一些設備會隨著技術的發展得到改進，其適用性和性能分數需要重新評定，且本文的結果是基于行業常用的設備和應用場景，在獨特的約束和特定需求下可能不成立。