管道內窺檢測技術在金屬供水管道評估中的應用

摘" 要：隨著城市供水管網老化，管道結構和功能缺陷日益突出，開展管道健康內部評估至關重要。該文以黑龍江省M市和內蒙古自治區E市的金屬供水管道為研究對象，利用管道內窺檢測技術和管道內部缺陷與失效后果評估模型，對管道的運行風險進行系統分析和評估。檢測結果顯示，在M市檢測的總長為1 005 m的3根管段中存在9處結構性缺陷和3處功能性缺陷。在E市檢測的總長2 749 m的2根管段中存在12處結構性缺陷和1處功能性缺陷。管道內窺檢測技術可以對管道缺陷進行準確定位和評估，為管道維護和更新提供可靠的技術支持與數據支撐。

關鍵詞：金屬供水管道；內窺檢測；缺陷評估；風險評估；管道缺陷

中圖分類號：TU991.33" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）35-0191-06

Abstract： As urban water supply networks age， pipeline structural and functional defects become increasingly prominent， and it is crucial to carry out internal assessment of pipeline health. In this paper， metal water supply pipelines in M City， Heilongjiang Province and E City， Inner Mongolia are taken as the research objects. The in-pipe inspection technology and the internal defect and failure consequence assessment model of the pipeline are used to systematically analyze and evaluate the operation risks of the pipelines. The test results showed that there were 9 structural defects and 3 functional defects in the three tube sections with a total length of 1 005 meters tested in City M. There were 12 structural defects and 1 functional defect in the 2 pipe sections with a total length of 2，749 meters tested in City E. The in-pipe inspection technology can accurately locate and evaluate pipeline defects， providing reliable technical support and data support for pipeline maintenance and replacement.

Keywords： metal water supply pipe line; in-pipe inspection; defect assessment; risk assessment; pipeline defects

我國的供水管道總長已超過100萬km，其中90%以上為金屬管材[1]。在早期建設的城市中，管網材質多為灰口鑄鐵管、鍍鋅鋼管等，材質陳舊、服役時間長、金屬材料化學特性等因素都讓管道面臨著更嚴重的腐蝕、老化和失效問題。金屬管道是一些城市的供水管網年漏損率高達15%～20%的主要原因之一[2]。因此，供水管網的金屬管道成為管道內部健康評估的關鍵目標。目前管道健康狀況評估的檢測方法主要分為外部檢測和內部檢測兩類。外部檢測通常依賴聲波、地面探測和地表漏損監測設備等，難以準確評估金屬管道內部的腐蝕或裂紋。近年來，內部檢測方法不斷發展成熟，常見的內部檢測方法包括管道內窺機器人、超聲波檢測等[3]。目前，管道內窺檢測技術相關的工程案例較少，尤其是針對金屬供水管道的缺陷風險評估。

本文以黑龍江省M市和內蒙古自治區E市的金屬供水管道為研究對象，使用Snake701壓力管道檢測機器人對總長3.75 km的供水管道進行了檢測，用管道內窺檢測技術和管道缺陷與失效后果評估模型，對管道的運行風險進行系統分析和評估并給出修復建議。

1" 管內檢測系統與設備

系纜式管道內窺技術是一種廣泛應用于供水管道內部檢測的技術手段[4-5]，主要依賴于供水管道內檢機器人。供水管道內檢機器人通常由小型探視器、柔性線纜、插入裝置和終端平板等部分組成。該設備的工作原理如下：操作人員借助插入裝置將小型探視器從排氣閥放入供水管道內，探視器可在不停水工況下，借助水壓向前移動；柔性纜線連接探視器和地面的線纜車，操作人員使用平板實時操控探視器的移動，從而對管道內壁進行視頻采集。探視器的頭部配置了高清攝像頭和可調節的LED光源，使其能夠在光線不足的環境中獲取清晰圖像。捕捉到管道內的腐蝕、裂紋、沉積物等缺陷視頻數據被存儲在平板終端上，為后續管道的狀態評估提供數據支撐。傳統的外部檢測技術（如聲波探測和漏損監測）難以準確評估管道內部的腐蝕情況，因此系纜式管道內窺技術在金屬管道健康評估中發揮了重要作用。該技術不僅能夠識別人工難以察覺的缺陷，還能夠與其他檢測手段（如聲波檢測）協同工作，以精確定位缺陷具體位置，從而提供更加全面的評估結果。

本項目采用深圳市博銘維技術股份有限公司自主研發的Snake701壓力管道檢測機器人對目標管段進行檢測，設備探視器如圖1所示。該設備搭載了高靈敏度水聽器、高清攝像單元、高精度定位單元以及微型六軸慣性導航姿態傳感器，可有效檢測供水管道內的微小泄漏、管瘤、氣囊和雜質（砂石、雜物）等異常情況。檢測過程中，檢測數據通過檢測機器人尾部的線纜實時傳輸至地面控制系統。該機器人適用于DN300-3000規格供水管道的帶壓不停水管道檢測。

2" 管道運行風險評估

供水管道在長期運行過程中，容易發生腐蝕、磨損、內壁沉積等問題，導致管道結構強度減弱，運行效率降低。因此，對管道本身存在的缺陷以及管段失效后可能造成的后果進行全面評估，對于確保供水管網的正常運行至關重要。管道運行風險等級評估是一種基于管道的物理狀態、運行環境等的綜合評價體系，旨在通過量化的方式評估管道未來運行中的潛在風險。通過對檢測出的管道問題進行系統化評估，有助于制定管道維修和維護計劃，幫助運營方優先處理高風險管段。

供水管道內部缺陷可主要分為結構性和功能性2類，結構性缺陷指管道本體遭受損傷，將影響管道強度、剛度和使用壽命，功能性缺陷導致管道過水斷面發生變化，影響管道暢通性能。為評估管道缺陷的嚴重程度，本項目將缺陷分為一、二、三等級，分別對應輕微缺陷、中等缺陷和重大缺陷。發生結構性輕微缺陷時，管道結構狀況基本不受影響，但具有潛在變壞可能，發生中等缺陷時，結構狀態受到影響，發生重大缺陷，管道損壞嚴重或即將導致破壞；發生功能性輕微缺陷時，管道運行基本不受影響，發生中等缺陷時，管道過流受阻受到明顯影響，發生重大缺陷時，管道過流受阻嚴重，即將或已經導致運行癱瘓。中等缺陷需要依據具體情況進行修復，重大缺陷應盡快采取修復手段。然后，以CJJ 181—2012《城鎮排水管道檢測與評估技術規程》（以下簡稱《規程》）為參考，對供水管道內部進行缺陷等級評估，計算管道結構性缺陷、功能性缺陷、管道失效后果風險評分數值用于評估管道內部健康狀態。

2.1" 管道結構性缺陷評估

表1列舉了常見結構性缺陷的具體缺陷分類及相關評估分值。首先，按式（1）計算管道損壞狀況參數

S=∑PiEiYi，（1）

式中：S為管段結構性損壞狀況參數，結構缺陷點的加權平均分值；n為管段缺陷的數量；Pi為第i個缺陷的缺陷分值，查表1得知；Ei為第i個缺陷的缺陷長度影響系數，查表1得知；Yi為第i個缺陷的壓力影響系數，查表1得知。

管道結構性缺陷評分數值F取管道損壞狀況參數S和最嚴重缺陷的分值P中的最大值，并依據表2查詢出對應的管道結構性缺陷等級。

2.2" 管道功能性缺陷評估

表3列舉了常見功能性缺陷的具體缺陷分類及相關評估分值。首先，按式（2）計算管道損壞狀況參數

Y=∑PiEi，（2）

式中：Y為管段功能性運行狀況參數，功能缺陷點的加權平均分值。

同樣的，管道功能性缺陷評分數值Y取管道損壞狀況參數S和最嚴重缺陷的分值P中的最大值，并依據表4查詢出對應的管道功能性缺陷等級。

2.3" 管道失效后果評估

管道失效后果評估可以幫助評估缺陷修復的優先等級，為供水管道維護人員預估管道缺陷對道路、交通、用水戶的影響提供參考。管道失效后果風險評分數值R按式（3）計算，并依據表5查詢對應的失效后果風險登記。

R=qiei，（3）

式中：qi為第i項失效后果風險評估評分系數，其評分值數與影響用戶量、敷設區位和道路等級有關，可從《規程》中查詢得知；ei為第i項失效后果風險評估權重，其中影響用戶權重為0.5，敷設區位權重為0.3，道路等級權重為0.2。

3" 應用案例分析

3.1" 項目概況

本項目分別選取了黑龍江省M市和內蒙古自治區E市的供水管網金屬管道作為檢測對象，管道概況見表6。為了開展管道調查與檢測工作，本次檢測主要收集了以下資料：①已有的電子版供水管線圖（含地形）。②管道竣工圖或施工圖等技術資料。③管道評估所需的其他資料及施工設計說明，地理位置及周邊環境情況等資料。

檢測人員收集到必要的資料后，馬上進場安排現場踏勘，查清現場的交通狀況、周邊工程的施工情況、窨井的占壓情況，以及管道資料與實地的出入情況等，并做好踏勘記錄，現場如圖2所示。踏勘結束后，根據已收集的資料和踏勘記錄進行分析討論，組織開展檢測工作。按照國家行業檢測規范標準，檢測適宜在天氣晴朗的情況下進行。

3.2" 檢測結果

使用Snake701壓力管道檢測機器人對管道進行內窺檢測，判別管道是否存在變形、腐蝕、滲漏等結構性缺陷，以及是否存在沉積、結垢、障礙物等功能性缺陷；并根據檢測圖像，精確定位了缺陷位置，最后基于管道內部缺陷與失效后果的綜合評價，給出了管段修復或養護建議。

管道內部檢測情況如下。

1）檢測地點1：黑龍江省M市。本次檢測的管段長度為1 005.00 m，共涉及3段管段，管道檢測情況見表7，評估結果及修復建議見表8。管段A存在3處1級腐蝕、1處3級沉積、1處1級障礙物缺陷；管段B無結構性缺陷，存在1處3級障礙物缺陷；管段C存在6處1級腐蝕，無功能性缺陷。依據本文第二部分管道運行風險評估方法對管道失效風險、管道內部缺陷狀態進行計算評估。以管段A為例，該管道影響用戶量為500～1 000戶，敷設于重點區域臨近區的次干路。參照《規程》中的相關規定可知，影響用戶量、敷設區位、道路等級對應的風險評估評分系數分別為4、6、5；對應的權重分別為0.5、0.3、0.2。按式（3）計算失效風險分值R=0.5×4+0.3×6+0.2×5=4.800。

然后，依據式（1）計算管道結構性損壞狀況參數S=1/3×（2×1×1.1+2×1×1+2×1×1）=2.067。而該管段最嚴重缺陷分值為2，可得管道結構性缺陷評分數值F取2.067，對應的結構性缺陷等級為Ⅱ級。同理，管段功能性運行狀況參數為3.500，對應的功能性缺陷等級為Ⅱ級。因此，可得出管道結構在短期內不會發生破壞現象，但應做修復計劃，管道過流無或有輕微影響，但應做養護計劃。

2）檢測地點2：內蒙古自治區E市。本次檢測的管段長度為2 749.00 m，共涉及2段管段管道檢測情況見表9。其中管段D存在7處1級腐蝕、無功能性缺陷；管段E存在4處1級腐蝕、1處1級泄漏、1處1級障礙物。對管道失效風險、管道內部缺陷狀態進行評估，評估結果及修復建議見表10。以管段D為例，該管段評定為失效風險為Ⅰ級、結構性缺陷Ⅱ級、功能性缺陷Ⅰ級，管道失效風險影響較小，管道結構在短期內不會發生破壞現象，不進行修復，管道過流無或有輕微影響，不進行養護處理。

4" 結論與展望

本研究通過應用內窺檢測技術與管道運行風險評估模型，系統地評估了所檢測金屬供水管段的內部缺陷和失效風險。在黑龍江省M市和內蒙古自治區E市的實際工程項目中，針對總計3.75 km長的供水管道進行詳細檢測和數據分析，驗證了內窺檢測設備的有效性，以及管道風險評估方法的可靠性。結果表明，管道中的結構性和功能性缺陷能夠被準確定位，項目團隊能夠根據缺陷類型與嚴重程度制定科學的修復方案，合理安排結構性缺陷和功能性缺陷的優先處理順序，從而有效提升供水系統的可靠性和安全性。

隨著供水管道的使用年限增長，管道內外的缺陷問題將日益加劇。未來，內窺檢測技術和評估方法仍需進一步優化與發展。現有的內窺檢測技術雖然在圖像和數據獲取上已達到較高水平，但未來仍可通過提高檢測設備的智能化程度，進一步提升檢測效率和準確性，如引入人工智能算法對缺陷圖像進行自動識別和分類；針對腐蝕、裂紋等常見缺陷，未來可探索更加經濟高效的防護和修復技術，如新型防腐涂層材料的應用以及非開挖修復技術的推廣，減少對城鎮供水系統的影響。總之，本研究通過實際工程案例驗證了內窺檢測技術與評估模型在管道缺陷評估中的應用價值。供水管網的檢測、評估及維修將向更加智能化和高效化的方向發展，進一步提升城市供水系統的運行安全和管理效率。

參考文獻：

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