賽萊默長距離輸水管線安全監(jiān)測及檢測智慧化解決方案

杜曉蕾，顧 遙，王五平

一、應(yīng)用背景

長距離輸水管線多應(yīng)用于跨區(qū)域的調(diào)水工程、城市水源工程、工業(yè)輸水工程及農(nóng)田灌溉等領(lǐng)域，具有距離長、口徑大、運(yùn)行壓力高、輸水量大等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，受不同管材、管道埋設(shè)環(huán)境惡劣、安裝方式差異、運(yùn)營管理水平參差不齊等多種因素影響，長輸管線安全運(yùn)行存在如下風(fēng)險：

①水錘問題：帶壓長輸管線在輸水過程中，水流急劇變化會引起管道壓力隨之發(fā)生急劇變化，形成超出正常管道運(yùn)行壓力幾倍甚至幾十倍的水擊，這種現(xiàn)象會破壞管道、閥門及其他附屬物，長此以往還會增大管線發(fā)生故障的風(fēng)險。

②水量安全：長輸管線口徑大、壓力高，且大多數(shù)安裝在位置偏遠(yuǎn)、人煙稀少的地區(qū)，一旦管道位移、腐蝕或現(xiàn)場安裝不當(dāng)，則容易出現(xiàn)突發(fā)性的爆管或在管道接頭處發(fā)生不易察覺的小泄漏，導(dǎo)致大量的水資源流失。

③排氣閥異常運(yùn)行：長距離封閉輸水管線上安裝排氣閥是最常見的消除水錘方法之一，但目前由于缺少對排氣閥是否選型正確或布置合適、驗(yàn)證排氣閥是否為正常有效工作狀態(tài)的判斷，彌合水錘造成的管道安全運(yùn)行隱患仍未減輕。

④PCCP（預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管）斷絲安全：PCCP管因口徑大、承壓高的獨(dú)特性廣泛應(yīng)用于很多調(diào)水工程中。PCCP的強(qiáng)度取決于纏繞在管芯上的高強(qiáng)鋼絲，有多種原因會導(dǎo)致鋼絲損傷或腐蝕，達(dá)到一定程度后就會出現(xiàn)斷裂，進(jìn)而發(fā)生爆管事故。

二、方案簡介

賽萊默長輸管線的安全監(jiān)測及檢測智慧化解決方案集合了實(shí)時監(jiān)測和定期檢測兩項(xiàng)功能，基于先進(jìn)的硬件監(jiān)測設(shè)備，通過4G、NB-IoT無線傳輸或分布式光纜等有線傳輸方式獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，對海量的管線感知數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；同時，還可將多樣化檢測技術(shù)獲取的管線狀態(tài)信息納入管線工程分析模型，從而實(shí)現(xiàn)對長輸管線運(yùn)營的長期實(shí)時安全監(jiān)控以及定期安全狀態(tài)評估，輔助用戶制定主動的管線維護(hù)以及前瞻性的資產(chǎn)管理計(jì)劃，為長距離輸水管線提供全天候、全方位的安全守護(hù)。

賽萊默長輸管線安全監(jiān)測平臺實(shí)時監(jiān)測流程圖

1.管道壓力瞬變（水錘）分析

通過在輸水管線沿線的排氣閥位置（通常1000m間隔）安裝高頻壓力傳感器，采集頻率64～256Hz，實(shí)時監(jiān)測和識別壓力瞬變（水錘）信號；管道內(nèi)的水錘傳播速度非?？?，通常在1.0～1.2km/s，系統(tǒng)內(nèi)置的水力模型及分析工具，采用小于1ms時鐘同步授時系統(tǒng)及相關(guān)算法，迅速找出瞬變來源，并將其位置（閥門開關(guān)、水泵停起、水柱拉斷和彌合等）在軟件平臺界面的GIS地圖標(biāo)記出來，發(fā)現(xiàn)潛在危害性水錘，分析驗(yàn)證過渡過程理論計(jì)算合理性和水錘防護(hù)設(shè)備有效性，以采取進(jìn)一步解決措施，確保管線運(yùn)行操作安全。

2.管道漏損監(jiān)測及報(bào)警

與傳統(tǒng)的人工聽漏以及通過流量計(jì)等方式不同，賽萊默爆管及泄漏監(jiān)測是借助高頻壓力傳感器及水聽器采集管道數(shù)據(jù)，通過信號分析算法及機(jī)器學(xué)習(xí)算法識別管線中的爆管壓力瞬變及異常噪聲，有效監(jiān)測持續(xù)泄漏的微小漏點(diǎn)、隨時間變化逐步發(fā)展的泄漏事件以及突發(fā)的爆管事故并快速定位爆管區(qū)域（±50m）。

3.排氣閥及管線異常事件監(jiān)測

賽萊默長輸管線安全監(jiān)測平臺能夠通過高頻壓力和水聽器數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，初步分析判斷管線沿線的排氣閥是否積氣和按需及時吸氣、排氣，平臺通過機(jī)器學(xué)習(xí)掌握管線不同區(qū)域承受的不同壓力分布和噪聲變化規(guī)律，當(dāng)出現(xiàn)變化時系統(tǒng)會提示用戶查看異常問題并及時處置；系統(tǒng)還將泵站運(yùn)行模式、調(diào)度模式、排氣閥工作模式等的變化納入學(xué)習(xí)內(nèi)容，有助于及時發(fā)現(xiàn)供水系統(tǒng)運(yùn)行異常，完整、準(zhǔn)確地掌握供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，幫助用戶快速判斷給水系統(tǒng)問題，在提高調(diào)度管理效率和水平等方面起著重要作用。

異常事件識別及干預(yù)

4.PCCP斷絲監(jiān)測及預(yù)警

將分布式光纜通過干式或帶壓安裝的方式鋪設(shè)到PCCP管道內(nèi)部，PCCP斷絲產(chǎn)生的壓力波被安裝在管道內(nèi)部的分布式光纖傳感器接收后，傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)。經(jīng)過比對與過濾后將剩下的聲事件通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街醒敕治銎脚_，分析處理后確定斷絲數(shù)量并定位斷絲位置。通過連續(xù)、自動的PCCP斷絲監(jiān)測，用戶能夠根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及報(bào)警主動地安排停水、修復(fù)或更換管道，并為調(diào)度優(yōu)化、應(yīng)急預(yù)案制定提供數(shù)據(jù)支撐。

5.監(jiān)測平臺功能界面

賽萊默長輸管線安全監(jiān)測平臺基于Web瀏覽器界面，為用戶提供可視化的界面查看傳感器位置信息、管線圖、監(jiān)測及分析結(jié)果，以及交互式、統(tǒng)一的報(bào)警列表界面。軟件平臺結(jié)合了機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析以及多種信號分析算法，對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷并生成報(bào)警提示；用戶可以看到系統(tǒng)報(bào)警記錄前后時段的詳細(xì)數(shù)據(jù)，以此進(jìn)行定位分析或更進(jìn)一步的事件判斷；有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性和可伸縮性，并能夠整合現(xiàn)有其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

安全監(jiān)測軟件平臺界面

6.管線定期內(nèi)檢測及狀態(tài)評估

賽萊默擁有多種功能、應(yīng)用于不同工況條件、滿足不同檢測需求的管道內(nèi)檢測技術(shù)和設(shè)備。既有一次性投入管道就能完成20km長距離泄漏檢測的SmartBall?（意譯：智能球），也有自帶“內(nèi)窺鏡”功能的系纜式內(nèi)檢測技術(shù)Sahara?（音譯：撒哈拉），不僅能夠檢測泄漏和氣囊，還能夠通過前置攝像頭清楚反饋管道內(nèi)壁裂紋、管內(nèi)淤積、未知接頭等；除此以外，還有能夠檢測金屬管道腐蝕及壁厚損失的管內(nèi)潛檢儀（PipeDiver?），潛檢儀搭載電磁法模塊，可完成PCCP管道的斷絲檢測，確保由于沒有備用管線而無法排水的供水管線也能在不停水排空的條件下完成斷絲數(shù)據(jù)的采集。

7.賽萊默長輸管線智慧化解決方案應(yīng)用

目前，賽萊默長輸管線智慧化解決方案在全球不同項(xiàng)目中得以應(yīng)用，累計(jì)監(jiān)測管線長度超過1.2萬km，累計(jì)管線泄漏檢測及狀態(tài)評估長度超過2萬km。

2015年，首次在國內(nèi)安裝PCCP斷絲安全監(jiān)測系統(tǒng)，對南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程（北京段）DN4000管線右線35.7km的PCCP進(jìn)行斷絲監(jiān)測;目前在全國已完成16個工程300多km的PCCP檢測。此外，近年陸續(xù)在多個國內(nèi)重點(diǎn)輸調(diào)水工程中，對長輸管線的壓力瞬變（水錘）、爆管和漏損及排氣閥和管線異常操作實(shí)施安全監(jiān)測，在全國超20個重點(diǎn)城市完成漏水及氣囊檢測及狀態(tài)評估。