直埋熱水供熱管道泄漏聲波特性實驗研究

徐自強, 李成, 穆連波, 王隨林*, 魯軍輝, 劉建軍

(1.北京建筑大學環(huán)境與能源工程學院, 北京 100044; 2.北京京大深能科技有限公司, 北京 100037;3.北京市熱力集團有限公司, 北京 100028)

城市供熱管網(wǎng)安全與高效低碳運行是城市基礎(chǔ)建設(shè)安全高效運行和節(jié)能降碳及實施“雙碳”目標的重要組成部分,在城市復(fù)雜噪聲環(huán)境下,城市供熱管網(wǎng)泄漏精準快速智能定位是供熱管網(wǎng)安全檢測和高效運行及智能化的難題。集中供熱是中國城市主要供熱方式,隨著供熱面積逐漸擴大,供熱需求持續(xù)增長,截至2021年底中國集中供熱面積達106.03億 m2,供熱管道以直埋為主,其總長達46.15萬km[1]。受供熱管道老化、自然災(zāi)害和人為破壞等影響,供熱管道頻繁發(fā)生泄漏,造成大量財力物力損失,甚至危害人身安全[2]。因此,亟待開發(fā)非開挖式精準快速智能化檢測定位技術(shù),對供熱管網(wǎng)安全高效運行和民生的重要保障具有重要意義。

國內(nèi)外管道泄漏檢測技術(shù)主要有聲波法[3]和流量平衡法、壓力梯度法、負壓波法、應(yīng)力波法、光纖法等[4-8]。聲波法安裝靈活、檢測便捷和診斷快速等特點,受到廣泛關(guān)注。關(guān)于聲波法研究主要集中在油氣管道的泄漏研究。劉翠偉等[9]開展輸氣管道的泄漏仿真和實驗?zāi)Ｐ烷_發(fā),驗證了聲波法在輸氣管道的應(yīng)用可行性。閆成穩(wěn)等[10]認為氣體管道泄漏聲源主要為四極子,并提出輸氣管道的泄漏信號的頻率處于50 Hz以下。張曼等[11]和廖康橋等[12]開展了供熱管道泄漏的聲源特性以及聲壓和振動信號的傳遞規(guī)律。郭帥杰等[13]研究了小管內(nèi)供熱的溫度、壓力和泄漏孔徑對泄漏聲波信號傳播的影響。Zhang等[14]采用聲-管-聲-壓多物理場耦合方法,研究管道泄漏聲波的時頻特征。田寶柱等[15]利用聲發(fā)射技術(shù),開展埋地輸水管道泄漏定位研究,實現(xiàn)輸水管道精準定位。這些研究促進了聲波法在管道泄漏研究中的應(yīng)用。管道泄漏時除產(chǎn)生泄漏聲波外,還伴隨環(huán)境因素(閥門、彎頭、車輛、施工等)產(chǎn)生復(fù)雜噪聲干擾,影響泄漏特征信號識別,為精準識別聲波法泄漏特征,需要進行信號降噪處理。小波法降噪在油氣和供水管道[16-19]行業(yè)已有廣泛應(yīng)用,但在直埋熱水供熱管道中應(yīng)用較少。

供熱作為一項重要的民生工程,其管網(wǎng)具有運行溫度高、易腐蝕、密集度高等特點,這與給排水管道存在明顯差別,尤其在供熱管道溫度對泄漏振動信號影響的研究較少,從泄漏診斷效率、漏點精準定位和破損及時修復(fù)等角度看,有必要開展溫度等對泄漏聲波信號的影響研究,進一步挖掘泄漏信號與噪聲信號混疊顯著特征,從而改善信號質(zhì)量,提高診斷效率和定位精度。

在大型?；嵯到y(tǒng)實驗臺上,利用聲波法研究DN300管徑的供熱管道泄漏聲波特征和漏點定位,并分析不同影響因素下的檢測信號和降噪信號的聲波特征,得到不同傳播距離、溫度、壓力和流量條件下的泄漏聲波特征規(guī)律,為開發(fā)智能化直埋供熱管網(wǎng)精準快速檢漏設(shè)備提供技術(shù)支持。

1 檢漏原理與實驗系統(tǒng)

1.1 檢測原理

供熱管道發(fā)生泄漏時,在管內(nèi)外壓差作用下泄漏處會產(chǎn)生不同頻率聲波信號,引起管壁振動,該信號以泄漏點為振源,沿管壁向管道上下游傳播。在泄漏點上、下游管壁上采用加速度傳感器A和B進行數(shù)據(jù)采集,利用小波法進行信號降噪,通過互相關(guān)時延定位法對漏點進行定位研究。

聲波法檢測示意圖如圖1所示,被測管段長度為L,漏點與傳感器A的距離為X。

圖1 聲波法檢示意圖Fig.1 Acoustic wave method detection diagram

漏點位置X[20]計算公式為

(1)

(2)

式(1)中:v為泄漏聲波沿管道的綜合傳播速度;Δt為兩個加速度傳感器采集到聲波信號的時間差;[21]E為管壁彈性模量,N/m2;d和h分為管壁內(nèi)徑和壁厚,mm;ρ為水的密度,kg/m3;B為流體的彈性模量,N/m2;Δt由信號互相關(guān)公式得到[22],即

R12(Δt)=E[f1(Δt)f2(t-Δt)]

(3)

式(3)中:f1(t)和f2(t)為測量得到的泄漏信號。

1.2 實驗系統(tǒng)

圖2為大型模化直埋熱水供熱系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由直埋熱水供熱循環(huán)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、直埋管道實驗段三部分組成。被測實驗管段直徑為DN300,該管段直埋于土層下1.5 m埋深處,管外包裹5 mm保溫層和保護層,在實驗管段內(nèi)布置3個模擬泄漏點(1、2、3號漏點),加速度傳感器A和B布置在漏點上下游的管道外壁,傳感器A與1號漏點間距為1.45 m,與2號漏點間距為9.35 m,與3號漏點間距為17.35 m。

圖2 檢漏定位實驗系統(tǒng)Fig.2 Leakage detection and localization test system

為確保實驗環(huán)境與實際工程相近,直埋管道實驗段管徑選為DN300。實驗時,先啟動實驗系統(tǒng),待實驗系統(tǒng)運行穩(wěn)定后開啟泄漏孔,泄漏孔開啟1/3開度,加速度傳感器采集管壁聲波的振動信號,采集頻率為8 000 Hz,采集數(shù)據(jù)有效時長為10 s。

1.3 實驗工況

現(xiàn)主要研究泄漏傳播距離、流量、水溫和水壓對供熱管道泄漏聲波特性影響,而水泵振動是一種靠近輸送泵的管道振動信號,因此實驗工況中也包括系統(tǒng)水泵時頻特性的研究,實驗工況參數(shù)如表1所示。

表1 實驗主要參數(shù)Table 1 Main parameters of experiment

為實現(xiàn)上述實驗研究,流量選用電磁流量計測量,水溫選用鉑電阻測量,數(shù)據(jù)上傳到電腦存儲和分析。主要檢測設(shè)備及參數(shù)如表2所示。

表2 主要測量設(shè)備Table 2 Main measure instruments

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 水泵聲波檢測

當實驗系統(tǒng)運行穩(wěn)定后,進行水泵聲波信號采集,信號首先進行傅里葉變換分析,時頻信號特征如圖3所示。在圖3(b)的頻域圖上頻段為3 000～4 000 Hz時,大流量下的泄漏信號幅值明顯高于小流量。頻率分布呈明顯的周期變化,由于泵的聲波信號覆蓋整個頻段,被測管段產(chǎn)生持續(xù)的小波動,水泵噪聲加大了泄漏檢測難度。

g為重力加速度圖3 不同流量下的水泵加速度幅值時頻圖Fig.3 Amplitude-time-frequency diagram of pump acceleration at different flow rates

將水泵振動的時域信號進行3層小波包分解,得到以每500 Hz為一段的能量占比,將整個頻段劃分為8段,把每一段的能量占比作為一個節(jié)點,在節(jié)點(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)、(3,5)處,如圖4所示。在節(jié)點(3,6)、(3,7)處大流量的能量占比最大,占整個頻段內(nèi)的70.99%,由于主要聲源來自于水泵,該處為表征了泵源信號的能量占比。小流量時,水泵的振動弱,在能量占比中易突出采集誤差信號,其主要影響頻率為50 Hz以下,對檢測信號的干擾較小。

圖4 不同流量下的水泵節(jié)點能量分布Fig.4 Energy distribution of pump node under different flow rates

2.2 泄漏聲波檢測

分別單獨開啟泄漏孔1、2、3號,采用加速度傳感器采集管壁聲信號,采用傅里葉變換得到頻譜,分析不同影響因素下的檢測信號時頻特征。

2.2.1 傳播距離對檢測信號的影響

水溫為86 ℃、水壓為0.8 MPa條件下,測量泄漏前后的聲波特性,時頻特征如圖5所示。

圖5 不同距離檢測的信號時頻特征Fig.5 Time-frequency characteristics of detection signals at different distances

如圖5(a)所示,在未發(fā)生泄漏時,加速度傳感器檢測到的幅值在0附近均勻波動且幅值較小,采集到的信號除測量誤差信號外,可認為該信號均為高斯白噪聲信號,覆蓋頻率范圍在0～4 000 Hz。當泄漏發(fā)生時,加速度幅值逐漸增大,在0.8 s后逐漸趨于平穩(wěn),泄漏發(fā)生后加速度幅值遠大于未泄漏的幅值,在時域圖中產(chǎn)生明顯的幅值變化,通過對比幅值變化,可獲得管道泄漏的初判斷。

在頻域圖圖5(b)中,隨泄漏傳播距離增加,加速度幅值逐漸減小,且當泄漏發(fā)生后,加速度幅值覆蓋0～4 000 Hz范圍,峰值主要集中在2 000～3 000 Hz,可見管道泄漏前后,頻域特征變化明顯。

通過小波包分解得到在各個節(jié)點處的能量分布如圖6所示,其中能量占比最高的節(jié)點為(3,6)和(3,7)所對應(yīng)頻段為3 000～4 000 Hz,此為水泵影響的主頻段。在節(jié)點(3,0)和(3,1)處也具有較高能量占比,此為加速度傳感器采集誤差信號。在節(jié)點(3,4)和(3,5)處,能量占比會隨傳播距離增加而減小,符合泄漏特征,初步認為是泄漏特征頻段,對應(yīng)頻段為2 000～3 000 Hz,在其他節(jié)點處的能量占比無明顯變化規(guī)律,可初步判斷為背景噪聲。

圖6 不同距離的節(jié)點能量分布Fig.6 Node energy distribution at different distances

2.2.2 溫度對檢測信號的影響

水壓為0.8 MPa,流量為350 t/h的條件下,不同溫度的檢測信號時頻特征如圖7所示。

圖7 不同溫度的檢測信號時頻特征Fig.7 Time-frequency characteristics of detection signals at different temperatures

圖8 不同溫度的節(jié)點能量分布Fig.8 Node energy distribution at different temperatures

在時域圖7(a)中,加速度幅值隨溫度升高而增大,在頻域圖7(b)中,在3 000～4 000 Hz內(nèi)加速度幅值隨著水溫升高而逐漸減小。此外,在節(jié)點(3,6)和(3,7)信號能量占最大比重,此為泵源振動信號,在節(jié)點 (3,4)和(3,5),能量占比隨溫度升高逐漸減小,可初步認為該節(jié)點處為泄漏特征信號,其他節(jié)點能量占比較小,可視為背景噪聲。

2.2.3 壓力對檢測信號的影響

水溫為31、60、86 ℃的條件下,選取溫度為31 ℃時,不同壓力的檢測信號時頻特征如圖9所示。

圖9 不同壓力的檢測信號時頻特征Fig.9 Time-frequency characteristics of detection signals of different pressures

從圖9(a)可知,檢測信號加速度幅值隨壓力的升高逐漸增大,壓力越大,信號越強,壓力升高的主要影響的頻段為500～4 000 Hz。

從圖10泵源信號能量仍占比最大,在節(jié)點(3,4)和(3,5)的能量占比隨溫度升高而減小,隨壓力增大而增大,可初步認為該節(jié)點處為泄漏特征信號,其他節(jié)點無明顯變化規(guī)律,可視為背景噪聲。

圖10 不同壓力的節(jié)點能量分布Fig.10 Node energy distribution at different pressures

2.2.4 流量對檢測信號的影響

水溫為60 ℃,水壓為0.4 MPa和0.8 MPa的條件下,選取水壓為0.4 MPa時,不同流量的檢測信號時頻特征如圖11所示。

圖11 不同流量的檢測信號時頻特征Fig.11 Time-frequency characteristics of detection signals with different flow rates

由圖11所示不同流量條件下的時頻圖可得到,檢測信號加速度幅值隨流量的升高逐漸增大,流量越大,信號越強,流量增大的主要影響的頻段為500～4 000 Hz。

由圖12所示各個節(jié)點處的能量占比圖可得到,泵源的信號能量占最大比重,在初步判斷的泄漏特征節(jié)點處,不同流量所產(chǎn)生的能量占比相差不大,可認為流量的大小對泄漏信號特征的影響較小,除此之外,在其他頻段內(nèi)產(chǎn)生的能量比可視為背景噪聲信號。

圖12 不同流量的節(jié)點能量分布Fig.12 Node energy distribution with different flow rates

2.3 泄漏聲波特征識別

由于檢測信號為泄漏特征信號與復(fù)雜環(huán)境噪聲信號的混疊,直接采用互相關(guān)時延定位法不易準確定位泄漏位置,需根據(jù)上述的聲波信號研究規(guī)律,采用小波閾值法對檢測信號進行降噪處理,其降噪的目的是將表征泄漏的特征信號提取,然后研究不同條件下的泄漏特征規(guī)律。

2.3.1 不同傳播距離下泄漏信號特征

水溫為86 ℃,水壓為0.8 MPa的條件下,不同傳播距離的降噪信號時頻圖如圖13所示。

圖13 不同距離降噪信號時頻特征Fig.13 Time-frequency characteristics of noise reduction signals at different distances

隨傳播距離的增大,加速度傳感器幅值逐漸減小,泄漏信號逐漸減弱,從1. 45 m到17. 35 m加速度幅值由4. 81×10-3g衰減到1. 1×10-3g。泄漏特征信號主要集中在50～1 500 Hz,且隨距離的增大,泄漏信號特征逐漸衰弱,泄漏特征頻段仍為50～1 500 Hz,泄漏信號特征頻段不隨距離的變化而變化,只改變加速度幅值的大小。

2.3.2 不同溫度下泄漏信號特征

水壓為0.8 MPa,流量為350 t/h的條件下,不同溫度的降噪信號時頻圖如圖14所示。

圖14 不同溫度降噪信號時頻特征Fig.14 Time-frequency characteristics of noise reduction signals at different temperatures

隨溫度的升高,加速度幅值逐漸增大,泄漏信號逐漸增強,從31 ℃到86 ℃加速度幅值均值由2.775×10-4g增強到1. 76×10-3g。泄漏特征信號隨溫度的升高逐漸向高頻移動,溫度為31 ℃時,泄漏信號特征頻段主要集中在200～800 Hz;溫度為60 ℃時,泄漏信號特征頻段主要集中在100～1 000 Hz;溫度為86 ℃時,泄漏信號特征頻段主要集中在50～1 500 Hz,泄漏信號加速度幅值隨溫度升高逐漸增大,泄漏特征頻段為50～1 500 Hz,泄漏信號特征頻段隨溫度的變化而變化。

2.3.3 不同壓力下泄漏信號特征

水溫為31、60、86 ℃的條件下,不同壓力的降噪信號時頻圖如圖15所示。

圖15 不同壓力降噪信號時頻特征Fig.15 Time-frequency characteristics of different pressure noise reduction signals

隨著水壓增大,加速度傳感器幅值逐漸增大,壓力從0.4 MPa到0.8 MPa,產(chǎn)生的泄漏信號逐漸增強。31 ℃水溫的加速度幅值均值由4.457×10-4g增加到6.657×10-4g;60 ℃水溫的加速度幅值均值由1.58×10-3g增加到2.67×10-3g; 86 ℃水溫的加速度幅值均值由4.16×10-3g增加到4.55×10-3g。溫度高壓力大,產(chǎn)生泄漏信號強。此外,泄漏信號的特征頻段不隨壓力的變化而變化,壓力大小只改變對應(yīng)泄漏信號特征頻段的幅值。

2.3.4 不同流量的泄漏信號特征

水溫為60 ℃,水壓為0.4 MPa,不同流量的降噪信號時頻圖如圖16所示。

圖16 不同流量降噪信號時頻特征Fig.16 Time-frequency characteristics of noise reduction signals with different flow rates

隨流量的增大,加速度傳感器幅值逐漸增大,流量從250 t/h到400 t/h,產(chǎn)生的泄漏信號逐漸增強。當壓力為0.4 MPa時,加速度幅值均值由3.778 9×10-4g增加到6.017×10-4g,流量越大泄漏信號的加速度幅值越明顯。

泄漏信號的頻域分布不隨流量的變化而變化,流量大小只改變對應(yīng)泄漏信號特征頻段的幅值。不同流量的泄漏特征主要集中在100～1 000 Hz,且隨流量的增大,加速度幅值逐漸增大。

3 漏點定位

選擇水溫為86 ℃、水壓為0.4 MPa進行漏點3定位實驗,將檢測信號和降噪的信號分別進行互相關(guān)分析,分析結(jié)果如圖17和圖18所示,得到它們的互相關(guān)曲線峰值坐標(-0.023 38,0.298 35)和(-0.012,0.252),讀取檢測信號與降噪信號時延值分別為τ檢= -0.023 38 s和τ降= -0.012 s,代入式(1)后計算漏點位置為距離加速度傳感器A為X檢= -11.74 m和X降= 1.8 m,可見檢測信號定位管段以外,而降噪信號定位點距離實際漏點僅差0.35 m,通過計算漏點定位相對誤差得到,降噪信號的相對誤差比檢測信號的相對誤差低61.1%。

圖17 原始信號互相關(guān)結(jié)果Fig.17 Cross-correlation results of original signal

圖18 降噪后互相關(guān)結(jié)果Fig.18 Cross correlation results of noise reduction signal

經(jīng)信號降噪后可有效剔除檢測信號中的干擾信息,保留泄漏信號真實特征,降低環(huán)境噪聲對計算結(jié)果的影響,采用小波閾值法去噪,剔除了泵源信號(3 000～4 000 Hz)干擾及誤判的泄漏特征信號(2 000～3 000 Hz)和混疊在真實泄漏特征信號中的背景噪聲信號(0～2 000 Hz)干擾。

對檢測信號進行降噪處理,提高了定位精度,結(jié)果如圖19所示。在加速度傳感器A上游處有循環(huán)水泵干擾,影響定位精度,結(jié)合圖19(a)可知,相比遠離泵源處的漏點,定位精度更高。由于溫度升高后,檢測信號的加速度幅值增大,泄漏信號的特征頻段變寬,泄漏特征信號增加;結(jié)合圖19(b)可知,隨溫度的升高,漏點定位誤差減小,定位精度提高;由圖19(c)可知,在相同溫度條件下,隨著壓力的升高,漏點定位誤差減小,定位精度提高;由圖19(d)、圖19(e)可知,在相同溫度和壓力條件下,流量越大,漏點定位誤差越小,定位精度越高。檢測信號經(jīng)降噪處理后,定位精度均可達到±1 m內(nèi),對比檢測信號定位結(jié)果相對誤差,最大可減小39.94%。

圖19 降噪前后漏點定位相對誤差Fig.19 Relative error of leak location before and after noise reduction

4 結(jié)論

本文通過搭建大型供熱系統(tǒng),采用聲波法開展了直埋熱水供熱管道泄漏檢測實驗,分析了檢測信號聲波特征,對檢測信號進行降噪提取泄漏聲波特征,研究了不同傳播距離、溫度、壓力和流量的泄漏特征變化規(guī)律,驗證小波閾值法降噪技術(shù)在聲波法供熱管道泄漏檢測中應(yīng)用的可行性,為開發(fā)非開挖供熱管道泄漏檢測定位智能化設(shè)備提供技術(shù)支持。主要結(jié)論如下:

(1)水泵的聲信號能量主要集中在3 000～4 000 Hz,在泄漏檢測中易造成泄漏主頻段誤判。

(2)溫度對泄漏聲波的特征頻段區(qū)間影響顯著,溫度從31 ℃升高到86 ℃泄漏特征主頻段由200～800 Hz擴大到50～1 500 Hz,且隨頻段范圍的擴大,泄漏聲波的加速度幅值逐漸增大。

(3)傳播距離、壓力和流量僅改變對應(yīng)加速度幅值的大小,對泄漏特征頻段無顯著影響。傳播距離由1. 45 m增加到17. 35 m,泄漏聲波加速度幅值減小約4. 4倍,壓力從0. 4 MPa增大到0. 8 MPa,泄漏聲波加速度幅值增大約6. 3倍,流量從250 t/h增大到400 t/h,泄漏聲波加速度幅值增大約1. 1倍。壓力越大,流量越大,傳播距離越近,泄漏信號越強。

(4)利用小波閾值法降噪后,定位精度提高,提高定位精度可達0. 11%、實現(xiàn)定位距離偏差在±1 m內(nèi)。