基于聲波的管道泄漏檢測技術(shù)可行性評估＊

沈曉鈞 劉 斌 宋文進(jìn)

（陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西西安 710000）

0.引言

世界各地的家庭和工業(yè)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(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重惡化，供水管道嚴(yán)重滲漏，使得供需失衡更加嚴(yán)重。此外，管道泄漏還會(huì)影響水質(zhì)，導(dǎo)致污染物滲入，甚至帶來健康問題。為了解決這一嚴(yán)重問題，迄今為止已經(jīng)研究了許多泄漏檢測技術(shù)（ALDTs），從簡單的目視檢測到復(fù)雜的聲學(xué)檢測[1-2]。

研究人員對各種泄漏檢測技術(shù)的特定優(yōu)勢、局限性和對不同應(yīng)用場景的適用性進(jìn)行了研究。這些研究大部分集中在一般的檢測技術(shù)，但也有一部分關(guān)注聲學(xué)檢測技術(shù)?；诼晫W(xué)的泄漏檢測方法（以下簡稱ALDTs）在實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用，其原理是泄漏會(huì)引起噪聲或振動(dòng)信號穿過管壁或水柱，并且可以使用適當(dāng)?shù)膫鞲性O(shè)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(yīng)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?yàn)檫@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(nèi)放置可自由移動(dòng)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(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)對它們進(jìn)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(jìn)行比較評估，確定它們對典型應(yīng)用場景的相對適用性。

1.水管聲波泄漏檢測方法優(yōu)選綜述

泄漏檢測方法涵蓋了利用各種科學(xué)原理的廣泛技術(shù)范圍。表1列出了多種輸水管道檢測技術(shù)，并根據(jù)是否采用聲學(xué)原理，將幾種常用的管道檢測技術(shù)分為聲學(xué)和非聲學(xué)兩類[5-9]。根據(jù)非聲學(xué)技術(shù)是否直接表明泄漏的存在而不需要通過推斷指標(biāo)進(jìn)一步分析，可將其進(jìn)一步分為直接方法和間接方法。聲學(xué)類技術(shù)也分為兩組：第一組技術(shù)包括偵聽設(shè)備、噪聲記錄器和泄漏-噪聲相關(guān)器，它們只能進(jìn)行泄漏檢測和定位；第二組技術(shù)包括自由游動(dòng)或纜繩固定聲傳感器和聲發(fā)射技術(shù)，除了泄漏檢測和定位外，還能夠評估管道的結(jié)構(gòu)狀況。首先，介紹聲學(xué)檢測技術(shù)：

表1 水管檢測技術(shù)分類

1.1 監(jiān)聽設(shè)備（LD）

監(jiān)聽技術(shù)是一種自19世紀(jì)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(shù)是利用廉價(jià)的監(jiān)聽桿和水中聽音器，通過消防栓或閥門監(jiān)聽漏水處發(fā)出的聲音來檢測漏水情況。LD聲音信號會(huì)受到環(huán)境噪音的干擾，因此檢測精度較低，微小泄漏難以發(fā)現(xiàn)。增設(shè)壓電材料、可調(diào)放大器和噪聲濾波器后可在需要的頻率范圍內(nèi)過濾環(huán)境噪聲。除了監(jiān)測閥門或消防栓外，基于聲音的傳感器，如地面麥克風(fēng)也能夠檢測泄漏在地下產(chǎn)生的聲音。

現(xiàn)有研究表明，隨著覆蓋深度的增加、泄漏點(diǎn)與監(jiān)測位置之間距離的增加、土壤電導(dǎo)率的降低、管道內(nèi)流體壓力的降低以及溫度的升高，LD技術(shù)監(jiān)測的準(zhǔn)確性降低。LD技術(shù)在大直徑金屬和塑料管道中的監(jiān)測精度也不確定，因?yàn)檫@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(shè)備連接到消防栓或閥門的安裝時(shí)間大約5min左右，而其平均工作時(shí)間在2min～5min，這取決于操作人員對管道系統(tǒng)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(jì)90年代以來就已上市的聲學(xué)泄漏檢測儀。如圖1（b）所示，噪聲記錄器可以永久或臨時(shí)嵌入管道系統(tǒng)（通常至少連續(xù)兩個(gè)晚上），并通過編程監(jiān)聽泄漏。對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，尤其是一段時(shí)間內(nèi)的噪音強(qiáng)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(huì)通過無線電信號啟動(dòng)報(bào)警狀態(tài)。與只能以特別方式使用的手工技術(shù)（如LD）不同，NL可以永久使用。此外，在人口密集地區(qū)很難進(jìn)行人工調(diào)查，比較適用NL方法。在NL技術(shù)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(shè)備的安裝時(shí)間約為每臺(tái)設(shè)備20min～30min，操作簡單，但每隔一段時(shí)間后，需要專業(yè)人員分析收集的數(shù)據(jù)。表2詳細(xì)比較了LD技術(shù)和NL技術(shù)的應(yīng)用、優(yōu)點(diǎn)和局限性。

1.3 泄漏噪聲相關(guān)器（LNC）

LNC主要用于檢測是否泄漏和初步定位。LNC技術(shù)需要在泄漏點(diǎn)附近的管道上選擇兩個(gè)接觸點(diǎn)，安裝加速度計(jì)或檢漏器，如圖1（c）所示。利用兩個(gè)接觸點(diǎn)信號之間的相關(guān)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(diǎn)附近（小于4.5m），更適用于塑料管道。LNC技術(shù)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(jì)作為傳感器。LNC設(shè)備的安裝時(shí)間為每個(gè)工位10min～20min，而平均檢測時(shí)間在30min～60min，具體特征見表2。

1.4 自由游動(dòng)聲傳感器（FSA）

FSA是一種聲學(xué)泄漏檢測儀，技術(shù)原理如圖1（d）所示，主要由一個(gè)自由游動(dòng)的泡沫球和鋁合金內(nèi)芯組成，鋁合金內(nèi)有測量儀表。適用于直徑為250mm或更大的管道。這種技術(shù)通過自由游泳球直接靠近噪聲源，因此，與之前的設(shè)備相比，它更適合于高衰減管道，如塑料制成的管道。FSA技術(shù)也被用于結(jié)構(gòu)管道的檢測。泡沫球的核心直徑約為60mm，內(nèi)有聲采集設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備和電源。鋁芯周圍的泡沫殼可以根據(jù)管徑、壓力、構(gòu)造等參數(shù)的不同而選擇不同直徑，這樣可降低管道中的環(huán)境噪聲；外殼的球形設(shè)計(jì)可更靈活地通過小半徑彎管。FSA設(shè)備從一個(gè)直徑至少為100mm的閥門進(jìn)入管道，然后自由地游到下游的采出點(diǎn)。對記錄的管道聲音頻率變量進(jìn)行評估，比較記錄的數(shù)據(jù)與泄漏校準(zhǔn)曲線，聲波頻率和功率可以表明泄漏的存在和嚴(yán)重程度。隨著數(shù)據(jù)點(diǎn)的增加，泄漏校準(zhǔn)曲線的準(zhǔn)確性隨之提高，因?yàn)樾孤┲甘酒魇歉鞣N現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)，如壓力、管道直徑和管道構(gòu)造。FSA技術(shù)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(shè)備還能夠每3s發(fā)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(diǎn)介紹了FSA技術(shù)的具體應(yīng)用、優(yōu)缺點(diǎn)。需要注意的是，F(xiàn)SA技術(shù)很難識(shí)別距離小于0.8m的集群泄漏，這一限制也適用于其他聲學(xué)泄漏檢測設(shè)備。FSA技術(shù)的安裝時(shí)間和使用時(shí)間根據(jù)要檢查的管道長度有很大的差異，平均安裝時(shí)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(jì)90年代中期以來一直在泄漏檢測行業(yè)中使用。如圖1（e）所示，該裝置包括一個(gè)安裝在纜繩末端的檢漏傳感器，可記錄泄漏噪音，有時(shí)也可進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢查。TA技術(shù)與FSA技術(shù)類似，利用了直接通過泄漏點(diǎn)附近的優(yōu)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(tǒng)從一個(gè)直徑大于50mm的分接點(diǎn)連接到管道中，并流向直徑大于250mm的管道。當(dāng)TA系統(tǒng)通過一個(gè)漏水點(diǎn)時(shí)，就會(huì)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(xiàn)場試驗(yàn)證明，TA對泄漏的靈敏度可達(dá)0.015L/min，對泄漏的定位精度可達(dá)±1m。還可在TA系統(tǒng)中增設(shè)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(tǒng)還能夠檢測內(nèi)部腐蝕、非法接頭、未知的橫向裂縫以及內(nèi)部襯砌的損壞。

TA系統(tǒng)的平均安裝時(shí)間約為1h，根據(jù)管道的大小和狀況，TA技術(shù)的平均測量時(shí)間在1h～3h;對于老舊水管來說，測量時(shí)間預(yù)計(jì)會(huì)更長，見表2。

1.6 聲發(fā)射（AE）

聲發(fā)射技術(shù)是一種用于混凝土管道，特別是大直徑管道的實(shí)時(shí)泄漏檢測和完整性檢測的技術(shù)。誘發(fā)聲發(fā)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(chǎn)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(dòng)以及由于泄漏而在管道開口處固體顆粒的暫時(shí)滯留，都可能產(chǎn)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(jī)電均可與AE技術(shù)一起使用，適用的監(jiān)測頻率在10kHz到40kHz之間。為保證記錄數(shù)據(jù)的分辨率，傳感器的最大間距建議為100m。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前，必須對噪聲進(jìn)行過濾，例如過往車輛、泵和地面運(yùn)動(dòng)的噪聲?？拷孤c(diǎn)的傳感器的平均信號幅值越高，潛在泄漏點(diǎn)的范圍就越小。AE技術(shù)除地表開挖所需時(shí)間外，估計(jì)平均安裝時(shí)間約為1h，而平均使用時(shí)間在2h～3h，見表2。

圖1 不同聲學(xué)檢漏方法的原理

表2 不同聲學(xué)檢漏技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.不同ALDTs的比較評估

從4個(gè)方面比較了不同的ALDTs對4種典型應(yīng)用場景的適用性。

2.1 應(yīng)用場景

本文研究的4種應(yīng)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(yīng)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(jié)果的可信度，可以解釋為檢測到泄漏并將其與水管道系統(tǒng)中的環(huán)境噪聲區(qū)分開來的概率，而不會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)或漏報(bào)。這取決于使用ALDT時(shí)可能的錯(cuò)誤信號來源和誤報(bào)或漏報(bào)的可能性。每種ALDT的錯(cuò)誤信號來源已在前文詳述。為了估計(jì)誤報(bào)的可能性，綜合研究ALDTs已有的檢測報(bào)告，針對不同的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)下的定量評分，根據(jù)ALDTs的適用性，在不同的應(yīng)用場景下，調(diào)整后的性能評分如表5所示?，F(xiàn)場試驗(yàn)中，可靠性低的技術(shù)（評分為1）產(chǎn)生的誤報(bào)率很高。相比之下，得分為3的高可靠性技術(shù)在現(xiàn)場試驗(yàn)中產(chǎn)生的結(jié)果更準(zhǔn)確。檢測結(jié)果一致性較差，比低可靠性類別的技術(shù)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(shè)以臨時(shí)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(yīng)用場景，因?yàn)椴煌珹LDTs有更適用的管道。例如，LNC的可靠性準(zhǔn)則評分在場景1中高于場景2和場景3，這是因?yàn)樗鼘π≈睆浇饘俟艿栏m合。LNC技術(shù)可通過增強(qiáng)相關(guān)函數(shù)，提高窄帶泄漏誘導(dǎo)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(jù)此，表5中的性能評分對表4中的評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了調(diào)整。

2.2.2 量化性能（CQ）

ALDTs在量化泄漏嚴(yán)重程度方面的能力各不相同，泄漏嚴(yán)重程度對于管道管理中的維修計(jì)劃至關(guān)重要。如表4所示，無法量化泄漏嚴(yán)重程度的技術(shù)被歸為“無能”類，得分為1；可量化的技術(shù)被歸為“有能力”類，得分為3，需要額外校準(zhǔn)才能獲得較準(zhǔn)確的量化數(shù)據(jù)的技術(shù)，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(yán)重程度，可將管道泄漏測量記錄的數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)曲線進(jìn)行比較得出，其他大部分ALDTs技術(shù)均不能進(jìn)行準(zhǔn)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(shè)備會(huì)大大增加接入難度，被歸為“管道表面”類別，得分為1，聲發(fā)射技術(shù)要求整個(gè)檢測長度內(nèi)設(shè)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(shè)備的ALDT被歸為“地面”類，得分為3分。LD、NL和LNC技術(shù)得分為3。通過管道內(nèi)轉(zhuǎn)換器工作的內(nèi)聯(lián)aldt需要兩個(gè)接入點(diǎn)，一個(gè)用于插入，另一個(gè)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(shè)備可有多個(gè)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(zhǔn)確，同樣，LD也可以通過“地面”和人工檢查來工作，但據(jù)報(bào)道，“地面”更準(zhǔn)確。

2.2.4 費(fèi)用（CC）

根據(jù)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(jìn)行比較的總成本包括與勞動(dòng)力、設(shè)備、數(shù)據(jù)分析相關(guān)的成本，以及使用這些技術(shù)帶來的間接成本。

表4 ALDTs的評分規(guī)則

設(shè)備成本包括設(shè)備成本和人力、時(shí)間等成本。根據(jù)前文所述，LD使用的設(shè)備比FSA、TA和AE更便宜，基于相關(guān)器材技術(shù)（如LNC）的設(shè)備成本很高。另一方面，人工成本取決于每個(gè)ALDT的設(shè)置要求，以及檢查單位長度管道所需的時(shí)間。如果需要進(jìn)入管道的外表面，人工成本會(huì)明顯提高。其他技術(shù)，包括LD、NL和LNC，勞動(dòng)力成本更低。與NL和LNC相比，LD技術(shù)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(dǎo)致勞動(dòng)力成本提高，其次是NL和LNC。FSA和TA技術(shù)只需要兩個(gè)接入點(diǎn)（接入管道和取出），檢測所需時(shí)間長但成本最低。數(shù)據(jù)分析成本取決于分析的難易程度，對于LNC、FSA和AE技術(shù)，由于分析檢測數(shù)據(jù)的復(fù)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(xiàn)。針對表5所示的4種應(yīng)用場景，按成本對ALDTs進(jìn)行評級，結(jié)果表明，對于成本來說，LD是唯一可以歸類為“低”類別的技術(shù)，因?yàn)槠湓诖蠖鄶?shù)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(shí)，在成本項(xiàng)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?yàn)镕SA設(shè)備進(jìn)入小直徑管道內(nèi)部的成本更高。

表5 4種應(yīng)用場景下ALDTs產(chǎn)品性能評估

3.結(jié)論

輸水系統(tǒng)管道泄漏是管網(wǎng)系統(tǒng)的主要問題之一。隨著管道使用時(shí)間的增長，對管道監(jiān)測和修復(fù)的技術(shù)需求也隨之不斷增長?；诼晫W(xué)的泄漏檢測技術(shù)（ALDTs）的流行，本文系統(tǒng)地回顧了6種商用ALDTs，并針對各種典型應(yīng)用場景提出了適當(dāng)?shù)募夹g(shù)建議。評估的技術(shù)包括聽力設(shè)備、噪聲記錄器、泄漏噪聲相關(guān)器、自由游動(dòng)聲傳感器、纜繩固定聲傳感器和聲發(fā)射。評估這6種技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)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(jiān)聽裝置和泄漏噪聲相關(guān)器適合于檢測和定位小直徑金屬管道的泄漏。因?yàn)槁曇羲p較大，大直徑金屬管道和小直徑塑料管道的監(jiān)測，用傳統(tǒng)技術(shù)如監(jiān)聽裝置會(huì)存在問題。此時(shí)，自由游動(dòng)聲傳感器和纜繩固定聲傳感器技術(shù)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(shè)備會(huì)隨著技術(shù)的發(fā)展得到改進(jìn)，其適用性和性能分?jǐn)?shù)需要重新評定，且本文的結(jié)果是基于行業(yè)常用的設(shè)備和應(yīng)用場景，在獨(dú)特的約束和特定需求下可能不成立。