管道內(nèi)窺檢測技術(shù)在金屬供水管道評(píng)估中的應(yīng)用

摘" 要：隨著城市供水管網(wǎng)老化，管道結(jié)構(gòu)和功能缺陷日益突出，開展管道健康內(nèi)部評(píng)估至關(guān)重要。該文以黑龍江省M市和內(nèi)蒙古自治區(qū)E市的金屬供水管道為研究對(duì)象，利用管道內(nèi)窺檢測技術(shù)和管道內(nèi)部缺陷與失效后果評(píng)估模型，對(duì)管道的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)分析和評(píng)估。檢測結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)性缺陷和1處功能性缺陷。管道內(nèi)窺檢測技術(shù)可以對(duì)管道缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位和評(píng)估，為管道維護(hù)和更新提供可靠的技術(shù)支持與數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：金屬供水管道；內(nèi)窺檢測；缺陷評(píng)估；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；管道缺陷

中圖分類號(hào)：TU991.33" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(shè)的城市中，管網(wǎng)材質(zhì)多為灰口鑄鐵管、鍍鋅鋼管等，材質(zhì)陳舊、服役時(shí)間長、金屬材料化學(xué)特性等因素都讓管道面臨著更嚴(yán)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(wǎng)年漏損率高達(dá)15%～20%的主要原因之一[2]。因此，供水管網(wǎng)的金屬管道成為管道內(nèi)部健康評(píng)估的關(guān)鍵目標(biāo)。目前管道健康狀況評(píng)估的檢測方法主要分為外部檢測和內(nèi)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(jiān)測設(shè)備等，難以準(zhǔn)確評(píng)估金屬管道內(nèi)部的腐蝕或裂紋。近年來，內(nèi)部檢測方法不斷發(fā)展成熟，常見的內(nèi)部檢測方法包括管道內(nèi)窺機(jī)器人、超聲波檢測等[3]。目前，管道內(nèi)窺檢測技術(shù)相關(guān)的工程案例較少，尤其是針對(duì)金屬供水管道的缺陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

本文以黑龍江省M市和內(nèi)蒙古自治區(qū)E市的金屬供水管道為研究對(duì)象，使用Snake701壓力管道檢測機(jī)器人對(duì)總長3.75 km的供水管道進(jìn)行了檢測，用管道內(nèi)窺檢測技術(shù)和管道缺陷與失效后果評(píng)估模型，對(duì)管道的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)分析和評(píng)估并給出修復(fù)建議。

1" 管內(nèi)檢測系統(tǒng)與設(shè)備

系纜式管道內(nèi)窺技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于供水管道內(nèi)部檢測的技術(shù)手段[4-5]，主要依賴于供水管道內(nèi)檢機(jī)器人。供水管道內(nèi)檢機(jī)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(shè)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(nèi)，探視器可在不停水工況下，借助水壓向前移動(dòng)；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(shí)時(shí)操控探視器的移動(dòng)，從而對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行視頻采集。探視器的頭部配置了高清攝像頭和可調(diào)節(jié)的LED光源，使其能夠在光線不足的環(huán)境中獲取清晰圖像。捕捉到管道內(nèi)的腐蝕、裂紋、沉積物等缺陷視頻數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在平板終端上，為后續(xù)管道的狀態(tài)評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。傳統(tǒng)的外部檢測技術(shù)（如聲波探測和漏損監(jiān)測）難以準(zhǔn)確評(píng)估管道內(nèi)部的腐蝕情況，因此系纜式管道內(nèi)窺技術(shù)在金屬管道健康評(píng)估中發(fā)揮了重要作用。該技術(shù)不僅能夠識(shí)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(xié)同工作，以精確定位缺陷具體位置，從而提供更加全面的評(píng)估結(jié)果。

本項(xiàng)目采用深圳市博銘維技術(shù)股份有限公司自主研發(fā)的Snake701壓力管道檢測機(jī)器人對(duì)目標(biāo)管段進(jìn)行檢測，設(shè)備探視器如圖1所示。該設(shè)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(dǎo)航姿態(tài)傳感器，可有效檢測供水管道內(nèi)的微小泄漏、管瘤、氣囊和雜質(zhì)（砂石、雜物）等異常情況。檢測過程中，檢測數(shù)據(jù)通過檢測機(jī)器人尾部的線纜實(shí)時(shí)傳輸至地面控制系統(tǒng)。該機(jī)器人適用于DN300-3000規(guī)格供水管道的帶壓不停水管道檢測。

2" 管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

供水管道在長期運(yùn)行過程中，容易發(fā)生腐蝕、磨損、內(nèi)壁沉積等問題，導(dǎo)致管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱，運(yùn)行效率降低。因此，對(duì)管道本身存在的缺陷以及管段失效后可能造成的后果進(jìn)行全面評(píng)估，對(duì)于確保供水管網(wǎng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估是一種基于管道的物理狀態(tài)、運(yùn)行環(huán)境等的綜合評(píng)價(jià)體系，旨在通過量化的方式評(píng)估管道未來運(yùn)行中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)檢測出的管道問題進(jìn)行系統(tǒng)化評(píng)估，有助于制定管道維修和維護(hù)計(jì)劃，幫助運(yùn)營方優(yōu)先處理高風(fēng)險(xiǎn)管段。

供水管道內(nèi)部缺陷可主要分為結(jié)構(gòu)性和功能性2類，結(jié)構(gòu)性缺陷指管道本體遭受損傷，將影響管道強(qiáng)度、剛度和使用壽命，功能性缺陷導(dǎo)致管道過水?dāng)嗝姘l(fā)生變化，影響管道暢通性能。為評(píng)估管道缺陷的嚴(yán)重程度，本項(xiàng)目將缺陷分為一、二、三等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)輕微缺陷、中等缺陷和重大缺陷。發(fā)生結(jié)構(gòu)性輕微缺陷時(shí)，管道結(jié)構(gòu)狀況基本不受影響，但具有潛在變壞可能，發(fā)生中等缺陷時(shí)，結(jié)構(gòu)狀態(tài)受到影響，發(fā)生重大缺陷，管道損壞嚴(yán)重或即將導(dǎo)致破壞；發(fā)生功能性輕微缺陷時(shí)，管道運(yùn)行基本不受影響，發(fā)生中等缺陷時(shí)，管道過流受阻受到明顯影響，發(fā)生重大缺陷時(shí)，管道過流受阻嚴(yán)重，即將或已經(jīng)導(dǎo)致運(yùn)行癱瘓。中等缺陷需要依據(jù)具體情況進(jìn)行修復(fù)，重大缺陷應(yīng)盡快采取修復(fù)手段。然后，以CJJ 181—2012《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）為參考，對(duì)供水管道內(nèi)部進(jìn)行缺陷等級(jí)評(píng)估，計(jì)算管道結(jié)構(gòu)性缺陷、功能性缺陷、管道失效后果風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分?jǐn)?shù)值用于評(píng)估管道內(nèi)部健康狀態(tài)。

2.1" 管道結(jié)構(gòu)性缺陷評(píng)估

表1列舉了常見結(jié)構(gòu)性缺陷的具體缺陷分類及相關(guān)評(píng)估分值。首先，按式（1）計(jì)算管道損壞狀況參數(shù)

S=∑PiEiYi，（1）

式中：S為管段結(jié)構(gòu)性損壞狀況參數(shù)，結(jié)構(gòu)缺陷點(diǎn)的加權(quán)平均分值；n為管段缺陷的數(shù)量；Pi為第i個(gè)缺陷的缺陷分值，查表1得知；Ei為第i個(gè)缺陷的缺陷長度影響系數(shù)，查表1得知；Yi為第i個(gè)缺陷的壓力影響系數(shù)，查表1得知。

管道結(jié)構(gòu)性缺陷評(píng)分?jǐn)?shù)值F取管道損壞狀況參數(shù)S和最嚴(yán)重缺陷的分值P中的最大值，并依據(jù)表2查詢出對(duì)應(yīng)的管道結(jié)構(gòu)性缺陷等級(jí)。

2.2" 管道功能性缺陷評(píng)估

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

Y=∑PiEi，（2）

式中：Y為管段功能性運(yùn)行狀況參數(shù)，功能缺陷點(diǎn)的加權(quán)平均分值。

同樣的，管道功能性缺陷評(píng)分?jǐn)?shù)值Y取管道損壞狀況參數(shù)S和最嚴(yán)重缺陷的分值P中的最大值，并依據(jù)表4查詢出對(duì)應(yīng)的管道功能性缺陷等級(jí)。

2.3" 管道失效后果評(píng)估

管道失效后果評(píng)估可以幫助評(píng)估缺陷修復(fù)的優(yōu)先等級(jí)，為供水管道維護(hù)人員預(yù)估管道缺陷對(duì)道路、交通、用水戶的影響提供參考。管道失效后果風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分?jǐn)?shù)值R按式（3）計(jì)算，并依據(jù)表5查詢對(duì)應(yīng)的失效后果風(fēng)險(xiǎn)登記。

R=qiei，（3）

式中：qi為第i項(xiàng)失效后果風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估評(píng)分系數(shù)，其評(píng)分值數(shù)與影響用戶量、敷設(shè)區(qū)位和道路等級(jí)有關(guān)，可從《規(guī)程》中查詢得知；ei為第i項(xiàng)失效后果風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估權(quán)重，其中影響用戶權(quán)重為0.5，敷設(shè)區(qū)位權(quán)重為0.3，道路等級(jí)權(quán)重為0.2。

3" 應(yīng)用案例分析

3.1" 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目分別選取了黑龍江省M市和內(nèi)蒙古自治區(qū)E市的供水管網(wǎng)金屬管道作為檢測對(duì)象，管道概況見表6。為了開展管道調(diào)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(shù)資料。③管道評(píng)估所需的其他資料及施工設(shè)計(jì)說明，地理位置及周邊環(huán)境情況等資料。

檢測人員收集到必要的資料后，馬上進(jìn)場安排現(xiàn)場踏勘，查清現(xiàn)場的交通狀況、周邊工程的施工情況、窨井的占?jí)呵闆r，以及管道資料與實(shí)地的出入情況等，并做好踏勘記錄，現(xiàn)場如圖2所示。踏勘結(jié)束后，根據(jù)已收集的資料和踏勘記錄進(jìn)行分析討論，組織開展檢測工作。按照國家行業(yè)檢測規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，檢測適宜在天氣晴朗的情況下進(jìn)行。

3.2" 檢測結(jié)果

使用Snake701壓力管道檢測機(jī)器人對(duì)管道進(jìn)行內(nèi)窺檢測，判別管道是否存在變形、腐蝕、滲漏等結(jié)構(gòu)性缺陷，以及是否存在沉積、結(jié)垢、障礙物等功能性缺陷；并根據(jù)檢測圖像，精確定位了缺陷位置，最后基于管道內(nèi)部缺陷與失效后果的綜合評(píng)價(jià)，給出了管段修復(fù)或養(yǎng)護(hù)建議。

管道內(nèi)部檢測情況如下。

1）檢測地點(diǎn)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(píng)估結(jié)果及修復(fù)建議見表8。管段A存在3處1級(jí)腐蝕、1處3級(jí)沉積、1處1級(jí)障礙物缺陷；管段B無結(jié)構(gòu)性缺陷，存在1處3級(jí)障礙物缺陷；管段C存在6處1級(jí)腐蝕，無功能性缺陷。依據(jù)本文第二部分管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)管道失效風(fēng)險(xiǎn)、管道內(nèi)部缺陷狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算評(píng)估。以管段A為例，該管道影響用戶量為500～1 000戶，敷設(shè)于重點(diǎn)區(qū)域臨近區(qū)的次干路。參照《規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定可知，影響用戶量、敷設(shè)區(qū)位、道路等級(jí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估評(píng)分系數(shù)分別為4、6、5；對(duì)應(yīng)的權(quán)重分別為0.5、0.3、0.2。按式（3）計(jì)算失效風(fēng)險(xiǎn)分值R=0.5×4+0.3×6+0.2×5=4.800。

然后，依據(jù)式（1）計(jì)算管道結(jié)構(gòu)性損壞狀況參數(shù)S=1/3×（2×1×1.1+2×1×1+2×1×1）=2.067。而該管段最嚴(yán)重缺陷分值為2，可得管道結(jié)構(gòu)性缺陷評(píng)分?jǐn)?shù)值F取2.067，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)性缺陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)。同理，管段功能性運(yùn)行狀況參數(shù)為3.500，對(duì)應(yīng)的功能性缺陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)。因此，可得出管道結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生破壞現(xiàn)象，但應(yīng)做修復(fù)計(jì)劃，管道過流無或有輕微影響，但應(yīng)做養(yǎng)護(hù)計(jì)劃。

2）檢測地點(diǎn)2：內(nèi)蒙古自治區(qū)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(jí)腐蝕、無功能性缺陷；管段E存在4處1級(jí)腐蝕、1處1級(jí)泄漏、1處1級(jí)障礙物。對(duì)管道失效風(fēng)險(xiǎn)、管道內(nèi)部缺陷狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果及修復(fù)建議見表10。以管段D為例，該管段評(píng)定為失效風(fēng)險(xiǎn)為Ⅰ級(jí)、結(jié)構(gòu)性缺陷Ⅱ級(jí)、功能性缺陷Ⅰ級(jí)，管道失效風(fēng)險(xiǎn)影響較小，管道結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生破壞現(xiàn)象，不進(jìn)行修復(fù)，管道過流無或有輕微影響，不進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理。

4" 結(jié)論與展望

本研究通過應(yīng)用內(nèi)窺檢測技術(shù)與管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，系統(tǒng)地評(píng)估了所檢測金屬供水管段的內(nèi)部缺陷和失效風(fēng)險(xiǎn)。在黑龍江省M市和內(nèi)蒙古自治區(qū)E市的實(shí)際工程項(xiàng)目中，針對(duì)總計(jì)3.75 km長的供水管道進(jìn)行詳細(xì)檢測和數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了內(nèi)窺檢測設(shè)備的有效性，以及管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的可靠性。結(jié)果表明，管道中的結(jié)構(gòu)性和功能性缺陷能夠被準(zhǔn)確定位，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)能夠根據(jù)缺陷類型與嚴(yán)重程度制定科學(xué)的修復(fù)方案，合理安排結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷的優(yōu)先處理順序，從而有效提升供水系統(tǒng)的可靠性和安全性。

隨著供水管道的使用年限增長，管道內(nèi)外的缺陷問題將日益加劇。未來，內(nèi)窺檢測技術(shù)和評(píng)估方法仍需進(jìn)一步優(yōu)化與發(fā)展?，F(xiàn)有的內(nèi)窺檢測技術(shù)雖然在圖像和數(shù)據(jù)獲取上已達(dá)到較高水平，但未來仍可通過提高檢測設(shè)備的智能化程度，進(jìn)一步提升檢測效率和準(zhǔn)確性，如引入人工智能算法對(duì)缺陷圖像進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和分類；針對(duì)腐蝕、裂紋等常見缺陷，未來可探索更加經(jīng)濟(jì)高效的防護(hù)和修復(fù)技術(shù)，如新型防腐涂層材料的應(yīng)用以及非開挖修復(fù)技術(shù)的推廣，減少對(duì)城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)的影響?？傊?，本研究通過實(shí)際工程案例驗(yàn)證了內(nèi)窺檢測技術(shù)與評(píng)估模型在管道缺陷評(píng)估中的應(yīng)用價(jià)值。供水管網(wǎng)的檢測、評(píng)估及維修將向更加智能化和高效化的方向發(fā)展，進(jìn)一步提升城市供水系統(tǒng)的運(yùn)行安全和管理效率。

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