长距离输水隧洞管道运行故障监测方法设计

王仁江

(辽宁润中供水有限责任公司，沈阳 110003)

由于各种自然或人为原因，不可避免地出现管道故障问题，不但会导致水资源的极大浪费，也会危及人们的生命和财产安全。因此，对工程各个阶段的安全进行监控是十分必要的，对管道运行故障的监测技术进行深入的研究，既有理论上的指导作用，又有较大的实用价值[1]。当前，长距离输水隧洞管道采用示踪剂检测法，在管道中添加一定量放射性示踪剂，一旦管道出现泄漏问题时，管道内的示踪剂就会随着泄漏物质扩散到管道外，由此可以确定管道是否出现泄漏。使用电缆检测法主要是利用平行于管道的电缆检测管道是否出现故障，一旦出现故障，管道泄漏物质就会与电缆产生反应，改变电缆特性，根据电缆阻抗大小推测泄漏位置[2]。虽然检测方法众多，但对于小的泄漏点和缓慢泄漏问题还无法进行有效检测。为此，本文提出长距离输水隧洞管道运行故障监测设计方法。

1 长距离输水隧洞管道故障监测的瞬变流数学模型构建

瞬变监测法是目前管道运行故障监测技术中的一个热点和发展方向，它的基本原理是采用迅速关闭末端阀门来实现暂态流动，水锤波在穿过管道时会发生折射，从而引起管道内的压力失真，因此通过改变阀端压力，可以判断出故障位置和程度[3]。在此基础上，利用计算机对某一特定的边界条件下的瞬变流量进行数值模拟，获得管道压力、流量相关参数，为管道的故障监测提供了模拟依据[4]。

为了便于建立数学模型，必须引入一定的基本假定条件：①管道中的液体是均匀的，并填满整个管道，仅考虑管道中各个水力参数的变化；②在管道中，液体是一维的，也就是液体本身的变形是线性的。

采用瞬变监测法对长距离输水隧洞管道进行失效监测，其主要步骤如下：

步骤一：读取管网数据，并对管网稳定运行进行分析。

步骤二：分析各管段波速，并对管网进行统一时程计算。

步骤三：按照计算时间步长，对不同管道进行分段处理。

步骤四：由各个剖面上的流速求出不稳定的摩阻系数。

步骤五：利用目前周期内各个区段的流量、压力，将其视为下一阶段的初始状态[5]。在每一个计算周期中，对瞬态过程的迭代处理可以分成两个阶段：第一阶段是采用两个可兼容的公式，求解管道内首末断面的流量和压力；第二阶段是在迭代处理过程中，结合管段相邻边界条件方程，求解管道内首末断面的流量和压力。

步骤六：以所计算出的流量和压力为下一阶段的初值，并重复步骤四到步骤六，该计算循环一直持续到暂态运算完成为止。

根据以上步骤，设计管道故障监测瞬变流过程分析流程，见图1。

图1 管道故障监测瞬变流过程分析流程图

在长距离输水隧洞管道故障监测过程中，最大限度地减小测量值和计算值之间的差别，是进行管道失效监测的主要目的[6]。因此，其目标函数可表示为：

(1)

采用实时反问题分析方法，对长距离输水隧洞管道中的瞬态流量进行仿真，并对其进行实时监控。管道故障对暂态压力波幅值的衰减有很大影响，通过修改模型中的故障参数，减小测量结果和计算结果误差，从而确定故障类型[7]。其实质是求解系统辨识中的逆向问题及参数识别问题，在给定初始故障状态和故障位置后，对同一位置的同一物理量(流量和压力)进行计算，如果计算结果与实际测量值基本一致，则说明通过构建的管道故障监测的瞬变流数学模型能够提取精准瞬变参数[8]。

2 长距离输水隧洞管道运行故障监测

通过上述获取的瞬变参数信息，使用小波变换技术监测长距离输水隧道管道运行故障问题。使用小波变换技术克服了以往单分辨率识别瞬变参数不精准的问题，通过对信号局部信息的时域和频域表征，能够根据信号特定调节方式确定信号发出的位置，进而实现故障精准定位[9]。对于低频信号，可以使用较高的时域分辨率改善频域窗口；而对于高频信号，则可以用较低的频域分辨率来交换精确的时域位置[10]。基于此，设计长距离输水隧洞管道运行故障监测模型，见图2。

图2 长距离输水隧洞管道运行故障监测模型

由图2可知，首先利用小波分析技术对采集到的流量、压力信号进行去噪处理，然后利用小波分析进行流量奇异点检测，最后使用相关分析法进行管道故障定位。

2.1 基于小波去噪的信号突变点分析

使用小波去噪方法分析信号突变点，首先是将小波分解后的各个层次系数中大于或等于一定阈值的系数进行去噪处理，然后使用反演方法重建去噪信号，最后对信号中不能使用的部分进行有效处理，从而使有效部分信号得到增强[11]。信号突变点监测是在不同的尺度上“磨光”原始信号，然后对磨光后信号的一阶、二阶导数的极值或零交点进行监测[12]。基于此，求取小波变换经过平滑处理后的一阶、二阶导数，公式为：

(2)

使用小波变换系数的过零点和局部极值点能够监测故障信号突变点，其原理为：将小波变换视为平滑函数的一阶导数时，小波变换的局部极值点就是信号的突变点[13]；将小波变换视为平滑函数的二阶导数时，小波变换的过零点就是信号的突变点[14]。根据上述求取的小波变换后的一阶、二阶导数，对实际测得的信号采用高频3细分量小波进行分解，见图3。

图3 高频3细分量小波分解

由图3可知，在3层细分信号中，可确定最大位置点，也就是突变信号的位置。

2.2 基于相关分析法的管道故障定位

2.2.1 相关函数构建

对相关函数进行实时处理，能有效提取出微弱信号，而对于微小变化的信号进行相关性分析，则能得到比较明显的结果[15]。对于两个不同随机噪声β1(f)和β2(f)，这两个噪声的相关函数反映了它们在不同时刻的相似程度，在没有出现管道故障情况下，可以将其看作均值为0的随机噪声，可表示为：

(3)

式中：τ为延迟时间；T为处理周期。

相关函数反映了两种不同信号的相似性，可以用来描述两种信号间的关系，也可以用来描述两种信号的相似性。这种方法能有效去除噪声，过滤不相关的成分，并对其进行监测与故障诊断。

2.2.2 故障监测定位

通过上述提取的微弱信号，构建连续信号离散化模型，见图4。

图4 连续信号离散化模型

通过构建的相关函数，对其进行离散化处理后，可将相关函数改为：

(4)

式中：N为离散次数；x为异常信号监测位置；y为噪声信号位置。

在没有故障的情况下，相关函数的数值几乎为0；而在故障的情况下，相关函数的数值也会有明显的改变。当该变化量到达临界点时，就被视为管道出现了故障问题。在此基础上，通过最大相关函数，求出两个信号的延迟，由此根据定位公式(4)进行管道故障定位。

通过对故障位置处压力信号和信号传输到传感器的时间差分析，可确定故障点位置。其中，对于故障点位置的信号传输时间差，可以通过相关函数峰值来确定；由于压力信号自身均值很大，在故障情况下，上下游压力信号的相关性基本不变。所以，有必要把压力信号变换成差压信号，然后再进行相关分析。采用差压信号求得的相关函数，不但消除了平均值，还能使上下游的压力由下降沿向极值方向变化，对故障位置的定位更为有利。

3 实 验

3.1 实验环境

为了验证长距离输水隧洞管道运行故障监测方法设计合理性，布置了供水管网系统结构，见图5。

图5 供水管网系统结构布置示意图

由图5可知，所有节点高度都被设定为0，在上游，采用不变水压的压力池供给管网，压力是25 m。稳态时，管道的下游出口流量为1 L/s。测试节点T6处发生泄漏，泄漏量为0.6 L/s，漏气面积为0.000 03 m2。在下端与操纵阀门相连，在0.25 s内关闭。在T1-T6处设置6个测压点，对水锤波在不漏水、渗漏条件下的衰减进行分析。

3.2 实验装置

水力实验平台物理模型见图6。

图6 水力实验平台物理模型

由图6可知，实验管道采用镀锌钢管，管道采用环形布置。在管线中部，存在两个人为的泄漏孔，并通过阀门和电磁流量计进行泄漏检测；在管道中部，设有三通，分别是小型管网接口、管道出口、尾水管口。

3.3 测压点分析

对于6个测试点，在有无泄漏工况下对管道压力进行测试分析。其中T1、T2、T3与T6泄漏点之间存在一定距离，影响较小；而T4、T5与T6泄漏点之间距离较近，影响较大，其中T5与T6泄漏点之间距离最近，影响最大。

对于T1、T2、T3测试点管道压力测试结果，见图7。

图7 T1、T2、T3测试点管道压力测试

由图7可知，T1、T2、T3测试点管道压力测试结果均与实际值相差不大。其中，对于T1测试点，测试值与实际值基本一致，误差最大为1 Pa；对于T2测试点，测试值与实际值在时间为0.7～0.8 s时，存在最大为0.5 Pa的偏差；对于T3测试点，测试值与实际值在时间为0.7～0.8 s时，存在最大为2.5 Pa的偏差。

对于T4测试点管道压力测试结果，见图8。

图8 T4测试点管道压力测试

由图8可知，对于T4测试点，测试值仅与实际值存在最大为0.5 Pa的误差，但与T1、T2、T3测试点相比，相差较大。产生这种现象的主要原因是该测试点与泄漏点T6在一侧管道上，影响该点的压力。

对于T5测试点管道压力测试结果，见图9。

图9 T5测试点管道压力测试

由图9可知，对于T5测试点，测试值仅与实际值存在最大为0.4 Pa的误差，但是与T1、T2、T3测试点的测试值相差较大，与T4测试点的测试值相差相对较小。产生这种现象的主要原因是，该测试点不仅与泄漏点T6在一侧管道上，而且还与泄漏点T6相距最近。

通过上述分析结果可知，设计的长距离输水隧洞管道运行故障监测方法监测结果不会受到外界因素影响，与实际值相差不大。

4 结 语

结合管道故障监测领域的最新研究进展，针对所研究的方法应用开展研究，涉及管道瞬态变化、数值仿真、小波去噪处理、离散化处理等步骤。首先，对管道瞬态进行了分析，并对其瞬态过程进行了总结。结合多个实例，对管道在不同的故障参数下的瞬变流场进行了数值仿真。采用小波去噪技术对管道压力、流量信号进行去噪处理，结合小波奇性法进行了数值模拟。之后经过离散化的处理方法，提取出微弱信号，进而确定时间差，依据位置关系式进行故障点定位。通过实验验证结果可知，该方法解决了传统监测方法存在的监测精准度低的问题，并能够更加确切反映实际压力的变化过程，对提高供水安全可靠性起到重要作用。