供水管道泄漏的声波特征及定位检测的实验研究

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1、第一章绪论第一章绪论1.1课题背景及研究意义1.1.1课题研究的背景随着我国城市化水平的不断提高，供水管网系统日趋完善，据了解我国供水管道长度每年呈现加速增长的趋势，从2008年开始，我国供水管道以平均每年3万公里的建设速度增长，年均增幅约6.5%。截止到2012年，我国已有27个省的城市居民用水普及率在90%以上。但是，城市化供水管网的快速发展，也带来了特别严重的问题。由于供水管道是压力管道，除了受到供水压力的作用，同时还会受到外界载荷压力的作用，再加上管道受到内部水质以及外部土壤的腐蚀影响，导致管道泄漏事故时有发生。根据国际水协统计数据表明，世界发达国

2、家的供水管道泄漏率平均大约为10%[1]，而根据我国水协最近公布的统计数据表明，我国城市供水管道的泄漏率为27%左右，乡镇供水管道的泄漏率比城市供水管道的泄漏率高10%左右，可见，我国城镇供水管道的泄漏率都高于《城市供水管网漏损控制及评定标准》中规定的12%[2]。再根据2010年《中国城乡建设统计年鉴》的记载，2009年我国城市供水泄漏水量为60亿立方米左右，日均泄漏水量可达1635万立方米，比北京、上海、天津和重庆四个城市的日均供水量还要高[3]。由此可见，我国供水管道面临的泄漏问题触目惊心，因此，降低管道泄漏率应该是我们国家亟待解决的问题，解决这个难

3、题，就特别需要加大力度研究供水管道的泄漏检测定位技术。1.1.2课题研究的意义由于我国经济高速发展，我国城镇规模不断扩大，供水管网也随之不断延伸，这就对供水系统的安全性提出了更高的要求。供水管道的安全性是既要保证用户的水量、水压要求，还要保证用户用水的时间连续性。供水管道的泄漏危害了供水系统的安全性，除了造成水资源和能量浪费以外，还增加了供水总量由此提高的供水设施的基建费用和运行成本[4]，如果没有及时发现还会导致管道周围的建筑设施损坏，如建筑基础、路基的损坏。根据城市供水管网漏损控制研讨会公布的数字显示，我国城市供水泄漏量每1万方数据第一章绪论年接近10

4、0亿吨，造成的直接经济损失超过100亿元，如果我国城市的供水管道泄漏率可以达到世界先进国家的水平，那么直接节约的水量就相当于南水北调中线全部的调水量，为国家节省了大量资金[5,6]。尤其是在水资源贫乏的今天，供水管道的泄漏是对水资源极大的浪费，因此，研究并且开发一种有效的、方便的、经济的适合我国供水管道泄漏检测定位的装置，现实意义巨大。1.2供水管网泄漏检测国内外研究现状由于我国工业发展相对于欧美等发达国家起步比较晚，所以在基础建设方面落后很多，尤其是管道行业，管道行业作为一个国家的血管，对国家的正常运转起着无与伦比的作用。发达国家像美国、德国、日本以及加

5、拿大等国家对于管道的安全运行提出了很多相关的法律法规，以此来促进管道行业的不断提高。针对管道的泄漏，采取了一系列的研究工作。而我国，直到八十年代，才开始重视管道泄漏的问题，尤其是在负压力波法、管道实时模型法等方面进行了研究。在国外，英国于上世纪70年代由水协常设委员会发布了《漏失控制方法和实践》的报告，报告中首先提出供水行业的漏失管理和控制工作，并且着重强调了管道泄漏控制工作的内容、方法和对策，随后，由英国水研究中心开发出了第一台用于管道泄漏检测的装置，但是由于体积大、效率低、实用性差，不能直接用于实际的管道检漏工作。1976年，Knapp和Carter为

6、了克服管道泄漏噪声信号的影响，提出了广义互相关时延估计算法，提高了延迟时间估计的准确性，改善了声波信号的频谱特性，减小其他噪声信号带来的误差，从而整体提高了系统的检测精度[7]。美国紧随英国的步伐，针对管道泄漏问题的严重性，在随后几年里，由美国水协会决定，成立检漏专业委员会来加强对管道泄漏的监督。1982年，Fuller和Fahy利用流固耦合理论，研究了既没有充液也没有外部介质情况下管道中振动波的传播特性，并利用圆柱壳模型建立了无限长充液管道的运动方程，分析了充液管道中能量流的分布规律[8]。除了欧美发达地区，亚洲的日本对管道行业的重视也较早，并且成立了水

7、道协会对管道泄漏的控制进行研究，主要是侧重于检漏仪器设备的开发与研制，美国和日本也经过几年的开发和研究,成功研制了便携的轻型检漏仪。1999年，Hunaid通过实验研究了泄漏声音信号在塑料供水管道中的传播特性，发现管道接头对声波衰减没有影响[9]。在2001年到2003年之间，Long和Vin也对泄漏管道中波的传播特性进行了研究，认为在实际的测量中，传感器能够检测到的信号波应该是管道中流体传播的纵波[10-12]。在2002到2004年之间，Muggleton和Brennan以充水管道为例考虑到了充液以2万方数据第一章绪论及外部充满介质情况下振动波沿管道传

8、播的特征[13-16]。2005年Hunaidiet等人认为管径越