水锤效应的防护与漏点监测的设想

李哲+李梦科

摘 要：水锤效应，是由于水（或其他液体）输送过程中，由于阀门突然开启或关闭、水泵突然停止等原因，使流速发生突然变化，同时产生大幅度波动的现象。产生振动波在流体管道壁传播，这是一种有害管道能量形式。但该能量在传输过程中会携带上管道物理组织特性、管壁接触边界特性、流体性质等检测有用信息。如能获得能量传输参数与管道漏点之间关联的数学表达式或解析解，将能够从根本上解决目前地下管网只能通过雷达探测、高人工成本，费时费力、以及无法预防管道泄露，管道泄漏才能后发找到漏点的现状，进而避免了管道流体对环境的污染以及流体泄露损耗。

关键词：水锤效应；防护措施；漏点监测；早期预防；实时监测

1 研究背景及意义

管道输运是运输行业中的很重要的一种输运方式。管道输运具有自己特有的优势：效率高、污染小、成本低并且受外界影响小。所以几乎所有的流体包括液体、气体都用管道来输运。城市地下管网极其发达，包括输水（冷、热）、输油、输气等，且管道运输在全球都有广泛的应用空间，市场空间极为庞大。

随着管道使用时间的增加，管网不可避免的会出现磨损，以及由于水锤效应产生的对管网的冲击振动，使得管道容易发生泄漏或者堵塞。管道泄漏不仅会造成宝贵资源的浪费，环境的污染甚至会危害到人民的生命财产安全。

目前，国内多数城市都采用被动检漏的方法或以被动法为主进行检测的方法。检测实验多采取人工手动进行，由经验丰富的操作人员通过听漏仪沿着管道逐段的诊听来自地下因为泄漏而发出的响声。这种方法检测成本高；容易受环境干扰，常常需要工人在夜间进行测试；可靠性比较低，小截面漏点的泄漏信息难以获取。对比之下，基于水锤效应震动的管网检测，其实时性、准确性、预判性、低成本特性都非常明显。

2 目前常用水锤防护措施

水锤形成主要有两点原因：第一点输水工程在正常运行时，受温度的影响，溶解于水中的空气游离出来聚于管道凸部上方形成空穴，影响管内波速的传递，需及时排出；第二点，管内压力随地势的起伏升高或降低，当压力降到蒸气压力时会形成蒸气空穴，使管道的一些高点或折点附近发生水柱分离，严重时会造成断流弥合水锤。

目前已经有多种防护措施来解决这类由降压波的发生与传播开始的水锤升压问题，常用的防护措施是：注水或注空气稳压，从而控制系统中的水锤压力振荡，防止了真空和断流空腔再弥合水锤过高的升压，属于这种类型的有单向调压塔或单（双）向调压水池、空气罐和进排气补气阀等。除此之外还有：合理选择阀门种类，延长其启闭历时，进行阀门调节与控制、水锤消除器、防爆膜、设置旁通管、取消止回阀等泄水降压措施。

这里主要介绍空气罐的作用原理。空气罐是指内部充有一定量压缩气体的金属水罐装置，一般安装在水泵出口附近的管路上。当发生事故空气罐停泵后，管道中的压力降低，罐内空气迅速膨胀，下层水体在气压作用下迅速补充给主管道，以防止水柱分离，当水流由管道返回空气罐时，由于节流孔突出管口的作用，阻力很大，从而控制了罐内压力的迅速上升；倒泻水流使水泵进入水轮机工况后，泵出口的逆止阀迅速关闭，管中压力上升，出水管中的高压使水流入空气罐中，罐内空气压缩，从而减小管道中的压力上升。空气罐的主要缺点是需要一套配备的设备和仪器，且需要时常维护，花销费用大，所以时常采用单向调压塔来替代空气罐，两者原理基本相同。

3 实时检漏系统的提出

目前水锤防护措施的出发点多数是建立在对停泵水锤危害的早期防治上，但是并不能实现对管道状况的实时监测以及提前预防。本文提出一种基于水锤效应的管道漏点检测及自供电模块的设想，实现检测装置通过监测管道内水锤效应产生的振动波信号进行漏点判断。此检测集成模块主要包括用于振动波信号收集的测试模块、能量供给模块。

自供电机制基于流体压电效应、流体摩擦生电效应、流体水锤效应，利用微纳加工技术制备微能量采集模块实现。当压电芯片内的晶体受到外力作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。可以通过流体中存在的压力变化基于压电效应进行发电，产生电荷由环形压电薄膜两端引出进入储电设备，同时获得管网中该节点流体压力变化的电信号送入监测装置单元。其次，管道内设有微纳漏点检测模块监测流体的流量、频率和压力等参数，检测水锤效应产生振动波沿管道传输信息。检测模块接收到信号会受到管道破损、堵塞等因素的影响，经管道数据管理中心计算分析可以准确获得管道漏点信息，是漏点维修的重要信息。漏点检测模块和能量供给模块集成在一起设于流体管道内所有关节点上。采用的自供电机制，避免了能源浪费和更换电源麻烦的问题，同时也避免了管道检漏的过程中目标检测范围大、检测耗时耗力、定位不精确、不能实时检测等问题。

本文提出的管道泄漏自检系统，能夠保证在无人值守的情况下发现管道泄漏的具体位置、漏点大小、漏点边界条件、漏点形状等参数集，无须耗费大量人力、物力、长时间进行大范围被动检测，便于直接在漏点位置对管道精确开挖修复；不需要对检测装置提供有线供电或电池供电，由供电模块采集管道压力效应、摩擦效应、水锤效应等流体自身携带能量实现检测自供电模式。

4 总结

本文简单介绍了目前主要的水锤防护措施，并提出了管道泄露的实时监测系统。意在通过研究地下管网水锤效应引起的震动波在管道中的传输形式，并分析该能量传输和管道物理性质、接触界面性质、流体性质的解析方程，能量传输过程中沿管壁的阻尼形态等。获得能量分布、变化与管道物质特性的关联属性，获得管道与外围接触界面边界条件的解析解。获得沿管道传输的水锤震动能量特性，包括振幅、相位、频率等数据，分析其因管道材质、管道物理形态（有无漏点、腐蚀减薄、环境参数变化、接触物质形态改变、界面分离等）的变化而产生的变化，并以管道位置为自变量之一的组合函数表示出来。但本文仍欠缺最为重要的函数表达式部分，需要后期理论工作进一步完善。