（机械电子工程专业论文）聚焦电流法在排水管道渗漏检测中的应用研究.pdf

聚焦电流法在排水管道渗漏检测中的应用研究 摘要 随着环境保护意识的提高 人们已经意识到城市排水管道渗漏对 环境的污染及对人们生活的影响 为避免因管道渗漏造成的污染 需 要对排水管道定期进行渗漏检测 为此需要运用相应的管道渗漏检测 技术及设备 本课题的主要内容是研发适合高承压排水管道渗漏检测 的新技术及设备 实现对排水管道渗漏检测及定位 本文通过对现有排水管道渗漏检测的技术原理及优缺分析 指出 现有的检测技术不适合高承压排水管道的渗漏检测 因此需要研发专 门应用高承压排水管道渗漏检测的新技术 经过对直流电位梯度法与 密间隔电位测量法这两种已成熟应用的埋地金属管道防护层破损检 测技术的检测理论的分析 提出通过检测电流的方式来实现对排水管 道渗漏检测的构想 并借鉴侧向测井技术形成聚焦电流法排水管道渗 漏检测的技术 然后设计了检测技术中用于产生聚焦电流场的关键部 件 探头 搭建聚焦电流法检测系统 最后进行管道渗漏实地检测实 验 实验结果已初步证明了聚焦电流法检测技术及检测设备的可行 性 关键字 排水管道渗漏检测直流电位梯度法密间隔电位测量法 测井技术聚焦电流法 s t u d yo nf o c u s e de l e c t r i c a lc 1 瓜re n t d e t e c t n 叮gt e c h n o l o g yi nd e t e c t i n gd rai n ag e p i p e l i 卜t el e a k a g e s a bs t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h ec o n s c i o u s n e s so fe m r i r o i u n e n t a l p r o t e c t i o 玛p e o p l eh a v er e a l 娩e dt 1 1 a tm el e a 玉嘴e s o fu r b a nd r a i n a g e p i p e l i n ew o u l dp 0 1 1 u t ee i i r o n m e n ta n d m a k eh 锄t o p e o p l e sh e a l t h y 1 1 1o r d e rt 0a v o i dm ep 0 1 l u t i o nm a d eb yp i p e l i n el e a k a g e r e g u l a r d e t e c t m gt h ed i a i n a g ep i p e l h l e1 ea k a g e sw a sn e c e s s a i y b u tt h i sd e t e c t i o n r e q u i r e sa d v a n c ep i p e l i n el e 呔a g e s d e t e c t i o nt e c h n o l o 影a n dr e l a t e d e q u i p m e n t t h em e s i sm a i n l ys t u d i e dan e wt e c h n o l o g yt h a ti s s u i t a b l e f o rp i p e l m el e a l a g ed e t e c t i o no fh i 曲p r e s s u r ed r a i l l a g ea n dd e s i 盟 r e l a t e de q u i p m e mt oi 1 1 s p e c ta i l di o c a t et 1 1 ep o s i t i o no f1 ea l i 鹂e s a r e ra n a l y z i n gt h ep r i i l c i p l e so ft h ee x i s t i n gt e c h n o l o g i e sa b o u t d e t e c t i n gd r a i n a g ep i p e l m el e a k a g e s a n dt h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so f m e s et e c l u l o l o g i e s i tw a sf o u n dt h a ta l lo f 吐1 e mc a nn o t b e u s e di 1 1 d e t e c t m gt h eh i 曲p r e s s u r e n a g ep i p e l i n e s o an e w t e c l l o l o g ym a ti ss p e c i a lf o rt h eh i 曲p r e s s u r ed 曲a g ep i p e l i n el e a 玉 a g e d e t e c t i o nw a sn e e d e dt 0b es t u d i e d d c v ga n dc i p s m e t a lp i p e p r o t e c t i o n1 a y e rd a i i l a g ec i e t e c t i o nt e c h i l i q u e s h a db e e ns u c c e s s 允lu s e dm m e t a lp i p e s an e wc o n c 印tw a ss p n m g 行o mt l l e 僦om e t h o d sm a t c w r e n t sd e t e c t i i 培c a nb eu s e dt 0d e t e c t m gd r a 访a g ep i p e l i i l el e d k a g e s a n dt 1 1 e nt 1 1 e c o n c e p tb e c 锄ean e wm e t h o db yt l l e l a t e r a l1 0 9 9 i n g t e c h n o l o 缈1 1 1 en e w m 劬o dc a l l e df o c u s e de l e c t r i c a lc u 撇n td e t e c t i o n t e c h n 0 1 0 9 y s o n d e ak e yc o m p o n e n t w a sd e s i g n e da n dt 1 1 e nt h ed e t e c t m g s y s t e mw a se 曲a b l i s h e dt od e t e c tt h el e a k a g e so fl l i 曲p r e s s u r ed m h l a g e p i p e l i n e d r a m a g ep i p e l m em d i f f e r e n td i 锄e t e r s r ec h o s et ob ed e t e c t e di i l l i uz h o u a n dt h er e s u l t sh a v e 证i t i a l l yp r 0 v e dt 1 1 a tm ef o c u s e d e 1 e c t r i c a lc u n e n td e t e c t i n gt e c h n o l o g yi sp r a c t i c a b l e k e yw o r d s d r a i n a g ep i p e l i n e s p i p e l m el e a k a g e d c v g c i p s w e n l o g g i n g f o c u s e de l e c t r i c a lc u r r e n t 聚焦电期踌去在舅 扣管道渗漏检测中的应用研究 1 1 选题的背景 第一章绪论 中国现在是世界上污水排放量最大的国家 也是污水排放量增长速度最快的一个国 家 国家建设部统计 截止到2 0 0 7 年的数据 中国6 6 5 个城市用水量达到5 0 1 9 亿立方 米 年 按照城市的户籍人口来算 人均的综合耗水量大概就是在3 9 0 升 天左右 平均 每人每天消费4 0 0 升水 根据2 0 0 8 年全国环境计公报显示 2 0 0 8 年 全国废水排放总 量5 7 1 7 亿吨 比上年增加2 7 城镇生活污水排放量3 3 0 0 亿吨 占废水排放总量的 5 7 7 比上年增加6 4 生活污水是水体的主要染污源之一 主要来自于家庭 学校 医院 商业 旅游 服务业及其他城市公用设施 城市生活用水量大约每人每天1 5 0 4 2 0 升 特大城市为 4 4 0 8 2 0 升 目前 绝大多数的居民生活污水都已接入了污水管网系统 通过泵站提升输送到污水处 理厂进行二级处理后排放 由于年久失修 外力损坏等等各种因素会造成地下排水管道 出现破损 则在污水输送过程中就可能有污水渗漏 从排水管道内渗漏出的污水 含有 大量污染性强的有机污染物 氨态氮污染物和重金属污染物i l 会对管道周围的土壤产 生严重的污染 污水中的有机物如 糖类 淀粉 纤维素 油脂 蛋白质等流入土壤后 因微生物的作用进行好氧分解 使土壤中缺乏足够的氧气从而危害土壤中原有生物的生 长 当土壤中缺乏足够的氧气后 有机物将会进行厌氧分解 产生有害的恶臭气体污染 环境 如果污水流入江河湖泊中 则污水中氮 硫 磷等无机盐类化合物将会造成水体 的富营养化 渗漏出的污水还会污染到城市的地下水资源 据统计 我国9 0 以上的城 市水环境因污染而恶化 9 5 的城市地下水资源已达不到国家饮用水的标准 污染源之 一就是埋地排水管道的污水渗漏f 2 从排水管道总渗漏出的污水除了会污染管道周边土 壤及地下水外 还会对正常的供水系统产生影响 1 9 9 8 年1 2 月 1 9 9 9 年1 月 广梅汕铁路总公司龙口西住宅楼多户居民出现腹痛 腹 泻等症状 通调查处及水质检验后 证实是由生活污水污染二次供水系统引起的水源性疾 病 3 1 生活污水中含有相当数量的微生物 其中一些病原体 如病菌 病毒 寄生虫等 聚焦电荫 去在舅 扣蕾 道渗漏检测中的应用研究 对人的健康有较大的危害 由于过去不够重视排水管道的建设 对管道施工没有严格的质量要求 因此排水管 道普遍存破损以及接头渗漏的情况 据环保部门统计 生活废水以及排水管道渗漏的污 水已经污染了我国城市9 0 以上的地下水资源 污水已成为 城市杀手 2 因此对地下 排水管道的泄漏检测以迫在眉睫 为此 国家成立了 国家水体污染控制与治理科技重大专项 对水体污染进行控制与 治理 本课题即来源于重大专项下的 城市水污染控制与水环境综合整治技术体系研究 与示范 主题 课题名称为 岩溶地区雨污水管网渗漏控制 病害检测和优化设计关键 技术研究与工程示范 课题编号 2 0 0 8 z x 0 7 3 1 7 0 0 1 0 0 2 1 2 国内外排水管道检测检测现状 对于埋地排水管道的检测技术 国内外进行了大量的研究 提出了很多检测技术 希望从众多的排水管道检测技术中 寻找适合排水管道渗漏检测的技术 目前应用于排 水管道检测的技术主要有以下几种 1 c c t v 检测 c 1 0 s e dc 讹硫t e l e v i s i o nh l s p e c t i o n 4 j 管道闭路电视检测 此方法 于2 0 世纪9 0 年代中期引进我国用于管道内部状况及排水管道健康检测 是目前用于管 道状况检测先进和有效的手段 c c t v 法是通过录像拍摄的方式对管道内部病害进行检 测 能直接检测出排水管道结构性病害 检测结果断准确直观 在国内得到了广泛应用 c c t v 检测系统是由3 部分组成 控制主机 控制电缆 带摄像镜头的爬行器 c c t v 检测系统的工作示意图如图1 1 所示 检测人员通过控制主机的显示屏 实时监控管道 内部的情况 遥控爬行器在管道内行进速度和方向 还能够控制摄像头的升降 旋转及 灯光照明 以获取清晰地录像资料 当完成管道检测工作后 调取存储在主机硬盘中检 测录像资料对管道缺陷进行分析 然后编写检测报告 对管道修复工作提出建议 2 聚焦电流法在搏水管道渗漏检测中的应用研究 曩霍爻翼 i 图1 1c c t v 检测系统工作示意副1 6 f i g1 1 c c r vm 伽d t o 血gs y s t e md i a 黟锄 目前先进的c c t v 爬行器已配备了高清摄像头及l e d 照明设备 能够更加清晰地 显示管道的内部结构及缺陷 爬行器也具备一定的越障能力 c c t v 检测法在检测管道 是否健康运行上得到了广泛的应用 由于新建成管道的检测环境非常适合c c 法的应 用 c c t v 法在新建管道的验收评估上也起着积极重要的作用 c c t v 技术以安全 高 效及无损等特点已成为国内目前污水管道状况检测的主要手段 但c c t v 法对所检测管 道有一定要求 必须封堵管道 暂时中断管道的正常运行 降低或排清管道内污水 为 达到较好的检测效果 甚至需要冲洗管道内壁 2 声纳检测 s o n a rh p e c t i o n f 5 声纳是利用声波在水下的传播特性 通过声电转 换和信息处理 对水下目标进行探测 定位和通信的电子设备 声纳系统包括发射探头 连接电缆和带显示器的声纳信号处理器 声纳信号发射探头安装在牵引车或遥控水下装 置上 由牵引车带动在排水管道中移动发射超声信号以及接受从管壁反射回来的信号 经计算机处理后形成管道内部的横断面图 声纳检测技术常被用于检测塑料排水管道的变形和混凝土管的腐蚀和变形 即管道 的缺陷检测 应用声纳检测时 排水管道内的液面高度应大于3 0 0 n m 利用管道成像 声纳检测仪对管道内部结构成像 提供准确的管道内部信息 从而检测和鉴定管道的破 损和堵塞情况 声纳检测可与c c t v 检测同步联合进行管道检测 声纳装置用来检测水 面以下的管道 c c t v 设备检查水面以上的管道 形成管道内部完整的检测图形 从而 对排水管道内部情况作出全面准确的判断 目前声纳探测仍存在一些不足之处 在排水 主管道中 污水的流速快且流量大 水声环境会对声纳信号产生影响 声纳图像会受到 3 聚焦电流法在舅日扣管道渗漏检测中的应用研究 很强的混响和噪声干扰 且声纳图像不如c c d 光学图像的分辨率高 因此从图像中识 别和提取目标特征有一定的困难 同时声纳工作频率与设备的检测灵敏度对检测结果有 很重大的影响 3 潜望镜法 潜望镜法 q u i c kv i e w 是利用便携式视频检测系统对排水管道进行检测 刀 系统由摄 像头 l e d 照明灯 可伸缩操作杆及显示屏组成 摄像头安装在操作杆上 通过操作杆 将摄像头放入管道中以拍照或视频录像的方式对管道进行检测 检测结果 图片或视频 能够在显示屏上实时显示 潜望镜设备操作简便快捷 但不能探测水面下的结构情况 一次性探测距离较短 操作杆的长度有限 因此只能检测管道埋深在伸缩操作杆长度范 围内的排水管道 4 透地雷达技术 透地雷达技术 c 衲u i l dp e n e 仃 a t i n gi h d a r t e c h l l i q u e g p r 1 9 通过向地面或其它非 金属介质发射一定频率的脉冲无线电波 然后测量折射波或反射波的强度及延时生成检 测图像 检测系统由中央主机 电波发射器 接收器及电缆组成 可用于检测管壁厚 测量土壤层的孔隙深度和尺寸 检查管道与周围土壤之间是否淘空 等情况 目前透地雷达法主要用来确定埋地管道的位置和深度 检测深度及效果取决于 土壤的种类 不同的土壤对脉冲电波反射效果的不同 透地雷达法不适用于高电导率的 土壤和黏土 1 0 1 而且对检测结果进行分析困难 对检测人员有一定的知识和经验要求 1 3 5 红外线温度记录分析法 红外线温度记录分析法是通过利用精密的红外探测仪检测管道沿线因管道渗漏造 成管道渗漏处与周围土壤间的温度差来判断管道的渗漏状况 不足之处在于独立使用 时不能检测孔隙的尺寸 当在红外温度记录仪和透地雷达联合使用时 才能估计孔隙的 深度和大小 1 2 1 检测结果的图像复杂 分析检测结果需要检测人员有丰富的实践经验 6 撞击回声与表面波谱分析法 撞击回声与表面波谱分析法 1o 是一种管道无损检测方法 检测仪器由可控撞击源 地下传音器和表面波谱分析仪构成 通过传音器拾取撞击源撞击管壁产生的应力波在管 道破损处 如裂痕等 及管道外表面的反射波 利用表面波谱分析仪将不同传播速度及 路径的反射波分成不同频率成分 将管道内部缺陷 管壁和周围土壤三者区分开来 这 样就可以同时检测管道内部裂痕 管道结构及管道周围土壤的情况 这种方法通常用于 检测大口径排空的混凝土管道 不足之处在于 其检测精度受环境影响较大 由于土壤 4 聚焦电流法在舅k 扣管道渗漏检测中的应用研究 结构成分复杂 波在传播过程中会不断衰减 容易受干扰 激震频率不同及谱分析的频 率分辨率都会影响检测的效果 且对频谱图的分析判断要求较高 8 管道检测机器人 管道机器人是一种可沿管道内行走的机械 它可以携带一种或多种传感器及操作装 置 如c c d 摄像机 位置和姿态传感器 超声传感器 简单的操作机械手等 在操作 人员的远程遥控下进行一系列的管道检测和维修作业 因此 是一种理想的管道自动化 无损检测设备 一个完整的管道检测移动机器人系统由移动载体 行走机构 动力传输 系统 管道内部环境识别检测系统 信号传递和及控制系统组成 1 4 管道检测机器人把机器人移动技术 自动操作技术 自动定位与跟踪探伤技术 数 据处理技术 信号识别与自动评估技术等集于一体 再结合多重传感器技术 s e e r a s s e s s m e n t 谢t l lm 1 l l t i s e l l s o r s s a m f 疆1 3 1 即利用光学传感器 声学传感器等各种传感 器对管道进行综合检测与评估 是目前排水管道检测中最先进和最复杂的检测技术 不 仅能够准确的进行渗漏检测及定位功能 还具备一定的管道修复与维护功能 但管道机 器人的研究及使用费用昂贵 国外目前已有成型的管道检测机器人 如德国的m a k r o 管道检测机器人系统 r a d i o l o c a t i o n 公司的p e a 印 硫p 6 0 0 管道检测机器人等 1 5 在国 内 上海交通大学 天津大学 哈尔滨工程大学等一批高校也在研究管道检测机器人 目前众多检测技术中能够较好检测排水管道渗漏的技术有c c t v 法及管道机器人 两种 两种方法均可对管道内部状况进行全方位的检测 c c t v 法在国内得到了广泛 管道机器人则是目前一个热门的研究方向 1 3 课题的研究意义与研究内容 1 3 1 课题研究意义 我国城市的排水管道主要是混凝土圆管 在污水长期的冲刷腐蚀以及外力作用下 容易产生破损从而导致污水从管道渗漏到周围土壤中 我国目前的排水管道的现状非常 的糟糕 破 漏 错 堵 现象非常普遍 这些现象的存在导致城市地下环境受到严 重的污染 严重影响到人们身体健康 工业生产和城市发展 因此需要对排水管道定期 的进行更新维护 而更新维护的首要工作就对排水管渠的渗漏状况进行检测 1 6 然而排 水管道深埋地下 即使存在破损也不容易被发现 l 因此需要引进或开发先进的管道渗 聚焦电流法在捧水管道渗灞i 检测中的墓乙用研究 漏检测设备 对埋地污水管道进行常态化渗漏检测 及时发现管道渗漏并进行管道修复 降低污水对环境造成的污染 c c t v 法与管道机器人是两种可以对排水管道渗漏进行检测方法 两种方法是优点 与缺点都很明显的检测方法 优点 能够全面清晰检测管道内部状况 缺点 不能水下 检测 如果运用c c t v 法及管道机器人对高承压排水管道进行渗漏检测 则必须在检测 之前对排水管道上游进行封堵 暂时中断排水管道的正常运行 对于排水主干道而言 暂时中断排水管道的运行而进行检测的做法不具备可行性 以柳州市柳铁一中旁的竹鹅 溪片区排水管网为例 竹鹅溪边上的排水管道管径为1 2 0 0 i 砌 冬季管道中的污水水位 平均在5 0 0 衄 如果采用c c t v 法和管道机器人进行检测 必须封堵所要检测管道的 上游并将水排干 倘若成功封堵 必将造成上游污水水位抬高 最后从溢流井流向竹鹅 溪 而这是不允许发生的 所以c c t v 法和管道机器人不适合运用在高承压排水管道的 渗漏检测 因此 对于高承压排水管道的渗漏检测需要开发新的检测技术 1 3 2 课题研究的主要内容 本课题的主要内容是针对承压排水管道特点 研发适合排水管道渗漏检测的新技术 及设备 实现对承压排水管道渗漏检测及漏点定位 研究的内容包括 1 仪器设备开发 l 信号发射模块 信号调频选择 2 测量系统模块 信号识别 提高抗干扰及测量精度 3 数据处理模块 数据贮存 传输与处理设备 2 设备实现场测试 进行现场条件下设备检验测试 验证信号识别 判断技术的准确性 验证数据采集 接收 处理模块的软硬件运行稳定性 可靠性 本文的创新点 参考埋地金属管道防护层破损检测技术的检测理论 提出通过检测 电流的方式实现对非金属制的排水管道进行渗漏检测的设想 并将地球物理测井领域中 产生聚焦电流场的技术应用到排水管道的渗漏检测中 并初步实现了对排水管道的渗漏 检测 6 聚焦电流法在 垂水 管道渗漏检测中的应用研究 1 4 本章小结 本章主要介绍了本课题的选题背景和研究意义 详细介绍了国内外关于排水管道检 测的各种技术及其应用情况 排水管道渗漏已成为城市地下水的污染源 对人们的生活 产生了重大的影响 为此国家成立了 国家水体污染控制与治理科技重大专项 对水体污 染进行控制与治理 排水管道的渗漏检测为其中一个子项 现有排水管道检测技术中能 够运用于排水管道渗漏检测的方法有两种 c c t v 法和管道机器人 但这两种方法都不 适合应用于柳州高承压排水管道的渗漏检测 因此需要研究专门应用于柳州高承压排水 管道渗漏检测的新技术及开发新的管道检测设备 7 聚焦电流法在爿日扣管道渗漏检测中的应用研究 第二章聚焦电流法检测技术 通过第一章的分析了解到目前的排水管道检测技术不适合于高承压排水管道的渗 漏检测 需要开发专门的管道渗漏检测技术 因此希望通过借鉴现有其他管道类的相关 检测技术 来寻找适合排水管道渗漏检测技术的研究思路及方向 然后提出适合排水管 道渗漏检测的技术方法 2 1 现有管道类检测技术的应用与分析 2 1 1 直流电位梯度法 直流电位梯度法 d c v g 的原理 1 7 若金属管道的防护层完整无缺 由于防护层良 好的绝缘性 阴极保护电流不会从防护层流出 但是 当埋地金属管道的防护层 防腐 层 存在破损点 阴极保护系统的电流流经管道时 电流就会从防护层破损点流出 并 以破损点为中心在土壤四周形成一个电位梯度场 防护层的破损面积越大 泄漏出的电 流就越大 形成的电位梯度场就越大 越集中 利用中心零位的高灵敏毫伏表沿管道埋 设方向检测因管道防护层破损而产生的电位梯度 就可以判断管道防护层破损点的具体 位置 在运用直流电位梯度法进行检测时 毫伏表的两个电极沿管线方向进行检测 当检 测电极靠近防护层破损点时毫伏表的指针会指向靠近破损点的电极 如图2 1 当防 护层的破损点位于两个检测电极中间时 毫伏表的指针停留在表盘中间零位而不发生偏 转 如图2 2 当离开破损点时 指针会指向检测后方的电极 如图2 3 通过计算 电压降可以获知管道防护层破损面积的大小 通常电压降越大 管道防护层破损的面积 越大 因而阴极保护的程度越低 在实际的现场检测过程中 电压降与管道的埋深及管 道周围土壤电阻率等因素有关 因此只能近似地估算管道破损面积的大小 广西大国 炙士掌位论文聚焦电流法在舅k k 管道渗漏检测中的重乙甩研究 检测方向 图2 1 靠近破损点 f i g2 1a p p r o a c h i l l gd e f e c t 毫伏表指针右偏 毫伏表指针处于刻度盘中间零位 不发生偏转 图2 2 破损点位于两个电极中间 f i g2 2 d e f 酏ti nm em i d d l eo ft w oe l e c n o d e s 壹债表指针指向破损点 毫伏裘指针左偏 i 一 图2 3 离开破损点 f i g2 3l e a v i i l gd e f e c t 如图 2 1 2 3 2 3 所示 只需一个人操作就可以单独进行检测 无需使用拖线电 缆 因此直流电位梯度法运用简便 能够适应道路 沟渠及山地等各种地形 受环境影 响小 且定位精度高 可以将防护层破损的位置确定在 7 5 所朋的范围内 同时根据电 压降可以估算破损面积的大小 直流电位梯度法还有一个其他管道缺陷检测方法不具备 9 聚焦电流法在舅b 托管道渗潭i 检测中的氲乙胃研究 的特点 可以通过控制阴极保护电源的通断形成不对称直流信号作用于埋地金属管道 然后判断管道是否有电流流入或流出 从而判断在管道防护层破损处是否发生腐蚀f 2 1 1 2 1 2 密间隔电位测量法 密间隔电位测量法 c p s 是在有阴极保护系统的金属管道上 沿管道埋设方向通 过测量管道的管地电位变化 一般是每隔1 m 5 m 测量一个点 来分析判断管道防护层 的健康状况以及阴极保护系统是否起效 见图2 4 在进行检测时需要测量两种管地 电位 一是阴极保护系统电源开启时的管地电位 二是阴极保护电源瞬间关闭时的 管地电位 通过分析所检测管道的管地电位的变化趋势便可了解整条管道防护层的 破损状况 防护层质量与阴极保护电位的关系可用下式来衡量 扛五西品 2 1 al n 2 e m a x e m i l l 7 式中 l 一管道的长度 忙保护系数 与防腐层的绝缘电阻率 管道直径 厚度 材料有关 e m a x e m i n 一管道两端的阴极保护电位值 圪 当管道的防腐层无破损 时 单位距离内吃值衰减小 存在破损时 值衰减大 图2 4密间隔电位测量原理图 2 4 f i g2 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo fc 口s 在国外 密间隔电位测量法是首选的判断和评价阴极保护系统是否能够有效保护金 属管道的方法之一 通常利用 值来判断评价阴极保护系统的保护效果 是在阴极 保护系统关闭瞬间土壤中没有电流流动时测量得到的管地电位 因此 电位不含土壤 的侬电压降 是实际有效的保护电位 当 一8 5 0m v 保护系统能够起到保护作用 1 2 5 0n l v 时 系统过保护 l o 聚焦电流法在捧水管道渗漂l 检测中的矗乙用研究 c i p s 技术在有阴极保护的金属管道上实施检测有如下优点瞄1 1 可以详细了解从c p 站出站到检测末端的阴极保护电位变化情况 分析管道防 护层可能存在的缺陷 2 通过分析管道的保护电位在有效保护电位线上的波动 即可判断管道防护层是 否发生破损及破损位置 3 利用阴极保护系统保护电位判断管道防护层破损的方法科学准确 理论判断结果 接近实际的管道防护层破损状况 2 1 3 声发射检测法 声发射检测是一种动态无损检测方法 当物体受到外力或内力作用时 由于内部缺 陷导致局部应力集中 最后产生变形或断裂 并以弹性波形式释放出应变能的现象叫做 声发射 2 5 l 管道在长期运行后 由于流体的冲刷腐蚀以及其他外界因素的作用下 就可能产生 裂纹或者腐蚀孔 由于管内流体的压力导致流体从腐蚀孔向外泄漏 利用声发射传感器 采集流体泄漏时激发的应力波 通过分析处理就能够判断出管道破损处 腐蚀孔 的破 损面积大小 位置f 2 刀 管道声发射检测至少需两个声发射传感器 其定位原理如图2 5 所 示 图2 5 管道泄漏的声发射检测原理图1 2 8 f i g2 5s c h e i i l a l i cd i a g r 锄o fa c o u s t i c 锄i s s i o nd e t e c 舡n gp i p e l i n el e a k a g e 管道泄漏时产生的声发射信号具有以下特点 2 6 1 泄漏声发射信号是泄漏出的流体与管道及周围介质相互作用激发产生的 2 泄漏声发射信号沿管道向上 下游传播 检测该信号的传播时间差及强度就能够 聚焦电流法在舅k 托管道渗漏检测中的应用研究 判断泄漏源的位置及大小 3 管道泄漏声发射信号本质上属于一种非平稳随机信号 受流体压力 泄漏孔径大 小和形状 管道周围介质 环境噪声等众多因素影响 声发射检测可在不影响压力管道正常工作状态下对压力管道的泄漏情况进行快速 检测 且不受管道形状和结构的影响 声发射检测技术对于压力管道泄漏检测具有重要 研究意义 2 1 4 分布式光纤检测法 分布式光纤管道泄漏检测技术 2 9 是基于m 拟1 z e l l n d e r 光纤干涉仪原理 利用光纤 作为传感器拾取管道沿途的泄漏振动信号 经过信号分析和处理 判断管道泄漏的情况 沿管道埋设方向 在管道附近并排敷设光缆 见图2 6 利用3 条单膜光纤构成 分布式微振动测试传感器 其中2 条是测试光纤 第3 条是信号传输光纤 光源 l d 发 出的连续光波从传感器的首端分为光强相等的两束光波在2 条测试光纤中反向传播 当 管道发生泄漏 振动信号使测试光纤产生应力应变 造成该处光波相位调制 产生相位调 制的光波在光纤传感器两端汇合形成干涉信号 由信号传输光纤将干涉信号传输到光电 检测器 p d 转换成电信号 经过放大滤波及 d 转换后传输到计算机进行信号分析处 理 f 二甄 n 叫l d i h 卜匦卜匮甄酚匦刮 i 乙瓶砰龋褫菠卜劂 计算机 信号处理系统 鞘分布式光纤传感器 光缆 毒挚 图2 6 测试原理图 3 1 f i g2 6 t e s tp 血c i p l e 通过检测传感器两端干涉信号发生变化的时间差 即可精确地计算出泄漏点的位置 1 2 聚焦电翻醅去在捧水管道渗漏检测中的应用研究 2 9 实时检测干涉光信号的变化就可以检测管道沿途泄漏产生的振动信号 从而实现管 道泄漏的实时监测 3 0 1 分布式光纤管道泄漏检测技术的检测灵敏度高 检测距离长 能够检测出泄漏孔径 小 压力低的管道泄漏 适用于气体 液体等不同流体输送管道 2 1 5 分析与比较 上述四种方法是目前在实际中已成熟应用或者是正在研究当中的先进管道类检测 技术 希望通过对上述方法的技术原理及特点分析 寻找对排水管道渗漏检测新技术研 究的思路及方向 1 密间隔电位法 c p s 与直流电位梯度法 d c v g 在金属防护层的破损检测中 密间隔电位法与直流电位梯度法通常是联合运用 先利用c 口s 法在对管道防护层整体 环境做一次普查 根据数据分析可能存在泄漏的区域 再利用d c v g 法进行二次检测 和准确定位 两者检测的都是电压信号 且信号发生源都是金属管道本身的阴极保护系 统 c 口s 与d c v g 在管道防护层破损检测方面在国内外均得到了广泛应用 是两种成 熟检测技术 虽然是这两种技术是应用在有阴极保护的金属制管道中 但是技术本身具 备可移植性 对于非金属管道 从理论上来说 可以通过馈电的方式替代金属管道的阴 极保护电源 因此在研究新的排水管道检测技术过程中 可以考虑借鉴这两种方法的检 测理论 2 声发射检测法与分布式光纤法 应用于压力管道 通过拾取管道泄漏信号 来 分析判断管道渗漏点位置信息 仅信号的获取方式不同 都适用于任何材质的管道 并 能实时监测管道的状态 但是 管道因泄漏产生的声发射信号或振动信号受管道泄漏孔 径大小 形状以及流体压力 管道周围介质 环境噪声等诸多因素的影响 对于排水管 道 污水对管道的压力较小 因管道渗漏产生的振动信号强度是否能够使测试光纤产生 应力应变 是否能够被声发射传感器拾取还存在不确定性 管道渗漏产生信号属于一种 非平稳随机信号 因此如何识别与提取正确的排水管道渗漏信号是一大难点 因此不考 虑参考和借鉴声发射检测法与分布式光纤检测法 聚焦电器 去在排水管道渗漏检测中的应用研究 2 2 聚焦电流法 2 2 1 新型检测技术的理论依据 密间隔电位法 c i p s 检测技术和直流电位梯度法 d c v g 检测技术是两种成熟的管 道防护层破损检测技术 这两种技术采集的物理量均为电压 目前这两种技术均用于金 属管道的检测 对于非金属制的管道 尚未收集到资料显示有运用的案例 c m s 和d c v g 检测技术一般情况下是利用金属管道的阴极保护电源作为信号源 对管道防护层进行检 测 在没有阴极保护的管道上 可以通过外部电源对管道供电后 再进行检测 直流电 位梯度法与密间隔电位测量法的检测理论特点为 1 存在一个信号发生机构 金属管道的阴极保护电源或外接电源 2 金属管道的防护层绝缘 3 能够从土壤中采集到渗漏出的电压 混凝土制的排水管道本身是一个绝缘体 如果也可以通过外部供电的方式来产生一 个类似金属管道的阴极保护电源 且检测的物理量仍为电压或电流 则可以借鉴直流电 压法和密间隔电位法的检测理论研发一种专门应用于埋地排水管道渗漏检测的新技术 假设地下排水管道完整无缺 不存在任何渗漏现象 则混凝土制的管壁呈现高阻特 性 整个管道类似一个绝缘体 即使管道内存在某种电源 管外的电流或电源检测装置 也无法检测和采集到电信号 假设管道周边的土壤不存在杂散电流干扰 当管道存在 破损点 渗漏点 由于污水渗出 破损处便呈现低阻特性 若管道内存在某种电源 则电信号便会沿着管道破损处流出 管道外的电流或电压检测装置便可检测到泄漏出的 电流信号或电压信号 根据信号的变化及相关特征对检测结果做出判断 检测理论示意 图如图2 7 图2 7 检测理论示意图 f i g2 7 d e t e 甜o nt h e 0 d 1 4 壁 广西大掌硕士掌位论文聚焦电霸踌去在舅k 扣管道渗漏检测中的应用研究 2 2 2 聚焦电流法的提出 直流电位梯度法和密间隔电位法是用于有阴极保护电源的金属制管道的防腐层破 损检测 其核心在于若管道的防腐层存在破损 则阴极保护电流就会沿着防腐层破损处 流出 因土壤电阻率的存在 在以破损点为中心的周边土壤就存在一定的电位差 通过 检测电位 来获知防腐层的破损状况 若把直流电位梯度法和密间隔电位法移植完全移植到地下排水管道 确实提供了一 种对地下排水管道泄漏进行检测的方法 但这种方法也因直流电位梯度法和密间隔电位 法的缺点而存在不足 运用c m s 法 需要一个固定的测试桩 如图2 4 才能够对管地 电位进行测量 而对于混凝土制的排水管道 如何去测量管地电位是一个亟待解决的问 题 而d c v g 的缺点就是必须依赖c i p s 对管道的整体状况的评估结果 如果单独使用 直流电位梯度法 则检测的工作量将非常庞大 因此不能将d c v g 与c 口s 移植到排水 管道的渗漏检测应用中 但检测理论仍然可以借鉴 依照直流电位梯度法和密间隔电位法的检测理论 在埋地排水管道内利用一种电源 用在管道内产生一个电流场 如果管壁存在破损 电流就会沿着破损点流出 电流采集 装置就能够通过插入土壤中的检测电极采集到渗漏电流 从而判断管道的破损状况 若采用普通单点电极在污水中产生一个电流场 起到金属管道阴极保护电源的作 用 因为污水含丰富的电解质 所以是传播电流的良导体 一般的点电极产生的电流场 一遇到污水便会迅速扩散 虽然也会有电流从排水管道渗漏点流出 但检测效果会大打 折扣 为此 需要寻找一种新的电源 希望这种电源发出的电流不会短时间内就在水中扩 散开来 有一定的聚焦能力 且同时能够沿管道移动 则从管道破损流出的电流就会比 单点电极大 则检测效果会更加好 那么就可以形成了一种用于埋地排水管道渗漏检测 的新技术 2 2 3 聚焦电流法的实现 在测井技术 w e ul o g 咖g 3 2 3 3 中 有一种测井技术叫普通电阻率测井 n o n n a l i b s i s t i v 姆1 0 9 9 i n g 3 5 1 它利用自然界中不同岩石和矿物的导电能力不同 尤其是地层是 所含流体性质不同时 导电性能差别很大这一特点来区别钻井剖面上的岩层性质和油 气 水层 普通电阻率测井是将一个三电极系 如a m n 电极系放入井中 在提升 1 5 聚焦电流法在舅k 托管道渗漏检测中的厦u 啊研究 电极系的过程中对钻井剖面进行测量 如图2 8 所示 图2 8 普通电阻率测井 3 4 f i 9 2 8 n o 姗a lr e s v 毋l 0 跖h l g 普通电阻率测井利用点电极作为供电电极向地层周围发散电流 由该点电极流出的 电流将沿以该点电极为中心呈球状沿各个方向流动 当井内含有矿化度很高的泥浆时 即井液电阻率低时 普通电极系产生的电流大部分必将沿低阻的井液在井眼上下流动 而没有电流流到周围的地层中去 致使普通电阻率测井的地质效果变差 4 3 1 因此在一 般地层剖面中 采用普通电阻率测井是有效的 但在盐水泥浆和膏盐剖面中 由于受泥 浆分流的严重影响 使普通电阻率测井失去了效力 3 4 1 为解决普通电阻率测井因受井眼内泥浆与围岩的影响 发射出的电流没有大量流入 地层而不能精确求出地层电阻率 导致无法准确划分地层界面 油气水层 这一问题 产生了一种新的测井技术 三侧向测井技术 1 a t e r o l o g 3 3 9 m 4 2 在供电主电极的上 方和下方装上屏蔽电极 屏蔽电极的电流与主电极的电流极性相同 由于屏蔽电极电流 对主电流的排斥作用 主电流只沿着侧向 垂直井轴 流入地层 不会沿井轴方向流动 即不在井眼中上下流动 即使井内有高矿化度泥浆 三侧向测井与普通电阻率测井的主要区别在于它的主电流 又叫测量电流 是被聚 焦以后才流入地层 3 4 三侧向测井的电极系是一个由三段直径相同的金属圆柱体组成的电极系 电极系结 构如图2 9 所示 在三侧向电极系中 中间的4 电极称为主电极 c 眦e n te l e c 州e 上下的电极4 和彳2 称为屏蔽电极 g u a r d e l e c 仃0 d e h 1 闱 主电极与屏蔽电极之间用很薄 1 6 聚焦电流法在排水管道渗漏检测中的应u 罚研究 的绝缘层将它们隔开 测井时 主电极与屏蔽电极通以极性相同的电流 同时通过自动 调整电路 使其在测量过程中 始终保持电极厶 4 和彳 处于等电位状态 则沿电极 或井身纵向的电位梯度为零 等 o 使主电极流出的电流呈薄板圆盘状沿垂直井轴方 d z 向流入岩层 3 引 而不会沿井轴方向流动 见图2 9 中阴影部分 二二二鑫羞二二 二二二二 一 一 一 r 墨 蚕 艇艇心 j 一 一一一二 二二二二 二 一 二二 二 二三 i il f j 7 一 夕瓦 k五 一 绝缘片 p 一 i 一 一一 一一 一一 一 r i 图2 9 三侧向电极系结构及电流分布示意副4 刀 f i g 2 91 1 1 es 仃u c t l 鹏o f l a t e r o l o g 3e l e c 仃0 d e 锄dc 哪n td i s t r i b u t i o nd i a g r a m 图2 9 中 b 是电流的回流电极 n 是无穷远测量电极 中间主电极厶作为电压记 录点 采集4 与远地端n 的电位差 圆盘状电流的厚度称主电流层的厚度 约等于主 电极长度加上主电极与每个屏蔽电极相隔距离的1 2 并且其厚度在一定的径向距离内 基本保持不变 主电流层这种特性使得三侧向测井曲线有较高的纵向分层能力 测井过程中 测井仪 电极系 在井内移动时 由于电极系附近介质电阻率的变化 电极系的接地电阻j d g 将发生变化 若保持从主电极厶流出的主电流厶不变 测量4 与 电极 之间的电位差u 因电极 在无穷远出 即 o 所以u u 则电极a 0 的电位变化就反映了地层电阻率的变化 反之 若鸽的电压不变 则4 与 之间电流 的变化就反映了地层电阻率的变化 完整的混凝土管道的电阻很高 然而 当管道存在破损点时 污水渗出 因污水富 1 7 聚焦电流法在爿k 托管道渗漏检测中的应己j 嗣研究 含各种电解质 导电性能良好 导致管道破损处周边土壤的电阻率降低 当有一个电压 恒定的电极系移动到管道破损点 渗漏点 时 电极系的接地电阻p 降低 则电极系 与远地端的电极间的电流就会瞬间增大 电极系离开此渗漏点后 电极系与远地端电极 间的电流又因高电阻率的管壁阻碍而降低 因此根据电极系与远地端电极间的电流变化 曲线就可以判断出在整条管道周围土壤电阻率的变化 土壤电阻率较低的地方即为管道 的渗漏点 所以 在地下排水管网的渗漏检测中 借鉴三侧向测井中三侧向电极系 设计一个 探头作为类似直流电位梯度法和密间隔电位法中的阴极保护电源的信号发射机构 在地 下排水管道中产生一个聚焦的电流场 再开发相应的电流检测设备 形成新型的地下排 水管道渗漏检测系统 由于侧向测井又叫聚焦式电法测井 f o c u s e de l e c t r i cl o g s 4 7 1 所以新型地下排水管道渗漏检测技术就命名为聚焦电流法渗漏检测技术 2 2 4 聚焦电流法检测技术的原理 聚焦电流法是利用探测器 探头 在地下排水管道中产生一个聚焦的电流场 若管 道存在破损或裂纹 电流就会沿着破损处流出 则电流采集装置通过插入地表的检测电 极就可以检测到渗漏电流 从而判定渗漏点的存在 再根据探头移动的速度和时间 计 算出渗漏点的具体位置 1 电源2 电流采集装置3 检测电极4 渗漏电流5 渗漏点6 探头7 聚焦电流场 图2 1 0 聚焦电流法检测原理示意图 f i g2 1 0f o c u s e de l e c 血j c a lc u n e r l td e t e c t i o np r i n c i p i ed i a g 舢 如图2 1 0 所示 探头没有放入排水管道之前 整个系统回路处于开路状态 当探 头放入管道 并与管道中污水接触时 整个系统形成一个闭合回路 在回路中 土壤呈 1 8 聚焦电流法在撵水管道渗漏检测中的应用研究 现低阻特性 管道中的污水也呈现低阻特性 没有破损的 完整的管壁虽然呈现高阻特 性 但是存在破损点 渗漏点 时 因污水的作用便呈现低阻特性 检测时 开启电源 探头立即在充满污水的管道中产生一个聚焦的电流场 随着探头的移动而移动 若管道 无渗漏 由电源 探头 管壁 土壤 检测电极构成的回路电流很小 若存在渗漏点 当探头移动至管道破损点时 由于污水渗漏 此时的管壁呈现低阻特性 回路的电流便 会增大 即产生渗漏电流 同时在渗漏点处达到最大值 由此便可确定管道的渗漏点 聚焦电流法检测系统的构成如图2 1 1 系统由探头 数据采集系统 旋转编码器 上位机组成 其中关键部件为产生聚焦电流场的探头及数据采集系统 旋转编码器在检 测系统中用于测量探头在管道中的移动距离 实现对管道渗