聽漏儀通過采集管道泄漏產(chǎn)生的聲波振動信號實現(xiàn)漏點定位,是供水管網(wǎng)漏損控制(NRW)的核心設(shè)備。本文解析被動聲學法、相關(guān)分析法、主動聲學法、氣體追蹤法四類技術(shù)原理,重點闡述聲波在管道與土壤中的指數(shù)衰減模型 \(\boldsymbol{A(L)=A_0·e^{(-αL)}}\):衰減系數(shù)受管道材質(zhì)(球墨鑄鐵與鋼管遠小于 PE/PVC)、聲波頻率(低頻衰減慢)、覆土深度(埋深增加會加大土壤對聲波的吸收衰減)三大因素影響。核心指標涵蓋頻率范圍、增益、定位誤差、拾音器 IP 等級;結(jié)合行業(yè)實操經(jīng)驗將漏聲信號按強度分為正常、關(guān)注、異常、嚴重四級判定閾值。文中給出市政供水、生活小區(qū)、工業(yè)循環(huán)水、熱力管網(wǎng)四類場景的檢測流程,并列舉市面兩類智能數(shù)字聽漏儀作為設(shè)備選型參考,可為水務(wù)從業(yè)者提供從原理到落地的全流程指南。
聽漏儀是供水管網(wǎng)漏損檢測領(lǐng)域的核心設(shè)備,通過采集管道泄漏產(chǎn)生的聲波振動信號實現(xiàn)漏點定位,其檢測準確性直接決定管網(wǎng)漏損控制效果。我國部分老舊城區(qū)管網(wǎng)老化嚴重,漏損問題突出,管網(wǎng)漏損會造成大量水資源浪費與經(jīng)濟損失。因此,深入理解聽漏儀的聲波傳播衰減規(guī)律、掌握漏點定位精度影響因素,已成為水務(wù)行業(yè)降低管網(wǎng)漏損率(NRW)、提升水資源利用效率的核心課題。本文旨在提供一份技術(shù)指南,覆蓋原理解析、指標判定、場景應(yīng)用全流程,為水務(wù)從業(yè)者的設(shè)備選型與實操提供參考。
當前管網(wǎng)檢漏工作中普遍存在三類共性痛點,直接影響檢漏效率與定位精度: 第一,經(jīng)驗依賴度高。多數(shù)基層檢漏人員仍依靠 “聽音辨位” 的傳統(tǒng)經(jīng)驗判斷漏點,對不同材質(zhì)、管徑、埋深管道的聲波傳播特性認知不足,容易出現(xiàn)誤判,尤其在 PE、PVC 等非金屬管道檢測中誤判問題更為突出。 第二,場景適配性不足。多數(shù)從業(yè)人員未根據(jù)管道參數(shù)選擇對應(yīng)檢測模式,針對 DN50?DN2000 全管徑范圍、0.1?1.6MPa 不同工作壓力、0.5?5m 不同覆土深度的管網(wǎng),采用統(tǒng)一的參數(shù)設(shè)置,導(dǎo)致微弱漏聲信號被環(huán)境噪聲掩蓋。 第三,標準化程度低。未嚴格執(zhí)行 CJ/T 525?2018《供水管網(wǎng)漏水檢測聽漏儀》與 CJJ 92?2016《城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏損控制及評定標準》的相關(guān)要求,檢測流程不規(guī)范、數(shù)據(jù)記錄不完整,漏點復(fù)核工作落實不到位。
聽漏技術(shù)應(yīng)用不規(guī)范、定位精度不足將引發(fā)四類嚴重后果: 一是水資源浪費加劇。管網(wǎng)漏點會持續(xù)產(chǎn)生水量流失,漏點發(fā)現(xiàn)越晚,水量損失越大,造成水資源無謂消耗。 二是無效開挖成本高。漏點定位誤差越大,開挖修復(fù)成本越高,若定位偏差過大,甚至需要大面積破除路面,市政道路開挖修復(fù)成本會顯著上升,同時還會造成交通擁堵、民生投訴等次生問題。 三是管網(wǎng)運行風險提升。未及時發(fā)現(xiàn)的隱性漏點會逐步擴大,最終引發(fā)管網(wǎng)爆管,爆管會造成片區(qū)停水,影響居民與工商業(yè)正常用水。 四是漏損控制考核不達標。根據(jù) CJJ 92?2016,城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)設(shè)置兩級基礎(chǔ)漏損率指標,一級 10%、二級 12%,指標還需要結(jié)合抄表到戶比例、管長、出廠壓力、凍土深度做修正計算浙江省政府。若檢漏精度不足造成漏損率超標,地方水務(wù)部門將面臨考核方面的風險。
掌握聽漏儀的聲波傳播衰減模型與定位精度影響因素,是實現(xiàn)精準檢漏的核心前提: 首先,能夠大幅提升檢漏效率。充分掌握聲波衰減規(guī)律后,檢漏人員的檢測效率、漏點檢出能力均可得到改善,漏點定位誤差可控制在標準允許范圍內(nèi),滿足 CJ/T 525?2018 的精度要求。 其次,能夠?qū)崿F(xiàn)不同場景的精準適配。針對球墨鑄鐵管、PE 管、PVC 管等不同材質(zhì),DN50 到 DN2000 不同管徑,0.5?5m 不同覆土深度的管網(wǎng),可針對性調(diào)整檢測參數(shù),降低經(jīng)驗判斷帶來的誤判。 *,能夠支撐漏損控制體系的標準化建設(shè)。基于技術(shù)原理制定規(guī)范的檢測流程,可有效提升漏點檢出率,助力管網(wǎng)漏損率達到*相關(guān)標準要求。
上一章我們明確了聽漏技術(shù)在管網(wǎng)漏損控制中的核心價值,然而要實現(xiàn)精準的漏點定位,首先需要厘清聽漏技術(shù)的分類、核心原理,尤其是聲波在管道中的傳播衰減規(guī)律,這是設(shè)備選型與實操應(yīng)用的核心基礎(chǔ)。當前主流的聽漏技術(shù)可分為四類:被動聲學法、相關(guān)分析法、主動聲學法、氣體追蹤法,不同技術(shù)的適用場景與定位精度存在顯著差異。
原理剖析:被動聲學法是*的聽漏技術(shù),如同用聽診器為管道做 "聽診",通過拾音器直接采集管道泄漏產(chǎn)生的聲波振動信號,經(jīng)過濾波放大后傳輸至操作人員的耳機或顯示單元。漏點產(chǎn)生的聲波屬于連續(xù)穩(wěn)態(tài)振動信號,與環(huán)境中的隨機噪聲(車輛振動、人員活動、水流沖擊閥門等)存在明顯的頻率差異,通過濾波處理即可區(qū)分真實漏聲與干擾噪聲。
實戰(zhàn)意義:被動聲學法的優(yōu)勢在于設(shè)備成本低、操作便捷,適合小范圍漏點排查、定點復(fù)核等場景,尤其適合 DN50?DN200 的小區(qū)支管、消防管道檢測。但該方法高度依賴操作人員的經(jīng)驗,在環(huán)境噪聲大、覆土深度超過 2m、非金屬管道檢測場景下檢出效果較差,定位偏差更容易增大,僅適合作為初步篩查手段。
原理剖析:相關(guān)分析法是當前主流的精準定位技術(shù),其核心原理是在疑似漏點管段的兩端分別布置拾音器,同步采集漏聲信號,通過計算兩個拾音器接收到漏聲信號的時間差\(\Delta t\),結(jié)合聲波在對應(yīng)管道中的傳播速度v,即可計算出漏點距離其中一個拾音器的距離:
漏點距離計算公式為:\(\boldsymbol{L = v × \Delta t ÷ 2}\)
其中L為漏點與近端拾音器的距離,v為聲波在管道中的傳播速度(與管道材質(zhì)、管徑、介質(zhì)溫度相關(guān),球墨鑄鐵管中約為 1200?1500m/s,PE 管中約為 300?500m/s),\(\Delta t\)為兩個拾音器的信號時差。
實戰(zhàn)意義:相關(guān)分析法的優(yōu)勢在于定位精度高、抗干擾能力強,受操作人員經(jīng)驗影響小,在市政主干管、大管徑管道檢測中可以實現(xiàn)較高定位水平。但該方法需要提前掌握管道的走向、長度、材質(zhì)等基礎(chǔ)參數(shù),若管道資料缺失,應(yīng)用難度較大;同時對于超長線管段,信號衰減嚴重,需增加中間測點提升檢測精度。
原理剖析:主動聲學法是針對非金屬管道、漏聲微弱場景的補充檢測技術(shù),通過向管道內(nèi)施加特定頻率的聲波信號,聲波在管道中傳播時,遇到漏點會產(chǎn)生信號衰減或反射,通過分析接收端的信號變化即可判斷漏點位置。該技術(shù)本質(zhì)是管道的 “聲學 CT 掃描”,不受管道內(nèi)水流噪聲的影響。
實戰(zhàn)意義:主動聲學法的優(yōu)勢在于適合 PE、PVC 等非金屬管道,以及低壓、小漏量場景的檢測,彌補了被動聲學法在非金屬管道檢測中的不足。但該方法往往需要關(guān)閉對應(yīng)管段的閥門,對管網(wǎng)正常運行有一定影響,通常作為被動聲學與相關(guān)分析法的補充技術(shù),不適合大規(guī)模管網(wǎng)普查。
原理剖析:氣體追蹤法是針對埋深較大、漏量極小的疑難漏點的檢測技術(shù),通過向管道內(nèi)注入一定比例的氫氣與氮氣混合氣體(氫氣占比 5%,屬于安全不可燃范圍),氣體從漏點溢出后會沿土壤縫隙擴散至地面,通過氫氣傳感器檢測地面的氫氣濃度,濃度*的位置即為漏點位置。
實戰(zhàn)意義:氣體追蹤法的優(yōu)勢在于不受管道材質(zhì)、埋深、環(huán)境噪聲的影響,對深埋管道、微小漏點具備較好檢出能力。但該方法操作流程復(fù)雜,需要關(guān)閉管段閥門、注入氣體,檢測周期長,通常僅用于疑難漏點的最終定位。
漏點產(chǎn)生的聲波在管道內(nèi)與土壤中傳播時,會隨著傳播距離的增加出現(xiàn)幅值衰減,這是影響漏點定位精度的核心因素,其衰減規(guī)律符合指數(shù)衰減模型:
\(\boldsymbol{A(L) = A_0 × e^{(-αL)}}\)
其中\(zhòng)(A(L)\)為傳播距離L處的聲壓幅值,\(A_0\)為漏點處的初始聲壓幅值,\(α\)為聲波衰減系數(shù),L為聲波傳播距離。
衰減系數(shù)\(α\)是該模型的核心參數(shù),主要受三類因素影響: 第一,管道材質(zhì)。不同材質(zhì)的管道聲波衰減系數(shù)差異極大,球墨鑄鐵管、鋼管等金屬管道的衰減系數(shù)小,聲波可傳播較遠距離;PVC、PE 等非金屬管道衰減系數(shù)更大,聲波傳播距離明顯縮短,且高頻信號衰減速度遠快于低頻信號,因此 PE 管檢測需要重點采集 100?1000Hz 的低頻信號。 第二,聲波頻率。同一材質(zhì)管道中,聲波頻率越高,衰減速度越快。因此大管徑、長距離管道檢測應(yīng)優(yōu)先采集低頻信號,小管徑、短距離管道可采集高頻信號提升分辨率。 第三,管道與覆土條件。管徑越大、工作壓力越高,漏點產(chǎn)生的初始聲壓幅值\(A_0\)越大,信號傳播距離越遠;覆土深度越深,土壤對聲波的吸收越強,衰減越顯著。土壤衰減受土質(zhì)密實度、含水率多重條件共同影響,不存在固定的每米聲壓降定值。
上一章我們解析了聽漏技術(shù)的核心原理與聲波衰減模型,然而面對市場上不同型號的聽漏儀,如何判斷其性能是否滿足實際需求,需要明確核心技術(shù)指標的含義與判定標準,嚴格遵循 CJ/T 525?2018 等行業(yè)規(guī)范的要求。
聽漏儀的核心技術(shù)指標可分為三類,分別對應(yīng)檢測靈敏度、定位精度、環(huán)境適配性: 第一,聲學性能指標,包括頻率范圍、增益調(diào)節(jié)范圍、靈敏度。頻率范圍決定了設(shè)備可采集的信號頻段,金屬管道檢測通常需要覆蓋 100?4000Hz 頻段,PE/PVC 非金屬管道檢測需要覆蓋 20?6000Hz 頻段;增益調(diào)節(jié)范圍決定了設(shè)備對微弱信號的放大能力;靈敏度決定了設(shè)備可采集的最小聲壓信號。 第二,定位性能指標,包括相關(guān)分析精度、*檢測距離、定位誤差。相關(guān)分析精度決定了時差計算的準確性;*檢測距離對應(yīng)不同材質(zhì)管道的*可檢測管段長度;定位誤差需符合 CJ/T 525?2018 的產(chǎn)品要求,實際現(xiàn)場誤差還受管道條件、環(huán)境噪聲影響。 第三,環(huán)境適配性指標,包括拾音器 IP 等級、工作溫度范圍、續(xù)航時間。拾音器需要直接接觸地面或管道,應(yīng)具備足夠防塵防水等級,適應(yīng)雨天、泥濘等惡劣工況;工作溫度范圍應(yīng)覆蓋?10℃到 50℃,滿足不同地域的四季檢測需求;續(xù)航時間應(yīng)滿足全天野外作業(yè)需求。
結(jié)合 CJ/T 525?2018 產(chǎn)品標準與行業(yè)現(xiàn)場實操經(jīng)驗,漏聲信號的判定可分為四級,各級對應(yīng)的特征與處理建議如下:
表格
| 判定等級 | 信號強度范圍 | 信號特征 | 處理建議 |
|---|---|---|---|
| 正常 | <10dB | 僅存在隨機環(huán)境噪聲,無穩(wěn)定漏聲特征 | 常規(guī)巡檢,暫無需處理 |
| 關(guān)注 | 10~30dB | 出現(xiàn)弱連續(xù)信號,且與管網(wǎng)壓力波動同步 | 加強監(jiān)測,必要時復(fù)測 |
| 異常 | 30~50dB | 信號頻率匹配對應(yīng)材質(zhì)的漏聲特征 | 安排開挖復(fù)核定位 |
| 嚴重 | ≥50dB | 信號強度高,伴隨明顯管道振動 | 立即安排搶修開挖 |
備注:該閾值為現(xiàn)場實操參考,不同土壤、埋深、管徑條件下,實際判讀需要結(jié)合頻譜、壓力聯(lián)動綜合判斷,不可直接當作設(shè)備標準強制閾值。
從業(yè)人員在查看聽漏儀參數(shù)時,應(yīng)重點關(guān)注三類核心參數(shù),避免被非核心宣傳指標誤導(dǎo): 第一,優(yōu)先關(guān)注頻率范圍而非*增益。增益可通過放大電路提升,但頻率范圍由拾音器的硬件特性決定,若設(shè)備頻率范圍未覆蓋 PE 管的低頻信號區(qū)間,即使增益再高也無法采集到有效漏聲信號。 第二,優(yōu)先關(guān)注定位誤差而非*檢測距離。*檢測距離通常是在理想工況下(金屬管道、無干擾、大漏量)的測試值,實際應(yīng)用中會大幅降低,而定位誤差是設(shè)備的核心性能指標,直接決定開挖成本。 第三,優(yōu)先關(guān)注拾音器 IP 等級而非控制單元的附加功能。拾音器是直接接觸惡劣工況的核心部件,拾音器防護等級決定野外工況適應(yīng)能力;而控制單元的觸屏、智能交互等附加功能對檢測精度無直接影響,可根據(jù)預(yù)算選擇。
上一章我們明確了聽漏儀的技術(shù)指標與判定標準,然而在實際應(yīng)用中,不同場景的管網(wǎng)參數(shù)差異極大,需要針對性調(diào)整檢測策略與參數(shù)設(shè)置,才能實現(xiàn)*的檢測效果。
市政供水管網(wǎng)的典型參數(shù)為:管徑 DN200?DN2000,材質(zhì)以球墨鑄鐵管、鋼管為主,工作壓力 0.3?1.6MPa,覆土深度 1?3m,環(huán)境噪聲較大。
該場景的檢測流程為:
選型參考:市面部分數(shù)字聽漏儀,頻率范圍覆蓋金屬管道漏聲頻段,具備濾波降噪、高防護拾音器、檢測數(shù)據(jù)存儲功能,可適配市政野外管網(wǎng)普查作業(yè)。
生活小區(qū)管網(wǎng)的典型參數(shù)為:管徑 DN50?DN200,材質(zhì)以 PE、PVC 管為主,工作壓力 0.1?0.6MPa,覆土深度 0.5?2m,環(huán)境噪聲白天較大,夜間較小。
該場景的檢測流程為:
選型參考:市面部分數(shù)字聽漏儀,具備寬頻采集能力,適配 PE、PVC 非金屬管道,拾音器防護等級高,支持藍牙 APP 測點標記,適合小區(qū)管網(wǎng)檢測作業(yè)。
工業(yè)循環(huán)水管網(wǎng)的典型參數(shù)為:管徑 DN100?DN1000,材質(zhì)以鋼管、PVC 管為主,工作壓力 0.2?1.0MPa,覆土深度 0.5?2m,管道內(nèi)水流噪聲大。
該場景的檢測流程為:
熱力管網(wǎng)的典型參數(shù)為:管徑 DN50?DN800,材質(zhì)以鋼管、預(yù)制保溫管為主,工作壓力 0.2?1.6MPa,介質(zhì)溫度 40?120℃,埋深 1?3m。
該場景的檢測流程為:
實際檢測中常遇到三類共性問題,可采用對應(yīng)方法解決: 第一,環(huán)境噪聲大。若檢測區(qū)域靠近主干道、施工場地,環(huán)境噪聲偏高,可采用三類降噪措施:一是調(diào)整檢測時間至夜間低噪聲時段;二是開啟設(shè)備的數(shù)字濾波功能,過濾與漏聲頻率不符的干擾信號;三是采用相關(guān)分析法,利用兩個拾音器的信號相關(guān)性過濾隨機噪聲。
第二,信號微弱無法識別。若漏量小、埋深大、PE 管道導(dǎo)致信號微弱,可采用三類方法提升信號強度:一是合理調(diào)高設(shè)備增益;二是縮短拾音器的布置間距;三是采用主動聲學法或氣體追蹤法輔助檢測。
第三,管道資料缺失。若沒有管道走向、長度等基礎(chǔ)資料,無法采用相關(guān)分析法,可采用網(wǎng)格布點法,沿管道可能的走向按合適間隔逐點檢測,結(jié)合區(qū)域水壓變化、地面濕潤痕跡等線索縮小檢測范圍。
基于行業(yè)多年的實操經(jīng)驗,總結(jié)三類可直接復(fù)用的實戰(zhàn)技巧: 第一,多參數(shù)交叉驗證。定位漏點時,需同時參考信號強度、頻率特征、壓力相關(guān)性三個參數(shù),多個維度同時符合漏點特征時,才可確認漏點,避免誤判。 第二,同類管段信號對比。檢測時先采集正常管段的信號作為基準,對比異常管段的信號差異,可有效排除閥門、彎頭的水流干擾,提升檢出率。 第三,數(shù)據(jù)完整記錄。每次檢測需完整記錄測點位置、信號強度、頻率特征、管網(wǎng)參數(shù)等信息,建立管網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)庫,長期積累可形成不同場景的信號特征庫,大幅提升檢測效率。
Q1:不同管道材質(zhì)的漏聲頻率有什么差異?對應(yīng)的判定閾值如何?
A:不同材質(zhì)管道的漏聲頻率差異主要由聲波衰減特性決定:球墨鑄鐵管、鋼管等金屬管道的高頻信號衰減小,漏聲頻率主要集中在 1000?4000Hz;PVC 管的漏聲頻率主要集中在 500?2000Hz;PE 管的高頻信號衰減快,漏聲頻率主要集中在 100?1000Hz。
實操參考閾值: ? 正常:<10dB,僅存在隨機噪聲 ? 關(guān)注:10~30dB,連續(xù)弱信號與壓力波動同步 ? 異常:30~50dB,信號頻率匹配對應(yīng)材質(zhì)的漏聲特征 ? 嚴重:≥50dB,信號強度高,伴隨明顯振動
操作建議:金屬管道檢測優(yōu)先選擇 1000?4000Hz 頻段,PE 管道檢測優(yōu)先選擇 100?1000Hz 頻段,可有效提升信號信噪比。
提示:閾值僅作為現(xiàn)場參考,需結(jié)合現(xiàn)場工況綜合研判,不等同于行業(yè)標準強制指標。
Q2:相關(guān)分析法與被動聽漏法應(yīng)如何選擇?
A:兩類方法的適用場景差異明顯,選擇時可參考三個維度: 一是管網(wǎng)資料完備度:若有完整的管道走向、長度、材質(zhì)資料,優(yōu)先選擇相關(guān)分析法,定位精度更高;若資料缺失,只能采用被動聽漏法初步篩查。 二是檢測場景:市政主干管、大管徑長距離管道優(yōu)先選擇相關(guān)分析法,小區(qū)支管、小范圍漏點排查可采用被動聽漏法。 三是環(huán)境噪聲水平:環(huán)境噪聲偏高的區(qū)域,優(yōu)先選擇相關(guān)分析法,抗干擾能力更強;低噪聲區(qū)域可采用被動聽漏法,操作更便捷。
*實踐是將兩類方法結(jié)合使用,先用被動聽漏法篩查出異常管段,再用相關(guān)分析法精準定位,兼顧效率與精度。
Q3:智能數(shù)字聽漏儀相比傳統(tǒng)模擬聽漏儀有哪些核心優(yōu)勢?
A:智能數(shù)字聽漏儀相比傳統(tǒng)模擬聽漏儀的核心優(yōu)勢體現(xiàn)在三個方面: 一是檢測精度更高:寬頻采集可以覆蓋 PE、PVC 等非金屬管道的低頻信號,數(shù)字濾波功能可有效過濾干擾噪聲,提升漏點檢出能力,定位誤差可滿足 CJ/T 525?2018 的精度要求。 二是操作更便捷:支持藍牙連接手機 APP,可直接在地圖上標記測點位置與信號強度,輔助檢測記錄,提升檢測效率。 三是環(huán)境適應(yīng)性更強:拾音器具備高防塵防水等級,可適應(yīng)雨天、泥濘等惡劣工況,續(xù)航滿足全天野外作業(yè),適合小區(qū)物業(yè)、水務(wù)公司、熱力公司等多場景的檢漏需求。
Q4:覆土深度超過 3m 的深埋管道應(yīng)如何檢測?
A:覆土深度超過 3m 的深埋管道,聲波經(jīng)過土壤吸收后信號衰減嚴重,可采用三類方法提升檢出率: 一是采用高靈敏度拾音器,增益調(diào)整至合適檔位,優(yōu)先采集 100?1000Hz 的低頻信號,降低衰減影響。 二是采用相關(guān)分析法,適度縮短兩個拾音器的布設(shè)間距,改善信號質(zhì)量。 三是若以上方法仍無法檢出,可采用氣體追蹤法,向管道內(nèi)注入氫氮混合氣體,通過檢測地面氫氣濃度定位漏點,該方法對深埋微小漏點具備較好檢出效果。