供水管网漏失及管道损伤的早期声波诊断技术

针对长期以来供水管网漏损严重、爆管时有发生，而管网日常管理侧重于检漏、爆管等事故发生后的补救，本项目提出“供水管网漏失及管道损伤的早期声波检测技术”，旨在降低管网漏损及各种故障造成的损失，及时诊断管道缺陷，实现事故防范从被动检漏、抢险转为主动预防，保证管网安全运行。研究成果如下： （1）建立了基于GIS的供水管网漏损及检漏方法数据库。建立管网漏损因素层次结构模型，采用多因素相互耦合分析法计算表明一级评价指标间既相互制约又相互对应发展。（2）针对管道腐蚀、受压形变是漏损主要因素，通过实验，提出了管道内壁腐蚀垢层生长的三阶段理论，建立了腐蚀垢层稳定状态的电化学判据，阐明了管道配件基于流场分布的空间点位腐蚀变化规律；揭示了典型滨海盐土环境中管道土壤腐蚀机理及局部腐蚀的电化学进程，阐明了高氯离子环境下铁的羟基氯化物对土壤腐蚀的加速现象和氧扩散对于腐蚀速率的控制机制。同时，就管道老化中的腐蚀、地面载荷两个因素进行管道受压实验，研究管道破损阈值、应变-荷载等变化规律，建立模拟腐蚀管道的剩余抗压模型。（3）建立管道漏损声波检测实验系统，根据不同管材、管道不同结构参数与运行参数的单因素、多因素耦合的管道泄漏声波检测实验，确定了多种泄漏条件交互作用下，漏点声信号特征及其主要影响因素；提出了漏损定位组合方法，即对不同管材选择适宜的小波变换后，再建立不同管材漏点定位的优化模型，该方法大大减小了管道漏点定位误差。（4）建立管道缺陷超声波主动检测实验系统，选择超声波不同发射接收方式、不同信号参数等进行不同条件下管道不同损伤程度的检测实验，确定了管道损伤的超声波检测方式、传输特性及其规律；采用维格纳－威尔分布时频分析方法实现了钢管和球墨铸铁管道损伤定位，该方法可有效描述信号能量分布特征，能较准确地检测管道损伤位置。进一步根据地震勘探的多次叠加观测原理，采用微弱信号增强技术，将具有发射波波形的所有数据按照波形对应关系叠加，有效提高了信噪比和定位精度。（5）建立了管道内外腐蚀组合预测模型、管道剩余抗压预测模型，实现了对管道腐蚀、受损抗压各影响因素的不确定分析；建立了基于并行计算的管道腐蚀空间分布规律的计算机仿真模型、管道损伤超声波检测的计算机仿真模型，模拟结果经实验验证效果良好。 整合上述研究成果，建立了供水管网漏损声波检测信息系统、供水管网漏损早期声波诊断系统，部分成果应用于供水企业运行管理。 2100433B

采用声波传输理论、物理与数值模拟技术、不确定分析与并行计算的理论和方法，研究城市供水管网漏失及管道损伤的早期声波诊断技术，包括1）利用管道物理模型模拟实验，研究管道腐蚀、形变、渗漏的形成机制并建立数学模型；2）建立管道声波传输实验台，研究声波主、被动检测管道缺陷的声传输机理、声讯号与管道参数相关的变化规律；3）建立实验室管网，研究不同工况下利用声传输对管道损伤进行识别与定位，建立管网结构与声传输信息数据库；4）利用数值模拟技术，建立实验室管网计算机仿真模型，对声传输进行模拟、校验，建立管网动态模型；5）引入并行计算技术进行管道损伤形成中不确定性因素影响机制分析与模拟，建立其与声传输的耦合模型；6）建立管网漏损早期诊断软硬件系统。.本研究旨在建立供水管道损伤早期声波诊断的理论与技术方法，以实现管道破损泄漏前即发现其破损征兆，将管网故障防范由被动检漏、抢修转为主动预防，将产生较大社会经济效益。

本书主要介绍先进的智能结构损伤诊断理论、方法与应用。内容包括绪论、结构损伤检测技术、结构损伤诊断常用理论及方法、工程结构的损伤诊断、基于知识的结构损伤诊断专家系统、专家系统在结构损伤诊断中的应用等。

人耳能听到的声音，每秒钟振动的次数（频率）是20—20，000赫兹的声波。频率低于20赫兹又不能引起听觉的声波，叫次声波；凡是频率高于20，000赫兹的声波，叫做超声波。由于超声波作用人体形成的损伤，称为超声波损伤。

超声波技术在本世纪上半叶得到了迅速发展，并广泛地应用于工业、农业、医学、地质和海洋研究领域中。但若使用不当，保管不妥或声强超过人体的耐受限度时，便可引起机体损伤，甚至死亡。

早在第一次世界大战末，著名的法国物理学家朗芝万在研究超声水下探测时，就发现强超声可使鱼等水生小动物致死。接着，哈维等人又发现超声辐照可使动物体内温度升高以致细胞结构破坏、死亡。

超声波对生物机体的损伤作用，一般认为，低声强，长时间辐照引起的损伤，以热效应为主，即声能被机体吸收后变成热能，其损伤程度与温度升高的程度有关，而在声强高，辐照时间短的情况下，引起损伤的机理是以瞬态超声空化效应为主；当声强在700一1500W／cm2的中间范围时，损伤则主要产生于其他物理机制。

用1．9MHz、强度60w／cm2的超声在大白鼠腹部表面定位照射其肝脏时，可使其有丝分裂细胞的出现率显著下降；用0．5—6MHz、峰值强度为56w／cm2的超声脉冲辐照5分钟暴露的肝脏，可使其中心血管附近遭到严重破坏，出血次数增多；用1MHz，强度为25W／cm2的超声辐照小白鼠的睾丸，辐照时间为30秒，然后在10天内的不同时间里对其组织学检验，发现同样辐射条件下，不同种类小鼠的输精管表现不同程度的损伤，对精母细胞的损伤早于精原细胞；用2．7MHz，强度为1700W/cm2的超声辐照有髓鞘神经0．25秒，可引起神经纤维微小损伤；若作用时间延长，则将发生横截面比声束大3—5倍的神经病变，等等。

当怀疑超声波使人体致伤时，需要法医学鉴定者，应同专业工作者一道进行，查明有无接触超声波史，检查损伤的情况，如果排除其他暴力伤或激光或微波的损伤后，才能确定超声波的损伤。

次声波的特点是频率低，在传播过程消耗能量少，衰减较小，即穿透力很强。次声波在科学上用于探矿、探测地震中心或预测风暴等。

超声波无损伤检测技术定义

通过超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。

超声波无损伤检测技术原理

主要是基于超声波在试件中的传播特性。

a.声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件；

b.超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变；

c.改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析；

d.根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。

超声波无损伤检测技术优点

a.适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测；

b.穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。如对金属材料，可检测厚度为1～2mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件；

c.缺陷定位较准确；

d.对面积型缺陷的检出率较高；

e.灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷；f.检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便。

超声波无损伤检测技术局限性

a.对试件中的缺陷进行精确的定性、定量仍须作深入研究；

b.对具有复杂形状或不规则外形的试件进行超声检测有困难；

c.缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响；

d.材质、晶粒度等对检测有较大影响；

e.以常用的手工A型脉冲反射法检测时结果显示不直观，且检测结果无直接见证记录。

超声波无损伤检测技术适用范围

a.从检测对象的材料来说，可用于金属、非金属和复合材料；

b.从检测对象的制造工艺来说，可用于锻件、铸件、焊接件、胶结件等；

c.从检测对象的形状来说，可用于板材、棒材、管材等；

d.从检测对象的尺寸来说，厚度可小至1mm，也可大至几米；

e.从缺陷部位来说，既可以是表面缺陷，也可以是内部缺陷。

超声波无损伤检测技术应用

接到探伤任务后，首先要了解图纸对焊接质量的技术要求。钢结构的验收标准是依据GB50205-95《钢结构工程施工及验收规范》来执行的。标准规定：对于图纸要求焊缝焊接质量等级为一级时评定等级为Ⅱ级时规范规定要求做100%超声波探伤；对于图纸要求焊缝焊接质量等级为二级时评定等级为Ⅲ级时规范规定要求做20%超声波探伤；对于图纸要求焊缝焊接质量等级为三级时不做超声波内部缺陷检查。

在此值得注意的是超声波探伤用于全熔透焊缝，其探伤比例按每条焊缝长度的百分数计算，并且不小于200mm。对于局部探伤的焊缝如果发现有不允许的缺陷时，应在该缺陷两端的延伸部位增加探伤长度，增加长度不应小于该焊缝长度的10%且不应小于200mm，当仍有不允许的缺陷时，应对该焊缝进行100%的探伤检查，其次应该清楚探伤时机，碳素结构钢应在焊缝冷却到环境温度后、低合金结构钢在焊接完成24小时以后方可进行焊缝探伤检验。另外还应该知道待测工件母材厚度、接头型式及坡口型式。截止到目前为止我在实际工作中接触到的要求探伤的绝大多数焊缝都是中板对接焊缝的接头型式，所以我下面主要就对焊缝探伤的操作做针对性的总结。一般地母材厚度在8-16mm之间，坡口型式有I型、单V型、X型等几种形式。在弄清楚以上这此东西后才可以进行探伤前的准备工作。

超声波无损伤检测技术准备要求

在每次探伤操作前都必须利用标准试块（CSK-IA、CSK-ⅢA）校准仪器的综合性能，校准面板曲线，以保证探伤结果的准确性。

1、探测面的修整：应清除焊接工作表面飞溅物、氧化皮、凹坑及锈蚀等，光洁度一般低于▽4。焊缝两侧探伤面的修整宽度一般为大于等于2KT 50mm，（K:探头K值，T：工件厚度）。一般的根据焊件母材选择K值为2.5探头。例如：待测工件母材厚度为10mm,那么就应在焊缝两侧各修磨100mm。

2、耦合剂的选择应考虑到粘度、流动性、附着力、对工件表面无腐蚀、易清洗，而且经济，综合以上因素选择浆糊作为耦合剂。

3、由于母材厚度较薄因此探测方向采用单面双侧进行。

4、由于板厚小于20mm所以采用水平定位法来调节仪器的扫描速度。

5、在探伤操作过程中采用粗探伤和精探伤。为了大概了解缺陷的有无和分布状态、定量、定位就是精探伤。使用锯齿形扫查、左右扫查、前后扫查、转角扫查、环绕扫查等几种扫查方式以便于发现各种不同的缺陷并且判断缺陷性质。

6、对探测结果进行记录，如发现内部缺陷对其进行评定分析。焊接对头内部缺陷分级应符合现行国家标准GB11345-89《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》的规定，来评判该焊否合格。如果发现有超标缺陷，向车间下达整改通知书，令其整改后进行复验直至合格。

一般的焊缝中常见的缺陷有：气孔、夹渣、未焊透、未熔合和裂纹等。到目前为止还没有一个成熟的方法对缺陷的性质进行准确的评判，只是根据荧光屏上得到的缺陷波的形状和反射波高度的变化结合缺陷的位置和焊接工艺对缺陷进行综合估判。