本發(fā)明涉及一種帶在線監(jiān)測及自修復(fù)功能的市政供水管材。

背景技術(shù)：

降低給水管道的漏失率一直是市政供水領(lǐng)域的一大難題。許多供水管道由于服役時間較長，材料老化、腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，漏失事故時有發(fā)生，即使是新鋪設(shè)的給水管道，由于管內(nèi)供水壓力的突變或者外部荷載的影響，其漏失率也難以控制在允許范圍內(nèi)。目前常用的管道健康監(jiān)測技術(shù)(如聽音棒，電子放大聽漏儀等)難以實(shí)現(xiàn)對所有供水管道的實(shí)時監(jiān)測，并且即使發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，由于給水管道埋地的特性，從發(fā)現(xiàn)漏失到完全修復(fù)通常歷時較長，而在這期間漏點(diǎn)一直持續(xù)漏水，這不但造成水資源的浪費(fèi)，對周圍的土質(zhì)情況也有較大影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有的埋地給水管道在線健康監(jiān)測難度大，從發(fā)現(xiàn)漏失到修復(fù)所需周期長等問題。

本發(fā)明所述的在線監(jiān)測及自修復(fù)型智能管材包括外管(1)、膨脹橡膠(2)、內(nèi)管(3)和分布式光纖(4)；

所述外管(1)和內(nèi)管(3)呈圓筒狀，材質(zhì)與現(xiàn)有市政供水管道材質(zhì)相同(鑄鐵或聚乙烯)，外管(1)和內(nèi)管(3)中間留有10mm的中空層，中空層被等距的一號凸起分隔成寬200mm的獨(dú)立腔體，在每個獨(dú)立腔體中的外管(1)內(nèi)壁貼有厚度為5mm的膨脹橡膠(2)，膨脹橡膠(2)與內(nèi)管(3)外壁之間有5mm的空隙。在內(nèi)管外壁最底部有一條分布式光纖(4)沿管道軸向鋪設(shè)，用于在線監(jiān)測管道的漏失情況。分布式光纖(4)在每個獨(dú)立腔體內(nèi)通過環(huán)氧樹脂與內(nèi)管外壁粘接，在穿過一號凸起的小孔處也用環(huán)氧樹脂粘結(jié)，以確保相鄰兩腔體之間不透水。

本發(fā)明所述的在線監(jiān)測及自修復(fù)型智能管材能實(shí)現(xiàn)市政供水管道的分布式實(shí)時監(jiān)測，最大監(jiān)測距離可達(dá)幾十公里甚至上百公里，足以覆蓋整個城市的輸配水管網(wǎng)。當(dāng)管網(wǎng)中某點(diǎn)發(fā)生漏失，一方面該漏失點(diǎn)周圍將產(chǎn)生局部壓降，而在每段智能管材的兩端及中間都有環(huán)向敷設(shè)的分布式光纖，用于監(jiān)測管道的環(huán)向應(yīng)變。漏失產(chǎn)生的壓降將導(dǎo)致管道產(chǎn)生微小的收縮應(yīng)變，從而被環(huán)向敷設(shè)的分布式光纖監(jiān)測到，并以后向散射光的形式通過分布式光纖向監(jiān)測中心報警；另一方面產(chǎn)生漏失的原因必然是智能管材的內(nèi)管發(fā)生破裂，則漏出的水將迅速充滿破裂處所在的腔體，粘貼在外管內(nèi)壁的膨脹橡膠被浸泡在水中，數(shù)小時后膨脹橡膠發(fā)生膨脹，擠壓敷設(shè)在內(nèi)管外壁的分布式光纖，從而使其產(chǎn)生應(yīng)變，向監(jiān)控中心發(fā)出報警信號。由于各腔體之間相對獨(dú)立，無法透水，因此除漏失點(diǎn)所在腔體外其余腔體中仍然保持干燥。以上兩方面的報警方法可以有效降低誤報率，且沿管道環(huán)向敷設(shè)的分布式光纖還能監(jiān)測管道平時正常運(yùn)行時管內(nèi)壓力的實(shí)時變化，有助于建立相應(yīng)的管道壓力數(shù)據(jù)庫。此外，由于腔體內(nèi)空間有限，而膨脹橡膠在吸水膨脹后其自由膨脹率可達(dá)吸水前的6倍以上，在空間有限的腔體內(nèi)吸水后的膨脹橡膠將產(chǎn)生一定壓力，使其緊貼在漏失部位，從而起到臨時自主修復(fù)的效果。

附圖說明

圖1為實(shí)施方式一所述的在線監(jiān)測及自修復(fù)型智能管材的縱剖面圖；

圖2為實(shí)施方式一所述的在線監(jiān)測及自修復(fù)型智能管材的縱剖面局部放大圖；

圖3為實(shí)施方式四中的在線監(jiān)測及自修復(fù)型智能管材的橫截面圖；

圖4為實(shí)施方式四中的在線監(jiān)測及自修復(fù)型智能管材的橫截面局部放大圖；

圖5為實(shí)施方式三所述的的一號凹槽的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為實(shí)施方式三所述的的一號凸起的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1至圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的在線監(jiān)測及自修復(fù)型智能管材包括外管(1)、膨脹橡膠(2)、內(nèi)管(3)和分布式光纖(4)；

所述外管(1)和內(nèi)管(3)呈圓筒狀，材質(zhì)與現(xiàn)有市政供水管道材質(zhì)相同(鑄鐵或聚乙烯)，外管(1)和內(nèi)管(3)中間留有10mm的中空層，中空層被等距的一號凸起分隔成寬200mm的獨(dú)立腔體，在每個獨(dú)立腔體中的外管(1)內(nèi)壁貼有厚度為5mm的膨脹橡膠(2)，膨脹橡膠(2)與內(nèi)管(3)外壁之間有5mm的空隙。在內(nèi)管外壁最底部有一條分布式光纖(4)沿管長方向敷設(shè)，用于在線監(jiān)測管道的漏失情況。分布式光纖(4)在每個獨(dú)立腔體內(nèi)通過環(huán)氧樹脂與內(nèi)管外壁粘接，在穿過一號凸起的小孔處也用環(huán)氧樹脂粘結(jié)，以確保相鄰兩腔體之間不透水。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式是對實(shí)施方式一所述的在線監(jiān)測及自修復(fù)型智能管材的進(jìn)一步限定，本實(shí)施方式中，給水管道在運(yùn)行時，一般均為有壓滿流，因此管道內(nèi)部的水流會使管壁發(fā)生膨脹，從而導(dǎo)致管道外壁產(chǎn)生環(huán)向變形，根據(jù)材料力學(xué)公式可知管道環(huán)向應(yīng)變計(jì)算公式：

${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{{\mathrm{\σ}}_y-{\mathrm{\υ\σ}}_z}{E}---(4-1)$

式中：

ε_y為管道外壁環(huán)向應(yīng)變；

σ_y為管道環(huán)向應(yīng)力；

υ為泊松比；

σ_z為管道軸向應(yīng)力；

E為管道的彈性模量

通常單根管段的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管徑，因此可以忽略管段膨脹過程中的軸向應(yīng)力，上式變形為：

${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{{\mathrm{\σ}}_y}{E}---(4-2)$

取長為l的管段進(jìn)行受力分析，則管道內(nèi)水的壓力與管道應(yīng)力之間的關(guān)系如下：

Pdl＝σ_y2hl (4-3)

式中：

P為管道內(nèi)部水壓；

D為管道內(nèi)徑；

l為管段長度；

H為管道壁厚；

由式(4-2)與式(4-3)可得管道環(huán)向應(yīng)變計(jì)算公式：

${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{Pd}{2hE}---(4-4)$

當(dāng)管道中某點(diǎn)發(fā)生漏失時，漏失點(diǎn)后的流量會有所減小，流速也會相應(yīng)減小，由水力學(xué)中的伯諾里方程可知：

$z_1+\frac{p_1}{\mathrm{\ρ}g}+\frac{{\mathrm{\α}}_1{v_1}^2}{2g}=z_2+\frac{p_2}{\mathrm{\ρ}g}+\frac{{\mathrm{\α}}_2{v_2}^2}{2g}+h_{w_{12}}---(4-5)$

式中：

z₁，z₂為漏失點(diǎn)前后的位置水頭，試驗(yàn)中z₁＝z₂；

p₁，p₂為漏失點(diǎn)前后管內(nèi)水的靜壓強(qiáng)；

v₁，v₂為漏失點(diǎn)前后的水流速度；

h_w12為漏失點(diǎn)處的水頭損失。

α為動能修正系數(shù)，α＝1.05～1.10，在初步計(jì)算時可取α＝1；

由式(4-5)可知，漏失前后管道的壓強(qiáng)差：

Δp＝ρ(v₂²-v₁²)+ρgh_w12

代入式(4-4)得

${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{\[\mathrm{\ρ}(v_2^2-v_1^2)+{\mathrm{\ρgh}}_{w12}\]d}{2hE}---(4-6)$

從式(4-6)可以看出，管道產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)變的主要原因是漏失點(diǎn)前后水流速度的變化和漏失點(diǎn)局部水頭損失的變化，因此可以通過在管道環(huán)向敷設(shè)分布式光纖，從而達(dá)到對管道漏失的分布式在線監(jiān)測效果。

具體實(shí)施方式三：結(jié)合圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對實(shí)施方式一所述的在線監(jiān)測及自修復(fù)型智能管材的進(jìn)一步限定，本實(shí)施方式中，所述一號凹槽(6)寬10mm，厚10mm，位于管道端部的內(nèi)管與外管之間，靠近管道外側(cè)一段開口，靠近管道內(nèi)側(cè)一段通過一號凸起(5)與相鄰的獨(dú)立腔體分隔。

具體實(shí)施方式四：結(jié)合圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對實(shí)施方式一所述的在線監(jiān)測及自修復(fù)型智能管材的進(jìn)一步限定，本實(shí)施方式中，所述一號凸起(5)為環(huán)狀，沿管道軸向等距設(shè)置，將外管(1)與內(nèi)管(3)分隔成若干個寬200mm的獨(dú)立腔體。在一號凸起(5)于內(nèi)管(3)外壁接觸部位開有小孔(5-1)，用于穿過分布式光纖，并用環(huán)氧樹脂填充小孔與分布式光纖間的空隙，以確保相鄰腔體之間的密封性。