承压管道出现破口时,水在压力作用下从破口射出,冲击管壁、周围土壤以及回填材料,同时伴随涡流与空化的随机成分,形成一段宽频振动。它不是某个固定音高的纯音,而是从低频到高频连续分布的能量谱。这段能量谱离开漏点之后,要穿过管壁、水体,还要穿过土壤,才能到达传感器。凡是能改变传播路径性质的因素,都会改变传感器收到的样子。管材排在影响因素的前列,因为它同时决定了两件事:声音沿管道能传多远,以及传过来之后还剩下哪些频率。
漏水声从漏点出发,同时沿三条路径向外扩散。管壁路径是振动以结构波的形式沿管子纵向传播,金属管壁传得远、塑料管壁传得近,差异在这里表现得直接。水体路径指声音在管内的水中行进,水在管道里声速高、衰减小,但只在传感器与水体连通时才起作用。土壤路径是振动透过管壁辐射到土壤与路面,再由地面拾音器接收,衰减快,且受埋深、土质、路面结构影响明显。听音法在地面上测的主要是土壤路径。噪声记录仪吸附在管道附属设施的金属部分上,接的主要是管壁路径。相关仪的两个传感器分别接在管段两端,用的也是管壁路径抵达的时间差。
现行行业标准 CJJ 159-2011《城镇供水管网漏水探测技术规程》由住房和城乡建设部以公告第 874 号发布,2011 年 1 月 7 日发布、2011 年 10 月 1 日实施,主编单位为城市建设研究院。这份规程篇幅不长,但管材这个变量在多个章节反复出现:布设间距按管材分档,滤波器频率范围按管材设定,相关分析要输入管材,钻孔听音前的资料核对也要记录管道材质。规程把探测方法分成噪声法、听音法、相关分析法等九类,前三类是现场用得多的。第 2.1.11 条把噪声法定为推断漏水异常管段的方法,第 2.1.12 条的听音法与第 2.1.13 条的相关分析法推断的都是漏水异常点。管段与管点的一字之差,对应的是空间分辨能力的不同。分界要先看清。
规程表 6.2.2 给出直管段上噪声记录仪的布设间距上限,按管材分五档,钢管排在头一档,200 米。这个数字的含义是:在直管段上,两台记录仪之间的距离原则上不超过 200 米,中间地段的漏水噪声仍能被至少一侧有效接收。钢管拿到这一档,靠的是弹性模量高、材质均匀、内阻尼小。钢里的结构波传播速度远高于塑料,能量在传播中的损耗主要是几何扩散和接口处的透射损失,材料本身吸收的占比小,因此同样的漏点声在钢管上能传到更远处。
灰口铸铁排在第二档,150 米。早期的城市供水干管大量使用灰口铸铁管,管壁较厚,刚度大,刚性承插接口在声学上接近连续,传播条件仅次于钢管。这一档与钢管的差距不大,现场按材质分档时,两者常可以取相近的间距。
球墨铸铁排在第四档,只有 80 米,比灰口铸铁还短。这一点常被误读成球墨铸铁材质本身传声差。材质差异确实存在,但更主要的原因是接口形式与壁厚。球墨铸铁管普遍采用橡胶圈柔性接口,橡胶在声学上是一道软夹层,声阻抗与铸铁相差大,振动每穿过一个接口都要损失一部分能量。球墨铸铁管壁通常也比同规格灰口铸铁管薄,纵向刚度小。两项叠加,可覆盖距离降到 80 米这一档。由此也得到一个方法论上的提醒:表 6.2.2 名义上按管材分档,实际综合了材质与壁厚,也综合了接口形式,现场不能只看材质名称定间距。材质不是全部。
金属管不只传得远,传过来的频带也完整。漏点声的高频分量在钢管、铸铁管上衰减相对慢,传感器能同时收到低频与中高频成分,判读时可以对比强度与频率两个参数。规程第 6.2.5 条要求探测前选定噪声强度和噪声频率等参数并在所选时段内连续记录,正是建立在这个前提上。频带完整还有一个直接好处:环境干扰与漏水声在频谱上更容易分开,滤波设置的回旋余地大。
塑料排在末档,60 米,只有钢管的三成。聚乙烯管与聚氯乙烯管的弹性模量比钢低两个数量级,属于粘弹性材料,内阻尼大。粘弹性材料的损耗随频率升高迅速增大,漏点声里频率高的那部分在短距离内被材料吸收掉,剩下的主要是低频。频段被削掉一半,判读可用的信息量也跟着少了一半。
这个频带变化对作业的影响是具体的。漏点声在塑料管上传不远,传到的又只剩低频段,于是在两个环节上同时收紧:记录仪要布得更密,滤波器窗口要开得更低。现场常有相反的做法——沿用钢管作业时的习惯参数,仪器上看着很干净,实际把仅剩的有用频段一起滤掉了。判断有没有踩这个坑,办法是看频谱:若一段塑料管上测到的能量几乎全堆在低频,且强度随距离急剧下降,说明滤波窗口与管材不匹配。数值别照抄。
塑料管还有一个更实际的困难:没有可吸附的金属管壁。规程第 6.2.3 条要求记录仪布设在检查井中的供水管道、阀门、水表、消火栓等管件的金属部分,并宜布设于分支点的干管阀栓。对钢管与铸铁管而言,管体本身能满足这一条。对塑料管而言,能用的只剩下阀门、水表、消火栓这些金属附属设施。换句话说,塑料管段的测点位置不由管线走向决定,而由附属设施的分布决定,间距只能围绕这些点安排,遇到附属设施稀疏的管段,加密的余地很小。
规程表 6.2.2 只列了钢、灰口铸铁、水泥、球墨铸铁、塑料五档,复合管没有单独列出。复合管这个词在现场指代的结构至少有三类。头一类是金属骨架增强的塑料复合管,钢丝网骨架聚乙烯管归在此列。再一类是金属与无机材料组合的预应力钢筒混凝土管。还有一类是纤维增强的玻璃钢管。三类的共同点是分层,不同点在于哪一层承担结构强度、哪一层纵向连续。
分层结构对声传播的影响集中在界面。相邻两层的声阻抗相差越大,振动在界面上反射的比例越高、透射的比例越低。钢与聚乙烯的声阻抗差很大,振动从钢骨架进入塑料层时大部分被反射回来,反过来也一样。由此带来复合管上的一个现象:声音可能在某一层里传得不错,但传不到传感器所在的那一层。判断复合管该归到哪一档,先要弄清传感器贴在哪一层上。判断要有依据。
钢丝网骨架聚乙烯管的纵向钢丝是连续的,两端的钢制法兰、阀门又能直接接触到骨架,振动可沿骨架传播到法兰,再传到吸附在法兰上的记录仪。这种情况下传播路径的主体是金属,可按接近金属管的条件估间距,同时留一定余量——骨架的截面尺寸远比同口径钢管小,等效刚度低,实际能覆盖的距离通常短于同口径钢管。
若复合管两端采用塑料法兰或电熔连接,骨架在接头处被塑料层隔断,纵向路径不连续,声音只能沿塑料层走,此时按接近非金属管的条件处理更稳妥。玻璃钢管属于这一类:增强材料是玻璃纤维,基体是树脂,整体声学性质接近塑料,没有连续的金属骨架可依附,按非金属管处理。预应力钢筒混凝土管要分情况看,钢筒纵向连续且有钢制承插口时,可接触点上的传播条件接近金属。若只能在混凝土外壁上取点,则按水泥管一档处理。
水泥管排在第三档,100 米,位置正好在灰口铸铁与球墨铸铁之间。水泥管管壁较厚,材料本身的阻尼比金属大,声波在管壁里传播的能量损耗明显,但它的接口多为刚性承插,接口处的损失反而小于橡胶圈柔性接口。两项抵消之后落在 100 米这一档。余量要留足。
把五档连起来看,顺序是钢 200 米、灰口铸铁 150 米、水泥 100 米、球墨铸铁 80 米、塑料 60 米。这个序列不是单纯的材质硬度排序——球墨铸铁的材质硬度高于灰口铸铁,间距反而更短,原因已经在前面说明。真正贯穿五档的是声能量从漏点传到测点的总损耗,包括材料吸收、几何扩散、接口透射,还有管件散射。现场拿到一段管材混杂的管网,按损耗大的那一档取间距,才能保证不留盲区。
规程第 6.2.2 条在给出分档表之前,先列了五条规定。布设间距随管径的增大而相应递减,随水压的降低而相应递减,随接头、三通等管件的增多也相应递减。当噪声法用于漏点探测预定位时,阀栓密度高的区段还要加密测量,布设间距随之收窄。直管段上的间距另有上限,不得超过表 6.2.2 的规定。前三项是对分档表的修正方向,后两项给出上限与加密要求。换个说法,表里的 200 米与 60 米是直管段、常规管径、常规压力条件下的取值,遇到大口径、低压、管件密集的管段还要往下调。
同一张表在相关分析法里还要再用一次。规程第 8.2.1 条规定,采用相关分析法探测管径不大于 300 毫米的管道时,相邻两个传感器的布设间距宜符合表 6.2.2 的规定,同样随管径的增大而减小、随水压的增减而增减。对现场的意义是:同一段管子,用记录仪做普查与用相关仪做定位,传感器的空间步长取自同一套分档,不必另记一套数。一套数够用。
听音法的分档尺度完全不同。规程第 7.3.4 条规定,地面听音法进行漏水普查时,金属管道的测点间距不宜大于 2.0 米,非金属管道的测点间距不宜大于 1.0 米,漏水异常点附近加密测点的间距不宜大于 0.2 米。这里的 2.0 米与 1.0 米是沿管道走向一步一步挪的步长,不是两台设备之间的距离,与表 6.2.2 的 200 米、60 米不可比。但两处给出的金属与非金属之比不同:布设间距上钢管是塑料的三倍多,地面听音步长上金属是塑料的两倍。这个差别有道理——地面听音接的是土壤路径,声音先要穿过管壁辐射到土壤,管材的影响被土壤这一段稀释了一部分。
规程第 8.2.5 条把滤波器频率范围与管材直接挂钩:金属管道的下限频率一般不低于 200 赫兹,非金属管道的上限频率一般不超过 1000 赫兹。两个数值圈出了两个窗口,金属管上取 200 赫兹以上的频段,塑料管上取 1000 赫兹以下的频段。窗口为何不同,要看两类管材送过来的频谱形状。金属管保留了高频成分,把下限抬高,低频干扰被挡在外面,有用的中高频完好。塑料管的高频先掉了,能量集中堆在低频段,窗口只能往下开,否则剩下的那点信号会被一并切掉。
这一条写在第 8 章相关分析法里,约束对象是相关仪的滤波器设置。听漏仪属于听音法设备,适用的是第 7 章。第 7.1.3 条对电子听漏仪的要求是具有滤波功能与多级放大功能,并规定使用加速度传感器作拾音器时电压灵敏度优于 10 毫伏每米每二次方秒,没有给出按管材划分的频率数值。把第 8.2.5 条的两个数值直接套到听漏仪上,等于拿一种方法的条款去要求另一种方法的设备,条文对不上。同样的道理,表 6.2.2 虽在相关分析法里被引用,它本身是噪声记录仪的布设间距表,不能反过来当作听音法的测点间距。归属先要分清。
塑料管上若照搬金属管的滤波设置,把下限抬到 200 赫兹以上,丢掉的是漏点声里仅剩的那部分低频能量。后果不是定位不准,而是根本判不出来:强度读数很低、频谱平坦,看上去像没有漏,实际是漏点声被滤掉了。这类漏判有个特征——同管段用噪声记录仪长期监测能看出夜间异常,用相关仪现场测却测不到。遇到这种情况,先把滤波窗口往下调再测一遍,比换设备有用。
规程第 8.2.4 条规定,应准确测定两个传感器之间管段的长度,应准确输入管长、管材、管径等信息,并根据管道声波传播速度进行相关分析,确认漏水异常点。管材在这里不是背景资料,而是解算过程的一个输入量,它决定声速取多少。
相关分析测的是同一信号到达两端的时间差,时间差乘声速换算成距离。设漏点到两端中点的距离为 d,声速取值的相对偏差为 ε,则定位结果的偏差约为 ε 乘 d。这个关系有两个推论。其一,漏点越靠近两端中点,声速误差的影响越小,漏点恰在中点时影响为零,因为此时两端时间差本为零。其二,漏点越偏离中点,声速误差被放得越大。若漏点距中点 80 米、声速取值偏 5%,位置偏差约为 4 米,已经超出规程第 3.0.11 条给出的尺度:该条要求按开挖验证结果测算定位误差与准确率,定位误差一般控制在 1 米以内,准确率不应低于 90%。金属管与塑料管的声速差别大,管材填错,属于系统性偏差,不会在多次测量中相互抵消。差别正在于此。
把定位误差拆开看,来源有四项。声速取值排在前面,与管材、管径、管壁厚度、管内结垢都有关联,覆盖面广、量值也大。管段长度量取是第二项,图纸长度与实铺长度常有出入,转折与弯头处的量取误差尤其容易积累。时间差分辨是第三项,取决于采样率与信噪比,信号弱时这项会明显变大。管材判定本身也是一项,复合管归错档、接口形式没考虑,都会通过声速传导到结果上。四项里,时间差分辨由设备决定,其余三项都由现场输入决定。定位准不准,很大程度上取决于作业前对管材与管段的调查做得够不够细。
规程第 8.2.2 条要求传感器确保放置在同一条管道上,宜竖直放置并确保与管道接触良好。前一条针对的是管网密集区域的常见错误——两个传感器分别搭在相邻的两条管上,测到的时间差与漏点无关。后一条针对的是接触不良造成的高频损失,塑料管上本只剩低频,接触再差一点,可用信号更少。
规程第 7.1.2 条给听音法划了两条作业条件,管道供水压力不得低于 0.15 兆帕,环境噪声一般不超过 30 分贝。第 8.1.2 条对相关分析法给出同样的压力门槛。压力低了会怎样?漏点喷射的流速跟着降,流速降则声源强度弱,管材再好也听不到。环境噪声这一项解释了记录时间为何多安排在夜间 2 时至 4 时:规程第 6.2.4 条给出的这个时段,管网用水量与外界干扰同时处在低谷,信号与噪声的比值改善得明显。条件先要满足。
规程第 7.3.2 条把地面听音的埋深上限定在 2.0 米。越过这个深度,管壁辐射到地表的信号衰减过大,地面上再怎么听也听不实,此时要靠钻孔听音把听音杆直接送到管体,规程第 7.4.3 条要求每处钻孔不少于 2 个、两钻孔间距不大于 50 厘米。大口径非金属管另有一套走法:第 7.3.5 条给出成 S 形推进听测的做法,适用对象是管径大于 300 毫米的非金属管道,偏离管道中心线的距离不得超过管径的二分之一。之所以要蛇形走,是因为这类管子上方声场分布不均匀,直线推进容易从偏离中心线的漏点旁边擦过去。
管件对声传播的影响是双向的。一方面接头与三通造成声阻抗突变,每次穿过都有损失,管件越多可覆盖距离越短,所以第 6.2.2 条要求间距随管件增多而递减。另一方面这些管件又是塑料管上仅有的可接触点,数量多反而便于布点。现场处理办法是把两类信息一起记进台账:管材、管径、管件密度、可接触点位置四项一并登记,定间距时按管件密度收,选点位时按可接触点放。
管材差异落到工作量上,差别相当可观。一段 1 公里的直管段,按表 6.2.2 的上限布设,钢管约需 5 台记录仪,塑料管按 60 米一档需要 17 台。这不是说塑料管一定要按 60 米布,而是说在同等覆盖要求下,塑料管的设备投入约为钢管的三倍。若再叠加第 6.2.2 条的三条递减修正——大口径、低压、管件密集——塑料管的实际数量还要往上走。这一点常被忽略。
同样的 1 公里管线用地面听音法普查,金属管道按 2.0 米步长约需 500 个测点,非金属管道按 1.0 米步长约需 1000 个测点。测点数翻倍意味着作业时间翻倍,也意味着人员状态对结果的影响变大——连续听几百个点之后,判断力下降是普遍现象。因此非金属管段的普查更适合先用噪声记录仪圈定异常管段,再把听音工作量压到可疑区段内,而不是全线铺开。
规程第 7.3.4 条要求漏水异常点附近加密测点,间距不宜大于 0.2 米。加密的收益是把位置收窄到可开挖的范围,代价是时间。这里有个配比问题:粗查阶段的步长按管材定,加密阶段的步长与管材关系不大,因为此时已经贴近漏点,信号强度足够,决定精度的是步长本身。把加密资源集中在管材条件差的管段上收效有限,集中在信号已经显现但位置模糊的区段上更有用。
这是出现频率高的一类。作业人员习惯了钢管上 200 米的间距,换到塑料管段不改参数,结果两台记录仪之间留出大段盲区,漏点落在盲区里便完全测不到。这类漏判在复查时很难发现,因为记录仪的数据本身是正常的,异常只是没被任何一台设备覆盖到。规避办法是布点前先核实管材,把间距按 60 米一档重新算一遍,宁密勿疏。覆盖不能留空。
复合管带钢字,容易被当成金属管处理。钢丝网骨架聚乙烯管的骨架确实是钢,但骨架截面小、且是否被接头隔断要看连接方式。判定顺序应该是:先看有没有连续金属骨架,再看骨架能否在两端接触到,两项都成立才按接近金属管处理,否则按非金属管处理。玻璃钢管与预应力钢筒混凝土管要各自单独判断,不与前一类混为一谈。
把相关分析法的滤波数值套到听漏仪上,把噪声记录仪的布设间距表当成听音法的测点间距,都属于拿 A 方法的条款要求 B 方法的设备。规程按方法分章,第 6 章是噪声法、第 7 章是听音法、第 8 章是相关分析法,各章的指标服务于各自的方法。引用前先确认条款所在章节与所用方法是否对应,这条规则看似简单,实际是现场引错条文的主要来源。
球墨铸铁排在灰口铸铁之后已经说明了问题:接口形式的影响可以盖过材质本身。现场拿到一段管子,除材质名称外还应确认接口类型、管壁厚度、是否有内衬。同一材质、不同接口的管段,覆盖距离可能差出一档。这些信息在竣工图上未必齐全,老旧管网要靠开挖记录与井室观察补齐。参数要跟着改。
听澜由北京康高特(KGT)自主研发,采用压电陶瓷传感器,灵敏度不低于 1600 皮库仑每克,监测量程 200 米,并可根据管道类型灵活调整。200 米这一档与规程表 6.2.2 给钢管的上限一致,用在其他管材上要按分档收窄。
设备通过 4G Cat1 全网通与蓝牙通信,多终端可登录供水管网在线监测系统,用看频谱与听声音两种方式研判,系统给出关键噪声值与泄漏信度因素,以 0 至 99 的数字量化,并用绿、黄、红三色区分无漏、疑似漏、确认漏三种情形。布设支持固定、流动、临时三种模式,强磁吸附,不锈钢主体,防护等级 IP68,工作温度 -20 摄氏度至 70 摄氏度,超过 60 摄氏度需加装隔热探头。传感器端带 64 兆比特闪存,支持 30 天本地存储,另有服务器端云存储,整机重量 800 克。官方给出的布置原则可直接参照:安装位置应选供水管道、阀门、水表、消防栓、排气阀等管道可接触的金属部分,接触表面要清洁。安装间距随管径增大而减小、随管材硬度减弱而减小、随管道压力减小而减小,弯头三通等管件增多也会影响间距。后半句与规程第 6.2.2 条的三条递减规定方向一致。
PLD-11 同样由北京康高特(KGT)自主研发,采集沿管壁与土壤传播的漏水噪声,放大滤波后辅助定位。它带自动滤波与频谱分析,连续测量模式的滤波范围为 0 至 6000 赫兹。数字滤波高通 24 档,覆盖 0 至 3150 赫兹,低通 24 档,覆盖 20 至 4000 赫兹。模拟滤波低通有 100、200、400 赫兹三档,高通有 600、800、1200 赫兹三档。增益 46 分贝,信号强度显示 0 至 100,处理器为 144 兆赫兹 32 位,输入阻抗 1 兆欧,畸变小于百分之一。供电为 8 安时聚合物充电电池,背景灯常亮可用 16 小时,节电模式可用 20 小时,充电不超过 4 小时。配 64 吉字节存储卡,5 英寸 TFT 液晶触摸屏加按键,支持蓝牙、WAPI、USB 三种方式,可连手机软件在地图上标记漏水点位。控制单元防护等级 IP54,操作温度 -15 摄氏度至 50 摄氏度,湿度 0 至 95 百分比且无冷凝。拾音器防护等级 IP67,可在水深 1 米处停留 30 分钟,直径 78 毫米、高 50 毫米,重 580 克。标配工业级降噪耳机。档位给得细。
听澜对应规程第 6 章的噪声法,交出的是异常管段。PLD-11 对应第 7 章的听音法,交出的是异常点。两者在管材上的敏感点不同。听澜受布设间距约束,管材通过间距上限影响覆盖完整性。PLD-11 受测点步长与可接触点约束,管材通过第 7.3.4 条的两米与一米影响普查工作量。用听澜圈段、用 PLD-11 定点,是管材条件复杂时的稳妥组合。需要说明的是,PLD-11 属听音法设备,规程第 8.2.5 条那两个按管材划分的滤波数值不适用于它。
规程表 6.2.2 未单列复合管。处理办法是按声传播路径的主体判断:金属骨架纵向连续且两端可接触,按接近金属管估间距并留出余量。骨架被塑料层隔断或整体无金属骨架,则按非金属管的 60 米一档处理。判断依据要在台账里写清,便于后续复盘。
贴在阀门、水表、消火栓、排气阀等金属附属设施上,这是规程第 6.2.3 条给出的布设位置。塑料管体本身没有可吸附的金属面,测点只能围绕附属设施分布,附属设施稀疏的管段要接受覆盖不完整这一现实,或改用流动布点补测。盲区查不出来。
主要不是材质,是接口。球墨铸铁管普遍用橡胶圈柔性接口,声阻抗与铸铁相差大,每个接口都造成一次透射损失。加上管壁较薄、纵向刚度小,两项叠加后落在 80 米这一档。灰口铸铁管管壁厚、刚性强,接口多为刚性承插,落在 150 米这一档。
取损耗大的那一档。混杂管段若按条件好的材质布点,条件差的区段便会出现盲区,而盲区里的漏点不会被任何一台设备记录到,复查时也看不出异常。宁密勿疏是这里的通用原则,首轮数据回收后再对确实安静的区段适当放宽。
不能。这一条在第 8 章相关分析法里,约束对象是相关仪的滤波器设置。听漏仪属听音法,适用第 7 章,第 7.1.3 条只要求具备滤波功能与多级放大功能,没有给按管材划分的频率数值。先查管材。
规程第 8.1.3 条要求相关仪具备声速测量功能,现场可实测。实测时注意传感器必须放在同一条管道上、接触良好,且管段长度量取准确。声速取值的影响与漏点到中点的距离成正比,漏点靠近中点时对结果影响小,偏离中点时影响被放大。
规程对听音法与相关分析法都要求压力不小于 0.15 兆帕。低于这个压力,漏点喷射流速不足,声源强度弱,各类管材上的可测距离都会缩短。此时可改用噪声记录仪长期监测,用夜间低流量时段的数据积累弥补单次测量的不足。
规程第 7.3.5 条给出专门做法:管径大于 300 毫米的非金属管道,宜沿管道走向成 S 形推进听测,偏离管道中心线的距离不应超过管径的二分之一。大口径非金属管上方声场分布不均,直线推进容易把漏点漏掉。若埋深又超过 2.0 米,地面听音难以为继,要考虑钻孔听音。
第 7.3.2 条给出地面听音的埋深上限是 2.0 米。超过后管壁辐射到地表的信号衰减过大,改用钻孔听音,把听音杆直接送到管体,每处钻孔不宜少于 2 个、两钻孔间距不宜大于 50 厘米。钻孔前要先掌握漏水异常点附近其他管线的资料。
管材对漏水探测的影响,落点不在某一个参数上,而是贯穿整条作业链:它决定布点能铺多开,决定滤波窗口往哪开,决定相关分析里声速填多少,也决定普查工作量有多大。规程表 6.2.2 用五个数字把这种差别固定下来,钢 200 米、灰口铸铁 150 米、水泥 100 米、球墨铸铁 80 米、塑料 60 米,这五档是现场可以直接查用的依据。复合管没有出现在表里,处理原则是看声传播路径的主体在哪一层,骨架连续且可接触按接近金属管处理,骨架断开按非金属管处理。至于按管材设定滤波、按管材输入声速,则分别属于相关分析法一章与听音法一章的要求,引用前先确认条款归属,是避免张冠李戴的一道关口。把管材这一项在作业前查清楚,比事后调设备有用得多。