在线监测及自修复型智能管材.pdf

在线监测及自修复型智能管材，涉及一种带在线监测及自修复功能的市政供水管材，目的是解决现有的给水管道漏失率高，难以实时监测，修复周期长的问题。本发明的在线监测及自修复功能型智能管材分内管和外管两层，其中内管与外管相距10mm，内管外壁贴有沿管道轴向敷设的分布式光纤，且在每根管段的首端，中间以及末端分布式光纤都沿管道环向一周，用于监测管道的环向应变。外管和内管被环状的一号凸起分隔成若干宽200mm的独立腔体，各独立腔体之间互不渗水，每个独立腔体中的外管内壁贴有厚度为5mm的膨胀橡胶，当内管破裂后膨胀橡胶能吸水膨胀，一方面挤压沿管道轴向敷设的分布式光纤，产生报警信号，另一方面能紧贴内管外壁，对漏点进行临时性修复。

1.在线监测及自修复型智能管材，其特征在于，该装置包括外管(1)、膨胀橡胶(2)、内
管(3)和分布式光纤(4)；
所述外管(1)和内管(3)呈圆筒状，材质与现有市政供水管道材质相同(铸铁或聚乙
烯)，外管(1)和内管(3)中间留有10mm的中空层，中空层被等距的一号凸起分隔成宽200mm
的独立腔体，在每个独立腔体中的外管(1)内壁贴有厚度为5mm的膨胀橡胶(2)，膨胀橡胶
(2)与内管(3)外壁之间有5mm的空隙。在内管外壁最底部有一条分布式光纤(4)沿管道轴向
铺设，用于在线监测管道的漏失情况。分布式光纤(4)在每个独立腔体内通过环氧树脂与内
管外壁粘接，为确保分布式光纤对管道对管道应变监测的准确性，在粘接前应是分布式光
纤处于预拉紧状态，此外，在穿过一号凸起的小孔处也用环氧树脂粘结，以确保相邻两腔体
之间不透水。
2.根据权利要求1所述的在线监测及自修复型智能管材，其特征在于，该管道首端与末
端各有一个一号凹槽(6)，位于外管(1)和内管(3)之间，一号凹槽(6)宽10mm，厚度10mm，用
于收纳和保护管道连接部位熔接后的光纤。
3.根据权利要求1所述的在线监测及自修复型智能管材，其特征在于，所述一号凸起
(5)在靠近内管(3)外壁处有一个一号圆孔(5-1)，用于穿插分布式光纤(4)，并且在分布式
光纤(4)与一号圆孔(5-1)的空隙处涂覆加入环氧树脂，以确保不同空腔之间的密封性。
4.根据权利要求1所述的在线监测及自修复型智能管材，其特征在于，所述分布式光纤
除沿管道轴向敷设外，在管段首端，末端以及中部均绕管道环向一周，用于监测管道环向应
变，为提高监测灵敏度，在光纤与管道环向接触处用环氧树脂粘接固定。

在线监测及自修复型智能管材

技术领域

本发明涉及一种带在线监测及自修复功能的市政供水管材。

背景技术

降低给水管道的漏失率一直是市政供水领域的一大难题。许多供水管道由于服役
时间较长，材料老化、腐蚀现象严重，漏失事故时有发生，即使是新铺设的给水管道，由于管
内供水压力的突变或者外部荷载的影响，其漏失率也难以控制在允许范围内。目前常用的
管道健康监测技术(如听音棒，电子放大听漏仪等)难以实现对所有供水管道的实时监测，
并且即使发现漏点，由于给水管道埋地的特性，从发现漏失到完全修复通常历时较长，而在
这期间漏点一直持续漏水，这不但造成水资源的浪费，对周围的土质情况也有较大影响。

发明内容

本发明的目的是解决现有的埋地给水管道在线健康监测难度大，从发现漏失到修
复所需周期长等问题。

本发明所述的在线监测及自修复型智能管材包括外管(1)、膨胀橡胶(2)、内管(3)
和分布式光纤(4)；

所述外管(1)和内管(3)呈圆筒状，材质与现有市政供水管道材质相同(铸铁或聚
乙烯)，外管(1)和内管(3)中间留有10mm的中空层，中空层被等距的一号凸起分隔成宽
200mm的独立腔体，在每个独立腔体中的外管(1)内壁贴有厚度为5mm的膨胀橡胶(2)，膨胀
橡胶(2)与内管(3)外壁之间有5mm的空隙。在内管外壁最底部有一条分布式光纤(4)沿管道
轴向铺设，用于在线监测管道的漏失情况。分布式光纤(4)在每个独立腔体内通过环氧树脂
与内管外壁粘接，在穿过一号凸起的小孔处也用环氧树脂粘结，以确保相邻两腔体之间不
透水。

本发明所述的在线监测及自修复型智能管材能实现市政供水管道的分布式实时
监测，最大监测距离可达几十公里甚至上百公里，足以覆盖整个城市的输配水管网。当管网
中某点发生漏失，一方面该漏失点周围将产生局部压降，而在每段智能管材的两端及中间
都有环向敷设的分布式光纤，用于监测管道的环向应变。漏失产生的压降将导致管道产生
微小的收缩应变，从而被环向敷设的分布式光纤监测到，并以后向散射光的形式通过分布
式光纤向监测中心报警；另一方面产生漏失的原因必然是智能管材的内管发生破裂，则漏
出的水将迅速充满破裂处所在的腔体，粘贴在外管内壁的膨胀橡胶被浸泡在水中，数小时
后膨胀橡胶发生膨胀，挤压敷设在内管外壁的分布式光纤，从而使其产生应变，向监控中心
发出报警信号。由于各腔体之间相对独立，无法透水，因此除漏失点所在腔体外其余腔体中
仍然保持干燥。以上两方面的报警方法可以有效降低误报率，且沿管道环向敷设的分布式
光纤还能监测管道平时正常运行时管内压力的实时变化，有助于建立相应的管道压力数据
库。此外，由于腔体内空间有限，而膨胀橡胶在吸水膨胀后其自由膨胀率可达吸水前的6倍
以上，在空间有限的腔体内吸水后的膨胀橡胶将产生一定压力，使其紧贴在漏失部位，从而
起到临时自主修复的效果。

附图说明

图1为实施方式一所述的在线监测及自修复型智能管材的纵剖面图；

图2为实施方式一所述的在线监测及自修复型智能管材的纵剖面局部放大图；

图3为实施方式四中的在线监测及自修复型智能管材的横截面图；

图4为实施方式四中的在线监测及自修复型智能管材的横截面局部放大图；

图5为实施方式三所述的的一号凹槽的结构示意图；

图6为实施方式三所述的的一号凸起的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的在线监测及
自修复型智能管材包括外管(1)、膨胀橡胶(2)、内管(3)和分布式光纤(4)；

所述外管(1)和内管(3)呈圆筒状，材质与现有市政供水管道材质相同(铸铁或聚
乙烯)，外管(1)和内管(3)中间留有10mm的中空层，中空层被等距的一号凸起分隔成宽
200mm的独立腔体，在每个独立腔体中的外管(1)内壁贴有厚度为5mm的膨胀橡胶(2)，膨胀
橡胶(2)与内管(3)外壁之间有5mm的空隙。在内管外壁最底部有一条分布式光纤(4)沿管长
方向敷设，用于在线监测管道的漏失情况。分布式光纤(4)在每个独立腔体内通过环氧树脂
与内管外壁粘接，在穿过一号凸起的小孔处也用环氧树脂粘结，以确保相邻两腔体之间不
透水。

具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述的在线监测及自修复型智能管
材的进一步限定，本实施方式中，给水管道在运行时，一般均为有压满流，因此管道内部的
水流会使管壁发生膨胀，从而导致管道外壁产生环向变形，根据材料力学公式可知管道环
向应变计算公式：

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

式中：

εy为管道外壁环向应变；

σy为管道环向应力；

υ为泊松比；

σz为管道轴向应力；

E为管道的弹性模量

通常单根管段的长度远远大于管径，因此可以忽略管段膨胀过程中的轴向应力，
上式变形为：

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

取长为l的管段进行受力分析，则管道内水的压力与管道应力之间的关系如下：

Pdl＝σy2hl (4-3)

式中：

P为管道内部水压；

D为管道内径；

l为管段长度；

H为管道壁厚；

由式(4-2)与式(4-3)可得管道环向应变计算公式：

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

当管道中某点发生漏失时，漏失点后的流量会有所减小，流速也会相应减小，由水
力学中的伯诺里方程可知：

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

式中：

z1，z2为漏失点前后的位置水头，试验中z1＝z2；

p1，p2为漏失点前后管内水的静压强；

v1，v2为漏失点前后的水流速度；

hw12为漏失点处的水头损失。

α为动能修正系数，α＝1.05～1.10，在初步计算时可取α＝1；

由式(4-5)可知，漏失前后管道的压强差：

Δp＝ρ(v22-v12)+ρghw12

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)$

从式(4-6)可以看出，管道产生环向应变的主要原因是漏失点前后水流速度的变
化和漏失点局部水头损失的变化，因此可以通过在管道环向敷设分布式光纤，从而达到对
管道漏失的分布式在线监测效果。

具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的在
线监测及自修复型智能管材的进一步限定，本实施方式中，所述一号凹槽(6)宽10mm，厚
10mm，位于管道端部的内管与外管之间，靠近管道外侧一段开口，靠近管道内侧一段通过一
号凸起(5)与相邻的独立腔体分隔。

具体实施方式四：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的在
线监测及自修复型智能管材的进一步限定，本实施方式中，所述一号凸起(5)为环状，沿管
道轴向等距设置，将外管(1)与内管(3)分隔成若干个宽200mm的独立腔体。在一号凸起(5)
于内管(3)外壁接触部位开有小孔(5-1)，用于穿过分布式光纤，并用环氧树脂填充小孔与
分布式光纤间的空隙，以确保相邻腔体之间的密封性。