CN108139291B

CN108139291B - 用于管线状况分析的方法和系统

Info

Publication number: CN108139291B
Application number: CN201680053725.4A
Authority: CN
Inventors: 公劲喆; 马丁·F.·兰伯特; 安格斯·R.·辛普森; 亚伦·C.·塞科新; 妮可·S.·艾尔本
Original assignee: University of Adelaide
Current assignee: University of Adelaide
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2016-07-15
Publication date: 2021-01-01
Anticipated expiration: 2036-07-15
Also published as: US10851947B2; EP3325935A1; CN108139291A; WO2017011850A8; ES2878002T3; EP3325935B1; WO2017011850A1; AU2016297671A1; AU2016297671B2; US20180356046A1; EP3325935A4

Abstract

公开了一种用于评估管线系统中的管线的状况的方法和系统。所述方法包括：在沿着管线系统的产生位置处、在正被沿着管线系统运送的流体中产生压力波；在沿着管线系统的第一测量位置处检测第一压力波相互作用信号，第一压力波相互作用信号是由压力波与管线中的局部变化的相互作用得到的；然后在沿着管线系统的第二测量位置处同步地检测第二压力波相互作用信号，第二压力波相互作用信号是由压力波与管线中的局部变化的相互作用得到的。所述方法然后包含：比较第一压力波相互作用信号和第二压力波相互作用信号以相对于产生位置来确定第一压力波相互作用信号和第二压力波相互作用信号中的单个的特征的位置，所述单个的特征对应于来自管线中的局部变化的压力波反射；并且表征所述单个的特征以评估管线的状况。

Description

用于管线状况分析的方法和系统

优先权文件

本申请要求2015年7月17日提交的标题为“METHOD AND SYSTEM FOR PIPELINECONDITION ANALYSIS”的澳大利亚临时专利申请No.2015902846的优先权，该申请的内容特此整个地通过引用并入。

通过引用的并入

以下出版物在本申请中被提到，并且它们的内容特此整个地通过引用并入：

以Adelaide Research&Innovation Pty Ltd的名义提交的、标题为“METHOD ANDSYSTEM FOR ASSESSMENT OF PIPELINE CONDITION”的国际专利申请No.PCT/AU2009/001051(WO/2010/017599)；

Gong J、Simpson AR、Lambert MF等人,“Detection of distributeddeterioration in single pipes using transient reflections”,J Pipeline SystEng Pract,2013；4:32–40；以及

Gong J、Lambert MF、Simpson AR和Zecchin AC.“Distributed deteriorationdetection in single pipes using the impulse response function”,14thInternational Conference on Water Distribution Systems Analysis(WDSA 2012),Adelaide,South Australia:Engineers Australia,2012；702-719。

技术领域

本公开涉及评估管线系统的状况。以具体的形式，本公开涉及利用在被管线系统运送的流体中产生的压力波来评估管线段。

背景技术

输配水管线是用于现代城市的关键基础设施。由于网络的绝对规模以及大部分管线被埋入地下的事实，该基础设施的健康监视和维护是个挑战。类似地，管道和管线系统可以用于输送从石油产品到天然气的范围内的任何数量的类型的流体。尽管若干技术已经被开发用于管线状况评估，包括目视检查(例如，闭路电视(CCTV)检查)、电磁法(例如，漏磁通法和探地雷达)、声学法和超声法(例如，导波超声检查)，但是它们在许多情况下具有侵入性、成本太高和/或对于大型网络来说效率低下。

已经被采用来对管线系统状况进行非侵入性评估的一种技术是使用压力波或流体瞬态(比如水锤波)。流体瞬态是在流体中沿着管线传播的压力波。用于检测管线系统中的故障的一个示例压力波是通过在稳态流动状况已经被建立之后突然地关闭侧排放阀而产生的阶跃压力波。管壁中的物理变化(比如由于腐蚀而导致的泄漏或壁变薄)然后可以引入来自原始压力波与管线系统中的物理变化相互作用的压力波反射。反射波然后朝向初始压力波的源(例如，侧排放阀)传播，在该源处，它可以被安装在管线系统上的现存的可接入点上的压力换能器(比如空气阀或消防栓接入点)测量。波反射的到达时间然后可以在理论上被用来用反射的幅度确定缺陷的位置，反射的幅度指示引起反射的物理变化的严重性。

在我们早期的标题为“METHOD AND SYSTEM FOR ASSESSMENT OF PIPELINECONDITION”的PCT专利申请No.PCT/AU2009/001051(WO/2010/017599)中，申请人在这里公开了一种用于基于逆瞬态分析(ITA)来确定管线状况中的多个变化的位置和广度的方法和系统，逆瞬态分析(ITA)采用迭代方法来基于优化技术确定管线的全部状况评估。虽然该方法已经非常成功，但是对于复杂的管线系统，它可能变得计算极其密集。在不需要非常详细的状况评估的情况下，还有在关于管线中的现存缺陷可能存在一些先验了解的情况下，需要计算不是如此密集的替代方法。

发明内容

在第一方面，本公开提供了一种用于评估管线系统中的管线的状况的方法，该方法包括：

在沿着管线系统的产生位置处、在正被沿着管线系统运送的流体中产生压力波；

在沿着管线系统的第一测量位置处检测第一压力波相互作用信号，所述第一压力波相互作用信号是由压力波与管线中的局部变化的相互作用得到的；

在沿着管线系统的第二测量位置处同步地检测第二压力波相互作用信号，所述第二压力波相互作用信号是由压力波与管线中的局部变化的相互作用得到的；

比较第一压力波相互作用信号和第二压力波相互作用信号以相对于产生位置来确定第一压力波相互作用信号和第二压力波相互作用信号中的单个的特征的位置，所述单个的特征对应于来自管线中的局部变化的压力波反射；以及

表征所述单个的特征以评估管线的状况。

在另一形式中，比较第一压力波相互作用信号和第二压力波相互作用信号包括通过时间平移来比较第一压力波相互作用信号和/或第二压力波相互作用信号以确定单个的特征的位置。

在另一形式中，通过时间平移来比较第一压力波相互作用信号和/或第二压力波相互作用信号以确定单个的特征的位置包括确定局部变化位于产生位置的哪一侧。

在另一形式中，确定局部变化位于产生位置的哪一侧包括：

选择一个测量位置作为参考测量位置，参考测量位置不位于产生位置处；

对于每个剩余的测量位置，确定每个剩余的测量位置：

是位于产生位置的与参考测量位置相同的一侧；

还是位于产生位置的与参考测量位置相比的相对侧；还是

位于产生位置处；

对位于产生位置的与参考测量位置相同的一侧的那些测量位置的相应的压力波相互作用信号应用负的时间平移(在时间上向后)，所述负的时间平移对应于压力波从产生位置行进到相应的测量位置所花费的时间间隔；

对位于产生位置的与参考测量位置相比的另一侧的那些测量位置的相应的压力波相互作用信号应用正的时间平移(在时间上向前)，所述正的时间平移对应于压力波从产生位置行进到相应的对置的测量位置所花费的时间间隔；

对位于产生位置处的那些测量位置的相应的压力波相互作用信号不应用时间平移；以及

识别时间平移后的压力波相互作用信号中的共同特征，所述共同特征对应于位于产生位置的与参考测量位置相比的另一侧的局部变化的子集。

在另一形式中，所述方法包括：

对位于产生位置的与参考测量位置相同的一侧的那些测量位置的相应的压力波相互作用信号应用正的时间平移，所述正的时间平移对应于压力波从产生位置行进到相应的测量位置所花费的时间间隔；

对位于产生位置的与参考测量位置相比的另一侧的那些测量位置的相应的压力波相互作用信号应用负的时间平移，所述负的时间平移对应于压力波从产生位置行进到相应的对置的测量位置所花费的时间间隔；

识别时间平移后的压力波相互作用信号中的共同特征，所述共同特征对应于位于产生位置的与参考测量位置相比的同一侧的局部变化的子集。

在另一形式中，所述方法包括将参考测量位置变到位于产生位置的另一侧的测量位置。

在另一形式中，参考测量位置对应于假想测量位置。

在另一形式中，表征单个的特征以评估管线的状况包括对第一压力波相互作用信号和第二压力波相互作用信号中的与来自管线中的局部变化的压力波反射相对应的单个的特征应用阈值标准以确定局部变化是否是管线系统的液压特征和/或组件。

在另一形式中，确定局部变化是否是管线系统的液压特征和/或组件包括将压力波反射分类为对应于液压特征和/或组件的类型。

在另一形式中，液压特征的类型包括以下中的一个或多个：

管材料的变化；

管直径的变化；

管衬的变化；

管壁厚度的变化；或

管类的变化。

在另一形式中，液压组件的类型包括以下中的一个或多个：

阀；

从管线延伸的闭合的或敞开的分支管线段；

排出管；

蓄水池；或

水槽。

在另一形式中，液压组件的阀类型包括以下阀子类型中的一个或多个：

单向阀(被部分地或完全地关闭)；

冲刷阀；

在分支管线的入口上的阀(被部分地或完全地关闭)；或

空气阀。

在另一形式中，确定局部变化是否是管线系统的液压特征和/或组件包括将局部变化与关于管线系统的先验信息相关连以确定液压特征和/或组件是已登记的、还是未登记的。

在另一形式中，表征单个的特征以评估管线的状况包括应用阈值标准来识别第一压力波相互作用信号和第二压力波相互作用信号中的主要压力波反射。

在另一形式中，所述方法包括基于造成主要压力波反射的局部变化的位置来将管线划分为子段。

在另一形式中，所述方法包括确定每个子段的特性。

在另一形式中，所述特性是每个子段的波速。

在另一形式中，所述特性是每个子段的阻抗。

在另一形式中，所述特性是每个子段的位置和广度。

在另一形式中，所述特性是每个子段的等同壁厚度。

在另一种形式中，表征单个的特征以评估管线的状况包括应用阈值标准来识别第一压力波相互作用信号和第二压力波相互作用信号中的与管线中的局部缺陷相对应的显著压力波反射。

在另一种形式中，将显著压力波反射分类为对应于局部缺陷的类型。

在另一种形式中，局部缺陷的类型包括以下中的一个或多个：

管线中具有显著壁劣化的短距离；

泄漏；

堵塞；或

气陷。

在另一种形式中，所述方法包括确定管线中的局部缺陷的位置。

在第二方面，本公开提供了一种用于评估管线系统中的管线的状况的系统，该系统包括：

压力波产生器，用于在沿着管线系统的产生位置处、在正被沿着管线系统运送的流体中产生压力波；

第一压力检测器，用于在沿着管线系统的第一测量位置处检测第一压力波相互作用信号，所述第一压力波相互作用信号是由压力波与管线中的局部变化的相互作用得到的；

第二压力检测器，用于在沿着管线系统的第二测量位置处同步地检测第二压力波相互作用信号，所述第二压力波相互作用信号是由压力波与管线中的局部变化的相互作用得到的；以及

数据处理器，用于：

表征所述单个的特征以评估管线的状况。

在一种形式中，比较第一压力波相互作用信号和第二压力波相互作用信号包括通过时间平移来比较第一压力波相互作用信号和/或第二压力波相互作用信号以确定单个的特征的位置。

在第三方面，本公开提供了一种用于评估管线系统中的管线段的状况的方法，该方法包括：

在正被沿着管线系统运送的流体中产生第一压力波，所述第一压力波是在管线段的上游或下游的位置处产生的；

在沿着管线系统的第一组一个或多个测量位置处检测第一压力波响应信号；

在正被沿着管线系统运送的流体中产生第二压力波，如果第一压力波是在管线段的上游产生的，则第二压力波是在管线段的下游的位置处产生的，或者可替代地，如果第一压力波是在管线段的下游产生的，则第二压力波是在管线段的上游的位置处产生的；

在沿着管线的第二组一个或多个测量位置处检测第二压力波响应信号；

通过时间平移来比较在第一组测量位置和第二组测量位置处测得的第一压力波响应信号和第二压力波响应信号以识别在第一压力波响应信号和第二压力波响应信号中测得的压力波反射的源位置和方向；

根据压力波反射的源位置的选择来将管线段划分为两个或更多个子段；以及

基于管线段的每个子段的局部表征来评估管线段的每个子段的状况。

附图说明

将参照附图来讨论本公开的实施例，其中：

图1是根据替代实施例的用于评估管线系统中的管线的状况的方法的流程图；

图2是描绘根据替代实施例的压力波产生器和相关联的测量位置的一个布置的示例管线系统；

图3是根据替代实施例的用于相对于产生位置来确定压力波相互作用信号中的单个的特征的位置的方法的流程图；

图4a是对于图1所示的示例管线系统检测到的压力波相互作用信号的绘图；

图4b是图4a所示的压力波相互作用信号被时间平移后的绘图，该压力波相互作用信号被用来确定与来自如所描绘的产生器的左手侧的反射相对应的单个的特征的位置；

图4c是图4a所示的压力波相互作用信号被时间平移后的绘图，该压力波相互作用信号被用来确定与来自如所描绘的产生器的右手侧的反射相对应的单个的特征的位置；

图5是描绘根据替代实施例的压力波产生器和相关联的测量位置的替代布置的示例管线系统；

图6a是对于图5所示的示例管线系统检测到的压力波相互作用信号的绘图；

图6b是图6a所示的压力波相互作用信号被时间平移后的绘图，该压力波相互作用信号被用来确定与来自如所描绘的产生器的左手侧的反射相对应的单个的特征的位置；

图6c是图6a所示的压力波相互作用信号被时间平移后的绘图，该压力波相互作用信号被用来确定与来自如所描绘的产生器的右手侧的反射相对应的单个的特征的位置；

图7是描绘根据替代实施例的压力波产生器和相关联的测量位置的一个布置的示例管线系统；

图8a是对于图7所示的示例管线系统检测到的压力波相互作用信号的绘图；

图8b是图8a所示的压力波相互作用信号被时间平移后的绘图，该压力波相互作用信号被用来确定与来自如所描绘的产生器的右手侧的反射相对应的单个的特征的位置；

图8c是图8a所示的压力波相互作用信号被时间平移后的绘图，该压力波相互作用信号被用来确定与来自如所描绘的产生器的左手侧的反射相对应的单个的特征的位置；

图9是根据替代实施例的用于表征压力波相互作用信号的单个的特征的方法的流程图；

图10是用于将管线划分为子段并且确定每个段中的波速的方法的流程图；

图11是根据替代实施例的用于评估管线的子段的示例管线系统测试构造；

图12a是用于图11所示的示例管线测试构造的压力波相互作用信号的绘图；

图12b是用于图11所示的示例管线测试构造的压力波相互作用信号的另一绘图；

图13是根据替代实施例的用于确定管线中的局部缺陷的方法的流程图；

图14是根据替代实施例的用于评估管线的感兴趣段的示例管线系统测试构造；

图15是根据另一替代实施例的用于评估管线的感兴趣段的示例管线系统测试构造；

图16是根据又一替代实施例的用于评估管线的感兴趣段的示例管线系统测试构造；

图17是根据进一步的实施例的用于评估管线的感兴趣段的示例管线系统测试构造；

图18是根据替代实施例的用于评估管线的感兴趣段的示例管线系统测试构造；

图19是根据替代实施例的位于澳大利亚维多利亚的被评估的石棉水泥(AC)管线的感兴趣段的布局图；

图20是图19所示的不同类的AC管线的理论波速的绘图，该理论波速是壁厚度的函数；

图21是无量纲头部扰动的变化的绘图，该变化是根据图19所示的不同类的AC管线的壁厚度的各种相对变化；

图22是用于图19所示的感兴趣段的时间平移后的压力波相互作用信号的绘图；

图23是时间平移后的压力波相互作用信号的绘图，该图描绘显著压力波反射；

图24是根据替代实施例的用于评估软钢水泥砂浆衬里(MSCL)管线的示例管线系统测试构造；

图25是完整的MSCL管线的截面图；

图26(a)-(d)是MSCL管线的四个段的纵视图，这些图指示壁厚度变化的不同情形；

图27是图26(a)和(b)所示的管线段S1和S2的无量纲头部扰动的绘图，该无量纲头部扰动是等同钢厚度的相对变化的函数；

图28是图26(c)所示的管线段S3的无量纲头部扰动的绘图，该无量纲头部扰动是等同钢厚度的相对变化的函数；

图29是图26(d)所示的管线段S4的无量纲头部扰动的绘图，该无量纲头部扰动是等同钢厚度的相对变化的函数；

图30是对于图26所示的管线段S1至S4计算的无量纲头部扰动的绘图；

图31是位于南澳大利亚摩根的MSCL管线(即，摩根传输管线)的示例管线系统测试构造；以及

图32是在图31上指示的测量位置AV43处测得的指示压力波反射R1至R7的压力波相互作用信号的绘图。

在以下描述中，相似的标号在附图中始终指定相似的或对应的部分。

具体实施方式

现在参照图1，示出了根据替代实施例的用于评估管线系统中的管线的状况的方法中的步骤100。还参照图2，示出了将帮助描述用于评估图1所示的管线的方法的示例管线系统200。管线系统200包括由管线200中的若干个局部变化组成的管线210，由于来自这些局部变化的任何压力波反射，这些局部变化将引起压力波相互作用信号。这些示例局部变化中的第一个是从管线210延伸的闭合短分支220。如将意识到的是，这些短分支由连接液压组件(比如阀或消防栓)的管线段组成。能够引起反射形式的压力波相互作用信号的第二局部变化是管线系统200的直径缩小段240。直径缩小段可以是设计的特征，或者是由于堵塞扩大而导致的。

在步骤110，在沿着管线系统的产生位置处、在正被沿着管线系统运送的流体中产生压力波。如图2所示，描绘了位于产生位置250处的压力波产生装置G。在该例子中，压力波产生装置还包括测量管线210中的压力的测量能力M1，因此也对应于第一测量位置260A。该例子中的管线系统200还包括在第二测量位置260B处的附加的压力测量位置M2以及位于第三测量位置260C处的进一步的压力测量位置M3，在第二测量位置260B处，安置有专用的压力测量装置。在该例子中，管线系统200、附加的压力测量位置M2和M3位于产生位置250的任一侧。

在一个说明性实施例中，压力波产生器G是连接到管线系统210的现有接入点225(比如空气阀或冲刷阀)的定制排放阀。可以通过首先打开排放阀、释放一流量、直到达到稳态状况(或接近于稳态状况)来引入受控的阶跃压力波(通常幅值为5-10m)。作为例子，对于直径在600至1000mm范围内的管道，对于稳态流动，排放量通常将在20-40L/s的范围内。一旦稳态流动已经被实现，然后就快速地关闭排放阀，通常在10ms内。这具有逐步地停止由于先前打开排放阀而被建立的沿着管道的流体流动的效果。产生的压力波然后从压力波产生器G在左222和右224两个方向上沿着管线210传播。产生压力波的其他手段包括但不限于内联阀关闭装置和活塞室，它们将一定量的流体抽取到包含活塞的室中，该活塞然后被操作。

在步骤120，通过组合的压力产生和测量装置G/M1来在沿着管线系统200的第一测量位置260A处检测第一压力波相互作用信号，第一压力波相互作用信号是由压力波与管线210中的局部变化的相互作用得到的。压力测量装置通常包括压力换能器和对应的数据获取系统，该数据获取系统一般由放大器、模数(A/D)转换器和计算机组成。

在步骤130，在沿着管线系统200的第二测量位置260B处同时地或同步地检测第二压力波相互作用信号，第二压力波相互作用信号是由压力波与管线中的局部变化的相互作用得到的。如将意识到的是，本方法不限于两个测量位置，所以在该例子中，再次与第一测量位置处的检测同时地或同步地还在第三测量位置260C处检测第三压力波相互作用信号。在压力波产生器G不另外包括压力测量能力的例子中，第二测量位置可以对应于测量位置260C。

在步骤140，比较已经同时测得的第一压力波相互作用信号和第二压力波相互作用信号以相对于产生位置G来确定第一压力波相互作用信号和第二压力波相互作用信号中的单个的特征的位置，其中所述单个的特征对应于来源于管线中的局部变化的压力波反射。

在一个说明性实施例中，该步骤包括如下面将描述的那样通过时间平移来比较第一压力波相互作用信号和/或第二压力波相互作用信号以确定单个的特征的位置并且首先确定局部变化位于产生位置的哪一侧，其中这样的方法300的一个例子在图3中例示说明。将参照图4a、4b和4c来描述方法300。

确定产生位置的哪一侧必定运送的问题是“侧”的限定。比如左手222或右手224侧的术语采取观察者的特定方位。类似地，可以使用如图2所描绘的产生位置250的下游(对应于左侧222)或下游(对应于右侧224)，但是这依赖于分别地限定正被表征的任何管线系统中的流体流动215的方向。在本方法中，相对于产生位置的位置是相对于参考测量位置限定的。以这种方式，其他测量位置必定落到以下三个类别中的一个类别中：在产生位置的与参考测量位置相同的一侧，或在产生位置的另一侧，或最后如图2中所描绘的G/M1的情况那样位于产生位置处。

因此，方法300中的310处的第一步是选择一个测量位置作为参考位置，确保参考测量位置本身不对应于产生位置。在一个例子中，如图2中的R所指示的，参考位置M2被选为参考测量位置。

现在参照图4a，存在在图2所示的管线系统200的G/M1和M2处检测到的随着时间而变化的第一压力波相互作用信号和第二压力波相互作用信号(H)(即，压力头部)的绘图，该图例示说明了这两个压力波相互作用信号是如何被同时地或基于相同的时间检测到的。压力波相互作用信号中的与闭合短分支220和直径缩小段240相对应的单个的特征分别在与G/M1和M2相对应的每个压力波相互作用信号中指示。另外，用于M3的压力波相互作用信号也被示出。

时间t_G对应于图4a中所指示的在G/M1处产生压力波的时间。来源于G/M1的压力波到达M2的第一到达时间如所指示的被表示为t_M2。压力波从G到达M2所花费的时间如图4a上所指示的于是为t_M2-t_G。类似地，来源于G/M1的压力波达到M3的第一到达时间如所指示的被表示为t_M3，压力波从G到达M3所花费的时间也如图4a上所指示的于是为t_M3-t_G。

考虑G/M1测得的压力波响应信号，通过检查可以看出，来自闭合短分支220的压力波反射到达G/M1将早于M2，甚至早于M3。类似地，来自直径缩小段240的压力波反射将被预计到达M2早于它到达G/M1，最后到达M3。为了基于在G/M1、M2和M3记录的所述两个压力波相互作用信号来识别反射特征，执行压力波相互作用信号的适当的时间平移。

在步骤320，确定剩余的测量位置是位于产生位置的与参考测量位置相同的一侧，还是位于产生位置的与参考测量位置相比的相对侧，还是位于产生位置处。在图3中的示例构造中，对于位于M2处的参考测量位置，M3位于产生位置的相对侧，G/M1位于产生位置处。

参照图4b，在步骤330，压力波相互作用信号中的每个具有根据以下标准应用的时间平移以便识别管线210中的位于产生位置的与参考测量位置相对的另一侧(即，产生位置G/M1的左手侧222或下游侧)的局部变化。

对于产生位置G/M1的与参考测量位置M2相同的一侧的那些测量位置，对相应的压力波相互作用信号应用与压力波从产生位置行进到测量位置所花费的时间间隔相对应的负的时间平移330A。负的时间平移意指将相应的压力波在时间上向后平移(即，平移到更早的时间)。在图2构造中，M2是满足该标准的唯一测量位置，所以使负的时间平移被应用。对于位于产生位置的另一侧的那些测量位置，应用与压力波从产生位置行进到该测量位置所花费的时间间隔相对应的正的时间平移330B。正的时间平移意指将相应的压力波在时间上向前平移(即，平移到更晚的时间)。在这种情况下，M3满足该标准。

对于位于产生位置处的那些测量位置，比如G/M1，不应用时间平移330C。

在步骤340，然后从时间平移后的压力波相互作用信号识别共同的特征。如图4b所示，共同的特征是反射异常，该反射异常是由闭合短分支220的形式的将所述三个压力波相互作用信号中的每个互相关的局部变化引起的以及由如图2所描绘的压力波反射从左移到右引起的。以这种方式，闭合短分支220的位置被确定在产生位置G/M1的与M2相对的另一侧。

现在参照图4c，采用类似的过程来识别管线210中的位于产生位置G/M1的与参考测量位置M2相同的一侧的局部变化。这在图3所示的方法300的步骤350和360中示出。在步骤350A，对来自与参考测量位置相同的一侧的测量位置的压力波相互作用信号应用正的时间平移，而在步骤350B，对来自产生位置的相对侧的测量位置的压力波相互作用信号应用负的时间平移，而对位于产生位置处的任何测量位置不应用时间平移350C。

在步骤360，然后在时间平移后的压力波相互作用信号中识别共同的特征。如图4c所示，共同的特征是由直径缩小段240的形式的将所述三个压力波相互作用信号中的每个互相关的局部变化引起的反射异常以及由如图2所描绘的压力波反射从左移到右引起的反射异常。以这种方式，闭合短分支240的位置被确定在产生位置G/M1的与M2相同的一侧。

在另一个实施例中，可以通过选择G/M1的左手222或下游侧的参考测量位置并且重复如上所述的步骤310至340来实现右手224或上游侧的局部变化的识别。

如将意识到的，为了简化分析，可以首先使压力波相互作用信号作为基线或平移以使得产生压力波的时间被设置为零，即，t＝t-t_G。如将进一步意识到的，虽然需要与不同的测量位置相对应的至少两个压力波相互作用信号，但是本方法可以根据需要被应用于多个测量位置。可以通过对每个位置进行多次测量来改进进一步的测量统计。

以这种方式，来自多个站点(每个测量相应的压力波相互作用信号)的数据可以被组合以帮助识别管线中的引起压力波反射特征的局部变化的存在和位置以及作为推论、来源于这些局部变化的压力波反射相对于压力波产生器的方向。

现在参照图5，示出了具有产生和测量位置的另一构造的管线系统200。与图2相比，图5所示的构造涉及在短分支220的下游(或左边)被传送短距离的测量位置。图6a描绘了在每个测量位置测得的压力相互作用信号。在该例子中，在M3测得的压力相互作用信号不包括与闭合短分支220相对应的压力波反射，因为如图5上所描绘的，该局部变化比M3更接近于G/M1(即，在G/M1和M3之间)，并且来自短分支220的任何反射将朝向产生G/M1行进。再一次，M2在参考测量位置R处被选择，并且图6b和6c描绘了根据图3所示的方法300的相应的时间平移。

现在参照图7，示出了具有产生和测量位置的又一构造的管线系统200。与图2相比，图7所示的构造涉及位于产生位置G/M1的下游(或左边)的两个测量位置M2和M3。再一次，M2在参考测量位置R处被选择，但是在这种情况下，M2位于G/M1的左手侧或下游。图8a描绘了在每个测量位置处测得的压力波相互作用信号。

接着方法300，为了识别G/M1的相对侧(即，上游侧)的局部变化，对与M2和M3相对应的压力波相互作用信号应用负的时间平移，因为这些测量位置在与M2相同的一侧，而对与G/M1相对应的压力波相互作用信号不应用时间平移。这在图8b中示出，并且识别直径缩小段240。为了然后识别在G/M1的同一侧的局部变化，对M2和M3应用正的时间偏移，而对G/M1信号不应用时间平移。这在图8c中示出，图8c识别与闭合短分支220相对应的组合的压力波相互作用信号中的关连特征。

在另一个例子中，并且参照图7，参考测量R可以被选为在位于G/M1的上游侧的假想位置处。在该例子中，方法300将被采用，除了要注意的是，在与纯粹仅用作位置分析的参考点的假想位置相同的一侧不存在实际的测量位置。

在所述分析的该阶段，已经从时间平移后的压力波相互作用信号识别了单个的特征相对于产生位置、并且还相对于彼此的位置。

再次参照图1，在步骤150，表征所述的单个的特征以评估管线的状况。

现在参照图9，示出了根据替代实施例的用于表征压力波相互作用信号的单个的特征的方法900。

在步骤910，对其位置已经在上面的时间平移分析中被识别的单个的特征应用阈值。在一个实施例中，与最小和最大头部压力之间的差值相对应的特征的大小必须高于最小压力变化或阈值压力变化。可以通过与特定程度的壁劣化相对应的压力波反射的大小的理论分析来确定用于给定管线系统的阈值压力变化。可以被应用于水泥砂浆衬里管线的示例阈值压力变化是将由全部的或大量的水泥砂浆衬里厚度损失造成的反射的大小。

在另一个实施例中，特征的持续时间必须高于最小时间间隔。反射的时间间隔与导致反射的特征的长度有关。对于劣化的管段，对应的反射的时间间隔是压力波两次行进劣化段的长度所需的时间。可以通过使用估计的波速和要考虑的限定的最小长度的理论分析来确定将被考虑的最小时间间隔或阈值时间段。在另一个实施例中，应用这两个阈值标准。

在步骤920，然后将所述单个的特征归类为两个类别。在步骤930A，执行将管线系统归类为由液压组件和/或特征组成的第一类别的归类。如将意识到的，液压组件/特征可以要么是已登记的、要么是未登记的。液压组件包括但不限于，各种类型的阀，比如内联阀(被部分地或完全地关闭)、冲刷阀和阀、以及分支管线上的阀(被部分地或完全地关闭)；从管线延伸的关闭的和敞开的分支管线段；排出管；蓄水池；以及水槽(例如，缓冲槽或空气罐或室)。液压特征包括但不限于，管线材料、直径、衬里、壁厚或类的变化。

在步骤940A，将与液压组件/特征相对应的单个的特征与管线系统的先验信息相关连，管线系统的先验信息比如在地理信息系统(GIS)图和在该领域中收集的信息中找到。该先验信息描述了各种已知的液压组件/特征的位置，并且可以与在时间平移后的关连的压力波相互作用信号中识别的单个的特征相关连，这些压力波相互作用信号相对于产生位置和相对于彼此的位置是已知的。

在步骤950A，将将时间平移后的压力波相互作用信号中的被归类为由液压组件/特征引起的、但是不能与先验信息相关连的那些单个的特征识别为未登记的。未登记的液压组件的一个例子是管线中的分支或排出管。在这种情况下，时间平移后的压力波相互作用信号的单个的特征将使压力波的部分转道、传输波的大小于是缩小。分支/排出管中的特征/组件也可以引入反射。

在步骤930B，执行将管线系统中的缺陷归类为第二类别的缺陷的标识。这些是由反射的特性识别的。反射是不能确信地与液压组件/特征(要么是已登记的，要么是未登记的)相关连的那些，并且可以对应于比如壁劣化(例如，壁厚度缩小)或其他缺陷(例如，泄漏、气陷)的缺陷。在步骤940B，识别缺陷的类型。

在所述分析的该阶段，时间平移后的压力波相互作用信号的单个的特征将已经被归类为与管线系统的已知的/已登记的特征/组件或管线系统的未知的/未登记的特征/组件或管线系统中的缺陷有关。在所述单个的特征与管线的已知的已登记的特征/组件相关连的情况下，那么它们的绝对位置将是精确地知道的。就时间平移后的压力波相互作用信号中的与未登记的特征/组件或缺陷相对应的其他单个的特征而言，可以执行进一步的分析来确定它们的绝对位置。

如上面已经讨论的，当产生的压力波遇到管线中的物理变化时，压力波反射发生。在一个例子中，该物理变化可以是液压特征，比如管线的具有壁厚度缩小的一部分。压力波反射然后朝向压力波产生器向回传播，形成在管线系统上的一个或多个测量位置处检测到的压力波相互作用信号的一部分。

进一步的重要的考虑是，当压力波沿着管线行进时，管线的壁厚度或直径的变化将引起压力波的波速变化。为了确定在时间平移后的压力波相互作用信号中识别的未登记的液压组件/特征或缺陷的实际位置，有必要确定当压力波沿着管线传播时压力波遇到的波速变化。

现在参照图10，示出了用于将管线划分为子段并且确定每个子段中的波速和/或其他特性的方法1000。在步骤1010，在时间平移后的压力波相互作用信号中识别主要压力波反射。在该例子中，主要压力波反射是通过压力波反射的大小和持续时间这二者确定的。在一个例子中，最小大小是与无衬里的金属管线中的壁厚度损失的10％相对应的反射的理论大小，反射的最大持续时间是200毫秒，对于1000m/s的估计波速来说，200毫秒对应于大约100m的子段长度。在另一个实施例中，将被满足的进一步的标准是，压力波反射是相对稳定的，并且任何波动的持续时间都很短。在一个例子中，波动应小于20毫秒，这对应于子段内的长度小于10m(估计波速小于1000m/s)的局部缺陷。

因此，典型的主要压力波反射可以具有根据对特定劣化程度预计的反射的理论大小的最小压力头部差值、大约数百毫秒到数百秒的持续时间，该持续时间具有信号中的数十毫秒或更短的时间标度上的任何波动。在步骤1020，将管线划分为两个或更多个子段以用于根据时间平移后的压力波相互作用信号中的主要压力波反射进行分析，主要压力波反射是根据步骤1010确定的。

现在参照图11，示出了根据替代实施例的用于评估管线1110的在测量位置M2和M3之间的子段的管线测试构造1100。在该说明性例子中，已知的是，管线段1120外部的管线材料是相同的，并且具有1000m.s^-1的已知波速。压力波是在G/M1处产生的，并且朝向M2和M3行进，M2和M3测量包括任何压力波反射的压力波相互作用信号。

现在参照图12a，示出了分别对M2和M3测得的压力波相互作用信号的绘图。在该例子中，主要压力波反射在R1和R2处的M2压力波相互作用信号上被指示。因此，如图11所示，测量位置M2和M3之间的管线段1120可以被划分为子段S1、S2、S3。

从压力波到达M2和M3的达到时间之间的差值，管线段1120的分段波速a_S于是可以被确定。在该例子中，M2和M3之间的段的分段波速由以下公式给出：

该分段波速小于1000m.s^-1，结论是管线段1120包括已经以某种方式劣化的或与周围管线相比已经改变性质的一部分。

回头参照图10，在步骤1030，确定每个子段的波速。它可以是与特征R1和R2相对应的压力波反射位于已知位置处的情况。作为例子，R1和R2可以指示由可能易于腐蚀或劣化的不同材料组成的管线段的边界。该情形在图11中示出，其中S2已知在离M2200m和离M3300m之间，因此具有100m的长度。

在这种情况下，可以直接如下计算每个子段的波速：

Subsection 1

Subsection 2

Subsection 3

其中子段1和3对应于S2外部的已知波速。

在其他情况下，R1和R2的绝对位置可能是未知的。现在有用的是审查管线的壁厚度的变化的效果以及这继而如何引入阻抗变化。管线的阻抗被定义为：

其中B是管线的阻抗，a是产生的压力波的波速，g是重力加速度，A是管道的截面面积。

可以使用如下的理论波速公式来确定波速a：

其中K是流体的体积弹性模量，ρ是流体的密度，E是管壁材料的杨氏模量，D是管线的内径，e是壁厚度，c是取决于管线的约束方法的因子。

已经证明，来自劣化管段的压力波反射的大小与该劣化管段的管线阻抗的任何变化有关(参见例如Gong J、Simpson AR、Lambert MF等人,“Detection of distributeddeterioration in single pipes using transient reflections”,J Pipeline SystEng Pract,2013；4:32–40，该文献整个地通过引用并入)。

可以使用以下方程来确定无量纲头部扰动：

其中

是第一反射压力波的无量纲头部扰动，B_r是劣化管段的阻抗与完整段的阻抗的比率。无量纲头部扰动

也可以如下从入射的和反射的瞬态波定义：

其中H_j1是反射压力波的头部，H_i是入射瞬态压力波的头部，H₀是在产生瞬态入射压力波之前测量点处的稳态头部，在该时间期间，基于侧排放阀的压力波产生器是敞开的(还参见Gong J、Lambert MF、Simpson AR和Zecchin AC.“Distributed deteriorationdetection in single pipes using the impulse response function”,14thInternational Conference on Water Distribution Systems Analysis(WDSA 2012),Adelaide,South Australia:Engineers Australia,2012；702-719中的讨论，该文献的全部内容整个地通过引用并入)。

如将意识到的，H_j1、H_i和H₀的值是可通过压力测量装置(比如压力换能器)测量的。注意，尽管H₀出现在方程4中，但是无量纲头部扰动

与H₀无关。另外，

仅与反射的大小(H_j1-H_i，注意这可以是负的)和入射波的大小(H_i-H₀)有关。阻抗比Br使用以下方程给出：

其中下标“0”和“1”分别表示完整的管段和具有阻抗变化的管段(劣化管段)。

现在参照图12b，示出了图12a所示的压力波相互作用信号的绘图，并且进一步包括用于G/M1的压力波相互作用信号。因为波速是从G/M1知道的，并且进一步因为用于G/M1的压力波相互作用信号没有显示出特征，所以可以假定直到特征R的波速为a_s1＝1000m.s^-1。因此，可以如下基于t₂-t₁＝0.4秒的逝去时间来计算从M2到R1的距离：

然后基于压力头部的变化ΔH来确定S2中的波速，并且从波速，可以确定S2的长度，所以子段S2的边界。下面关于不同类型的管线来讨论该过程的进一步的例子。

子段行进时间与子段波速和子段的长度有关。从上面可以看出，子段波速与子段阻抗密切相关，子段阻抗影响波反射的大小。分段行进时间等于所有子段中的行进时间的总和，该总和对如上面提到的子段波速计算提供有用的交叉检查。

存在用于确定子段波速的替代方法，该方法不依赖于关于造成主要压力波反射的局部管线性质变化的任何先验信息。基于主要反射的数量，假定在感兴趣管段中存在N个子段。第一子段用作参考，并且基于压力头部的变化和方程3来确定每一个子段与第一子段的阻抗比。然后确定波速比r_ai(i＝1,2,3…N)，因为阻抗与波速密切相关。结果，感兴趣管段中的任何子段的子段波速用第一子段的分段波速a_s1乘以已知的比率或缩放因子r_ai来描述，其中对于第一子段，因子r_ai＝1。使用每个子段中的行进时间(t_i-t_i-1)和感兴趣段的总长L，可以如下建立方程6：

从方程6，可以确定第一子段中的子段波速。然后可以通过乘以波速比来计算用于任何其他子段的子段波速。

回头参照图11，接着子段波速分析1030之后在步骤1040进行时间平移后的压力波相互作用信号中的主要压力波反射的大小和持续时间的系统分析以确定管线特性，比如每个子段的阻抗和长度。子段波速和子段阻抗指示子段的状况。可以与方程1和方程2组合使用这些结果来估计每个子段的等同剩余壁厚度。如将意识到的，子段分析使得管线的特性可以在不必执行整个逆瞬态分析的情况下被评估。

现在参照图13，示出了根据替代实施例的用于确定管线中的局部缺陷的方法1300。

在步骤1310，在时间平移后的压力波相互作用信号中识别显著压力波反射。显著压力波反射用压力头部中的显著的、但是持续时间相对较短的差异来表征。该步骤集中于大小显著、但是持续时间短的反射的分析。

在步骤1320，根据管线中的哪种类型的局部缺陷是压力波反射的起源来对显著压力波反射进行分类。局部缺陷的一些类型包括但不限于，管线中的具有显著壁劣化、泄漏、堵塞或气陷的短距离。对于具有显著壁劣化的短距离，可以从压力波反射的大小确定该距离的阻抗。该距离的波速和壁厚度然后也可以被确定。对于其他局部缺陷，比如泄漏、堵塞或气陷，可以使用反射的大小来估计严重性(例如，多大的敞开区域仍被堵塞)。

在步骤1330，通过时域反射计(TDR)分析来使用子段波速确定局部缺陷的位置。首先，使用从步骤1030获得的子段长度的结果来计算产生位置和局部缺陷所在的子段之间的所有子段的总长。通过将对应的子段波速乘以缺陷诱导的反射的到达时间和边界诱导的反射的到达时间之间的时间差、然后将结果除以2来计算局部缺陷和局部缺陷所在的子段的边界(更靠近产生位置的边界)之间的距离。然后通过将其间所有的子段和到局部缺陷所在的子段的边界的距离相加来确定局部缺陷相对于产生位置的位置。

现在参照图14至18，示出了若干个示例管线系统测试构造，包括管线系统1410和管线系统1410中将被评估的感兴趣段1420。在这些示例管线系统中，重点是适当的测试构造，这些测试构造可以被用来表征管线段以获得可以根据上述各种方法处理和分析的压力波相互作用信号。

在图14所示的示例测试构造中，如箭头1415所指示的，流体正从右流到左。相对于感兴趣段1420，限定了如箭头1422所指示的左侧区域和如箭头1424所指示的右侧区域。相对于流体流动方向1424，左侧区域1422是下游区域，右侧区域1424是上游区域。管线系统1410进一步包括P1、P2、P3、P4、P5和P6指示的一系列接入点1425。在该说明性实施例中，感兴趣段1420是管线系统的由接入点P3和P4限定或界定的段。

第一压力波是由压力波产生器G 1430在管线段1420的左手侧1422的将被调查和评估的位置处、在正被沿着管线系统1410运送的流体中产生的。在图14所示的示例构造中，第一压力波是在接入点P2处产生的，但是同样地第一压力波可能已经在感兴趣段1420左侧的任何位置(包括接入点P1和P3)处产生。

然后压力测量装置在沿着管线系统1410的第一组一个或多个测量位置处测量多个压力波相互作用信号。在该例子中，第一组测量位置包括位于接入点P1和P3处的M1和M2。

第二压力波是由相同的或不同的压力波产生器G 1430在管线段1420的上游1424的将被调查和评估的位置处、在正被沿着管线系统1410运送的流体中产生的。在如图14所示的示例构造中，第二压力波是在接入点P5处产生的，但是同样地第一压力波可能已经在感兴趣段1420上游的任何位置(包括接入点P4和P6)处产生。

再次然后压力测量装置在沿着管线系统1410的第二组一个或多个测量位置处测量多个压力波相互作用信号。在该例子中，第二组测量位置包括分别位于接入点P4和P6处的M1和M2。

如将意识到的，可以根据需要改变图14所示的示例构造。如图15所示，并且如前面已经讨论的，压力波产生器G 1430还可以包括测量能力，所以也对应于用于测量压力波相互作用信号的进一步的测量位置。另外，如图16所示，可以在管线段1420的右手侧1424产生第一压力波，然后在管线段1420的左手侧1422产生第二压力波。

在如图17所示的其他例子中，测量位置中的一个或多个可以位于管线段1420的与产生压力波的地方相对的相对侧。要理解的是，可以根据要求在感兴趣段1420的任一侧产生附加压力波。该情形在图18中示出，其中在感兴趣段1420的每侧执行两组压力波产生和对应的测量。类似地，可以对压力产生器和压力测量装置设置的每个构造执行多组压力波产生和对应的测量。

一旦已经对每个测量位置和测试构造获取了压力波相互作用信号，就可以对它们进行处理以然后确定单个的特征相对于每个设置中的产生器位置的位置，然后表征。

申请人已经针对不同类型的管线系统、根据上述方法进行了若干个试验。下面对这些进行讨论。

石棉水泥管线系统

石棉水泥(AC)管线在世界上的许多国家(包括澳大利亚)构成便携式废水系统的重要部分。发展中国家中的大部分AC管道是在1980年之前安装的，并且许多公用事业正在观察到堵塞率随着管道的老化而增大。AC管道已知主要由三个过程劣化：石灰浸出、硫酸盐侵蚀和生物降解。

游离石灰(氢氧化钙)浸出到随着时间的过去通过扩散被AC管道或围绕AC管道输送的水中，导致水化硅酸盐分解、孔隙率增大并且材料强度损失，尽管通常没有明显的壁厚度缩小被观察到。具有低离子含量的软水(比如纯蒸馏水)可以引起石灰浸出和壁劣化，而酸性可以增强所述过程。水中的硫酸盐和围绕AC管道的土壤可以与氢氧化钙发生反应以形成硫酸钙，硫酸钙继而与水化铝酸钙发生反应以形成硫铝酸钙。这些反应的产物可以包括AC管道的胶结基质的膨胀和破坏。

最近的研究表明，AC管道的表面上的生物膜生长也可以促使劣化。研究已经在已经服务35年的破裂的AC管道的内壁上的铜绿层中发现一系列细菌，这些细菌可以被各种各样地归类为异养细菌、粘泥形成细菌和产酸细菌。进一步的研究表明，这些组细菌可以生成厌氧的酸性局部环境，从而使水化水泥基质中的游离石灰和含钙矿物质的浸出加速，并且导致AC管道的有效壁厚度(保持军事强度的壁部分)缩小。

申请人已经进行了现场案例研究来评估产生的压力波的使用可行性以及压力波相互作用信号的相关联的分析以用于AC管线的状况评估。现场研究中所涉及的AC管道段具有已知的类变化。该研究的目的包括从测得的压力波相互作用信号找出类变化并且使用管线的子段分析来对具有不同类的管道子段确定有效壁厚度。另外，分析也已经被执行以通过压力波相互作用信号中的显著压力波反射的分析来确定显著局部缺陷。

对于金属管道，壁劣化通常是由于腐蚀而导致的内壁或外壁变薄。然而，对于AC管道，壁劣化通常是由于含钙矿物质的损失而导致的有效AC厚度缩小，而如将用尺子测得的壁的物理厚度没有变化。结果，假定可以用有效壁厚度的缩小(即，从内侧、外侧或两侧从原始壁厚度e₀减小到其他的有效壁厚度e_eff)来对AC管道的壁劣化进行建模。壁厚度的相对变化被定义为e_rc，并且通过使用以下方程来表示：

如早先所提到的，有效壁厚度的缩小导致波速和阻抗减小。使用方程2和7，可以如下推导具有有效壁厚度e_eff的劣化AC段中的波速：

其中a₀是具有壁厚度e₀的完整AC管线的波速。劣化AC管段和完整管段之间的阻抗比是波速之间的比率，因为截面面积没有变化。结果，B_r可以被写为：

将方程9代入方程3中导致无量纲反射头部扰动的以下表达式：

方程10示出了由劣化AC段诱导的波反射的无量纲头部扰动

与有效壁厚度的相对变化(e_rc)和完整段的波速(a₀)有关。方程10可以用于检测AC管道中的局部缺陷，前提条件是入射的压力波是以已知的波速在AC段上产生的(要么通过计算，要么通过测量)。

然后可以使用方程10从压力波相互作用信号中指示的对应的压力波反射的大小确定劣化AC段中的有效壁厚度的相对变化，并且可以使用TDR从反射的到达时间计算劣化的位置。如果压力测量位置在产生的压力波的源处，则压力波反射的到达时间(相对于入射波的起始时间)是波两次行进测量位置和劣化之间的距离的时间。

根据上述时间平移方法，可以使用在同一测试内在多个测量位置处测得的压力波相互作用信号的比较来确定局部变化的方向信息，这些局部变化是任何压力波反射的源。

子段分析也可以被执行以提供每个子段的有效评估，结果，管线段的一般状况被测试。如上所述，两个测量点之间的管线段被划分为两个或更多个子段以用于根据压力波反射的大小和特性来进行分析。每个子段的波速、长度和壁状况然后可以被确定。

在该研究中，实验现场工作是在澳大利亚维多利亚、在标称直径(DN)为300mm的地区性AC传输干线上进行的。AC传输主干线的总长为7.6km。它是在二十世纪90年代构造的，并且被埋入地下。AC管道的上游端被连接到球墨铸铁管道，球墨铸铁管道然后被连接到上游远处的储水槽。AC管道的下游端在测试期间是关闭的。主要排出管在测试期间也是关闭的。

现在参照图19，受测试的AC管线的感兴趣段的布局被示为由参考设计图限定。如所描绘的，白色段表示类B管线部分(标称壁厚度17.3mm)，灰色段是类C部分(标称壁厚度25.4mm)。根据维多利亚供水公用设施(东部吉普斯兰供水)提供的设计图，该AC管段由类B和类C DN300AC段组成。管类的频繁变化是考虑到由于沿着管线的高度变化而导致的压差。关于类变化的链程信息以及用于压力波测试的连接点的位置也在图19中示出。

DN300AC管道的物理性质总结在表1中。AC管道的尺寸是取自用于石棉水泥压力管道的澳大利亚标准1711-1975的。如从AC管道样本用实验方法确定的，完整AC的杨氏弹性模量为32GPa。AC的泊松比假定为0.2。如波速公式方程2中使用的约束因子c是针对对纵向移动具有约束的厚壁管道计算得到的。完整类B和类C段的理论波速是使用方程2计算得到的。

表1

类B和类C DN300AC管道在25℃的水温下的物理性质。

测试过程由压力波的产生和管线的压力响应的测量组成。三个连接点或测量位置(P23、PB和P28)是在不进行挖掘的情况下提供进入主要管道的通路的消防栓或空气阀。定制的基于侧排放阀的瞬态压力波产生器被安装在产生位置P23处以用于进行用于子段分析的主要测试，然后被移位到PB和P28以用于更详细的缺陷分析。

在该实验现场研究中，压力波产生器为侧排放阀的形式，侧排放阀被打开几分钟，直到主要管道中的流动相对稳定。然后，突然关闭侧排放阀(在10ms内)以产生阶跃压力波。压力换能器被安装在所述三个点中的每个处以在测试期间以2kHz的采样频率测量压力波相互作用信号。

波速对于AC管道是特别感兴趣的，因为壁劣化通常改变波速，但是不改变截面面积。有效壁厚度的变化(由于壁劣化或类变化而导致)将根据方程2诱导波速变化。具有不同程度的壁劣化(即，变化的有效AC壁厚度)的AC管段的理论波速被确定以促进状况评估。

现在参照图20，示出了具有变化的有效AC壁厚度的DN300AC管线(类B和C)的理论波速，其中每个线的右端表示最初的完整状况。

给定测得的波反射，可以使用方程3从无量纲头部扰动

确定阻抗比B_r，然后可以计算波速比。然而，对于该特定的实验现场研究，存在具有变化的截面面积的已知类变化。结果，当对由管类变化诱导的反射进行分析时，必须考虑截面面积的变化。方程3的将来自方程4的阻抗项合并到阻抗比B_r中的数学运算得到：

其中a_r是波速比(接收入射压力波的段的波速与波从其离开的段的波速)，A_r是截面面积的对应比率。如果截面面积没有变化，例如，受测试的管线在类中是一致的，则A_r的值是单位一。对于该案例研究，并且考虑波从类B段传播到类C段，通过使用表1中给出的直径信息，A_r的值被计算为0.969。

分析也被进行以确定由不同程度的相对壁厚度变化诱导的无量纲头部扰动的理论大小。使用方程10和表1中给出的管线信息，由来自管线中的与壁厚度的各种相对变化(e_rc)相对应的局部变化的压力波反射造成的无量纲头部扰动

的预期变化是针对类B和类C两类AC管道计算得到的，并且结果在图21中绘制。

从图21可以看出，有效壁厚度的大约20％的缩小(e_rc＝-0.2，对于类B为3.46mm，对于类C为5.08mm)将引入具有入射波的大小3％的负的压力波反射

这可以用作确定反射的重要性的阈值。

对于主要测试，入射的阶跃压力波(幅值8.06m)是在P23处产生的。入射的阶跃波是由换能器在产生正后面的测量位置P23处捕捉的，并且波前行进到PB和P28分别花费1.3355和1.0255。

现在参照图22，示出了在测量位置P23、PB和P28处(产生位置在P23处)测得的、被时间平移以使来自P23的上游侧(图19中的P23的左侧)的反射对准的无量纲头部扰动(方程4中的

)或压力波相互作用信号。S1至S5表示PB和P23之间的用于分析的五个子段，R1至R6是对于局部缺陷方向的显著反射。

现在参照时间平移后的在图22所示的三个点处测得的无量纲头部扰动。在P23处测得的波前的起始时间被设置为零。时间平移是基于图3所描述的过程300进行的。在P28处测得的压力踪迹被在时间上向后平移(图3中的负的平移330A)以使波前与如在P23处测得的波前对准。在PB处测得的压力踪迹被在时间上向前平移(图3中的正的平移330B)以使如通过PB和P23测得的波前之间的原始时间间隔翻倍。

如上面已经讨论的，进行压力波相互作用信号的时间平移来帮助识别PB和P23之间的管段中的异常诱导的反射。如通过不同的换能器测得的由P23的上游侧的异常诱导的反射在时间平移后的绘图中将在时间上对准，而来自P23的下游侧(图19中的P23的右侧)的反射将不在时间上对准。

可以看出，在产生点(P23)处测得的压力波相互作用信号(0.2s)的开头被在连接侧排放阀和主要管道的立管中发生的高频压力振荡污染。如信号中清楚的，产生器处的该诱导噪声对远离产生点测得的压力波相互作用信号(例如，在P28处测得的虚线)没有显著影响。

从时间平移后的压力踪迹(如图22所示)，基于对准的指示大的且延伸的压力变化的主要压力波反射来识别用于子段分析的五个子段(S1至S5)。对于局部缺陷检测，幅值显著(大小大于0.03)、但是持续时间短的六个显著压力波反射(R1至R6)也被识别。

子段状况评估是在PB和P23之间的段上参照图10所概括的方法1000实现的。第一步是识别哪些反射是由位于感性段(图10中的1010)内的异常诱导的。从图22可以看出，在通过P23(实线)和P28(点线)测得的波前之间，如通过P23和PB(虚线)测得的、t₁至t₄处的反射和反射R5分别在相同的时间点对齐。该对齐指示反射(异常)的源位于P23的上游(朝向PB的方向)。具体地说，它们位于P23和PB之间，其中来自更靠近P23的异常的反射在时间上更早到达。还存在不对准的反射(例如，反射R1至R4和R6)，并且它们是由位于P23的下游侧(朝向P28的方向)的异常诱导的。

为了识别压力波反射是否是主要压力波反射，进行检查以确定对齐的反射是否引入在延伸一段时间段(通常多于0.1秒)的大的压力变化。可以看出，反射R5是显著的，但是对于子段分析来说太短。它将在局部缺陷检测中被解决。在该例子中，子段的分配实际上是跟随管类的变化的，这在最后的结果中将变得清楚。由子段之间的边界诱导的反射的到达时间被表示为t₁至t₅，并且在图22中被给出。注意，时间t₅是在PB处记录的波前的时间平移后的起始时间。考虑在P23处测得的波前的起始时间已经被设置为零(t₀＝0s)，并且关于PB的压力踪迹被在时间上向前平移以使波前之间的原始时间间隔翻倍，t₅是压力波两次行进P23和PB之间的距离所需的时间间隔。

第二步是将由两个测量点PB和P23界定的管段划分为子段(图10中的步骤1020)。考虑对齐的反射的时序和大小(t₁至t₄处的反射和反射R5)，PB和P23之间的管段被划分为如图22中的S1至S5表示的五个子段。

第三步是对于子段S1至S5确定每个子段的用a_S1至a_S5表示的平均波速(图10中的步骤1030)。所有的子段在测试时都可能已经处于劣化状态，所以所有的子段波速都是未知的，并且尚未被确定。从无量纲头部扰动和方程11，两个相邻子段的波速之间的关系可以被确定。例如，从图22，当阶跃入射压力波从S1行进到S2时，在时间t₁，反射的无量纲头部扰动

的大小大约为0.064(其中头部变化的幅值是通过使平坦的线拟合头部变化之前和之后的压力波相互作用信号而确定的)。

结果，被表示为a_r2的、a_S2与a_S1的比率通过使用方程11被计算为1.102(注意，在的计算中使用A_r＝0.969)。类似地，a_S3、a_S4和a_S5与a_S1的比率分别被计算为a_r3＝1.006(其中

A_r＝1)、a_r4＝1.092(其中

A_r＝0.969)和a_r5＝0.994(其中

A_r＝1)。注意，反射R1的无量纲大小(0.052)必须从来自图22中的实线(P23)的读数被减去以得到对于S3、S4和S5的无量纲头部扰动的正确值。

对于第i子段，子段波速和子段长度之间的关系由以下方程支配：

a_Si(t_i-t_i-1)＝2L_i 方程12

其中L_i是第i子段的长度。总结用于所有子段的对应方程，并且使用波速比和基线波速a_S1来表示子段波速，最后的方程为：

其中N是子段的总数(在该研究中为5个)，a_r1总是单位一，t₀是在时间平移后的无量纲头部扰动绘图中的产生点处测得的波前的起始时间(在该研究中零)，L是两个测量点之间的段的长度(在该研究中为1345m)。t₀至t₅和a_r1至a_r5的值然后被代入方程13中以计算a_S1的值，该值被确定为976m/s。使用比率a_r2与a_r5，a_S2至a_S5的值可以被确定，并且结果被总结在表2中。注意，方程13等同于前面讨论的方程6。

为表征子段可以执行的附加步骤包括计算每个子段的长度(图10中的步骤1040的一部分)。这可以通过使用先前确定的平均子段波速(a_S1至a_S5)和方程12来实现。子段长度的结果也被总结在表2中。

进一步的附加步骤然后确定剩余的平均有效AC壁厚度(图10中的步骤1040的一部分)。子段的有效AC壁厚度与通过方程2确定的子段波速有联系。图20于是可以用作获得每个子段的有效壁厚度的查找表。五个子段的有效AC壁厚度的结果被总结在下表2中。

表2

与完整管道的理论值相比的、对PB和P23之间的五个子段确定的波速、长度和有效AC壁厚度

将确定的子段波速、子段长度和有效AC壁厚度与已知的类变化(图19)进行比较，显而易见的是，所述五个子段对应于点PB和P23之间的具有类变化的管道子段。当子段是完整的时每个子段的理论波速和壁厚度(如表1所示)以及从设计图读取的子段长度也被表示在表2中以供比较。注意，理论结果不一定表示管线的“真实状况”，因为管道已经用了几十年，并且劣化在意料之中。类B和类C DN300AC管道子段之间的壁厚度差在它们是完整的或具有相同程度的壁劣化时为8mm。

该壁厚度变化被以合理的精度成功地检测到。每个子段的确定的长度也与设计的长度是一致的，其中相对差值在所有情况下都小于4％。结果表明，这些AC子段具有轻微的壁劣化与平均有效AC壁厚度高达2.3mm的缩小。总的来说，结果证实，子段状况分析技术对于评估由两个测量点界定的长管段内的子段的壁状况是有效的。

前面的子段状况评估给出了由两个测量点界定的长管段内的子段的平均壁状况，与低分辨率的基于声学的平均壁厚度估计相比，这是中间分辨率的评估技术。

对于长度短的显著劣化(其被归类为局部缺陷)，使用不同的方法(即，局部缺陷检测)来对波反射和其他已知信息进行全面分析。局部缺陷检测通过在特定位置处提供高分辨率信息来补充子段状况评估，并且是根据图13所概括的方法1300执行的。

使用如前一节中讨论的

的阈值(表示20％，或4至5mm，有效AC壁厚度的缩小)，六个显著压力波反射R1至R6在图22中的时间平移后的压力波相互作用信号中被识别。在该例子中，在所述六个反射之中，只有R5是对准的反射。这指示R5是由位于P23和PB之间的(具体地说，子段S5内的)异常诱导的，而其他五个是来自位于P23的下游、因此在感兴趣段的外部的异常。反射R5的分析在这里被示出以例示说明局部缺陷检测的过程以及如何确定各种可能性之中的缺陷的类型和性质。

反射R5是持续时间短的显著负反射。基于经验和可用的系统信息，对应的异常可以被分类为最有可能是：长度短的劣化段、被替换为塑料管的短段或气陷。如下面说明的，考虑到异常和产生点之间的距离相对较长(1km以上)，如图22所示的测试构造的设置对于反射R5的详细分析并不理想。

基于侧排放阀的产生器产生的入射压力波通常具有上升时间为大约10ms的倾斜波前。在沿着管线行进时，入射波经历信号散射，这使波前的时间跨度增大。结果，空间分辨率(可以被正确地识别的劣化段的最小长度)随着距离降低。如果劣化段的长度短于T_ra/2(其中T_r是波前的上升时间，a是劣化段中的波速)，则记录的由短劣化诱导的波反射可能不如它具有长于阈值的长度时那样显著。使用波速900m/s(对应于剩余的有效AC壁厚度为大约12mm的段)和10ms的上升时间作为该实验研究的指导准则，长度阈值被计算为大约4.5m。关于波前的上升时间如何影响空间分辨率的更多讨论可以在Gong J、Simpson AR、LambertMF等人,“Detection of distributed deterioration in single pipes usingtransient reflections”,J Pipeline Syst Eng Pract,2013；4:32–40中找到，该文献的全部内容整个地通过引用并入。

因此，使用来自其中产生点在PB处的另一个压力波测试的结果来进一步对局部缺陷进行分析。与P23相比，PB离研究中的异常近得多，使得如在PB处产生的波前在到达异常时仍是尖锐的，并且可以实现相对较高的空间分辨率。

现在参照图23，示出了在产生在PB处的情况下时间平移后的在点PB处测得的无量纲头部扰动或压力波相互作用信号。反射R5_B是由与图22所示的测试中的R5相对应的局部缺陷诱导的。注意，突出来自研究中的特定异常的反射的踪迹只有一部分被示出，并且该反射在该测试中被命名为R5_B。

分析从使用方程3从反射的大小计算阻抗和波速的变化开始。从图23，反射的无量纲大小为大约

将该值代入到方程3中，异常和产生所在的管道之间的阻抗比被确定为B_r＝0.63。反射的到达时间(当压力波开始下降时)为t_a＝0.451s。结果，使用S5中的子段波速(970m/s)，该异常位于点PB的下游大约219m。

对于异常的三个可能的说明(劣化AC、塑料管替换段或气陷)被顺序检查。如果异常是劣化的AC段，则壁厚度的相对变化通过使用方程9或10被确定为e_rc＝-0.723。将确定的e_rc代入到方程7中并且对e₀使用子段S5的确定的平均有效AC壁厚度(15.8mm)，假定的劣化的AC短段的有效AC壁厚度被确定为e_eff＝4.4mm，这指示从原始状况缩小了12.9mm。

然而，基于工程判断，具有这样的薄的剩余有效AC壁厚度的短AC段不太可能是现场的真实情形，因为具有这样的壁劣化程度的管段即使是在正常的操作状况下也将会失败。结果，该异常是劣化的AC段的可能性通过分析被排除。

下一种可能的类型的局部缺陷是塑料管替换。供水公用设施的现场工人确认在必要时使用具有4m的典型段长的聚氯乙烯(PVC)管道来替换原始的AC段。用于替换的PVC管道将具有与原始的AC管线类似的截面面积，因此，波速比a_r与阻抗比(0.63)是相同的。考虑到子段S5的波速为970m/s，异常中的波速被确定为611m/s。确定的波速太高以至于不能放入PVC总水管的典型波速范围中，PVC总水管的典型波速范围通常是从300至500m/s。结果，异常不太可能是长度为4m的PVC管段。

第三个可能性是局部缺陷是小的气陷。点PB和P23之间的管段位于具有频繁的高度变化的丘陵区域中。结果，小的气陷可能被困在高度局部高的点处，尽管沿着该段使用了几个空气阀。在主要反射R5_B之后存在一些明显的压力振荡。具体地说，在时间t₀之后，压力最低点反弹，并且到达比主要下降之前的压力高得多的水平(大约为下降的大小的三分之一)(在时间t_a)。此后，看到比主要下降小得多的压降，然后压力恢复到主要下降之前的水平。主要下降之后的压力振荡是在以前的关于具有少量被困空气的管道的瞬态响应的实验室实验中已经看到的特征。如在实验室分析中观察到的主要反射之后的压力振荡据信是由气陷在压力波下的体积的振荡引入的。

总结前面的分析，可以断定，与图23中的反射R5_B(或图22中的R5)相对应的异常最有可能是管线中的小的被困气陷。其他反射(R1至R4和R6)可以在在其他位置处测得的压力的帮助下用相同的过程来进行分析。R1、R4和R6是由管类变化诱导的，R2有可能是小的气陷，R3有可能是PVC替换段。

如将意识到的，采用上面讨论的管线评估方法的该实验现场研究已经对石棉水泥(AC)管线提供了高效的非侵入性的且非破坏性的状况评估。该实验研究中的管类变化已经通过子段状况评估被成功地识别。每个子段的波速、长度和有效AC壁厚度也已经被确定，并且与设计图给出的信息是一致的。子段分析还表明，研究中的子段具有等同于有效壁厚度高达2.3mm的均匀缩小的轻微壁劣化。另外，位于感兴趣段(在点PB和P23之间)中的局部缺陷或异常已经被识别并且被详细地分析。分析表明异常最有可能是小的气陷。

软钢水泥砂浆衬里管线系统

申请人还进行了进一步的实验现场试验，其中重点是应用上面的方法来评估水泥砂浆衬里管道。在该实验试验中，具体地研究软钢水泥砂浆衬里(MSCL)管道，但是该分析可以容易地扩展到任何其他类型的金属水泥砂浆衬里管道或金属无衬里管道。在该分析中，考虑从管壁的任一侧的壁厚度变化(内部的或外部的)。结果，如果完整部分的规范是已知的，则可以对任何MSCL管线绘制描述该关系的绘图。然后可以使用这些绘图作为用于基于现场压力波的管线状况评估的查找表。

现在参照图24，示出了根据替代实施例的用于评估软钢水泥衬里(MSCL)管线的示例管线系统测试构造。根据上述方法，对每个测试利用瞬态压力波产生器和多个压力换能器。采用的瞬态产生器是连接到现有接入点(比如空气阀或冲刷阀)的定制侧排放阀。小的阶跃瞬态压力波(通常幅值为5至10m)是由在打开并且释放一流量(对于直径为600至1000mm的管道，通常为20至40L/s)之后快速地关闭(在10ms内)侧排放阀、直到达到稳态状况而诱导的。

如图24所描绘的，产生的入射波然后在上游和下游两个方向上沿着管道传播。如前面所讨论的，当入射波遇到管道中的局部变化(比如壁厚度缩小的段)时，压力波反射发生。反射的压力波朝向产生器向回传播，并且在测量位置处(还在现有接入点处)被沿着管道安装的压力换能器测量。压力波反射于是能够被分析以从到达时间确定局部变化的位置并且从反射波的幅值确定变化的严重性。通过比较在不同测量位置处被两个或更多个压力换能器测得的特定反射的到达时间，可以确定反射是来自产生器的上游侧、还是下游侧。

上面展开的方程1至4将需要适应MSCL管道的情形。现在参照图25，示出了完整的MSCL管线的截面图(D₀是管道的内径，e_C0是水泥砂浆衬里的厚度，e_S0是陡峭的管壁的厚度)。对于具有水泥砂浆衬里(CML)的管线，当计算波速时必须考虑衬里的贡献。

水泥砂浆衬里的杨氏弹性模量不同于钢的杨氏弹性模量，但是其对波速的贡献可以被作为钢的等同厚度包括。在波速公式中将使用的总等同钢壁厚或等同钢厚度的值是CML贡献的等同钢厚度和钢的原始厚度的总和。对于壁薄的完整的MSCL管道，如图25所示，等同钢厚度可以被定义为e₀，并且被写为：

其中E_C和E_S分别是水泥砂浆衬里和钢的杨氏弹性模量，e_C0和e_S0分别是CML的厚度和钢的厚度。

对于钢和水泥砂浆采用相同的泊松比(用于水泥砂浆的泊松比可以根据水泥砂浆与水之比而变化)，如图25所示的完整的MSCL管道的理论波速被表示为a₀，并且可以被写为：

其中D₀是完整的MSCL管道的内径。类似地，具有壁厚度变化的段中的波速可以被写为：

其中a₁、D₁和e₁分别是具有壁厚度变化的段中的波速、内径和等同钢厚度。结果，B_r可以被重新表达为：

为了便利后面的段中的分析，可以如下给出等同钢厚度的相对变化e_rc：

如将意识到的，在该例子中，表征管线，比如从测得的压力波相互作用信号确定劣化段的剩余壁厚度，可以涉及劣化段的在内部或在外部或既在内部、又在外部发生的壁厚度变化。理论上，对于水泥砂浆衬里存在三个可能性：完整的、厚度变化(在内部)和全损。对于钢管壁也存在三个可能性：完整的、外部厚度变化和内部厚度变化。结果，对于管壁的状况存在9个可能的组合。在该实验现场试验中，(仅)内部壁劣化和(仅)外部壁劣化被确定。同时的内部和外部壁劣化未被讨论，但是预计需要由(仅)内部壁劣化和(仅)外部壁劣化引起的效果的叠加。

现在参照图26，示出了MSCL管道的具有与在该实验现场研究中考虑的常见的壁劣化情况相对应的壁厚度变化的四个段的纵视图：

·26(a)S1：CML的厚度内部变化；

·26(b)S2：CML全损加上钢壁的厚度内部缩小；

·26(c)S3：具有钢壁的厚度内部变化的完整CML；以及

·26(d)S4：具有钢壁的厚度外部变化的完整CML。

当管线最初被没有衬里地安装、但是在几年后加上衬里、或者原始管道的一段被替换为相同的标称大小(相同的外径)、但是不同类(具有更厚的或更薄的钢壁)的段、或者不同类的段在构造期间被安装时，情况S3存在。

对于壁厚度内部变化的情形，可以基于外径恒定的事实来关连完整段和受损段的直径和壁厚度。如果变化仅在CML的厚度中(S1，图26(a))，则以下方程适用：

D₀+2e_C0＝D₁+2e_C1 方程19

其中e_C1是劣化的/有区别的段中的CML的厚度。在这种情况下，如下给出总等同钢厚度：

将方程14和18代入到方程19中得到：

将如方程18中给出的e₁代入到方程21中，比率D₁/e₁可以被写为：

将方程22代入到方程16中，然后使用方程15代入比率D₁/e₁，波速a₁可以用以下方程来描述：

将如方程18中给出的e₁代入到方程22中并且重新布置后面的方程得到：

将方程23和24代入到方程17中并且将D₀/e₀替换为如方程15中给出的包括a₀的表达式，阻抗比可以用以下方程来描述：

在最后，将方程25代入到方程3中，对于情况S1，可以如下获得第一反射压力波

的无量纲头部扰动和等同钢厚度的相对变化e_rc之间的关系：

从方程26可以看出，无量纲头部扰动

与等同钢厚度的相对变化e_rc、完整管段中的波速a₀以及管线和流体的通常已知的物理性质(K和ρ)有关。a₀的值可以使用方程15中的理论公式计算得到，或者通过进行实验测得。结果，当进行管线状况评估时，e_rc的值可以从

的值确定，

的值又可以从测得的压力波相互作用信号确定。描述与e_rc的值相对应的

的值的曲线可以用数值绘制。

方程26用于CML的厚度内部变化。e_rc的负值表示CML中变薄，这可能是由劣化诱导的。e_rc的正值也被考虑，其表示具有大于标准厚度的CML厚度的管段。e_rc的下界在CML全损时被达到，并且被计算为e_S0/e₀-1。

对于图26(b)中的情况S2，可以用与方程19至26的推导中使用的过程类似的过程来确定

和e_rc之间的关系。用于S2情况的

的表达式由以下方程给出：

注意，2cK/E_S的值大约为10^-2，使得在方程27的推导中使用近似1-2cK/E_S≈1。e_rc的可能的范围为从-1至e_S0/e₀-1。下界对应于CML全损加上钢壁全缩，上界是指CML全损，但是钢厚度不缩小。

通过组合方程26和27，可以对任何特定的MSCL管道绘制描述对于情况S1和S2一起的

和e_rc之间的关系的曲线。在该曲线中预计有间断，这表示CML全损、但是没有钢壁厚度损失的情形。

情况S3(即，具有钢壁厚度内部变化的完整CML)可以用与用于情况S1和S2的策略相同的策略来进行分析。分析表明，情况S3等同于无衬里管道中的壁厚度内部变化的情形。使用1-2cK/E_S≈1的近似，这种情况下的

和e_rc之间的关系由以下方程给出：

对于情况S4，如图26(d)所示，即，具有钢壁厚度外部变化的完整CML，比如具有由于延伸的外部腐蚀而导致的壁厚度的缩小的管段。情况S4的等同钢厚度可以被写为：

完整管道和具有壁厚度外部变化的段具有相同的内径D₀。结果，在这种情况下，D₀可以被用在关于a₁的公式(方程16)中，B_r是波速比，即，B_r＝a₁/a₀。使用方程15、16、18和29，阻抗比于是可以被推导为：

将方程30代入到方程30中得到：

在方程31中，e_rc的下界为-e_S0/e₀，其表示钢壁全损。可以针对特定的MSCL管线、对方程31绘制曲线，该曲线然后可以用作用于管线状况评估的查找表。

进行使用特性法(MOC)的数值模拟来验证方程26、27、28和31的有效性。对蓄水池-管线-阀(RPV)管线系统进行建模，并且使用阶跃瞬态压力波作为激励。管线的物理细节是关于在其进行后续实验试验的南澳大利亚的现有的MSCL摩根输送管线(MTP)的那些。

对于完整段，外径为762mm，内径(D₀)为727.5mm，CML的厚度(e_C0)为12.5mm，钢的厚度(e_S0)为4.76mm。仿真中所用的其他参数包括：水泥砂浆的估计的弹性杨氏模量E_C＝25GPa；钢管壁的弹性杨氏模量E_S＝210GPa；水的体积模量(在15℃下)K＝2.14GPa；水的密度(在15℃下)ρ＝999.1kg/m³以及用于轴向和侧向约束的钢管的约束因子c＝0.91(对于0.3的用于钢管壁的泊松比)。结果，完整段的理论波速和等同钢厚度分别被计算为a₀＝1015m/s和e₀＝6.25mm。

现在参照图27，示出了关于以下情况的无量纲头部扰动

和等同钢厚度的相对变化(e_rc)之间的关系的绘图：(a)CML的厚度内部变化(方程26，图26(a)中的S1)；以及(b)CML全损加上钢壁的厚度缩小(方程27，图26(b)中的S2)。

现在参照图28，示出了关于具有钢壁的厚度内部变化的完整CML的情况的、无量纲头部扰动

和等同钢厚度的相对变化(e_rc)之间的关系的绘图(方程28，图26(c)中的S3)。

现在参照图29，示出了关于具有钢壁的厚度外部变化的、无量纲头部扰动

和等同钢厚度的相对变化(e_rc)之间的关系的绘图(方程31，图26(d)中的S4)。

如上面所提到的，方程26和27的曲线在图27中是一起示出的。e_rc＝e_S0/e₀-1＝-0.238和

处的点是方程26和27的曲线的交点，并且它对应于具有完整钢壁的CML全损。关于方程28和31的绘图在图28和图29中给出。图6中的曲线的下界为e_rc＝-e_S0/e₀＝-0.762。如将意识到的，图27至29可以用作用于对MTP进行管线状况评估的查找表。

如图26所示的四种情况S1至S4通过顺序地且独立地进行MOC来模拟(即，在每个仿真中，仅涉及一种情况)。具体地说，仿真中所涉及的管段包括：(a)S1：e_C1＝6mm；(b)S2：e_S1＝3mm；(c)S3：e_S1＝6.35mm；以及(d)S4：e_S1＝3mm。使用RPV系统，并且将管线的全场取为2333m。具有壁厚度变化的每个段的长度为大约100m(其中有轻微的调整以使库朗数值保持为单位一)，并且从蓄水池下游1015m处开始。MOC中所用的时间步长为0.0005s。阶跃瞬态波是通过在一个时间步长内关闭下游阀而产生的。在MOC仿真中不考虑摩擦。压力波相互作用信号是在劣化段下游的点203处测得的。

四个段(S1至S4)中的理论波速是使用波速公式计算得到的，结果是：a_{1_S1}＝975m/s,a_{1_S2}＝801m/s，a_{1_S3}＝1074m/s，a_{1_S4}＝925m/s。四个段(S1至S4)的理论等同钢厚度被计算为e_{1_S1}＝5.47mm、e_{1_S2}＝3.0mm、e_{1_S3}＝7.84mm、e_{1_S4}＝4.49mm。等同钢厚度的理论相对变化被计算为e_{rc_S1}＝-0.124、e_{rc_S2}＝-0.520、e_{rc_S3}＝0.254、e_{rc_S4}＝-0.282。

现在参照图30，示出了从对于四种情况(S1至S4)的MOC仿真获得的计算的无量纲头部扰动

使用图27至29，可以对每种情况确定等同钢厚度的相对变化的对应值，并且结果是

可以看出，从数值瞬态压力踪迹确定的结果与分析结果(e_{rc_S1}至e_{rc_S4})高度一致。小差值是来自圆整误差以及方程26、27、28和31的推导中所用的近似。数值仿真证实，方程26、27、28和31是有效的，并且它们可以用于定量管线状况评估。对于特定的测得的波反射，可以列出可能的劣化情形，并且可以确定每种情形的剩余壁厚度。

现在参照图31，示出了在其进行实验现场研究的摩根输送管线(MTP)的一段的布局。研究的管线的相关段是来自链程(来自某个数据的如沿着管道长度测得的位置)15000m到CH 18000m，其覆盖冲刷阀No.24(SV24)以及空气阀No.43(AV43)和No.44(AV44)。

MTP是泵站和下游端分级槽之间的长度为26.1km以上的地上MSCL总水管。在现场测试期间，关闭泵，并且形成死端边界。用分级槽对管线系统进行增压。关于完整管段的物理细节(D₀、e_C0、e_S0、e₀和a₀)和其他参数(E_C、E_S、K、ρ和c)已经在上面给出。CH 15735m和CH15840之间的段具有6.35mm的已知的更厚的钢厚度。然而，该段中的CML的外径和厚度与原始完整段中的对应部分是相同的(情况S3)。具有更厚的钢壁的几个替换管段也被安置在该管道长度中。这里不考虑这些替换段，因为它们的长度短(通常为几米)。

定制侧排放阀的形式的压力波发生器在SC24处被用于生成阶跃瞬态压力波。流量计被连接到侧排放阀以测量信号产生之前的稳态侧排放。稳态侧排放用于便利入射阶跃波的幅值的确定。压力换能器被放置在测量位置SC24、AV43和AV44处以测量压力响应。

现在参照图32，示出了如在AV43(实线)处测得的链程15000m和16500m之间的压力波相互作用信号或无量纲头部扰动(是距离的函数)的绘图。还绘制了由具有CML全损、但是完整的钢壁的段造成的规范化的无量纲头部扰动(虚线)、通过超声发声测得的平均钢厚度(点线)以及具有小于4.3mm的值的超声测量(被如图例中所指示的那样标记)。

与侧排放阀的打开(以引入侧排放)相关联的长时间段(低频)压力振荡已经被用带通滤波器移除。稳态头部是通过对在入射波到达之前测得的数据的短时间段求取平均值而确定的，并且结果是H₀＝32.01m。入射波的幅值(H_i-H₀)是从测得的踪迹中所示的波前(从稳态头部H₀到波前的顶部示出的第一峰，其为37.80m)估计的，并且结果是5.79m。

图32中的x轴是与压力波反射相对应的链程。链程信息是通过TDR并且使用反射的测得的到达时间和代表性波速获得的。如通过换能器测得的反射的到达时间(相对于波前的到达时间)是压力波行进到对应的缺陷并且从对应的缺陷反射回来的时间。AV43(CH16620)和壁更厚的段(CH15840)的右边界之间的段的代表性波速为930m/s，其是通过已知距离和由壁更厚的段造成的反射的到达时间确定的。壁更厚的段和其左侧的管段的代表性波速分别被计算为1050m/s和900m/s。

图32中的虚线表示由具有CML全损、但是钢壁完整的管段造成的无量纲头部扰动的值，其为

该虚线充当区分由劣化段造成的显著反射和CML全损和内部腐蚀的阈值。钢壁厚度值也由沿着CH 14900和CH 18900之间的MTP的间隔5m的超声厚度测量仪器测得。超声测量是在每个位置处、在围绕管道的圆周的八个点处进行的(P1到P8，从管道的顶部开始，围绕圆周间隔45°)。对于在其中检测到钢壁厚度的变化的一些段，测量间隔减小到1m。

图32中的虚线给出沿着管道的平均钢壁厚度(围绕圆周的八个点处的超声壁厚度测量的平均值)。图32所示的标记是具有小于4.3mm的值的钢壁厚度的超声测量(该值被认为是显著的，因为它对应于与如由制造商对完整MSCL段给出的4.76mm的原始钢厚度相比大约10％的钢壁缩小)。

几个主要反射被选择用于分析，在图32中被示为R1至R7。选择是基于在同一测试中在AV43、SC24和AV44处测得的压力波相互作用信号的全面分析以确保选择的反射是由位于采用上述时间平移法的AV43(参见图31)的左手侧的缺陷诱导的。

反射R5是来自已知的特征、CH 15735m和CH 15840m之间的壁更厚的段，并且它符合如图26(c)中的情况S3。从图32，对于R5的最大无量纲头部扰动被读为0.0254。使用图28中给出的查找表，等同钢厚度的相对变化被确定为0.195。对MTP使用方程18和e₀＝6.25mm，该壁更厚的段的等同钢厚度被确定为

对MTP使用方程14和e_C0＝12.5mm，壁更厚的段的钢壁的厚度被确定为

该结果小于制造商对该段给出的钢壁厚度(其为6.35mm)和超声测量(6.1到6.5mm)。差异据信是由对于R5的无量纲头部扰动的估计幅值的不准确和瞬态压力波的衰减引起的。

MTP是地上管道，并且在对研究中的管段进行测试期间没有观察到显著的外壁劣化。结果，反射R1至R4、R6和R7据信与具有壁厚度内部变化的管段相关联。在真实的MSCL管线中，内部壁劣化比数值研究中讨论的情形更复杂(如图26(a)和(b)所示的情况S1和S2)。CML的劣化主要包括开裂、脱胶和剥落，并且劣化的分布在内周周围不是均匀的。这已经由对MTP获得的CCTV照相机镜头确认。

在CML剥落之后，在钢壁上开始内部腐蚀。无量纲反射的大小被与表示均匀的CML全损的阈值(图32中的虚线)进行比较。反射R1、R4、R6和R7大于阈值，所以结果，它们据信是大规模的CML损失与钢壁的相当大的内部腐蚀一起的指示。反射R2和R3是显著的，但是尚未达到阈值，所以它们有可能是与局部内部腐蚀相关联的CML的相当大的脱胶和剥落的指示。

为了对劣化进行定量，使用图27中的查找表来确定代表性壁厚度(壁劣化均匀的假定下的剩余壁厚度)。与反射R1、R4、R6和R7相关联的段等同于具有CML全损和钢壁均匀变薄的段(情况S2)，其中代表性钢壁厚度分别被确定为

和

注意，结果仅仅是代表性的钢壁厚度(基于“均匀劣化”的假定)，并且一些块中的厚度可以小于代表性值。因为压力波的衰减(其使压力波反射的幅值减小)与波行进的距离大约成比例，并且反射R1至R4是由离测量位置(AV43)1km远的段造成的，所以这些段的状况有可能比如通过使用反射的观察到的幅值确定的代表性状况更坏。

总的来说，如通过应用所提出的技术确定的管道的状况与钢壁厚度的超声结果大体上是一致的。具有内部壁劣化的六个管段是通过使用无量纲头部扰动踪迹识别的，并且代表性壁厚度是通过查找表确定的。

如将意识到的，上述方法和系统表示评估管线的状况、特别是相对于任何产生位置来确定管线中的局部变化的位置中的重大进展。一旦这些位置已经被确定，可以执行进一步的分析，比如基于子段确定管线的子段的特性的子段分析和/或管线中的局部缺陷的识别。

在整个说明书中，术语“管线系统”是指管线和相关联的连接的液压组件和特征。液压组件包括但不限于，各种类型的阀，比如单向阀(被部分地或完全地关闭)、冲刷阀、进入分支管线的入口上的阀(被部分地或完全地关闭)以及空气阀；从管线延伸的关闭的和敞开的分支管线段；排出管；蓄水池；以及水槽(例如，缓冲槽或空气罐或室)。液压特征包括但不限于，管线材料、衬里、壁厚度、直径或类的变化。

如还将显而易见的是，本说明书中所称管线的“状况”的评估包括不仅确定管线中的缺陷的存在和广度，而且还确定如由与管线相关联的已登记的和未登记的各种液压组件和特征的存在和位置限定的管线系统的构造或拓扑。

本领域技术人员将进一步意识到，结合本文所公开的实施例描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或指令或这二者的组合。为了清楚地例示说明硬件和软件的这个互换性，各种说明性组件、块、模块、电路和步骤已经在上面就它们的功能性进行了概括性描述。这样的功能性是被实现为硬件、还是被实现为软件取决于特定的应用和施加于整个系统上的设计约束。如将意识到的，所描述的功能性可以以不同的方式用于每个特定的应用，但是这样的实现决策不应被解释为引起脱离本公开的范围。

在整个说明书和所附权利要求书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”和“包含”及其变体将被理解为暗示包括所陈述的一个整数或一组整数，但是不排除任何其他的一个整数或一组整数。

本说明书中对任何现有技术的论述不被看作，并且不应被看作，是承认此类现有技术形成公知常识的一部分的任何形式的示意。

本领域技术人员将意识到，本发明在其用途上不限于所描述的特定应用。本发明在其优选实施例中也不受到关于其中所描述的或所描绘的特定元件和/或特征的限制。将意识到，本发明不限于所公开的一个实施例或多个实施例，而是在不脱离权利要求书所阐述和限定的本发明的范围的情况下，能够有许多重排、修改和替换。

Claims

1.一种用于评估管线系统中的管线的状况的方法，所述方法包括：

在沿着所述管线系统的产生位置处、在正被沿着所述管线系统运送的流体中产生压力波；

在沿着所述管线系统的第一测量位置处检测第一压力波相互作用信号，所述第一压力波相互作用信号是由所述压力波与所述管线中的局部变化的相互作用得到的；

在沿着所述管线系统的第二测量位置处同步地检测第二压力波相互作用信号，所述第二压力波相互作用信号是由所述压力波与所述管线中的局部变化的相互作用得到的；

比较所述第一压力波相互作用信号和所述第二压力波相互作用信号以相对于所述产生位置来确定所述第一压力波相互作用信号和所述第二压力波相互作用信号中的单个的特征的位置，所述单个的特征与来自所述管线中的局部变化的压力波反射相对应，其中比较所述第一压力波相互作用信号和所述第二压力波相互作用信号包括通过对所述第一压力波相互作用信号和/或所述第二压力波相互作用信号进行时间平移来进行比较，以确定单个的特征的位置，包括确定所述局部变化位于所述产生位置的哪一侧；以及

表征所述单个的特征以评估所述管线的状况。

2.如权利要求1所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，其中确定所述局部变化位于所述产生位置的哪一侧包括：

选择一个测量位置作为参考测量位置，所述参考测量位置不位于所述产生位置处；

对于每个剩余的测量位置，确定每个剩余的测量位置：

是位于所述产生位置的与所述参考测量位置相同的一侧；

还是位于所述产生位置的与所述参考测量位置相比的相对侧；还是

位于所述产生位置处；

对位于所述产生位置的与所述参考测量位置相同的一侧的那些测量位置的相应的压力波相互作用信号应用负的时间平移，所述负的时间平移对应于所述压力波从所述产生位置行进到相应的测量位置所花费的时间间隔；

对位于所述产生位置的与所述参考测量位置相比的相对侧的那些测量位置的相应的压力波相互作用信号应用正的时间平移，所述正的时间平移对应于所述压力波从所述产生位置行进到相应的对置的测量位置所花费的时间间隔；

对位于所述产生位置处的那些测量位置的相应的压力波相互作用信号不应用时间平移；以及

识别时间平移后的压力波相互作用信号中的共同特征，所述共同特征与位于所述产生位置的与所述参考测量位置相比的相对侧的局部变化的子集相对应。

3.如权利要求2所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，进一步包括：

对位于所述产生位置的与参考测量位置相同的一侧的那些测量位置的相应的压力波相互作用信号应用正的时间平移，所述正的时间平移对应于所述压力波从所述产生位置行进到相应的测量位置所花费的时间间隔；

对位于所述产生位置的与所述参考测量位置相比的相对侧的那些测量位置的相应的压力波相互作用信号应用负的时间平移，所述负的时间平移对应于所述压力波从所述产生位置行进到相应的对置的测量位置所花费的时间间隔；

识别时间平移后的压力波相互作用信号中的共同特征，所述共同特征对应于位于所述产生位置的与所述参考测量位置相比的同一侧的局部变化的子集。

4.如权利要求2所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，进一步包括将所述参考测量位置变到位于所述产生位置的相对侧的测量位置。

5.如权利要求2至4中任一项所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，其中所述参考测量位置对应于假想测量位置。

6.如权利要求1至4中任一项所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，其中表征单个的特征以评估管线的状况包括对所述第一压力波相互作用信号和第二压力波相互作用信号中的与来自所述管线中的局部变化的压力波反射相对应的单个的特征应用阈值标准以确定所述局部变化是否是所述管线系统的液压特征或液压组件。

7.如权利要求6所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，其中确定所述局部变化是否是所述管线系统的液压特征或液压组件包括将所述压力波反射分类为对应于液压特征的类型或液压组件的类型。

8.如权利要求7所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，其中所述液压特征的类型包括以下中的一个或多个：

管材料的变化；

管直径的变化；

管衬的变化；

管壁厚度的变化；或

管类的变化。

9.如权利要求7所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，其中所述液压组件的类型包括以下中的一个或多个：

阀；

从所述管线延伸的闭合的或敞开的分支管线段；

排出管；

蓄水池；或

水槽。

10.如权利要求9所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，其中所述液压组件的阀类型包括以下阀子类型中的一个或多个：

被部分地关闭的单向阀；

被完全地关闭的单向阀；

冲刷阀；

在分支管线的入口上的被部分地关闭的阀；

在分支管线的入口上的被完全地关闭的阀；或

空气阀。

11.如权利要求6所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，其中确定局部变化是否是管线系统的液压特征或液压组件包括将所述局部变化与关于所述管线系统的先验信息相关连以确定所述液压特征或液压组件是已登记的、还是未登记的。

12.如权利要求1至4或7至11中任一项所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，其中表征所述单个的特征以评估管线的状况包括应用阈值标准来识别所述第一压力波相互作用信号和所述第二压力波相互作用信号中的主要压力波反射。

13.如权利要求12所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，包括基于造成所述主要压力波反射的局部变化的位置来将所述管线划分为子段。

14.如权利要求13所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，包括确定每个子段的特性。

15.如权利要求14所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，其中所述特性是每个子段的波速。

16.如权利要求14所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，其中所述特性是每个子段的阻抗。

17.如权利要求14所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，其中所述特性是每个子段的位置和广度。

18.如权利要求14所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，其中所述特性是每个子段的等同壁厚度。

19.如权利要求1至4或7至11或14至18中任一项所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，其中表征所述单个的特征以评估管线的状况包括应用阈值标准来识别所述第一压力波相互作用信号和所述第二压力波相互作用信号中的与所述管线中的局部缺陷相对应的显著压力波反射。

20.如权利要求19所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，包括将所述显著压力波反射分类为对应于局部缺陷的类型。

21.如权利要求20所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，其中所述局部缺陷的类型包括以下中的一个或多个：

所述管线中具有显著壁劣化的短距离；

泄漏；

堵塞；或

气陷。

22.如权利要求20或21所述的用于评估管线系统中的管线的状况的方法，包括确定所述管线中的所述局部缺陷的位置。

23.一种用于评估管线系统中的管线的状况的系统，包括：

压力波产生器，所述压力波产生器用于在沿着所述管线系统的产生位置处、在正被沿着所述管线系统运送的流体中产生压力波；

第一压力检测器，所述第一压力检测器用于在沿着所述管线系统的第一测量位置处检测第一压力波相互作用信号，所述第一压力波相互作用信号是由所述压力波与所述管线中的局部变化的相互作用得到的；

第二压力检测器，所述第二压力检测器用于在沿着所述管线系统的第二测量位置处同步地检测第二压力波相互作用信号，所述第二压力波相互作用信号是由所述压力波与所述管线中的局部变化的相互作用得到的；以及

数据处理器，所述数据处理器用于：

表征所述单个的特征以评估所述管线的状况。

24.一种用于评估管线系统中的管线段的状况的方法，所述方法包括：

在正被沿着所述管线系统运送的流体中产生第一压力波，所述第一压力波是在所述管线段的上游或下游的位置处产生的；

在沿着所述管线系统的第一组一个或多个测量位置处检测第一压力波响应信号；

在正被沿着管线系统运送的流体中产生第二压力波，如果所述第一压力波是在所述管线段的上游产生的，则所述第二压力波是在所述管线段的下游的位置处产生的，或者可替代地，如果所述第一压力波是在所述管线段的下游产生的，则所述第二压力波是在所述管线段的上游的位置处产生的；

在沿着所述管线的第二组一个或多个测量位置处检测第二压力波响应信号；

通过时间平移来比较在所述第一组测量位置和所述第二组测量位置处测得的所述第一压力波响应信号和所述第二压力波响应信号以识别在所述第一压力波响应信号和所述第二压力波响应信号中测得的压力波反射的源位置和方向；

根据所述压力波反射的源位置的选择来将所述管线段划分为两个或更多个子段；以及

基于所述管线段的每个子段的局部表征来评估所述管线段的每个子段的状况。