МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ УТЕЧЕК В ВОДОПРОВОДЕ ПУТЕМ КОНТРОЛЯ ГРАДИЕНТА ДАВЛЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Оригинальная статья / Original article УДК 628.148

DOI: http://dx.d0i.0rg/l 0.21285/2227-2917-2020-4-628-633

Метод определения мест утечек в водопроводе путем контроля градиента давления

© Р.А. Эминов1, Э.И. Гусейнли2, С.И. Керимова3

Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности, г. Баку, Азербайджанская Республика, Азербайджанский государственный институт водных проблем, г. Баку,

Азербайджанская Республика, 3Научно-исследовательский институт аэрокосмической информатики Национального аэрокосмического агентства, г. Баку, Азербайджанская Республика

Резюме: Цель - разработка метода определения мест утечки на участке водопровода, где отсутствуют ответвления, а также наблюдается спад давления в трубе под действием сил трения. Решение проблемы обнаружения мест утечек может быть осуществлено путем разработки новых методов организации контроля над режимом функционирования системы подачи и распределения воды. Известен метод определения мест утечки в трубопроводе без ответвлений, где место утечки определяется по координате точки пересечения линий, характеризующих изменение давления в трубе до и после точки утечки. На основании этого предложен метод определения нескольких мест утечек в водопроводе с меньшим числом необходимых измерений. Проанализирован известный метод определения точек утечек на участке горизонтального водопровода с неизменным диаметром трубы. Показан недостаток этого метода, заключающийся в том, что для определения точек утечки по данному методу может потребоваться большое количество измерений, определяющих отношение длины трубопровода с наиболее вероятной минимальной длиной интервала между близлежащими точками утечек. Разработанный метод определения утечек в водопроводе путем контроля градиента давления позволяет устранить этот недостаток. Предложен метод эквивалентных точек, позволяющий существенно сократить количество необходимых измерений. Получены формулы для оценки кратности уменьшения количества необходимых измерений в предложенном методе. Определено, что при чрезмерном увеличении количества точек утечек указанная кратность уменьшается до нуля, однако при этом водопровод считается полностью изношенным и заменяется.

Ключевые слова: места утечек в водопроводе, контроль градиента давления, система подачи и распределения воды

Для цитирования: Эминов Р.А., Гусейнли Э.И., Керимова С.И. Метод определения мест утечек в водопроводе путем контроля градиента давления. Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2020. Т. 10. № 4. С. 628-633. https://doi.org/10.21285/2227-2917-2020-4-628-633

A method for identifying leaks in water pipes by controlling the pressure gradient

Ramiz A. Eminov, Elmir I. Huseynli, Saida I. Kerimova

Azerbaijan State Oil and Industry University, Baku, Republic of Azerbaijan, State Research Institute of Water Problems, Baku, Republic of Azerbaijan, Scientific and Research Institute of Aerospace Informatics National aerospace Agency, Baku, Republic of Azerbaijan

Abstract: The objective was to develop a method for determining leaks in a branchless water pipeline section, when a pressure drop in the pipe under the action of friction forces is observed. The problem of detecting leaks can be solved by developing new methods for monitoring the operation of water supply and distribution systems. A well-known method for detecting leaks in branchless pipelines consists in determination of the coordinates of the intersection point of lines that characterize the pressure change in the pipe before and after the leak incident. On this basis, a method is proposed for determining several leak locations in the water supply system with fewer necessary measurements. A well-known method for

Том 10 № 4 2020

Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 628-633 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No.4 2020 _pp. 628-633

ISSN 2227-2917

628 (Print)

628 ISSN 2500-154X (online)

determining leaking sites in a horizontal water supply section with a constant pipe diameter was analysed. One disadvantage of this method is that determination of a leaking site may require numerous measurements to establish the ratio of the pipeline length to the most likely minimum length of the interval between nearby leak points. The developed method for detecting water leaks by monitoring the pressure gradient eliminates this drawback. A method of equivalent points was proposed, which allows the number of necessary measurements to be significantly reduced. Formulas were obtained for estimating the multiplicity of reducing the number of necessary measurements in the proposed method. It was determined that, upon an excessive increase in the number of leak points, the specified multiplicity decreases to zero. However, this indicates a completely obsolete water supply system, which requires replacement.

Keywords: places of leaks in the water supply system, pressure gradient control, water supply and distribution system

For citation: Eminov RA, Huseynli EI, Kerimova SI. A method for identifying leaks in water pipes by controlling the pressure gradient. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2020;10(4):628-633. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/2227-2917-2020-4-628-633

Введение

Хорошо известно, что проблема бережного использования воды и ликвидации ее потерь является одной из актуальных задач современного состояния развития общества. Решение данной проблемы тесно связано с обнаружением скрытных утечек воды с водопроводной сети, что может быть осуществлено путем организации контроля за режимом функционирования системы подачи и распределения воды [1]. Как отмечается в работе [2], в настоящее время водопроводные сети во многих населенных пунктах находятся в изношенном состоянии, а их средний износ составляет до 42%. Например, только через отверстие диаметром 3мм при давлении 490,3 кПа из водопроводной сети в сутки теряется более 13 м3 воды. Очевидно, что для повышения качества и надежности водоснабжения потребителей необходимо снизить количества повреждений на водопроводной сети, уменьшить затраты на ремонтные работы. Согласно [3], можно указать следующие факторы, затрудняющие использование известных методов обнаружения утечек в водопроводной сети:

- сложная топография водопроводной сети;

- износ и коррозия труб водопроводной сети;

- разнородность материала труб;

- большой разброс диаметров труб в одной трубопроводной системе и др.

Общепринято1 [1, 2], что в настоящее время нет универсального метода поиска места утечки, позволяющего устранить влияния вышеуказанных факторов, что выдвигает на первый план комплексное использование различных методов. В настоящее время для опреде-

ления мест утечки используются [3-7]:

- гидравлические методы;

- акустические методы;

- корреляционные методы;

- методы телевизионной диагностики;

- газоаналитический метод;

- комплексные методы.

Как было отмечено выше, использование комплексных методов позволяют, в основном, решить задачу определения мест утечек воды.

Однако, низкая цена водопроводной воды, а также высокая цена реализации комплексных методов диктует необходимость разработки простых и относительно недорогих методов обнаружения мест утечек воды, пригодных для использования в некоторых часто встречаемых случаях. Одним, из таких ситуаций является задача обнаружения утечки в горизонтальной водопроводной трубе с неизменным диаметром. Данная задача, в частотности, была рассмотрена в работе [10], где авторы предложили простой метод обнаружения места утечки на основе анализа уменьшения давления в трубопроводе из-за потерь трения. В настоящей статье предлагается усовершенствование данного метода, позволяющее повысить оперативность его реализации.

Материалы и методы

Известный метод

Хорошо известно, что для несжимаемых жидкостей транспортируемых по трубопроводу справедливо следующее соотношение

и ■ А = и ■ А (1)

вх вх вых вых \ '

где vвх - скорость движения водной массы на входе трубопровода; vвых - то же, на выходе

''Абрамов Н.Н. Водоснабжение: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1974. 480 с.

Комплексный подход к поиску утечек воды URL: https://www.technoac.ru/news/articles/art-3 (17.11.2020).

[Электронный ресурс]

Техно-АС.

Том 10 № 4 2020

с. 628-633 Vol. 10 No. 4 2020 pp. 628-633

Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate

ISSN 2227-2917

(print) ISSN 2500-154X (online)

трубопровода; АЬх = ж ■ Rbx, где Авх - площадь

поперечного сечения трубопровода на входе;

Rвх - радиус трубы на входе; Авых = ж ■ Ввыа ,

где Авх - площадь поперечного сечения трубопровода на выходе; Rвх - радиус трубы на выходе.

Падение давления в трубе при отсутствии ответвлений происходит из-за сил трений.

При этом коэффициент трения определяется по формуле Дарсу - Вейсбаха, действительной для случая ламинарного течения воды

(2)

Re =

pDv M

(3)

где р - плотность воды; D - диаметр трубы; v - средняя скорость движения воды; ^ - динамическая вязкость.

Согласно [10], в горизонтальной трубе круглого сечения длиной L диаметром D и скоростью потока V возникает падение давления ЛР из-за сил трения, определяемое по формуле

АР =

f ■ L ■ pu2 2Dg

(4)

_ 64

_ Re '

где Rе - показатель Рейнолдза, определяемый в качестве отношения инерционных сил и сил вязкости.

В случае рассмотрения трубы одного типа и размера

Для подтверждения данного факта, а также для исследования влияния утечки на величину

АР

АЬ до и после места утечки в работе [6] был проведен эксперимент на участке водопровода, иллюстрированного на рис. 1. В результате проводимых экспериментальных исследований в [6] было обнаружено, что при отсутствии утечки, т.е. при отсутствии отверстий (7-9) градиент остается неизменным.

Направление потока

утечка

тп^т

15MNÄI3 12 II 10

6 5 4 3 2 «1

Направление потока

Рис. 1. Схематическое представление эксперимента по исследованию

АР

градиента падения давления по длине трубы из-за сил трения: 1-15 - датчики давления типа МРХ; 7-9 - указывают отверстия на трубе, моделирующие утечку

АР

Fig. 1. Schematic representation of an experiment to study the pressure drop gradient along the length of the pipe — due to friction forces: 1-15 - pressure sensors of the MRX type; 7-9-indicate holes on the pipe that simulate leakage

Однако при наличии утечки величина гра-

диента

АР AL

значительно изменяется. На основе

вышеизложенных фактов в работе [6] предлагается метод определения мест утечки в качестве координат точки пересечения линий, характеризующих изменение давления в трубе до и после точки утечки. На основании этого факта нами разработан метод определения утечек в водопроводе путем контроля градиента давления.

Предлагаемый метод

Очевидно, что такой метод определения места утечки можно считать эффективным, если существует какая-либо приблизительная информация о зоне трубопровода, где произошла утечка. Если же такая информация отАР

сутствует, приходится вычислять градиент АЬ по всей трассе и далее проводить соответст-

вующие геометрические построения для определения одной или нескольких точек пересечения линий. Для устранения указанного недостатка нами предлагается метод эквивалентных точек, суть которого поясняется на рис. 2. Допустим, что на рассматриваемом участке трубопровода образовались точки утечки (О1, О2, ... Оп), количество которых в общей случае априори неизвестно. В качестве примера рассмотрим случай наличия трех точек. Согласно методу, предложенному в [6], по трассе трубопровода длиной L следует провести ж =— измерений давления, где величина ЛL

1 АЬ

определяется на основе существующих эмпирических знаний о том, насколько близко могут образоваться точки утечки в линии.

ISSN 2227-2917 Том 10 № 4 2020 630 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 628-633 630 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No.4 2020 _(online)_pp. 628-633

у

Fig. 2. The proposed method of equivalent points

Согласно предлагаемому нами методу измерения давления следует проводить не по всей трассе трубопровода, а лишь на начальной и конечной частях. Таким образом, количество п1 проводимых измерений для определения точки О1 составит

n =■

AL

(8)

количество п2 , проводимых измерений для определения О3составит

Ь,.

n2 = -

AL

(9)

Далее для определения точки О2, предлагается осуществить следующие операции:

1. Вычисляется позиция эквивалентной точки Оэ1 путем нахождения точки пересечения линий у=/1(х) и y=f4(x).

2. В точке Оэ1 осуществляется измерение

АР

градиента аь, вычисляется линия y=f2(x). Количество измерения, необходимых для выполнения данного пункта, определим как п3.

3. Определяется, является ли точка пересечения линий //(х) и /2(х) эквивалентной точкой, либо ранее вычисленной точкой О1. Если это точка О1 (на рис. 3 изображен последний случай) осуществляется переход к вычислению второй эквивалентной точки Оэ2.

4. Вторая эквивалентная точка Оэ2 формируется подобно Оэ1, геометрически путем формирования точки пересечения линий /2(х) и /4(х).

5. В точке Оэ2 осуществляется измерение

градиента АЬ и вычисляется линия у=/3(х). Количество измерений, необходимых для выполнения данного пункта также равно п3.

6. Определяется, является ли точка пересечения линий /2(х) и /3(х)О2 реальной точкой наличия утечки, или эквивалентной точкой, (на рис. 3 показан первый случай) путем проведения в окрестностях точки О2 измерений. Количество таких измерений определим как 2п3.

7. Далее, определяется, является ли точка пересечения линий /3(ж) и /4(ж) ранее определенной точкой О3, или очередной эквивалентной точкой (на рис.3 показан первый случай) путем проведения измерений в окрестностях точки О3. Количество таких измерений также определим как 2п3.

Таким образом, согласно вышеприведенному анализу для вычисления трех точек утечки на трассе трубопровода длиной L необходимо провести М0количество измерений, где

N = п, + п2 + 6п3 = — + — + 6п3 (10)

012 3 АЬ АЬ 3.

При этом количество необходимых измерений уменьшается в К1 раз, где определим как

.N1 . (11)

k =

n„

С учетом (7), (10) и (11) получим

L / AL ki =- '

LH + + 6n3 AL AL

Из (12) получаем

kl =

L

(12)

(13)

LH + Lk + 6n3 - AL

Из выражения (13) ясно, что условием уменьшения количества необходимых измерений является неравенство

или

6n3AL <[L -(Lh + Lk )] L -(Lh + Lk).

AL <-

6n

(14)

(15)

Легко показать, что при наличии 4-х точек утечки формула (15) имеет вид

Ь ~{ьн + Ьк) (16)

AL <-

8n

и в общем случае наличия n точек утечки имеем

(17)

Ar L -(LH + Lk ) AL <- v H k'.

2п ■ п3

При этом количество необходимых измерений (13) уменьшается в К2раз

Том 10 № 4 2020

с. 628-633 Vol. 10 No. 4 2020 pp. 628-633

Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate

ISSN 2227-2917

(print) 631 ISSN 2500-154X 63 1 (online)_

К =-

LH + Lk + 2n ■ n3 ■ AL

(18)

Как видно из выражения (18), как и следовало бы ожидать, при чрезмерном росте п эффект уменьшения числа необходимых измерений уменьшается до нуля. Условие появления нулевого эффекта уменьшения числа необходимых измерений определим как

П > Ь ~ ЬН ~ Ь . (19)

2п3 ■АЬ

Однако вероятность одновременного появления многочисленных точек утечек в нормально функционирующем водопроводе слишком мала, а если подобное происходит, то это указывает скорее на полный износ водопроводной линии, которую следует не ремонтировать, а полностью заменить.

Заключение

Таким образом, критически проанализирован известный метод определения точек утечек

на участке водопровода в виде горизонтального трубопровода с неизменным диаметром трубы. Определено, что для определения точек утечки по данному методу может потребоваться большое количество измерений, определяемым отношением длины трубопровода и наиболее вероятной минимальной длиной интервала между близлежащими точками утечек. Предложен метод эквивалентных точек, позволяющий существенно сократить количество необходимых измерений. Приведены формулы для количественной оценки эффекта уменьшения числа необходимых измерений в предложенном методе. Показано, что при чрезмерном увеличении количества точек утечек указанная оценка уменьшается до нуля, однако такой исход можно считать результатом полного износа водопроводной линии, которую следует полностью заменить.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК

1. Линкевич Н.Н., Ануфриев В.Н., Линкевич А.Н. Методы выявления утечек воды и обнаружение мест повреждений водопроводной сети // Современные тенденции в развитии водоснабжения и водоотведения: материалы Междунар. конф., посвященной 145-летию УП «Минскводо-канал», в 2 ч (13—14 февраля 2019 г., Минск). Минск: БГТУ, 2019. Ч. 2. С. 82-85.

2. Аширова О.А., Салохиддинов А.Т. Метод эффективного поиска скрытых мест утечек воды в подземных трубопроводах // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2017. №2(26). С. 156-70.

3. Косыгин А.Б., Хании В.Н., Государев К.И., Фомина И.В. Обнаружение скрытых утечек с использованием системы мониторинга водопроводной сети// Водоснабжение и санитарная техника. 2010. №4. С. 22-26.

4. Wang X.J., Simpson A.R., Lambert M.F., Vitkovsky J.P. Leak detection in pipeline systems using hydraulic methods: a review // Conference on Hydraulics in Civil Engineering (23-30 January

2001, Hobart). Hobart: The Institution of Engineers, 2001. p. 391-400.

5. Khulief Y. A., Khalifa A., Ben Mansour R., Habib M. A. Acoustic detection of leaks in water pipelines using measurements inside pipe// Journal of Pipeline systems engineering and practice. ASCE. May 2012. Vol. 47.

6. Gao Y., Liu Y., Ma Y., Cheng X., yang J. Application of the di_erentiation process into the correlation - based leak detection in urban pipeline networks// Mech. Syst. Signal Process. 2018. Vol. 112. Pp. 251-264.

7. Adegboye M. A., Fung W-K., Karnik A. Recent advances in pipeline monitoring and oil leakage detection technologies: principles and approaches // Sensors. 2019. Vol. 19. P. 2548. https://doi.org/10.3390/s19112548

8. Prihtiadi H., Azwar A., Djamal M. A simple method to determine leakage location in water distribution based on pressure profiles // The 4th International Conference on Theoretical and Applied Physic (ICTAP). 2014. AIP Conf. Proc. 1719, 0300045-1 -030045-5. D0I:10.1063/1.4943740.

REFERENCES

1. Linkevich NN, Anufriev VN, Linkevich AN. Methods for detecting water leaks and locating damage to the water supply network. Sovremennye ten-dentsii v razvitii vodosnabzheniya i vodootvedeniya: materialy Mezhdunarodnoi konferentsii = Modern trends in the development of water supply and sanitation: materials of the International conference. 13—14 February 2019, Minsk. Minsk: Belarusian State Technological University; 2019. Part 2.p. 82-

85.

2. Ashirova OA, Salohiddinov AT. Effective hidden water leaks detecting method in underground pipelines. Nauchnyi zhurnal Rossiiskogo NII problem melioratsii = Scientific journal of Russian scientific research institute of land improvement problems. 2017;2:156-70.

3. Kosygin AB, Khanii VN, Gosudarev KI, Fomina IV. Detection of hidden leaks using a water network

ISSN 2227-2917 632 (print)

632 ISSN 2500-154X _(online)

Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate

Том 10 № 4 2020

с. 628-633 Vol. 10 No.4 2020 pp. 628-633

L

monitoring system. Vodosnabzhenie i sanitarnaia tekhnika.2010;4:22-26.

4. Wang XJ, Simpson AR, Lambert MF, Vitkovsky JP. Leak detection in pipeline systems using hydraulic methods: a review. Conference on Hydraulics in Civil Engineering (23-30 January 2001, Hobart). Hobart: The Institution of Engineers; 2001. p. 391-400.

5. Khulief YA, Khalifa A, Ben Mansour R, Habib M. A. Acoustic detection of leaks in water pipelines using measurements inside pipe. Journal of Pipeline systems engineering and practice. AsCe. 2012;47.

6. Gao Y, Liu Y, Ma Y, Cheng X, Yang J. Applica-

Сведения об авторах

Эминов Рамиз Ахмед оглы,

кандидат технически наук, доцент кафедры поиска и разведки месторождений нефти и газа, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности, Азербайджанская Республика, Az1010, Баку, пр. Азадлыг, 20 e-mail: Eminovramiz@mail.ru

Гусейнли Эльмир Имран оглы,

докторант,

Азербайджанский государственный институт водных проблем, Азербайджанская Республика, AZ 1010, Баку, пр. Азадлыг, 20, Se-mail: elmir-huseynov_91@mail.ru

Керимова Саида Ингилаб гызы, старший научный сотрудник, Научно-исследовательского института Аэрокосмической информатики Национального аэрокосмического агентства, Азербайджанская Республика, AZ1115, г. Баку, ул. С.С. Ахундова, 1 e-mail: nasa@mdi.gov.az

Заявленный вклад авторов

Все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Статья поступила в редакцию 14.09..2020; одобрена после рецензирования 12.10.2020; принята к публикации 16.10.2020.

tion of the di_erentiation process into the correlation - based leak detection in urban pipeline networks. Mech. Syst. Signal Process. 2018;112:251-264.

7. Adegboye MA, Fung W-K, Karnik A. Recent advances in pipeline monitoring and oil leakage detection technologies: principles and approaches. Sensors. 2019;19:2548.

https://doi.org/10.3390/s19112548

8. Prihtiadi H, Azwar A, Djamal M. A simple method to determine leakage location in water distribution based on pressure profiles. The 4th International Conference on Theoretical and Applied Physic (ICTAP). AIP Conf. Proc. 2014. 1719. 0300045-1030045-5. https://doi.org/10.1063/1.4943740

Information about the authors

Ramiz A. Eminov,

Cand. Sci. (Eng.),

Associate Professor of the Department of Search and Survey of Oil and Gas Deposits, Azerbaijan State Oil and Industry University, 20 Azadlig ave., Baku, Az1010, Republic of Azerbaijan, e-mail: Eminovramiz@mail.ru

Elmir I. Huseynli,

Doctorant,

State Research Institute of Water Problems, 20 Azadliq ave., Baku, Republic of Azerbaijan, AZ 1010,

He-mail: elmir-huseynov_91@mail.ru

Saida I. Kerimova,

Senior Researcher,

Scientific and Research Institute of Aerospace Informatics National aerospace Agency, 1 S.S. Ahundova St., Baku AZ1115, Republic of Azerbaijan, e-mail: nasa@mdi.gov.az

Contribution of the authors

The authors contributed equally to this article.

Conflict interests

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.

The final manuscript has been read and approved by all the co-authors.

The article was submitted 14.09..2020; approved after reviewing 12.10.2020; accepted for publication 16.10.2020.

Том 10 № 4 2020 ISSN 2227-2917

с. 628-633 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) 633 Vol. 10 No. 4 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2500-154X 633 pp. 628-633_(online)_