清管器在線監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置研制與應(yīng)用

　新疆油田油氣儲(chǔ)運(yùn)分公司

清管器在線監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置研制與應(yīng)用

薛潤斌趙文峰劉遠(yuǎn)東趙凱華新疆油田油氣儲(chǔ)運(yùn)分公司

清管作業(yè)依賴可靠的指示裝置，用以準(zhǔn)確指示清管器的發(fā)出、到達(dá)及中間運(yùn)行位置。自主研發(fā)的清管器在線監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置屬于磁感應(yīng)式指示器，與其他磁感應(yīng)式指示器相比，此設(shè)備基于鐵磁材料磁滯回線特性，從優(yōu)化磁信號(hào)源布置出發(fā)，慎重選擇磁感應(yīng)器型號(hào)，結(jié)合“辨磁”原理，實(shí)現(xiàn)管道剩磁自動(dòng)抑制，屏蔽了雜散波的影響，突顯磁信號(hào)源引發(fā)的管壁磁場(chǎng)變化，再經(jīng)過清管判斷條件優(yōu)化，徹底避免了此設(shè)備發(fā)生漏報(bào)、誤報(bào)現(xiàn)象的可能性。該裝置解決了清管器運(yùn)行速度的限制，可較精確計(jì)算清管器到達(dá)接收站的時(shí)間，為接收站現(xiàn)場(chǎng)操作人員提供充足的準(zhǔn)備時(shí)間。為了便于維護(hù)人員掌握設(shè)備工作狀態(tài)，設(shè)備定期自檢，向終端發(fā)送“健康”或故障信息。此設(shè)備成功應(yīng)用在新疆油田油氣儲(chǔ)運(yùn)公司克—烏D529管道，運(yùn)行穩(wěn)定，提供信息及時(shí)準(zhǔn)確，達(dá)到在線監(jiān)測(cè)預(yù)警效果。

清管器；磁信號(hào)源；預(yù)警裝置；在線監(jiān)測(cè)；試驗(yàn)

清管器是管道行業(yè)中必不可少的重要工具，既可以作為清管工具用來保證管道有效輸送能力，也可以作為管道內(nèi)檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行托架。清管作業(yè)依賴可靠的指示裝置，用以準(zhǔn)確指示清管器的發(fā)出、到達(dá)及中間運(yùn)行位置。目前，指示裝置大體有兩類形式[1-5]。

一類是傳統(tǒng)的機(jī)械式指示器，需在發(fā)球筒的出口管道和收球筒的進(jìn)口管道開孔安裝，中間位置需估算判斷。這種指示器結(jié)構(gòu)簡單，但受安裝方式、安裝位置、計(jì)算誤差、信息傳遞滯后等缺點(diǎn)的影響，無法準(zhǔn)確、及時(shí)地傳遞信息。

另一類是磁感應(yīng)式指示器，主要是將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。有兩種轉(zhuǎn)變方法：第一種是利用“引磁”原理，在管道外壁纏繞的漆包線圈上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，通過低頻放大器放大后實(shí)現(xiàn)就地顯示或遠(yuǎn)傳顯示[6]；第二種是利用磁敏感元件采集弱磁信號(hào)，并通過相關(guān)電路將最終的電壓信號(hào)遠(yuǎn)傳至系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中[7-9]。這類指示器有效地解決了傳統(tǒng)機(jī)械式指示器的弊端，但此類指示器因磁信號(hào)源設(shè)計(jì)不嚴(yán)格，無法計(jì)算出清管器到達(dá)接收站的時(shí)間，而且管道雜散波對(duì)其影響較大，長輸管道現(xiàn)場(chǎng)供電難、信號(hào)傳送難，陰極保護(hù)電位等原因也影響這類指示器的推廣。

1　裝置研制

1.1工作原理

固定在清管器內(nèi)的磁信號(hào)源隨清管器前往接收站的過程中磁化管壁，引起管壁磁場(chǎng)發(fā)生變化。管道外安置的監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置能夠自動(dòng)抑制管道本身的磁場(chǎng)，使得磁信號(hào)源引起的管道磁場(chǎng)變化突顯并被其監(jiān)測(cè)接收，利用4種判斷條件最終確定清管器是否通過，并將此信號(hào)以信息報(bào)文的形式發(fā)送至GSM服務(wù)器，再從服務(wù)器中取出這些信息，解析后在終端電腦上顯示出相關(guān)信息，預(yù)警裝置原理如圖1所示。

圖1　清管器在線監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置原理

1.2結(jié)構(gòu)

清管器在線監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置主要由磁信號(hào)源、監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件3部分子系統(tǒng)組成，如圖2所示。

1.2.1磁信號(hào)源

長輸管道管材屬于鐵磁性材料，有其特有的磁疇，根據(jù)鐵磁性材料磁滯回線特性[10]，選擇磁場(chǎng)強(qiáng)度合適的永久磁鐵，按一定方式及尺寸優(yōu)化布置制作成磁信號(hào)源。結(jié)合巨磁組傳感器[11-13]的選型和布置方法，當(dāng)這種磁信號(hào)源在管道中運(yùn)行時(shí)，引起管道磁場(chǎng)按某種特有性質(zhì)的正弦波變化，產(chǎn)生的正弦波波形相似，幅值一定，波長、周期、相位根據(jù)清管器運(yùn)行速度發(fā)生變化。因此可將此波形作為判斷清管器通過的標(biāo)準(zhǔn)波形，并得出清管器運(yùn)行的瞬時(shí)速度，計(jì)算到達(dá)接收站的時(shí)間。

圖2　清管器在線監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置組成

1.2.2監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置

監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置主要由智能檢測(cè)單元和信號(hào)處理單元組成。其中智能檢測(cè)單元主要由巨磁組傳感器、可編程運(yùn)算放大器、自動(dòng)增益控制模塊、磁場(chǎng)適應(yīng)模塊、太陽能供電模塊組成，負(fù)責(zé)自動(dòng)抑制管道本身的磁場(chǎng)強(qiáng)度，監(jiān)測(cè)、接收磁信號(hào)源引起的管道磁場(chǎng)變化信號(hào)。磁場(chǎng)傳感器檢測(cè)管壁磁場(chǎng)信號(hào)，根據(jù)磁場(chǎng)信號(hào)變化強(qiáng)度和變化規(guī)律，可編程運(yùn)算放大器控制自動(dòng)增益控制模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益調(diào)節(jié)和磁場(chǎng)適應(yīng)調(diào)節(jié)，以抑制管道本身的磁場(chǎng)強(qiáng)度，為磁信號(hào)源引起的管道磁場(chǎng)變化信號(hào)的突顯做準(zhǔn)確工作。同時(shí)，隨時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)源引起的管道磁場(chǎng)變化信號(hào)，并將其接收轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

信號(hào)處理單元主要由A/D轉(zhuǎn)換、特征對(duì)比判斷、無線通信模式組成，負(fù)責(zé)將智能檢測(cè)單元的電信號(hào)轉(zhuǎn)化，對(duì)比判斷，并發(fā)出清管器通過預(yù)警裝置的相關(guān)信息，同時(shí)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置的內(nèi)檢工作。信號(hào)處理單元將智能檢測(cè)單元輸出的模擬信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，再經(jīng)MPU加工處理，與數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的變化趨勢(shì)特征（標(biāo)準(zhǔn)波形）進(jìn)行對(duì)比，判斷清管器是否通過。同時(shí)計(jì)算清管器通過時(shí)的瞬時(shí)速度，并計(jì)算清管器到達(dá)接收站的時(shí)間，最后通過無線通信模式以信息報(bào)文的形式把相關(guān)信息發(fā)送至新疆油田公司GSM服務(wù)器。另外，信號(hào)處理單元還負(fù)責(zé)自檢，向GSM服務(wù)器發(fā)送“健康”或故障信息，完成靜態(tài)自檢。

1.2.3數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件可同時(shí)對(duì)多套裝置發(fā)出的信息報(bào)文進(jìn)行解析、管理和顯示，界面如圖3所示。該軟件主要有以下兩種功能。

（1）監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置在正常待機(jī)狀況下定期自檢，并發(fā)出“健康”或故障的診斷信息報(bào)文，該軟件將檢測(cè)的信息報(bào)文解析、顯示，可方便維護(hù)人員掌握設(shè)備的工作狀態(tài)。

圖3　數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件

（2）清管器通過后會(huì)產(chǎn)生通過信息報(bào)文，包括位置、速度、到達(dá)時(shí)間、磁場(chǎng)強(qiáng)度等一系列相關(guān)參數(shù)，可根據(jù)終端用戶要求進(jìn)行自動(dòng)彈窗體顯示相應(yīng)信息，并報(bào)警提示[14-15]。

2　應(yīng)用情況

新疆油田油氣儲(chǔ)運(yùn)分公司克—烏D529原油管道全長295.42km，全線設(shè)置3座熱泵站、3座加熱站及1座末站。其中，701站為發(fā)送站，704站、706站為接收站和發(fā)送站，王家溝油庫為接收站，全線清管周期定為20天。接收站和發(fā)送站管道進(jìn)出站口安裝傳統(tǒng)機(jī)械式指示裝置，造成704站過濾器頻繁堵塞、離心泵自停，最嚴(yán)重一次為一天內(nèi)清過濾器30多次，離心泵自停27次，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，同時(shí)增加該站員工勞動(dòng)強(qiáng)度，降低工作效率。

在新疆油田油氣儲(chǔ)運(yùn)分公司克—烏D529原油管道某閥池內(nèi)安裝清管器在線監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置，并進(jìn)行靜態(tài)穩(wěn)定性試驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)生產(chǎn)情況，在該管道701—704站間管段進(jìn)行動(dòng)態(tài)可靠性試驗(yàn)。

2.1靜態(tài)穩(wěn)定性試驗(yàn)

靜態(tài)穩(wěn)定性試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)此設(shè)備在異常環(huán)境運(yùn)行的穩(wěn)定性。晝夜溫差大、晨露、閥池內(nèi)潮濕環(huán)境、管道磁場(chǎng)變化異常等惡劣環(huán)境作為此設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的考驗(yàn)條件。

2.2動(dòng)態(tài)可靠性試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)可靠性試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)此設(shè)備在實(shí)際清管作業(yè)過程中有無漏報(bào)或誤報(bào)現(xiàn)象發(fā)生，必須確定實(shí)際運(yùn)行的可靠性。2013年11月25日至27日，安排克烏D529線701—704段進(jìn)行清管作業(yè)，清管器在線監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置分別布置在702站內(nèi)閥池、703站站內(nèi)閥池、704站前閥池內(nèi)，在清管期間準(zhǔn)確無誤地顯示了清管器通過信息和自檢信息，無漏報(bào)和誤報(bào)情況發(fā)生。

此設(shè)備試驗(yàn)過程中運(yùn)行穩(wěn)定，提供清管信息及時(shí)準(zhǔn)確，估算出的清管器到達(dá)接收站的預(yù)計(jì)時(shí)間準(zhǔn)確無誤，因此可以作為實(shí)際應(yīng)用時(shí)的清管指示裝置。

3　結(jié)語

清管器在線監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置屬于磁感應(yīng)式指示器，因此該設(shè)備具有磁感應(yīng)式指示器的所有優(yōu)點(diǎn)，但與其他磁感應(yīng)式指示器相比，還有以下6方面特點(diǎn)：

（1）該設(shè)備從鐵磁性材料磁滯回線特性出發(fā)，選取磁場(chǎng)強(qiáng)度合適的永磁，優(yōu)化布置磁信號(hào)源，結(jié)合磁組傳感器選型，使管道磁場(chǎng)能以固有特性的正弦波形變化，以此波形作為判斷清管器通過的標(biāo)準(zhǔn)波形，避免了漏報(bào)、誤報(bào)現(xiàn)象。

（2）因標(biāo)準(zhǔn)波形間幅值一定，波形相似，波形、周期、相位根據(jù)清管速度不同而變化，因此該設(shè)備不受清管速度的限制，可計(jì)算清管器通過時(shí)的瞬時(shí)速度，進(jìn)而計(jì)算出清管器到達(dá)接收站的時(shí)間，給予現(xiàn)場(chǎng)人員充足的準(zhǔn)備時(shí)間。

（3）該設(shè)備采用“辨磁”原理采集管道磁場(chǎng)變化信號(hào)，由于管道磁場(chǎng)受雜散波的影響會(huì)發(fā)生變化，波形各異，強(qiáng)弱不同，因此在眾多雜散波中尋找磁信號(hào)源引發(fā)的信號(hào)是此設(shè)備研發(fā)成功的關(guān)鍵技術(shù)。

（4）該設(shè)備使用成熟的供電技術(shù)和通信技術(shù)，解決了長輸管道現(xiàn)場(chǎng)供電難、信號(hào)遠(yuǎn)傳難問題，可避免地域限制，沿長輸管道任選位置進(jìn)行布置，節(jié)省電纜、光纖等材料購置費(fèi)用和工程費(fèi)用。

（5）信息報(bào)文進(jìn)入新疆油田GSM服務(wù)器，結(jié)合數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件，使得終端顯示不受限制，在新疆油田公司內(nèi)網(wǎng)中的電腦都可以顯示相應(yīng)信息；也可以結(jié)合數(shù)據(jù)庫管理軟件，脫離新疆油田GSM服務(wù)器，使其推廣不受地域限制。

（6）定期自檢，向終端發(fā)送“健康”或故障信息，便于維護(hù)人員掌握設(shè)備的工作狀態(tài)。

清管器在線監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置成功研制并以靜電穩(wěn)定性試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)可靠性試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中沒有漏報(bào)和誤報(bào)情況發(fā)生。此設(shè)備從優(yōu)化磁信號(hào)源布置入手，結(jié)合“辨磁”原理，解決了傳統(tǒng)指示裝置的弊端，而且規(guī)避了磁感應(yīng)式指示器普遍存在的漏報(bào)、誤報(bào)問題。同時(shí)，因采用先進(jìn)太陽能供電和無線通信技術(shù)，避免了長距離施工敷設(shè)專用動(dòng)力電纜和通信光纖，解決了長輸管道現(xiàn)場(chǎng)供電難、信息傳遞難等問題。唯一需要注意的是，此設(shè)備對(duì)移動(dòng)基站的依賴性較強(qiáng)，因此受移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性影響較大，會(huì)出現(xiàn)信息遲滯現(xiàn)象。

[1]盧維信，張淑華，趙王成．清管器技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．國外油田工程，1998（2）：52-54．

忽然，一只老鼠跳出來說：“我知道那座森林。”說完，老鼠就轉(zhuǎn)身離開了。青蛙趕緊追上老鼠，跟著他走到了森林。可是，青蛙把森林翻了個(gè)底朝天也沒有找到小鳥。青蛙覺得很遺憾，但是他相信：“總有一天，小鳥會(huì)回來的，再和我說說外面的世界。”

[2]朱喜平．天然氣長輸管道清管技術(shù)[J]．石油工程建設(shè)，2005，31（3）：12-16.

[3]呂惠建，于達(dá)，鄭榮榮．油氣管道清管器的研發(fā)進(jìn)展[J]．管道技術(shù)與設(shè)備，2012（4）：43-46．

[4]趙鳳嗚．Dg150發(fā)訊式清管器在成品油長輸管道上的應(yīng)用[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，1983（2）：14-21．

[5]張邊翠．石油與天然氣管道清管器及其應(yīng)用[J]．勝利油田職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，23（3）：70-72．

[6]曲永哲．磁感應(yīng)式清管器通過指示器的工作原理及其應(yīng)用[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，1980（Z1）：49-57．

[7]王巖，梁國棟．磁性防爆通過指示儀：中國，ZL200620088894.5[P]．2007-09-12.

[8]董紹華，費(fèi)凡，周永濤，等．一種新型管道清管器跟蹤定位儀：中國，201120061728.7[P]．2011-10-26.

[10]兵器工業(yè)無損檢測(cè)人員技術(shù)資格鑒定考核委員會(huì)．常用鋼材磁特性曲線速查手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：1-14．

[11]李亮，闕沛文，陳亮．巨磁阻傳感器在管道漏磁檢測(cè)中的應(yīng)用[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2005（12）：44-46．

[12]崔偉，黃松嶺，趙偉．傳感器提離值對(duì)管道漏磁檢測(cè)的影響[J]．清管大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，47（1）：44-46．

[13]楊理踐，畢大偉，高松巍．油氣管道漏磁檢測(cè)的缺陷量化技術(shù)的研究[J]．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17（8）：1489-1491．

[14]謝祖榮，戴波，張永麗，等．磁性材料在長輸管道內(nèi)檢測(cè)裝置中的應(yīng)用[J]．功能材料，2004，35（增刊）：564-566．

[15]于潤橋，王龍文，羅水云．新型便攜式管道漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的研制[J]．無損檢測(cè)，2007，29（11）：644-646．

（0994）2700413、xuerunbing@petrochina.com.cn

（欄目主持關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.020

薛潤斌：工程師，學(xué)士，2006年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京），從事油氣儲(chǔ)運(yùn)研究工作。

2015-01-30