油氣管道清管球過球指示器的比較與選型

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，湛江 524057）

0 引言

海洋石油海底管線清管作業的收發球筒中安裝有過球指示器，用來判斷清管球通過情況，是清管工藝設備中必不可少的顯示儀表。海洋石油中常見的過球指示器有機械觸發插入式、非接觸超聲波、非接觸磁感應式、差壓式等類型。通常過球指示器現場有旗式指示，并通過兩線制4～20 mA 通過HART協議或RS-485標準接口ModBus-RTU協議傳輸到控制系統。根據原理分析各自的特點并進行比較，正確選擇過球指示器，減少不報警、誤報警，提高報警的準確性。

1 過球指示器原理

1.1 差壓式過球指示器

差壓式過球指示器主要通過壓力傳感器實時檢測管段壓差變化，通過兩個壓力變送器的數據把信號傳輸到控制系統顯示（如圖1a所示）。在控制系統中對兩個壓力變送器壓力值進行比較，收球時PT1＞PT2，發球時PT1＜PT2，通過實驗得出實際的｜PT1-PT2｜=△P（△P通球的差壓壓力），△P維持的時間＞T（T=收球筒容積/管線物流流速域值上限），海管正常生產時，收球筒兩端壓差遠小于△P。現場安裝單流閥接差壓表，通過觀察差壓表的波動來輔助判斷清管球是否通過，通球結束后差壓表可通過泄壓進行復位[1]。

圖1 過球指示器原理

1.2 非接觸超聲波過球指示器

非接觸式超聲波過球指示器，頻率大于20 kHz的機械波被稱為超聲波，依據超聲波發射接收的反射波的強度來判斷清管球是否通過（如圖1b所示）。沒通球時管壁反射波的強度小，清管球通過時發射波的強度大，通過檢測波的強度大小，聲強（I）與聲壓（P）的關系為：I=（P2）/（ρv）其中ρ為介質密度，v為聲速。強度設定值大于正常流體發射波小于清管球通過強度。通球時的聲強達到設定值后通過信號處理電路輸出現場狀態燈報警，或通過4～20 mA遠程至控制系統中進行顯示。

1.3 非接觸磁感應式過球指示器

感應式清管球過球指示器，帶有永久磁鐵的清管球到達感應裝置時，由于磁通量發生變化，產生感應電勢（如圖1c所示）。磁通變化率磁鐵在管道里運動，其磁感應強度（對線圈而言）是隨著距離所繞線圈遠近而變的，清管球到達時，磁感應電勢變大，通過低頻放大器后驅動繼電器動作，指示燈（或其他裝置）接通，用來指示清管球達到[2]。

1.4 機械觸發插入式過球指示器

機械觸發插入式過球指示器是最常見的指示器，根據連接方式分為基座焊接、法蘭連接、球閥連接、球閥法蘭連接、法蘭球閥連接等方式。按照復位方式分為旗式手動復位、旗式/遠傳/手動復位、數顯/遠傳/自動復位、帶壓裝卸復位等方式。機械觸發插入式過球指示器安裝在開孔收發球筒中[3]，清管球清管作業過程中，清管球通過時觸發機械撞桿，機械觸點動作，觸動微動開關給出關或開的信號，機械機構推動機械旗式指示，也可將機械信號轉換為儀表信號傳送至控制系統，機械旗式指示手動復位（如圖1d所示）。

2 過球指示器優缺點

根據過球指示器原理，現場安裝要求，管道流體介質、清管球的類型等不同，分析以上4種常用過球指示器優缺點，針對使用現場的工況不同，合理選擇最合適的過球指示器。

（1）壓差式，優點是能準確檢測差壓、結構簡單、價格便宜。缺點是引壓口及管線長容易堵，也不能測稠油，發球器前后差壓小，不容易檢測差壓值。適用場合是收球籠前后安裝，管道中結蠟少，雜質較少的管道。

（2）非接觸超聲波式，優點是施工容易、安裝位置可更換。缺點是①泡沫球不能過小，反射波的強度太小，不報警。②清管球流速不能太快，過快不易捕捉到聲強的變化的信號。③價格昂貴。適用場合是泡沫球過盈3%以上的通球作業，刮板球通球。

（3）非接觸磁感應式，優點是結構簡單、施工容易、可以定位卡球位置。缺點是①球體需要帶永久磁鐵，通球過程中會把管道中銹渣吸附在球體上造成卡堵，磁性太弱信號不易捕捉。②容易受周圍磁場的干擾，本身帶有磁場會干擾其他電信號的儀表。③清管球磁體脫落后會吸附在管壁，不易清除。適合復合軟管的通球。

（4）機械觸發插入式，優點是結構簡單，價格便宜。缺點是①管線帶壓開孔，密封件易老化，密封失效介質進入機械轉換機構，指示器易堵塞，機械結構中的磁環、彈簧等部件銹化不能報警。②流體介質中有異物碰撞誤報警。③泡沫球過盈太大，機械觸點容易變形不報警，容易把清管球刺破。④機械接觸容易產生靜電。適用潔凈流體介質，泡沫球不能過小或過盈的場合。

3 結束語

海底管道中的機械雜質、銹渣、原油中的積砂、管壁結蠟、管壁腐蝕等產物的聚集會造成局部的堵塞和縮小管道的截流面積，為了解決以上問題，清管通球作業尤其重要。判斷清管球是否從發球筒中發出，收球筒是否收到球，存在卡球時會導致管道堵塞，判斷卡球位置同樣重要。通過文中闡述能為清管作業過球指示器從原理上選型提供依據。