深水多相流動動態腐蝕評價系統輔助檢測功能淺析

鐘 康，劉 劍，武峰山

（渤海石油航務建筑工程有限責任公司，天津 300452）

0 引言

本文主要對系統監/檢測部分的輔助檢測設備功能進行闡述，主要包括流型識別系統、高速攝像系統等。

1 流型識別系統

由天津大學過程層析成像與多相流測試研究室研制的“油氣水多相流流型在線檢測設備”以石油、化工等工業過程中的廣泛存在的油氣水多相流為測試對象，基于電容/電導與超聲多普勒測試原理實現超聲、電學多模態的融合測試，可實現油氣水多相流動過程狀態、流動結構的在線監測及流動參數的測量。該設備采用Compact PCI（CPCI）工業標準總線，具有數據采集速度快、測試流動范圍寬、不受流型狀態約束的特點。測試系統平臺具有可重構、框架式、柔性化的特點，配套軟件具有模塊化、多進程和可擴展的特點，可滿足不同測試對象、測試目標及數據處理的需求。

1.1 系統原理

流型識別系統采用電容/電導/超聲三模態陣列式傳感器融合的方式。

1.1.1 電容電導原理

（1）電容檢測原理：主要檢測源電極和檢測電極之間透過管道內部物料后所形成的電容值，然后將反應該內部物料介電常數變化的電容值與實際流態進行數據投影對應，建立起一一對應的關系。如圖1 所示，4 個環形金屬電極環鑲嵌在絕緣管道的內壁構成電導模態：G 和E 為激勵電極對，S1 和S2 為檢測電極對。電導模態工作時，電極E 被注入一定頻率的恒定方波激勵電流，在電極S1、S2 之間形成電學敏感場，使敏感場的阻抗特性隨被測流體的混合電導率變化而變化。通過對電極S1、S2之間的電勢差進行測量，可獲得連續相為導電相條件下的相含率信息。在油氣水多相流中，只有水為可導電相。

圖1 電容電導組合傳感器結構

（2）電導檢測原理：是基于電阻傳感機理的檢測方法，依據不同的媒質具有不同的電導率，從而判斷出敏感場內物體的電導率分布，便可推知場內媒質的分布情況。通常的工作方式是電流激勵、電壓檢測。當場內的電導率發生變化時，場內電流敏度、電勢分布也會隨之變化，從而導致場域邊界上測量電壓發生變化[1]。這種測得的場域邊界上電壓的變化值，即可建立起與場域內電導率變化信息的對應關系，建立起識別方法。此方法主要應用于水基液相流體部分波動的檢測。

1.1.2 超聲原理

超聲檢測原理：超聲波具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好，能夠成為射線而定向傳播等特點。如圖2 所示，超聲波遇到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，遇到活動物體能產生多普勒效應[2]。

圖2 超聲原理

1.1.3 整體框架

電導電容測試系統傳感器安裝在連續波多普勒傳感器的下游，并提供相含率測試數據，如圖3 所示。

圖3 傳感器與測試系統結構

1.2 系統功能及指標

油氣水多相流流型識別系統采用陣列式傳感器融合的方式，結合陣列式傳感器的多通道高速測試系統，可以在開展多相流試驗時準確檢測系統流型變化。

（1）陣列傳感器：①流體適應性，水含率0%～100%，油含率0%～100%，氣含率0%～90%；②環境耐受性，耐溫120 ℃，耐壓7 MPa。

（2）多通道高速測試系統：①獲得管道截面內不同位置處的多相流波動信息，用以刻畫多相流在不同子空間上的波動特性，以獲得更多的流動結構細節；②實現對兩相、三相流的時域、頻域特征提取，以及水平、垂直流型的識別；③可識別出段塞流、波狀流、層流、泡狀流等流態。

1.3 系統軟硬件構成

本系統由多通道高速測試系統、陣列傳感器短節和流行識別軟件組成，陣列傳感器集成于耐壓短節，通過多通道高速測試系統實現對管內流型識別。通過機器學習，使其建立分析判斷流型的模型是該項目的關鍵。

1.4 功能驗證

在整套系統安裝完成后，通過調整氣液比和壓力，2 英寸流型識別系統可以自動識別段塞流、波狀流、層流、泡狀流等流態，4 英寸傳感器短節耐100 ℃、7.2 MPa 壓力。設備運行后通過攝取管道截面內不同位置處的多相流波動信息，刻畫多相流在不同子空間上的波動特性，能夠獲得更多的流動結構細節。配合高速攝像系統，能夠在流型識別系統畫面上清晰、準確、實時地顯示出所識別的段塞流、波狀流、層流、泡狀流等流態。

2 高壓內窺鏡

2.1 系統組成

高壓內窺鏡由目鏡保護片、連接套、目鏡筒、目鏡調整套、光欄、內管支架、外鏡管支架、鏡管主體、物鏡組件、轉鏡組間隔、物鏡保護片和光纖等組成。

2.2 系統功能及指標

高壓內窺鏡系統包括光學成像、照明和機械結構3 個部分。光學成像系統由物鏡系統、轉像系統、目鏡系統三大系統組成，照明系統采用可控LED 光源，機械結構采用316L 不銹鋼一體化封裝形式。高壓內窺鏡系統創新性采用了超過100 件微型光學組件，在實現穩定光學成像的基礎上，可整體封裝于超細的剛性結構中。該系統可以在溫度120 ℃、壓力3 MPa、3 m/s 流速的嚴苛工作條件下，鏡體不發生晃動，能夠清晰分辨管道內流體流動狀態。通過不同視角的內窺鏡旋轉觀測，可以實現頂部冷凝狀況監測和高氣液比流態監測。

2.3 系統軟硬件構成

高壓內窺鏡由照明系統、圖像采集系統和圖像分析系統一體集成的主機配合高壓內窺鏡頭組成，并設計了專門的密封旋轉組件。

2.4 功能驗證

設備安裝調試完成后，經實驗測試，高壓內窺鏡可以承受3 MPa 壓力，并且可以帶壓旋轉鏡頭桿360°觀察內部情況，打壓過程不受流體流動影響。打開操作軟件，進入內窺鏡檢測畫面，可以實現管道內部實時監測、實時查看和錄制視頻、截取圖像、存儲圖像，并且能夠進行評價。

3 高速攝像系統

3.1 系統組成

高速攝像機采購湖南科天健光電技術有限公司RockeTech高速攝像機，系統由高速攝像機、工控機（內含軟件）、光照系統、鏡頭及高壓視鏡組成。

（1）高速攝像機：①靈敏度，25 Lux；②最高分辨率，110 萬像素（1280 像素×860 像素）；③最高幀數，10 000 fps；④可拍攝記錄高壓視鏡窗口流動的流體流態。

（2）軟件：①實時采集圖像、實時存儲，可設置相機和采集卡參數，采集高速圖像以流媒體文件格式存儲到高速存儲介質中；②可調整播放速度進行圖像回放，可逐幀查看；③支持實時采集過程中調節曝光時間。

（3）高壓視鏡：①耐壓，7.5 MPa；②耐溫，300 ℃；③視鏡類型，對向雙視鏡。

3.2 系統功能及指標

通過雙視窗高壓視鏡提供流體流態觀測的視窗窗口，采用高速攝像機對流體進行高速拍攝，可獲得清楚的圖像和運動過程，用于多相流流體運動規律的觀察和分析。

3.3 功能驗證

經實驗測試，高速攝像系統可以實現最高可達10 000 fps，最高分辨率可達110 萬像素，可以清晰呈現出管道內部畫面。進入軟件操作界面實時采集圖像、實時存儲，可設置相機和采集卡參數，采集圖像以流文件格式存儲到高速存儲介質中，并可調整播放速度進行圖像回放或逐幀查看，可將圖像保存成圖片或視頻格式。高壓短節可承受7 MPa 壓強和120 ℃高溫。

4 總結與展望

深水多相流動動態腐蝕評價系統通過模擬多相介質、濕氣頂部腐蝕、CO2腐蝕、細菌腐蝕、垢下腐蝕等的腐蝕環境，可以開展多相（濕氣、氣水混輸、油氣水混輸）輸送介質管道的內腐蝕研究和防腐蝕措施的作用效果評價，也可作為管道新材料、新技術和新工藝的驗證平臺，將在油氣田開發生產、管道服役安全等生產、技術研究領域發揮基礎平臺作用，有力促進相關領域的技術研究和進步。