海底管線清洗通球器追蹤定位新技術

摘 要：海底管線清洗通球器在清理海底輸油管線過程中，如遇堵塞或卡住等意外情況，由于很難確認被卡住的清洗器具體位置，給處理解堵措施帶來時間和費用的進一步損失。本新技術通過在清洗通球器上加裝磁力發(fā)生器，配合水下磁力儀，根據磁場的變化，實現對清洗通球器的追蹤定位，可以迅速判斷和確定清洗通球器的具體位置，為解決清洗通球器堵塞問題而采取必要的措施節(jié)省大量的時間。

關鍵詞：磁力發(fā)生器 磁力儀 定位

中圖分類號：TE973.8 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（a）-0001-02

Subsea pipeline chenchi chenRujiang shenshan Yang Tian xiao ZhangManjie cleaning pig track positioning technology

Chen chi Chen Rujiang Shen Shan Yang Tianxiao Zhang Manjie

（CNOOC Chian Limited Panyu Operating Company，Shenzhen，Guangdong Province，518067，China）

Abstract：The Subsea pipeline cleaning pig in the cleaning process of seabed pipeline， such as congestion and other issues，will pass the pig cleaning device gets stuck，because it is hard to find a location to dredge，can only rely on experience，will result in oil field production for a long time，cause huge losses.This new technology through a cleaning pig device mounted on the magnetic generator，cooperate with underwater magnetometer，according to the change of the magnetic field，track and position to the cleaning pig，you can quickly determine the cleaning pig position，to solve the cleaning pig congestion and save a lot of time.

Key Words：Magnetic generator；Magnetometer；Location

海底管線是海洋石油運輸石油、天然氣等物質的主要運輸設備，在國民經濟中發(fā)揮著重要的作用。鋪設管道時，不可避免地會有泥沙、渣、污水等雜物進入管道中，同樣在役的運輸管道內部也經常會積聚一些砂、泥和石蠟等雜物，這都會影響管道的正常工作。另外，為了確保化學防護劑在管線內發(fā)揮應有的作用，油氣管道必須定期發(fā)放清管器進行清理。管道清管器是管道清理的主要設備，為了準確地確定管道堵塞的位置，必須對管道清管器進行精確定位。

由于海管的管道壁的屏蔽作用，使得常規(guī)的聲、光電等成熟的檢測技術在管道定位中很難應用，傳統的放射源（如y射線）由于對人體和環(huán)境具有放射性危害，也不宜使用。低頻電磁波對物質具有一定的穿透能力，是檢測定位的一種有效手段。在管道清洗器上安裝磁發(fā)生裝置，可以通過磁定位儀確定管道清洗器的位置。

1 磁通門的結構及工作原理

磁通門傳感器就是利用某些高磁導率的軟磁材料（如坡莫合金）作磁芯，以其一起在交流磁場作用下的次飽和特性及法拉第電磁感應原理研制成的測磁裝置。其結構可以看成一個特殊的變壓器，磁通門測磁法正是利用這種特殊變壓器的磁芯，當交變電流流過該變壓器原邊線圈時，磁芯反復被交變過飽和勵磁所磁化，當有外磁場存在時，勵磁變得不對稱，變壓器的輸出信號受到外磁場的調制。通過檢測輸出的調制信號就可以實現對外磁場的測量。磁通門探頭的輸出主要是激勵信號的二次諧波，需要經過處理得到測量數據。

跑道型磁芯的長軸場邊尺寸遠大于短軸尺寸，因此，認為跑道型磁芯僅被延長軸方向的磁場所磁化。在實際應用中，也僅用它來測量延長軸方向的磁場分量。圖1所示為跑道型磁芯的二次諧波法測磁原理。

在跑道形磁芯的彼此平行的兩長邊上，分別繞一組匝數相同的線圈L1、L2，同向串聯作為激勵線圈；在L1、L2外側繞一公用的測量線圈Ls。在激勵線圈中輸入正弦交變電流I=Imsinωt，假定L1中磁場H1=2Hmsinωt，L2中磁場H2=-2Hmsinωt。傳感器的輸出電壓如圖2所示，可以表示成下面的分段函數的形式：

（1）

Es是屬周期性的重復脈沖，故可用富氏分解法計算Es的二次諧波分量（如圖2）：

（2）

（1）軟磁材料動態(tài)磁回滯曲線的理想化模型。

（2）外加磁場時，兩線圈中的磁場不再對稱。

（3）外加磁場時，兩線圈中磁場出現飽和段。

（4）傳感器在正弦波激勵時的理論輸出波形。

2 檢測裝置的工作原理

三分量磁通門磁場檢測裝置主要利用法拉第電磁感應原理實現對磁場的檢測。傳感器將信號轉化為電信號，檢測裝置通過檢測這種電信號來判斷磁信號大小，進而判斷檢測地點的狀況。實現這種判斷主要依靠三分量磁通門傳感器，它的每個傳感器都采用雙鐵芯結構，在兩根鐵芯上纏繞的激勵線圈反向串聯（如圖2所示），勵磁電流通過激勵線圈時，在兩鐵芯中產生的激勵磁場方向相反，若兩鐵芯形狀尺寸和電磁場參數完全對稱，兩鐵芯中的磁通在測量線圈中產生的感應電勢互相抵消，輸出為零；當沿鐵芯長軸方向施加外部磁場時，其中一個鐵芯的磁場先于另一個達到飽和，造成測量線圈中的感應電勢不能互相抵消，輸出非對稱的波形，波形的主要成分是激勵信號的二次諧波。由于外磁場產生的感應電勢的幅值與外磁場大小成正比，可通過測量輸出信號的二次諧波分量來測量外磁場。為便于研究，將式（2）改寫成如下形式：

（3）

處理方法是采用模擬電路進行相敏檢波，具體做法是：用兩路頻率與ES相同的參考信號，兩者相位相差90度，假設分別為和，這時ES與參考信號相比有一個相移，表達為示成式（4）的形式：

（4）

ES分別乘以參考信號，得到如下結果：

（5）

（6）

對式（5）和式（6）表示的信號進行積分處理（實質上就是對信號進行低通濾波）之后得到以下結果：

（7）

（8）

（9）

傳統的方法要通過硬件電路實現模擬信號的乘法運算和積分運算，這對乘法器和積分電路的精度等參數要求很高，而且要求參考信號的幅度穩(wěn)定，兩參考信號的相位差必須保證是90度。這種處理方法數字化程度低，信號處理過程中易受干擾，所以設計采用數字檢波的方法。

下面詳細論述如何采用數字檢波的方法得到測量數據。

首先，我們不用正弦波作參考信號，換作與正弦波參考信號相位相同的方波和：

（10）

（11）

我們對信號進行4倍頻采樣，采樣點設為，，，。在這里，我們假設為初始采樣點的相位。那么，原信號可以表示為：

（12）

（13）

（14）

（15）

（16）

現用式（10）和式（11）表示的方波對上述信號進行調制，得到的采樣信號表示如下：

其一： （17）

采樣信號為： （18）

其二： （19）

采樣信號為： （20）

對這兩種信號分別進行采樣求和后取平均值（與模擬信號的積分類似），得到以下結果：

（21）

（22）

對采樣信號進行求和去均值運算，相當于對原信號進行以下處理：

（23）

（24）

式中為采樣周期，即：。

經過上述分析，我們可以通過下面的計算得到最終的結果：

（25）

3 磁通門傳感器數字化

數字化部分模擬部分電路可以準確地提取磁通門傳感器的信號，并實現對信號調整、濾波，保證采集信號準確。對信號進行轉換，并對數字信號進行相應得處理，顯示。

清管器及磁信號發(fā)生器如圖3。

磁強度測量儀如圖4。

4 結論

在油田上的實際應用中，水下磁力儀可以根據磁場的變化，能夠在短時間內迅速找到海底管線清管通球器。此方式簡便實用、定位快速準確，為海底管線清洗作業(yè)提供了一種安全、環(huán)保、快速的技術保障；同時為解決清洗通球器疏通問題，節(jié)省大量的時間，極大地縮短了油田的長時間停產。

參考文獻

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