外夾式過球指示器海洋油氣管道上的應(yīng)用

王宏波*

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

海上油田連接各個(gè)生產(chǎn)平臺的海底管道就如同人體內(nèi)的血管，因此應(yīng)定期清除海底管線內(nèi)部凝油、結(jié)蠟、結(jié)垢等雜質(zhì)，同時(shí)可以明確管線走向、監(jiān)測管線變形、檢查沿線閥門的情況。為了做好清理工作，需配備可靠的信號裝置，用以準(zhǔn)確指示清管球發(fā)出、達(dá)到的信號，以便后續(xù)維護(hù)操作。目前，海洋石油平臺多采用機(jī)械式過球指示器，其需要焊接在管道上，具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。但在使用中容易受到管道內(nèi)異物撞擊而損壞，且維修更換時(shí)需停產(chǎn)，影響正常生產(chǎn)。本文對外夾式過球指示器進(jìn)行了介紹，其可分為磁感應(yīng)原理和超聲波原理，探測到清管球的感應(yīng)信號既可就地顯示，也可遠(yuǎn)距離預(yù)報(bào)。與常用的機(jī)械式指示器比較，信號指示準(zhǔn)確、安裝方便、無需在管線上開孔焊接且故障后易于更換。

1 應(yīng)用背景

海油蓬萊19-3油田將新建一座8腿井口平臺，新建井口平臺將通過立管公用平臺接入原油田群。該應(yīng)用案例中需要在立管公用平臺上新增一臺原油收球筒和一臺注水發(fā)球筒。收、發(fā)球筒及相關(guān)預(yù)留管線上面共需要4臺過球指示器。由于立管公用平臺已經(jīng)為其他計(jì)劃新建平臺預(yù)留相關(guān)的生產(chǎn)管線，且均為帶壓狀態(tài)。若在預(yù)留管線上帶壓開孔作業(yè)將具有一定危險(xiǎn)性，因此決定采用外夾式過球指示器。

2 磁感應(yīng)式過球指示器

磁感應(yīng)式過球指示器工作的基本原理為：首先將磁感應(yīng)式過球指示器外夾固定在管道的制定位置，過球指示器夾緊裝置上自帶磁感應(yīng)裝置。當(dāng)清管球到達(dá)磁感應(yīng)裝置的所在位置時(shí)，磁通量發(fā)生變化，感應(yīng)到電壓信號，經(jīng)過放大后驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，現(xiàn)場指示燈亮起，表示清管球已通過。當(dāng)清管球通過后，指示燈熄滅。如果需要遠(yuǎn)傳功能的話可以通過通訊線路來在控制系統(tǒng)中顯示，如圖1所示。

圖1 磁感應(yīng)式過球指示器工作原理

當(dāng)清管球經(jīng)過磁感應(yīng)裝置時(shí)，感應(yīng)線圈將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其大小為：

由于海底管道是長距離輸送管線，可以將其等效成一個(gè)密封的空間，在密封的管體內(nèi)，因?yàn)楣芫€本身的導(dǎo)磁系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)磁系數(shù)，無論磁鐵運(yùn)動(dòng)與否，磁力線都不會(huì)穿越管壁，而在管道內(nèi)部構(gòu)成一個(gè)相對回路，如圖2所示。

圖2 封閉管道內(nèi)的磁力線

對于纏繞在管線外部的線圈，其磁鐵產(chǎn)生的磁力線在導(dǎo)體內(nèi)部形成一個(gè)回路，因此其磁通量為0，不會(huì)產(chǎn)生電勢（因?yàn)榇嬖谏倭柯┐?，E通常不為0，且其大小與管道材質(zhì)、直徑、壁厚及周圍介質(zhì)有關(guān)）。

當(dāng)在管道外部焊接導(dǎo)磁系數(shù)大于或等于管道本身導(dǎo)磁系數(shù)的材料時(shí)，磁力線除了穿過管壁構(gòu)成回路外，還有一部分將通過新焊接的材料形成回路，達(dá)到引磁的目的，當(dāng)磁體在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，繞在管道和新增導(dǎo)磁材料外線圈的磁通量就產(chǎn)生了變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。

通過計(jì)算表明，磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，截面積越大，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢越大。管道半徑為常數(shù)，感應(yīng)電勢大小和以下幾個(gè)因素有關(guān)。所焊材料與管線接觸面積大，感應(yīng)電勢大；線圈匝數(shù)多，感應(yīng)電勢大；磁鐵運(yùn)動(dòng)速度快，感應(yīng)電勢大；磁鐵靠近線圈中心處，感應(yīng)電勢最大，最后感應(yīng)電勢經(jīng)放大器放大后，驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，指示燈亮起。

3 超聲波式過球指示器

超聲波式過球指示器是一種無損的，可外夾在管道上的，能夠精準(zhǔn)地即時(shí)顯示過球的儀表，適用于油、氣和多相流體的管道系統(tǒng)。其工作原理是基于清管球在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)與管壁摩擦而產(chǎn)生一定程度的噪聲檢測，如圖3所示。超聲波外夾式的過球指示器無需對管線及清管球做任何改造。

圖3 超聲波過球指示器的工作示意

超聲波檢測器會(huì)檢測到清管球在與管道內(nèi)壁摩擦?xí)r產(chǎn)生的高頻率噪聲源，盡管這種噪聲并不一定在人類的聽覺范圍內(nèi)，但極度敏感和經(jīng)過校準(zhǔn)的傳感器將會(huì)檢測到由各種類型的清管球發(fā)出的各具特點(diǎn)的噪聲源。

傳感器的中央計(jì)算單元會(huì)每間隔1s從檢測器收到數(shù)字化的噪聲信號。當(dāng)清管球接近檢測器的時(shí)候，產(chǎn)生的噪聲會(huì)超過平均的噪聲水平值，定義為接近臨界值；當(dāng)產(chǎn)生的噪聲超過平均噪聲水平值及接近臨界值兩者之和時(shí)，傳感器的中央計(jì)算單元會(huì)發(fā)出一個(gè)清管球到達(dá)的信號；當(dāng)清管球已經(jīng)通過檢測器，噪聲下降到正常水平時(shí)，產(chǎn)生的噪聲低于平均噪聲水平值及通過臨界值兩者之和時(shí)，中央計(jì)算單元會(huì)發(fā)出一個(gè)清管球已通過的信號。接近臨界值和通過臨界值可以根據(jù)不同類型的清管球來設(shè)定相應(yīng)的值，圖4為清管球通過時(shí)產(chǎn)生的噪聲信號。

圖4 清管球通過產(chǎn)生的噪聲信號

4 功能對比

磁感應(yīng)式過球指示器安裝方便，無需對管線進(jìn)行大幅改造，只需在管線上焊接或粘貼引磁材料，永磁鐵的尺寸小，功能強(qiáng)，可檢測到管道中高速移動(dòng)的清管球，并且不需要電池和外接電源，發(fā)生故障后容易更換不影響管線正常生產(chǎn)，但是精確度受管線的壁厚、材質(zhì)、導(dǎo)磁系數(shù)影響等因素。

超聲波式過球指示器安裝方便，無需對管線進(jìn)行任何改造，靠綁扎帶即可固定在管道上，精確度高，檢修方便，適用于一級危險(xiǎn)區(qū)域，其缺點(diǎn)是造價(jià)較高。

5 結(jié)論

海洋石油生產(chǎn)平臺需要持續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，當(dāng)需要在管道上安裝或維修、更換過球指示器時(shí)，如果選用機(jī)械式指示器則勢必要對所在管線段進(jìn)行隔離，造成平臺停產(chǎn)，增加員工工作內(nèi)容及風(fēng)險(xiǎn)。因此當(dāng)某些管線需要安裝或維修、更換過球指示器時(shí)，還不以停產(chǎn)時(shí)，外夾式的過球指示器就可以發(fā)揮作用，其安裝時(shí)無需對管線本體進(jìn)行改造，且安裝、維護(hù)方便，精確度高，成為在某些工況下過球指示器的最佳選擇。