海洋管道非接觸式過球指示器研究

摘" " 要：海底管道過球指示器主要用于判斷清管器是否發(fā)出或者到達(dá)的裝置，是保障清管作業(yè)及智能內(nèi)檢測(cè)順利完成的重要設(shè)備。針對(duì)傳統(tǒng)過球指示器容易失效、無法及時(shí)準(zhǔn)確判斷清管器是否到達(dá)等問題，研發(fā)了一種基于超聲原理的非接觸式過球指示器。在試驗(yàn)環(huán)路上，通過泡沫球、機(jī)械球、電子幾何檢測(cè)器和漏磁檢測(cè)器對(duì)該過球指示器進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果表明，新型過球指示器能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)海管過球判斷。

關(guān)鍵詞：過球指示器；非接觸式；超聲；清管器

Non-contact indicator for submarine pipeline ball passing

GUO Zengwu， FAN Rongxing， YANG Jiachun， YU Helin， SHEN Xinde， LIN Hua

CNOOC （China） Tianjin Branch， Tianjin 300452， China

Abstract：The submarine pipeline passing ball indicator， a device mainly used to determine whether the pig has been sent out or arrived， is important to ensure the smooth completion of cleaning operations and intelligent internal detection. Traditional ball passing indicators may fail and be unable to accurately determine the timely arrival of the pig. Therefore， a non-contact ball passing indicator based on ultrasound is developed. From the performance test using foam balls， mechanical balls， electronic geometric detectors， and magnetic flux leakage detectors on the test loop， the new ball passing indicator can accurately determine the ball passing of submarine pipelines.

Keywords：ball passing indicator; non-contact; ultrasound; pig

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.05.014

海底管道需要定期進(jìn)行清管，以減少管內(nèi)積液和管道腐蝕，進(jìn)而提高管道輸送效率，保證管道安全輸送。過球指示器主要用于判斷清管器或內(nèi)檢測(cè)器是否發(fā)出或到達(dá)。傳統(tǒng)過球指示器為插入式，一旦失效，不但導(dǎo)致無法及時(shí)準(zhǔn)確判斷清管器是否到達(dá)，并且增加清管器進(jìn)入工藝管線或設(shè)備設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)[1]，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致管道堵塞，引起平臺(tái)停產(chǎn)。傳統(tǒng)過球指示器的主要缺陷如下：一是靈敏度差，過球不起跳或起跳現(xiàn)象不明顯；二是工藝管線需預(yù)留開孔，常規(guī)法蘭連接安裝復(fù)雜，安裝后法蘭需密封緊固；三是易對(duì)管道清管器、內(nèi)檢測(cè)器造成損傷；四是如果探臂未能正確安裝，過長(zhǎng)會(huì)造成卡球，過短起不到過球指示效果[2]；五是維修更換時(shí)需對(duì)其所在管道段進(jìn)行隔離，勢(shì)必造成平臺(tái)停產(chǎn)，增加維修工作內(nèi)容及生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外非接觸式的過球指示器以通過磁信號(hào)和低頻信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作為主，該類型過球指示器使用時(shí)需要在清管器上搭載磁鐵或者低頻發(fā)射機(jī)等，因此不能適用于所有的通球作業(yè)[3]。有些類型的非接觸式過球指示器基于聲學(xué)原理，例如通過聲波信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作，這類設(shè)備存在誤觸發(fā)頻率高的問題，特別是在背景噪音較大的情況下，其可適用性較差。目前，國(guó)外一些廠家采用超聲傳感器采集低頻的超聲信號(hào)，以提高過球指示器觸發(fā)的準(zhǔn)確率，經(jīng)過應(yīng)用已證實(shí)其可靠性較高[4]?？紤]海上平臺(tái)實(shí)際的通球作業(yè)情況，非接觸式過球指示器是最佳選擇[5]，因此研發(fā)了基于超聲傳感原理的非接觸式過球指示器。

1" " 非接觸式超聲波過球指示器研制

1.1" " 非接觸式超聲波過球指示器組成

研發(fā)的過球指示器主要由上蓋、下蓋、顯示窗、支撐環(huán)、支柱筒構(gòu)成的外形結(jié)構(gòu)及電路系統(tǒng)兩部分組成。其電路設(shè)計(jì)以STM32微處理控制模塊為主，包含電源單元、信號(hào)采集單元、處理及控制單元、通信單元、LCD及LED顯示單元等。

電源單元負(fù)責(zé)為整個(gè)電路系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的電力，支持寬電壓輸入，并對(duì)輸入電壓進(jìn)行穩(wěn)壓、濾波等處理。

超聲波傳感器與管道壁直接接觸，可以采集特定頻率范圍內(nèi)的超聲傳感信號(hào)，通過集成電纜傳感器將信號(hào)傳輸?shù)竭^球指示器信號(hào)采集單元。信號(hào)采集單元設(shè)置了高靈敏度的放大器，能夠?qū)⒊暡▊鞲衅鬏敵龅奈⑷跣盘?hào)放大至可處理的幅值，以保證整個(gè)超聲采集系統(tǒng)的全面性和準(zhǔn)確性。

處理及控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的控制和運(yùn)算核心，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。主要功能是協(xié)調(diào)和管理各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行，包括傳感器的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)緩存模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取、系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控、信號(hào)處理部分的算法執(zhí)行等。

通信單元的功能是將超聲波傳感器處理后的有效數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器、上位機(jī)或其他終端設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。同時(shí)，能夠接收來自外部的控制指令和配置信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和參數(shù)設(shè)置。

LCD、LED顯示單元是系統(tǒng)的屏顯部分。LCD與按鍵協(xié)同對(duì)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可顯示過球檢測(cè)狀態(tài)。

1.2" " 非接觸式超聲波過球指示器算法原理

1.2.1" " 過球指示器信號(hào)處理過程

過球指示器信號(hào)處理過程如下：從數(shù)據(jù)緩存模塊獲取超聲傳感器數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行濾波處理，去除信號(hào)中的噪聲和干擾，篩選出特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，并提高信號(hào)的純度；然后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）、頻譜分析以獲取信號(hào)的頻率成分和能量分布，計(jì)算平均噪聲、平均值及差值；最后根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)，判斷過球狀態(tài)，信號(hào)處理模塊根據(jù)檢測(cè)狀態(tài)控制LCD屏幕和LED指示燈狀態(tài)。電路仿真驗(yàn)證如圖1所示。

1.2.2" " 過球指示器算法原理

過球指示器判斷過球的方法是持續(xù)對(duì)管道噪聲水平進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)有球接近監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，管道噪聲水平逐步增大；當(dāng)球通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，噪聲逐步減小至恢復(fù)到正常背景噪聲水平。由于管道噪聲屬于隨機(jī)變量，故算法采用了統(tǒng)計(jì)方法，即通過對(duì)關(guān)注頻帶內(nèi)的噪聲能量（PIB）進(jìn)行抽樣，獲得隨機(jī)噪聲樣本值。以秒為單位，通過計(jì)算若干樣本值組成的短時(shí)噪聲樣本空間的期望值，得到短時(shí)噪聲均值（AV），該值是管道本底噪聲和走球噪聲的疊加，以走球噪聲為主；同時(shí)以分鐘為單位，通過計(jì)算長(zhǎng)時(shí)噪聲樣本空間的期望值，得到長(zhǎng)時(shí)噪聲均值（AN），該值為管道本底噪聲。以短時(shí)噪聲水平和長(zhǎng)時(shí)噪聲水平的差（DL）作為判斷過球的統(tǒng)計(jì)值。鑒于噪聲差也是隨機(jī)變量，判別閾值采用了高閾值（HT）和低閾值（LT）的雙閾值結(jié)構(gòu)。當(dāng)噪聲差值高于高閾值時(shí)判定有球接近，當(dāng)噪聲差值低于低閾值后判別球已離去。為了防止偶發(fā)干擾引起誤判，在判斷球接近時(shí)開始計(jì)時(shí)（TK）算法中定義了一個(gè)判別值——超閾值持續(xù)時(shí)間（DT），只有超閾值的時(shí)間持續(xù)在閾值以上累計(jì)達(dá)到一定的時(shí)長(zhǎng)，才被判別為過球事件發(fā)生。過球信號(hào)識(shí)別分析如圖2所示。

非接觸式超聲波過球指示器算法流程如圖3所示。首先，過球指示器軟件系統(tǒng)定期開設(shè)100個(gè)頻率窗口，在100個(gè)頻率窗口中計(jì)算低頻窗口的帶內(nèi)功率譜（LF）和高頻窗口的帶內(nèi)功率譜（UF），然后以分鐘為單位計(jì)算平均噪聲時(shí)間（ANT）周期內(nèi)的平均噪聲（AN）、以秒為單位計(jì)算平均噪聲時(shí)間（AVT）周期內(nèi)的平均值（AV），將兩者之差記為DL（電平差）。若DL ≤ HT，返回上一步，繼續(xù)計(jì)算；若DL gt; HT，則顯示清管器或檢測(cè)器接近，繼續(xù)比較。若DL ≥ HT，繼續(xù)顯示清管器或檢測(cè)器接近，直到DL lt; HT，則接著判斷DL gt; HT的持續(xù)時(shí)間比DT長(zhǎng)，則檢測(cè)到清管器或檢測(cè)器通過，檢測(cè)成功。反之，作為干擾將清管器或檢測(cè)器接近的顯示清楚，繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算DL，如此反復(fù)循環(huán)進(jìn)行。采用多序貫概率比檢驗(yàn)法為主要處理算法。

2" " 性能測(cè)試

2.1" " 試驗(yàn)條件

選用DN150的試驗(yàn)管道，開展海底管道過球指示器性能測(cè)試。該試驗(yàn)管道管長(zhǎng)700 m、立管段長(zhǎng)度為9 m，試驗(yàn)采用水為介質(zhì)，管內(nèi)壓力為0.5～2 MPa，清管球速度為0.4～2 m/s。試驗(yàn)管線兩端裝有收發(fā)球筒。

2.2" " 性能測(cè)試

采用磁吸的方式將過球指示器安裝在管道發(fā)球端及收球端管段外壁。開啟過球指示器，待管道通球作業(yè)中通常使用的泡沫球、機(jī)械球以及電子幾何檢測(cè)器依次通過后，采集數(shù)據(jù)，并分析判斷是否有球通過。測(cè)試球?qū)嵨镎掌鐖D4所示。

在DN150試驗(yàn)管線發(fā)送泡沫球，過球指示器在管道的入口端和接收端采集到的信號(hào)分別如圖5、圖6所示。圖5表明，箭頭1部分為裝球時(shí)碰撞管道產(chǎn)生的噪聲；箭頭2部分為泡沫球經(jīng)過管道時(shí)的數(shù)據(jù)設(shè)備能正確判定泡沫球經(jīng)過管道，碰撞管道的噪聲會(huì)發(fā)生誤報(bào)。圖6表明，設(shè)備能夠正確判定泡沫球經(jīng)過管道，并進(jìn)行報(bào)警。

在DN150試驗(yàn)管線發(fā)送機(jī)械球，過球指示器在管道的入口端和接收端采集到的信號(hào)圖分別如圖7、圖8所示。結(jié)果表明，設(shè)備正確判定機(jī)械球經(jīng)過管道。

在DN150試驗(yàn)管線發(fā)送電子幾何檢測(cè)器，過球指示器在管道的入口端和接收端采集到的信號(hào)分別如圖9、圖10所示。結(jié)果表明，過球指示器能夠正確判定電子幾何檢測(cè)器經(jīng)過管道。

3" " 結(jié)論

研究設(shè)計(jì)了一種基于超聲波測(cè)距技術(shù)的非接觸式過球指示器，并對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的海底管道非接觸式過球指示器能夠準(zhǔn)確進(jìn)行泡沫球、機(jī)械球以及電子幾何檢測(cè)器的過球指示，可用于海底管道實(shí)現(xiàn)過球檢測(cè)，具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1）安全性高。不使用閥門、連通管、接頭，沒有漏點(diǎn)；不接觸管道內(nèi)的介質(zhì)，安全性高，可適用于一級(jí)危險(xiǎn)區(qū)域。

2）安裝、維修方便。安裝維修時(shí)不動(dòng)火，不清管，無需對(duì)管道進(jìn)行改造，不影響生產(chǎn)。

3）精度高、可靠耐用。超聲波的指向性強(qiáng)，在傳播時(shí)能量損失小，過球指示器原理基于超聲波檢測(cè)技術(shù)，靈敏度高，儀器體積?。贿^球指示器中無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，嚴(yán)格密封，與外界隔離，不會(huì)磨損或腐蝕。

4）適用性強(qiáng)。與管道內(nèi)介質(zhì)的壓力、溫度、密度、黏度及有無腐蝕性無關(guān)，可用于油、氣和多相流體的管道系統(tǒng)中。

隨著數(shù)字化聲學(xué)測(cè)量技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展和生產(chǎn)安全要求的提高，基于超聲波測(cè)距技術(shù)的非接觸式過球指示器具有較好的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：

郭增伍（1990—）， 男，河北固安人， 工程師，2013年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，現(xiàn)從事海上油氣開采設(shè)備運(yùn)維及海底管道完整性管理等工作。Email：guozw2@cnooc.com.cn

收稿日期：2024-08-06