實(shí)驗(yàn)管路中清管器非接觸檢測(cè)方法

吳海浩，段瑞溪，2，李立婉，宮 敬，李 穎，李 雪

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028）

清管為石油天然氣管道工業(yè)中常見(jiàn)的作業(yè)。清管器為球形或者柱形固體，清管作業(yè)時(shí)清管器在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，清除管道內(nèi)的液體以及固體沉積物［1］。在實(shí)際管道清理作業(yè)中，可以在清管器上加裝檢測(cè)裝置，檢測(cè)清管器的沿線速度。使用清管器跟蹤裝置［2－9］，可以跟蹤清管器的位置，可以使用過(guò)球指示器［10－11］判斷清管器是否進(jìn)入管道以及收球筒。在實(shí)驗(yàn)管路中進(jìn)行清管實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要檢測(cè)清管器的速度。而任何突入到管道中的物體均可能阻礙清管器的運(yùn)動(dòng)，因此最好采用非接觸方法。而實(shí)驗(yàn)管路一般直徑較小，清管器尺寸更小，故在清管器上難以安裝復(fù)雜的檢測(cè)裝置。而常用的機(jī)械式過(guò)球指示器需要在管道中打孔，安裝較復(fù)雜。因此本文根據(jù)電磁感應(yīng)原理，制作了非接觸檢測(cè)裝置，可以方便、準(zhǔn)確地檢測(cè)清管器的時(shí)間和速度。

1 電磁檢測(cè)原理

當(dāng)一塊永久磁鐵通過(guò)一個(gè)線圈時(shí)，線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)與磁通量之間的關(guān)系為：其中E為感應(yīng)電勢(shì)為磁通變化率，Φ為穿過(guò)回路所圍面積S的磁通量，α為磁力線通過(guò)單位面積ds的法線角，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，μ為導(dǎo)磁系數(shù)，H 為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

對(duì)于水、不銹鋼以及空氣，其導(dǎo)磁系數(shù)都接近于真空，在分析中認(rèn)為磁鐵周圍的材料等同于真空。

根據(jù)磁偶極子的理論［12］，在極坐標(biāo)系下，徑向方向磁場(chǎng)強(qiáng)度為

角度方向磁場(chǎng)強(qiáng)度為

其中μ0為周圍材料導(dǎo)磁系數(shù)，pm為磁偶極矩。

正負(fù)磁偶極子的連線在管道軸線上（見(jiàn)圖1），在垂直于管道軸線方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hv［7］為

其中：

式中h為磁偶與管道外壁的距離，L為線圈距離磁偶中心的水平距離。

由于線圈與磁場(chǎng)方向垂直，故cosα＝1，則有

由于線圈固定在管徑為D的管壁上，有S＝πD，同時(shí)B＝μ0Hv，將式6—8代入式（9），得：

式中v為清管器速度。

假設(shè)L＝Nh，N為常數(shù)，則有

令：

則有

對(duì)于磁鐵以及管路直徑與材質(zhì)已經(jīng)確定的管路，D、pm、h為已知參數(shù)，k只與磁源與檢測(cè)線圈的相對(duì)位置有關(guān)，感應(yīng)電壓的大小僅與磁源與檢測(cè)線圈的相對(duì)位置以及磁源的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。磁源距離檢測(cè)線圈不同距離時(shí)的k值見(jiàn)圖2。從圖2中可以看出，在檢測(cè)線圈兩側(cè)，k值對(duì)稱分布。當(dāng)磁源距離檢測(cè)線圈較遠(yuǎn)時(shí)，k值接近0；在水平距離小于3h時(shí)，k值開(kāi)始增長(zhǎng)，在距離為0.9h處，k增大到最大值；此后隨著距離的減小k減小，在距離為0時(shí)，k減小到最大值，但絕對(duì)值最大。當(dāng)磁源遠(yuǎn)離檢測(cè)線圈時(shí)，k值的變化趨勢(shì)與由遠(yuǎn)靠近線圈的值相反。對(duì)單個(gè)線圈，當(dāng)磁源與線圈之間的水平距離大于3h時(shí)，磁源的運(yùn)動(dòng)在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)基本可以忽略。

圖1 磁偶示意圖

圖2 磁鐵通過(guò)線圈時(shí)感應(yīng)k值變化曲線

2 電磁檢測(cè)清管器裝置與實(shí)驗(yàn)

電磁檢測(cè)裝置由磁源、檢測(cè)線圈、放大電路及數(shù)據(jù)采集裝置組成，檢測(cè)裝置原理見(jiàn)圖3。磁源為永久磁鐵，安裝在清管器上，實(shí)驗(yàn)時(shí)隨清管器在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)。檢測(cè)線圈安裝在管道外部，線圈截面與管道軸線垂直。放大電路與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在管道的外部，用于采集并放大檢測(cè)信號(hào)。在清管器實(shí)驗(yàn)中，清管器通過(guò)線圈時(shí)，磁場(chǎng)切割線圈，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，但電磁感應(yīng)電勢(shì)較小，所以要經(jīng)過(guò)放大電路放大后再進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)。

圖3 永久電磁檢測(cè)清管器裝置原理圖

本實(shí)驗(yàn)在內(nèi)徑為50mm、外徑為60mm的實(shí)驗(yàn)環(huán)路進(jìn)行清管實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)流體為自來(lái)水，在實(shí)驗(yàn)中，清管器的速度與水相同。采集清管器經(jīng)過(guò)檢測(cè)線圈時(shí)的感應(yīng)電壓，采樣頻率為1kHz。永久磁鐵中心經(jīng)過(guò)檢測(cè)線圈時(shí)感應(yīng)電壓的變化見(jiàn)圖4。在磁鐵源勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電壓的形狀與k值的形狀完全相同。在不同的速度下，永久磁鐵的影響距離均為115mm，感應(yīng)電勢(shì)變?yōu)?的點(diǎn)距離磁鐵中心的水平距離為20mm，正向感應(yīng)電壓出現(xiàn)在距離永久磁鐵中心約40mm處。在實(shí)驗(yàn)中，只要線圈之間的距離大于23cm，就能夠保證在任意時(shí)刻清管器中的永久磁鐵只影響一個(gè)線圈。根據(jù)清管器通過(guò)2個(gè)線圈的時(shí)間，以及線圈間的距離便可以計(jì)算出清管器的速度。清管器通過(guò)檢測(cè)線圈的時(shí)間可以利用感應(yīng)電壓的特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間來(lái)確定。特征點(diǎn)有5個(gè)，其中3個(gè)為峰值點(diǎn)和2個(gè)感應(yīng)電壓為0的點(diǎn)。在清管器速度波動(dòng)比較大時(shí)，感應(yīng)電壓的速度也會(huì)有較大的波動(dòng)，其頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間可能是變的。這是因?yàn)楦袘?yīng)電壓為0的點(diǎn)僅與永久磁鐵與線圈的位置有關(guān)，而與速度無(wú)關(guān)。因此在計(jì)算速度時(shí)可以利用電壓為0的點(diǎn)。

圖4 不同速度下的感應(yīng)電壓曲線

3 靈敏性檢測(cè)

為檢測(cè)該方法的靈敏性，在透明實(shí)驗(yàn)管路中進(jìn)行了清管實(shí)驗(yàn)，在管道上間隔32cm的距離上安裝2個(gè)線圈（見(jiàn)圖5），信號(hào)采集頻率為1kHz。同時(shí)使用高速攝像機(jī)拍攝清管器通過(guò)該管段的過(guò)程，并根據(jù)拍攝到的圖像分析清管器的速度。檢測(cè)到的感應(yīng)電壓見(jiàn)圖6。從圖6中可以看出，在磁鐵未到達(dá)線圈時(shí)，檢測(cè)裝置的感應(yīng)電壓在0mV附近，此時(shí)檢測(cè)電路輸出的電壓波動(dòng)是正常的波動(dòng)；在永久磁鐵經(jīng)過(guò)時(shí)，感應(yīng)電壓突增，然后降為0mV。

在實(shí)驗(yàn)中，管道中流動(dòng)的介質(zhì)出現(xiàn)了水、氣及擾動(dòng)劇烈的氣液兩相流，而感應(yīng)電壓無(wú)明顯的異變，說(shuō)明電磁方法只受清管器上永久磁鐵的影響，而不受管道中的流動(dòng)的干擾。清管器通過(guò)前后2個(gè)線圈的時(shí)間間隔為0.007s，在2個(gè)線圈之間的平均速度為45.7m／s，與高速攝像檢測(cè)到的速度相同。這一結(jié)果表明，電磁感應(yīng)電壓能夠迅速、準(zhǔn)確地反映清管器通過(guò)的時(shí)間，說(shuō)明這種方法靈敏度高。

圖5 清管器檢測(cè)實(shí)驗(yàn)示意圖

圖6 清管器通過(guò)線圈時(shí)感應(yīng)電壓變化曲線

4 結(jié)論

電磁感應(yīng)方法能夠有效地檢測(cè)管道中清管器的時(shí)間和速度，方法簡(jiǎn)單，靈敏度高，不受管道中流動(dòng)情況的影響，可以用于實(shí)驗(yàn)室中常見(jiàn)的有機(jī)玻璃、工程塑料以及不銹鋼管等非導(dǎo)磁管道的清理實(shí)驗(yàn)。

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