清管器在線監(jiān)測預警裝置研制與應用

　新疆油田油氣儲運分公司

清管器在線監(jiān)測預警裝置研制與應用

薛潤斌趙文峰劉遠東趙凱華新疆油田油氣儲運分公司

清管作業(yè)依賴可靠的指示裝置，用以準確指示清管器的發(fā)出、到達及中間運行位置。自主研發(fā)的清管器在線監(jiān)測預警裝置屬于磁感應式指示器，與其他磁感應式指示器相比，此設備基于鐵磁材料磁滯回線特性，從優(yōu)化磁信號源布置出發(fā)，慎重選擇磁感應器型號，結(jié)合“辨磁”原理，實現(xiàn)管道剩磁自動抑制，屏蔽了雜散波的影響，突顯磁信號源引發(fā)的管壁磁場變化，再經(jīng)過清管判斷條件優(yōu)化，徹底避免了此設備發(fā)生漏報、誤報現(xiàn)象的可能性。該裝置解決了清管器運行速度的限制，可較精確計算清管器到達接收站的時間，為接收站現(xiàn)場操作人員提供充足的準備時間。為了便于維護人員掌握設備工作狀態(tài)，設備定期自檢，向終端發(fā)送“健康”或故障信息。此設備成功應用在新疆油田油氣儲運公司克—烏D529管道，運行穩(wěn)定，提供信息及時準確，達到在線監(jiān)測預警效果。

清管器；磁信號源；預警裝置；在線監(jiān)測；試驗

清管器是管道行業(yè)中必不可少的重要工具，既可以作為清管工具用來保證管道有效輸送能力，也可以作為管道內(nèi)檢測設備的運行托架。清管作業(yè)依賴可靠的指示裝置，用以準確指示清管器的發(fā)出、到達及中間運行位置。目前，指示裝置大體有兩類形式[1-5]。

一類是傳統(tǒng)的機械式指示器，需在發(fā)球筒的出口管道和收球筒的進口管道開孔安裝，中間位置需估算判斷。這種指示器結(jié)構(gòu)簡單，但受安裝方式、安裝位置、計算誤差、信息傳遞滯后等缺點的影響，無法準確、及時地傳遞信息。

另一類是磁感應式指示器，主要是將磁場信號轉(zhuǎn)變成電信號。有兩種轉(zhuǎn)變方法：第一種是利用“引磁”原理，在管道外壁纏繞的漆包線圈上感應出電動勢，通過低頻放大器放大后實現(xiàn)就地顯示或遠傳顯示[6]；第二種是利用磁敏感元件采集弱磁信號，并通過相關(guān)電路將最終的電壓信號遠傳至系統(tǒng)網(wǎng)絡中[7-9]。這類指示器有效地解決了傳統(tǒng)機械式指示器的弊端，但此類指示器因磁信號源設計不嚴格，無法計算出清管器到達接收站的時間，而且管道雜散波對其影響較大，長輸管道現(xiàn)場供電難、信號傳送難，陰極保護電位等原因也影響這類指示器的推廣。

1　裝置研制

1.1工作原理

固定在清管器內(nèi)的磁信號源隨清管器前往接收站的過程中磁化管壁，引起管壁磁場發(fā)生變化。管道外安置的監(jiān)測預警裝置能夠自動抑制管道本身的磁場，使得磁信號源引起的管道磁場變化突顯并被其監(jiān)測接收，利用4種判斷條件最終確定清管器是否通過，并將此信號以信息報文的形式發(fā)送至GSM服務器，再從服務器中取出這些信息，解析后在終端電腦上顯示出相關(guān)信息，預警裝置原理如圖1所示。

圖1　清管器在線監(jiān)測預警裝置原理

1.2結(jié)構(gòu)

清管器在線監(jiān)測預警裝置主要由磁信號源、監(jiān)測預警裝置、數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件3部分子系統(tǒng)組成，如圖2所示。

1.2.1磁信號源

長輸管道管材屬于鐵磁性材料，有其特有的磁疇，根據(jù)鐵磁性材料磁滯回線特性[10]，選擇磁場強度合適的永久磁鐵，按一定方式及尺寸優(yōu)化布置制作成磁信號源。結(jié)合巨磁組傳感器[11-13]的選型和布置方法，當這種磁信號源在管道中運行時，引起管道磁場按某種特有性質(zhì)的正弦波變化，產(chǎn)生的正弦波波形相似，幅值一定，波長、周期、相位根據(jù)清管器運行速度發(fā)生變化。因此可將此波形作為判斷清管器通過的標準波形，并得出清管器運行的瞬時速度，計算到達接收站的時間。

圖2　清管器在線監(jiān)測預警裝置組成

1.2.2監(jiān)測預警裝置

監(jiān)測預警裝置主要由智能檢測單元和信號處理單元組成。其中智能檢測單元主要由巨磁組傳感器、可編程運算放大器、自動增益控制模塊、磁場適應模塊、太陽能供電模塊組成，負責自動抑制管道本身的磁場強度，監(jiān)測、接收磁信號源引起的管道磁場變化信號。磁場傳感器檢測管壁磁場信號，根據(jù)磁場信號變化強度和變化規(guī)律，可編程運算放大器控制自動增益控制模塊實現(xiàn)自動增益調(diào)節(jié)和磁場適應調(diào)節(jié)，以抑制管道本身的磁場強度，為磁信號源引起的管道磁場變化信號的突顯做準確工作。同時，隨時監(jiān)測信號源引起的管道磁場變化信號，并將其接收轉(zhuǎn)換成電信號。

信號處理單元主要由A/D轉(zhuǎn)換、特征對比判斷、無線通信模式組成，負責將智能檢測單元的電信號轉(zhuǎn)化，對比判斷，并發(fā)出清管器通過預警裝置的相關(guān)信息，同時負責監(jiān)測預警裝置的內(nèi)檢工作。信號處理單元將智能檢測單元輸出的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，再經(jīng)MPU加工處理，與數(shù)據(jù)庫中存儲的變化趨勢特征（標準波形）進行對比，判斷清管器是否通過。同時計算清管器通過時的瞬時速度，并計算清管器到達接收站的時間，最后通過無線通信模式以信息報文的形式把相關(guān)信息發(fā)送至新疆油田公司GSM服務器。另外，信號處理單元還負責自檢，向GSM服務器發(fā)送“健康”或故障信息，完成靜態(tài)自檢。

1.2.3數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件

數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件可同時對多套裝置發(fā)出的信息報文進行解析、管理和顯示，界面如圖3所示。該軟件主要有以下兩種功能。

（1）監(jiān)測預警裝置在正常待機狀況下定期自檢，并發(fā)出“健康”或故障的診斷信息報文，該軟件將檢測的信息報文解析、顯示，可方便維護人員掌握設備的工作狀態(tài)。

圖3　數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件

（2）清管器通過后會產(chǎn)生通過信息報文，包括位置、速度、到達時間、磁場強度等一系列相關(guān)參數(shù)，可根據(jù)終端用戶要求進行自動彈窗體顯示相應信息，并報警提示[14-15]。

2　應用情況

新疆油田油氣儲運分公司克—烏D529原油管道全長295.42km，全線設置3座熱泵站、3座加熱站及1座末站。其中，701站為發(fā)送站，704站、706站為接收站和發(fā)送站，王家溝油庫為接收站，全線清管周期定為20天。接收站和發(fā)送站管道進出站口安裝傳統(tǒng)機械式指示裝置，造成704站過濾器頻繁堵塞、離心泵自停，最嚴重一次為一天內(nèi)清過濾器30多次，離心泵自停27次，嚴重影響生產(chǎn)，同時增加該站員工勞動強度，降低工作效率。

在新疆油田油氣儲運分公司克—烏D529原油管道某閥池內(nèi)安裝清管器在線監(jiān)測預警裝置，并進行靜態(tài)穩(wěn)定性試驗，同時根據(jù)生產(chǎn)情況，在該管道701—704站間管段進行動態(tài)可靠性試驗。

2.1靜態(tài)穩(wěn)定性試驗

靜態(tài)穩(wěn)定性試驗主要是檢驗此設備在異常環(huán)境運行的穩(wěn)定性。晝夜溫差大、晨露、閥池內(nèi)潮濕環(huán)境、管道磁場變化異常等惡劣環(huán)境作為此設備穩(wěn)定運行的考驗條件。

2.2動態(tài)可靠性試驗

動態(tài)可靠性試驗主要是檢驗此設備在實際清管作業(yè)過程中有無漏報或誤報現(xiàn)象發(fā)生，必須確定實際運行的可靠性。2013年11月25日至27日，安排克烏D529線701—704段進行清管作業(yè)，清管器在線監(jiān)測預警裝置分別布置在702站內(nèi)閥池、703站站內(nèi)閥池、704站前閥池內(nèi)，在清管期間準確無誤地顯示了清管器通過信息和自檢信息，無漏報和誤報情況發(fā)生。

此設備試驗過程中運行穩(wěn)定，提供清管信息及時準確，估算出的清管器到達接收站的預計時間準確無誤，因此可以作為實際應用時的清管指示裝置。

3　結(jié)語

清管器在線監(jiān)測預警裝置屬于磁感應式指示器，因此該設備具有磁感應式指示器的所有優(yōu)點，但與其他磁感應式指示器相比，還有以下6方面特點：

（1）該設備從鐵磁性材料磁滯回線特性出發(fā)，選取磁場強度合適的永磁，優(yōu)化布置磁信號源，結(jié)合磁組傳感器選型，使管道磁場能以固有特性的正弦波形變化，以此波形作為判斷清管器通過的標準波形，避免了漏報、誤報現(xiàn)象。

（2）因標準波形間幅值一定，波形相似，波形、周期、相位根據(jù)清管速度不同而變化，因此該設備不受清管速度的限制，可計算清管器通過時的瞬時速度，進而計算出清管器到達接收站的時間，給予現(xiàn)場人員充足的準備時間。

（3）該設備采用“辨磁”原理采集管道磁場變化信號，由于管道磁場受雜散波的影響會發(fā)生變化，波形各異，強弱不同，因此在眾多雜散波中尋找磁信號源引發(fā)的信號是此設備研發(fā)成功的關(guān)鍵技術(shù)。

（4）該設備使用成熟的供電技術(shù)和通信技術(shù)，解決了長輸管道現(xiàn)場供電難、信號遠傳難問題，可避免地域限制，沿長輸管道任選位置進行布置，節(jié)省電纜、光纖等材料購置費用和工程費用。

（5）信息報文進入新疆油田GSM服務器，結(jié)合數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件，使得終端顯示不受限制，在新疆油田公司內(nèi)網(wǎng)中的電腦都可以顯示相應信息；也可以結(jié)合數(shù)據(jù)庫管理軟件，脫離新疆油田GSM服務器，使其推廣不受地域限制。

（6）定期自檢，向終端發(fā)送“健康”或故障信息，便于維護人員掌握設備的工作狀態(tài)。

清管器在線監(jiān)測預警裝置成功研制并以靜電穩(wěn)定性試驗和動態(tài)可靠性試驗相結(jié)合的方法進行試驗，在試驗過程中沒有漏報和誤報情況發(fā)生。此設備從優(yōu)化磁信號源布置入手，結(jié)合“辨磁”原理，解決了傳統(tǒng)指示裝置的弊端，而且規(guī)避了磁感應式指示器普遍存在的漏報、誤報問題。同時，因采用先進太陽能供電和無線通信技術(shù)，避免了長距離施工敷設專用動力電纜和通信光纖，解決了長輸管道現(xiàn)場供電難、信息傳遞難等問題。唯一需要注意的是，此設備對移動基站的依賴性較強，因此受移動網(wǎng)絡穩(wěn)定性影響較大，會出現(xiàn)信息遲滯現(xiàn)象。

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忽然，一只老鼠跳出來說：“我知道那座森林?！闭f完，老鼠就轉(zhuǎn)身離開了。青蛙趕緊追上老鼠，跟著他走到了森林?？墒?，青蛙把森林翻了個底朝天也沒有找到小鳥。青蛙覺得很遺憾，但是他相信：“總有一天，小鳥會回來的，再和我說說外面的世界?！?/p>

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（0994）2700413、xuerunbing@petrochina.com.cn

（欄目主持關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.020

薛潤斌：工程師，學士，2006年畢業(yè)于中國石油大學（北京），從事油氣儲運研究工作。

2015-01-30