油氣管道清管球過球指示器的比較與選型

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，湛江 524057）

0 引言

海洋石油海底管線清管作業(yè)的收發(fā)球筒中安裝有過球指示器，用來判斷清管球通過情況，是清管工藝設(shè)備中必不可少的顯示儀表。海洋石油中常見的過球指示器有機(jī)械觸發(fā)插入式、非接觸超聲波、非接觸磁感應(yīng)式、差壓式等類型。通常過球指示器現(xiàn)場有旗式指示，并通過兩線制4～20 mA 通過HART協(xié)議或RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口ModBus-RTU協(xié)議傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。根據(jù)原理分析各自的特點(diǎn)并進(jìn)行比較，正確選擇過球指示器，減少不報(bào)警、誤報(bào)警，提高報(bào)警的準(zhǔn)確性。

1 過球指示器原理

1.1 差壓式過球指示器

差壓式過球指示器主要通過壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測管段壓差變化，通過兩個(gè)壓力變送器的數(shù)據(jù)把信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)顯示（如圖1a所示）。在控制系統(tǒng)中對兩個(gè)壓力變送器壓力值進(jìn)行比較，收球時(shí)PT1＞PT2，發(fā)球時(shí)PT1＜PT2，通過實(shí)驗(yàn)得出實(shí)際的｜PT1-PT2｜=△P（△P通球的差壓壓力），△P維持的時(shí)間＞T（T=收球筒容積/管線物流流速域值上限），海管正常生產(chǎn)時(shí)，收球筒兩端壓差遠(yuǎn)小于△P?，F(xiàn)場安裝單流閥接差壓表，通過觀察差壓表的波動(dòng)來輔助判斷清管球是否通過，通球結(jié)束后差壓表可通過泄壓進(jìn)行復(fù)位[1]。

圖1 過球指示器原理

1.2 非接觸超聲波過球指示器

非接觸式超聲波過球指示器，頻率大于20 kHz的機(jī)械波被稱為超聲波，依據(jù)超聲波發(fā)射接收的反射波的強(qiáng)度來判斷清管球是否通過（如圖1b所示）。沒通球時(shí)管壁反射波的強(qiáng)度小，清管球通過時(shí)發(fā)射波的強(qiáng)度大，通過檢測波的強(qiáng)度大小，聲強(qiáng)（I）與聲壓（P）的關(guān)系為：I=（P2）/（ρv）其中ρ為介質(zhì)密度，v為聲速。強(qiáng)度設(shè)定值大于正常流體發(fā)射波小于清管球通過強(qiáng)度。通球時(shí)的聲強(qiáng)達(dá)到設(shè)定值后通過信號處理電路輸出現(xiàn)場狀態(tài)燈報(bào)警，或通過4～20 mA遠(yuǎn)程至控制系統(tǒng)中進(jìn)行顯示。

1.3 非接觸磁感應(yīng)式過球指示器

感應(yīng)式清管球過球指示器，帶有永久磁鐵的清管球到達(dá)感應(yīng)裝置時(shí)，由于磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電勢（如圖1c所示）。磁通變化率磁鐵在管道里運(yùn)動(dòng)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度（對線圈而言）是隨著距離所繞線圈遠(yuǎn)近而變的，清管球到達(dá)時(shí)，磁感應(yīng)電勢變大，通過低頻放大器后驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，指示燈（或其他裝置）接通，用來指示清管球達(dá)到[2]。

1.4 機(jī)械觸發(fā)插入式過球指示器

機(jī)械觸發(fā)插入式過球指示器是最常見的指示器，根據(jù)連接方式分為基座焊接、法蘭連接、球閥連接、球閥法蘭連接、法蘭球閥連接等方式。按照復(fù)位方式分為旗式手動(dòng)復(fù)位、旗式/遠(yuǎn)傳/手動(dòng)復(fù)位、數(shù)顯/遠(yuǎn)傳/自動(dòng)復(fù)位、帶壓裝卸復(fù)位等方式。機(jī)械觸發(fā)插入式過球指示器安裝在開孔收發(fā)球筒中[3]，清管球清管作業(yè)過程中，清管球通過時(shí)觸發(fā)機(jī)械撞桿，機(jī)械觸點(diǎn)動(dòng)作，觸動(dòng)微動(dòng)開關(guān)給出關(guān)或開的信號，機(jī)械機(jī)構(gòu)推動(dòng)機(jī)械旗式指示，也可將機(jī)械信號轉(zhuǎn)換為儀表信號傳送至控制系統(tǒng)，機(jī)械旗式指示手動(dòng)復(fù)位（如圖1d所示）。

2 過球指示器優(yōu)缺點(diǎn)

根據(jù)過球指示器原理，現(xiàn)場安裝要求，管道流體介質(zhì)、清管球的類型等不同，分析以上4種常用過球指示器優(yōu)缺點(diǎn)，針對使用現(xiàn)場的工況不同，合理選擇最合適的過球指示器。

（1）壓差式，優(yōu)點(diǎn)是能準(zhǔn)確檢測差壓、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是引壓口及管線長容易堵，也不能測稠油，發(fā)球器前后差壓小，不容易檢測差壓值。適用場合是收球籠前后安裝，管道中結(jié)蠟少，雜質(zhì)較少的管道。

（2）非接觸超聲波式，優(yōu)點(diǎn)是施工容易、安裝位置可更換。缺點(diǎn)是①泡沫球不能過小，反射波的強(qiáng)度太小，不報(bào)警。②清管球流速不能太快，過快不易捕捉到聲強(qiáng)的變化的信號。③價(jià)格昂貴。適用場合是泡沫球過盈3%以上的通球作業(yè)，刮板球通球。

（3）非接觸磁感應(yīng)式，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、施工容易、可以定位卡球位置。缺點(diǎn)是①球體需要帶永久磁鐵，通球過程中會(huì)把管道中銹渣吸附在球體上造成卡堵，磁性太弱信號不易捕捉。②容易受周圍磁場的干擾，本身帶有磁場會(huì)干擾其他電信號的儀表。③清管球磁體脫落后會(huì)吸附在管壁，不易清除。適合復(fù)合軟管的通球。

（4）機(jī)械觸發(fā)插入式，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是①管線帶壓開孔，密封件易老化，密封失效介質(zhì)進(jìn)入機(jī)械轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，指示器易堵塞，機(jī)械結(jié)構(gòu)中的磁環(huán)、彈簧等部件銹化不能報(bào)警。②流體介質(zhì)中有異物碰撞誤報(bào)警。③泡沫球過盈太大，機(jī)械觸點(diǎn)容易變形不報(bào)警，容易把清管球刺破。④機(jī)械接觸容易產(chǎn)生靜電。適用潔凈流體介質(zhì)，泡沫球不能過小或過盈的場合。

3 結(jié)束語

海底管道中的機(jī)械雜質(zhì)、銹渣、原油中的積砂、管壁結(jié)蠟、管壁腐蝕等產(chǎn)物的聚集會(huì)造成局部的堵塞和縮小管道的截流面積，為了解決以上問題，清管通球作業(yè)尤其重要。判斷清管球是否從發(fā)球筒中發(fā)出，收球筒是否收到球，存在卡球時(shí)會(huì)導(dǎo)致管道堵塞，判斷卡球位置同樣重要。通過文中闡述能為清管作業(yè)過球指示器從原理上選型提供依據(jù)。