實驗管路中清管器非接觸檢測方法

吳海浩，段瑞溪，2，李立婉，宮 敬，李 穎，李 雪

（1.中國石油大學(xué)（北京）城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102249；2.中國石油集團海洋工程有限公司，北京 100028）

清管為石油天然氣管道工業(yè)中常見的作業(yè)。清管器為球形或者柱形固體，清管作業(yè)時清管器在管道內(nèi)運動，清除管道內(nèi)的液體以及固體沉積物［1］。在實際管道清理作業(yè)中，可以在清管器上加裝檢測裝置，檢測清管器的沿線速度。使用清管器跟蹤裝置［2－9］，可以跟蹤清管器的位置，可以使用過球指示器［10－11］判斷清管器是否進入管道以及收球筒。在實驗管路中進行清管實驗時，需要檢測清管器的速度。而任何突入到管道中的物體均可能阻礙清管器的運動，因此最好采用非接觸方法。而實驗管路一般直徑較小，清管器尺寸更小，故在清管器上難以安裝復(fù)雜的檢測裝置。而常用的機械式過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，制作了非接觸檢測裝置，可以方便、準(zhǔn)確地檢測清管器的時間和速度。

1 電磁檢測原理

當(dāng)一塊永久磁鐵通過一個線圈時，線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢與磁通量之間的關(guān)系為：其中E為感應(yīng)電勢為磁通變化率，Φ為穿過回路所圍面積S的磁通量，α為磁力線通過單位面積ds的法線角，B為磁感應(yīng)強度，μ為導(dǎo)磁系數(shù)，H 為磁場強度。

對于水、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，徑向方向磁場強度為

角度方向磁場強度為

其中μ0為周圍材料導(dǎo)磁系數(shù)，pm為磁偶極矩。

正負磁偶極子的連線在管道軸線上（見圖1），在垂直于管道軸線方向上的磁場強度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只與磁源與檢測線圈的相對位置有關(guān)，感應(yīng)電壓的大小僅與磁源與檢測線圈的相對位置以及磁源的運動速度有關(guān)。磁源距離檢測線圈不同距離時的k值見圖2。從圖2中可以看出，在檢測線圈兩側(cè)，k值對稱分布。當(dāng)磁源距離檢測線圈較遠時，k值接近0；在水平距離小于3h時，k值開始增長，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，k減小到最大值，但絕對值最大。當(dāng)磁源遠離檢測線圈時，k值的變化趨勢與由遠靠近線圈的值相反。對單個線圈，當(dāng)磁源與線圈之間的水平距離大于3h時，磁源的運動在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢基本可以忽略。

圖1 磁偶示意圖

圖2 磁鐵通過線圈時感應(yīng)k值變化曲線

2 電磁檢測清管器裝置與實驗

電磁檢測裝置由磁源、檢測線圈、放大電路及數(shù)據(jù)采集裝置組成，檢測裝置原理見圖3。磁源為永久磁鐵，安裝在清管器上，實驗時隨清管器在管道內(nèi)運動。檢測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信號。在清管器實驗中，清管器通過線圈時，磁場切割線圈，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，但電磁感應(yīng)電勢較小，所以要經(jīng)過放大電路放大后再進入數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)。

圖3 永久電磁檢測清管器裝置原理圖

本實驗在內(nèi)徑為50mm、外徑為60mm的實驗環(huán)路進行清管實驗，實驗流體為自來水，在實驗中，清管器的速度與水相同。采集清管器經(jīng)過檢測線圈時的感應(yīng)電壓，采樣頻率為1kHz。永久磁鐵中心經(jīng)過檢測線圈時感應(yīng)電壓的變化見圖4。在磁鐵源勻速運動時，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)電勢變?yōu)?的點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。在實驗中，只要線圈之間的距離大于23cm，就能夠保證在任意時刻清管器中的永久磁鐵只影響一個線圈。根據(jù)清管器通過2個線圈的時間，以及線圈間的距離便可以計算出清管器的速度。清管器通過檢測線圈的時間可以利用感應(yīng)電壓的特征點對應(yīng)的時間來確定。特征點有5個，其中3個為峰值點和2個感應(yīng)電壓為0的點。在清管器速度波動比較大時，感應(yīng)電壓的速度也會有較大的波動，其頂點對應(yīng)的時間可能是變的。這是因為感應(yīng)電壓為0的點僅與永久磁鐵與線圈的位置有關(guān)，而與速度無關(guān)。因此在計算速度時可以利用電壓為0的點。

圖4 不同速度下的感應(yīng)電壓曲線

3 靈敏性檢測

為檢測該方法的靈敏性，在透明實驗管路中進行了清管實驗，在管道上間隔32cm的距離上安裝2個線圈（見圖5），信號采集頻率為1kHz。同時使用高速攝像機拍攝清管器通過該管段的過程，并根據(jù)拍攝到的圖像分析清管器的速度。檢測到的感應(yīng)電壓見圖6。從圖6中可以看出，在磁鐵未到達線圈時，檢測裝置的感應(yīng)電壓在0mV附近，此時檢測電路輸出的電壓波動是正常的波動；在永久磁鐵經(jīng)過時，感應(yīng)電壓突增，然后降為0mV。

在實驗中，管道中流動的介質(zhì)出現(xiàn)了水、氣及擾動劇烈的氣液兩相流，而感應(yīng)電壓無明顯的異變，說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的干擾。清管器通過前后2個線圈的時間間隔為0.007s，在2個線圈之間的平均速度為45.7m／s，與高速攝像檢測到的速度相同。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的時間，說明這種方法靈敏度高。

圖5 清管器檢測實驗示意圖

圖6 清管器通過線圈時感應(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管道中清管器的時間和速度，方法簡單，靈敏度高，不受管道中流動情況的影響，可以用于實驗室中常見的有機玻璃、工程塑料以及不銹鋼管等非導(dǎo)磁管道的清理實驗。

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