海底管線清洗通球器追蹤定位新技術(shù)

摘 要：海底管線清洗通球器在清理海底輸油管線過程中，如遇堵塞或卡住等意外情況，由于很難確認(rèn)被卡住的清洗器具體位置，給處理解堵措施帶來時(shí)間和費(fèi)用的進(jìn)一步損失。本新技術(shù)通過在清洗通球器上加裝磁力發(fā)生器，配合水下磁力儀，根據(jù)磁場的變化，實(shí)現(xiàn)對清洗通球器的追蹤定位，可以迅速判斷和確定清洗通球器的具體位置，為解決清洗通球器堵塞問題而采取必要的措施節(jié)省大量的時(shí)間。

關(guān)鍵詞：磁力發(fā)生器 磁力儀 定位

中圖分類號(hào)：TE973.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）06（a）-0001-02

Subsea pipeline chenchi chenRujiang shenshan Yang Tian xiao ZhangManjie cleaning pig track positioning technology

Chen chi Chen Rujiang Shen Shan Yang Tianxiao Zhang Manjie

（CNOOC Chian Limited Panyu Operating Company，Shenzhen，Guangdong Province，518067，China）

Abstract：The Subsea pipeline cleaning pig in the cleaning process of seabed pipeline， such as congestion and other issues，will pass the pig cleaning device gets stuck，because it is hard to find a location to dredge，can only rely on experience，will result in oil field production for a long time，cause huge losses.This new technology through a cleaning pig device mounted on the magnetic generator，cooperate with underwater magnetometer，according to the change of the magnetic field，track and position to the cleaning pig，you can quickly determine the cleaning pig position，to solve the cleaning pig congestion and save a lot of time.

Key Words：Magnetic generator；Magnetometer；Location

海底管線是海洋石油運(yùn)輸石油、天然氣等物質(zhì)的主要運(yùn)輸設(shè)備，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要的作用。鋪設(shè)管道時(shí)，不可避免地會(huì)有泥沙、渣、污水等雜物進(jìn)入管道中，同樣在役的運(yùn)輸管道內(nèi)部也經(jīng)常會(huì)積聚一些砂、泥和石蠟等雜物，這都會(huì)影響管道的正常工作。另外，為了確保化學(xué)防護(hù)劑在管線內(nèi)發(fā)揮應(yīng)有的作用，油氣管道必須定期發(fā)放清管器進(jìn)行清理。管道清管器是管道清理的主要設(shè)備，為了準(zhǔn)確地確定管道堵塞的位置，必須對管道清管器進(jìn)行精確定位。

由于海管的管道壁的屏蔽作用，使得常規(guī)的聲、光電等成熟的檢測技術(shù)在管道定位中很難應(yīng)用，傳統(tǒng)的放射源（如y射線）由于對人體和環(huán)境具有放射性危害，也不宜使用。低頻電磁波對物質(zhì)具有一定的穿透能力，是檢測定位的一種有效手段。在管道清洗器上安裝磁發(fā)生裝置，可以通過磁定位儀確定管道清洗器的位置。

1 磁通門的結(jié)構(gòu)及工作原理

磁通門傳感器就是利用某些高磁導(dǎo)率的軟磁材料（如坡莫合金）作磁芯，以其一起在交流磁場作用下的次飽和特性及法拉第電磁感應(yīng)原理研制成的測磁裝置。其結(jié)構(gòu)可以看成一個(gè)特殊的變壓器，磁通門測磁法正是利用這種特殊變壓器的磁芯，當(dāng)交變電流流過該變壓器原邊線圈時(shí)，磁芯反復(fù)被交變過飽和勵(lì)磁所磁化，當(dāng)有外磁場存在時(shí)，勵(lì)磁變得不對稱，變壓器的輸出信號(hào)受到外磁場的調(diào)制。通過檢測輸出的調(diào)制信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)對外磁場的測量。磁通門探頭的輸出主要是激勵(lì)信號(hào)的二次諧波，需要經(jīng)過處理得到測量數(shù)據(jù)。

跑道型磁芯的長軸場邊尺寸遠(yuǎn)大于短軸尺寸，因此，認(rèn)為跑道型磁芯僅被延長軸方向的磁場所磁化。在實(shí)際應(yīng)用中，也僅用它來測量延長軸方向的磁場分量。圖1所示為跑道型磁芯的二次諧波法測磁原理。

在跑道形磁芯的彼此平行的兩長邊上，分別繞一組匝數(shù)相同的線圈L1、L2，同向串聯(lián)作為激勵(lì)線圈；在L1、L2外側(cè)繞一公用的測量線圈Ls。在激勵(lì)線圈中輸入正弦交變電流I=Imsinωt，假定L1中磁場H1=2Hmsinωt，L2中磁場H2=-2Hmsinωt。傳感器的輸出電壓如圖2所示，可以表示成下面的分段函數(shù)的形式：

（1）

Es是屬周期性的重復(fù)脈沖，故可用富氏分解法計(jì)算Es的二次諧波分量（如圖2）：

（2）

（1）軟磁材料動(dòng)態(tài)磁回滯曲線的理想化模型。

（2）外加磁場時(shí)，兩線圈中的磁場不再對稱。

（3）外加磁場時(shí)，兩線圈中磁場出現(xiàn)飽和段。

（4）傳感器在正弦波激勵(lì)時(shí)的理論輸出波形。

2 檢測裝置的工作原理

三分量磁通門磁場檢測裝置主要利用法拉第電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)對磁場的檢測。傳感器將信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，檢測裝置通過檢測這種電信號(hào)來判斷磁信號(hào)大小，進(jìn)而判斷檢測地點(diǎn)的狀況。實(shí)現(xiàn)這種判斷主要依靠三分量磁通門傳感器，它的每個(gè)傳感器都采用雙鐵芯結(jié)構(gòu)，在兩根鐵芯上纏繞的激勵(lì)線圈反向串聯(lián)（如圖2所示），勵(lì)磁電流通過激勵(lì)線圈時(shí)，在兩鐵芯中產(chǎn)生的激勵(lì)磁場方向相反，若兩鐵芯形狀尺寸和電磁場參數(shù)完全對稱，兩鐵芯中的磁通在測量線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢互相抵消，輸出為零；當(dāng)沿鐵芯長軸方向施加外部磁場時(shí)，其中一個(gè)鐵芯的磁場先于另一個(gè)達(dá)到飽和，造成測量線圈中的感應(yīng)電勢不能互相抵消，輸出非對稱的波形，波形的主要成分是激勵(lì)信號(hào)的二次諧波。由于外磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的幅值與外磁場大小成正比，可通過測量輸出信號(hào)的二次諧波分量來測量外磁場。為便于研究，將式（2）改寫成如下形式：

（3）

處理方法是采用模擬電路進(jìn)行相敏檢波，具體做法是：用兩路頻率與ES相同的參考信號(hào)，兩者相位相差90度，假設(shè)分別為和，這時(shí)ES與參考信號(hào)相比有一個(gè)相移，表達(dá)為示成式（4）的形式：

（4）

ES分別乘以參考信號(hào)，得到如下結(jié)果：

（5）

（6）

對式（5）和式（6）表示的信號(hào)進(jìn)行積分處理（實(shí)質(zhì)上就是對信號(hào)進(jìn)行低通濾波）之后得到以下結(jié)果：

（7）

（8）

（9）

傳統(tǒng)的方法要通過硬件電路實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的乘法運(yùn)算和積分運(yùn)算，這對乘法器和積分電路的精度等參數(shù)要求很高，而且要求參考信號(hào)的幅度穩(wěn)定，兩參考信號(hào)的相位差必須保證是90度。這種處理方法數(shù)字化程度低，信號(hào)處理過程中易受干擾，所以設(shè)計(jì)采用數(shù)字檢波的方法。

下面詳細(xì)論述如何采用數(shù)字檢波的方法得到測量數(shù)據(jù)。

首先，我們不用正弦波作參考信號(hào)，換作與正弦波參考信號(hào)相位相同的方波和：

（10）

（11）

我們對信號(hào)進(jìn)行4倍頻采樣，采樣點(diǎn)設(shè)為，，，。在這里，我們假設(shè)為初始采樣點(diǎn)的相位。那么，原信號(hào)可以表示為：

（12）

（13）

（14）

（15）

（16）

現(xiàn)用式（10）和式（11）表示的方波對上述信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，得到的采樣信號(hào)表示如下：

其一： （17）

采樣信號(hào)為： （18）

其二： （19）

采樣信號(hào)為： （20）

對這兩種信號(hào)分別進(jìn)行采樣求和后取平均值（與模擬信號(hào)的積分類似），得到以下結(jié)果：

（21）

（22）

對采樣信號(hào)進(jìn)行求和去均值運(yùn)算，相當(dāng)于對原信號(hào)進(jìn)行以下處理：

（23）

（24）

式中為采樣周期，即：。

經(jīng)過上述分析，我們可以通過下面的計(jì)算得到最終的結(jié)果：

（25）

3 磁通門傳感器數(shù)字化

數(shù)字化部分模擬部分電路可以準(zhǔn)確地提取磁通門傳感器的信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)對信號(hào)調(diào)整、濾波，保證采集信號(hào)準(zhǔn)確。對信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)得處理，顯示。

清管器及磁信號(hào)發(fā)生器如圖3。

磁強(qiáng)度測量儀如圖4。

4 結(jié)論

在油田上的實(shí)際應(yīng)用中，水下磁力儀可以根據(jù)磁場的變化，能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速找到海底管線清管通球器。此方式簡便實(shí)用、定位快速準(zhǔn)確，為海底管線清洗作業(yè)提供了一種安全、環(huán)保、快速的技術(shù)保障；同時(shí)為解決清洗通球器疏通問題，節(jié)省大量的時(shí)間，極大地縮短了油田的長時(shí)間停產(chǎn)。

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