清管器在線監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

清管作業依賴可靠的指示裝置，用以準確指示清管器的發出、到達及中間運行位置。自主研發的清管器在線監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，從優化磁信號源布置出發，慎重選擇磁感應器型號，結合“辨磁”原理，實現管道剩磁自動抑制，屏蔽了雜散波的影響，突顯磁信號源引發的管壁磁場變化，再經過清管判斷條件優化，徹底避免了此設備發生漏報、誤報現象的可能性。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，設備定期自檢，向終端發送“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，運行穩定，提供信息及時準確，達到在線監測預警效果。

清管器；磁信號源；預警裝置；在線監測；試驗

清管器是管道行業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，也可以作為管道內檢測設備的運行托架。清管作業依賴可靠的指示裝置，用以準確指示清管器的發出、到達及中間運行位置。目前，指示裝置大體有兩類形式[1-5]。

一類是傳統的機械式指示器，需在發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。這種指示器結構簡單，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變成電信號。有兩種轉變方法：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，并通過相關電路將最終的電壓信號遠傳至系統網絡中[7-9]。這類指示器有效地解決了傳統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，引起管壁磁場發生變化。管道外安置的監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信息，預警裝置原理如圖1所示。

圖1　清管器在線監測預警裝置原理

1.2結構

清管器在線監測預警裝置主要由磁信號源、監測預警裝置、數據監測軟件3部分子系統組成，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化布置制作成磁信號源。結合巨磁組傳感器[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的正弦波變化，產生的正弦波波形相似，幅值一定，波長、周期、相位根據清管器運行速度發生變化。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　清管器在線監測預警裝置組成

1.2.2監測預警裝置

監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，根據磁場信號變化強度和變化規律，可編程運算放大器控制自動增益控制模塊實現自動增益調節和磁場適應調節，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，隨時監測信號源引起的管道磁場變化信號，并將其接收轉換成電信號。

信號處理單元主要由A/D轉換、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化，對比判斷，并發出清管器通過預警裝置的相關信息，同時負責監測預警裝置的內檢工作。信號處理單元將智能檢測單元輸出的模擬信號通過A/D轉換器轉換成數字信號后，再經MPU加工處理，與數據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信息發送至新疆油田公司GSM服務器。另外，信號處理單元還負責自檢，向GSM服務器發送“健康”或故障信息，完成靜態自檢。

1.2.3數據監測軟件

數據監測軟件可同時對多套裝置發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）監測預警裝置在正常待機狀況下定期自檢，并發出“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。

圖3　數據監測軟件

（2）清管器通過后會產生通過信息報文，包括位置、速度、到達時間、磁場強度等一系列相關參數，可根據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站為發送站，704站、706站為接收站和發送站，王家溝油庫為接收站，全線清管周期定為20天。接收站和發送站管道進出站口安裝傳統機械式指示裝置，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清過濾器30多次，離心泵自停27次，嚴重影響生產，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原油管道某閥池內安裝清管器在線監測預警裝置，并進行靜態穩定性試驗，同時根據生產情況，在該管道701—704站間管段進行動態可靠性試驗。

2.1靜態穩定性試驗

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

2.2動態可靠性試驗

動態可靠性試驗主要是檢驗此設備在實際清管作業過程中有無漏報或誤報現象發生，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，清管器在線監測預警裝置分別布置在702站內閥池、703站站內閥池、704站前閥池內，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生。

此設備試驗過程中運行穩定，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　結語

清管器在線監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，選取磁場強度合適的永磁，優化布置磁信號源，結合磁組傳感器選型，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、誤報現象。

（2）因標準波形間幅值一定，波形相似，波形、周期、相位根據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的信號是此設備研發成功的關鍵技術。

（4）該設備使用成熟的供電技術和通信技術，解決了長輸管道現場供電難、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，結合數據監測軟件，使得終端顯示不受限制，在新疆油田公司內網中的電腦都可以顯示相應信息；也可以結合數據庫管理軟件，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，向終端發送“健康”或故障信息，便于維護人員掌握設備的工作狀態。

清管器在線監測預警裝置成功研制并以靜電穩定性試驗和動態可靠性試驗相結合的方法進行試驗，在試驗過程中沒有漏報和誤報情況發生。此設備從優化磁信號源布置入手，結合“辨磁”原理，解決了傳統指示裝置的弊端，而且規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，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，因此受移動網絡穩定性影響較大，會出現信息遲滯現象。

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忽然，一只老鼠跳出來說：“我知道那座森林。”說完，老鼠就轉身離開了。青蛙趕緊追上老鼠，跟著他走到了森林。可是，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。”

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

（欄目主持關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.020

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

2015-01-30