外夾式過球指示器海洋油氣管道上的應用

王宏波*

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

海上油田連接各個生產平臺的海底管道就如同人體內的血管，因此應定期清除海底管線內部凝油、結蠟、結垢等雜質，同時可以明確管線走向、監測管線變形、檢查沿線閥門的情況。為了做好清理工作，需配備可靠的信號裝置，用以準確指示清管球發出、達到的信號，以便后續維護操作。目前，海洋石油平臺多采用機械式過球指示器，其需要焊接在管道上，具有結構簡單、經濟性好等特點。但在使用中容易受到管道內異物撞擊而損壞，且維修更換時需停產，影響正常生產。本文對外夾式過球指示器進行了介紹，其可分為磁感應原理和超聲波原理，探測到清管球的感應信號既可就地顯示，也可遠距離預報。與常用的機械式指示器比較，信號指示準確、安裝方便、無需在管線上開孔焊接且故障后易于更換。

1 應用背景

海油蓬萊19-3油田將新建一座8腿井口平臺，新建井口平臺將通過立管公用平臺接入原油田群。該應用案例中需要在立管公用平臺上新增一臺原油收球筒和一臺注水發球筒。收、發球筒及相關預留管線上面共需要4臺過球指示器。由于立管公用平臺已經為其他計劃新建平臺預留相關的生產管線，且均為帶壓狀態。若在預留管線上帶壓開孔作業將具有一定危險性，因此決定采用外夾式過球指示器。

2 磁感應式過球指示器

磁感應式過球指示器工作的基本原理為：首先將磁感應式過球指示器外夾固定在管道的制定位置，過球指示器夾緊裝置上自帶磁感應裝置。當清管球到達磁感應裝置的所在位置時，磁通量發生變化，感應到電壓信號，經過放大后驅動繼電器動作，現場指示燈亮起，表示清管球已通過。當清管球通過后，指示燈熄滅。如果需要遠傳功能的話可以通過通訊線路來在控制系統中顯示，如圖1所示。

圖1 磁感應式過球指示器工作原理

當清管球經過磁感應裝置時，感應線圈將會產生感應電勢，其大小為：

由于海底管道是長距離輸送管線，可以將其等效成一個密封的空間，在密封的管體內，因為管線本身的導磁系數遠遠大于空氣的導磁系數，無論磁鐵運動與否，磁力線都不會穿越管壁，而在管道內部構成一個相對回路，如圖2所示。

圖2 封閉管道內的磁力線

對于纏繞在管線外部的線圈，其磁鐵產生的磁力線在導體內部形成一個回路，因此其磁通量為0，不會產生電勢（因為存在少量漏磁，E通常不為0，且其大小與管道材質、直徑、壁厚及周圍介質有關）。

當在管道外部焊接導磁系數大于或等于管道本身導磁系數的材料時，磁力線除了穿過管壁構成回路外，還有一部分將通過新焊接的材料形成回路，達到引磁的目的，當磁體在管道內運動時，繞在管道和新增導磁材料外線圈的磁通量就產生了變化，從而產生感應電勢。

通過計算表明，磁鐵的磁感應強度越大，截面積越大，產生感應電動勢越大。管道半徑為常數，感應電勢大小和以下幾個因素有關。所焊材料與管線接觸面積大，感應電勢大；線圈匝數多，感應電勢大；磁鐵運動速度快，感應電勢大；磁鐵靠近線圈中心處，感應電勢最大，最后感應電勢經放大器放大后，驅動繼電器動作，指示燈亮起。

3 超聲波式過球指示器

超聲波式過球指示器是一種無損的，可外夾在管道上的，能夠精準地即時顯示過球的儀表，適用于油、氣和多相流體的管道系統。其工作原理是基于清管球在管道內運動時會與管壁摩擦而產生一定程度的噪聲檢測，如圖3所示。超聲波外夾式的過球指示器無需對管線及清管球做任何改造。

圖3 超聲波過球指示器的工作示意

超聲波檢測器會檢測到清管球在與管道內壁摩擦時產生的高頻率噪聲源，盡管這種噪聲并不一定在人類的聽覺范圍內，但極度敏感和經過校準的傳感器將會檢測到由各種類型的清管球發出的各具特點的噪聲源。

傳感器的中央計算單元會每間隔1s從檢測器收到數字化的噪聲信號。當清管球接近檢測器的時候，產生的噪聲會超過平均的噪聲水平值，定義為接近臨界值；當產生的噪聲超過平均噪聲水平值及接近臨界值兩者之和時，傳感器的中央計算單元會發出一個清管球到達的信號；當清管球已經通過檢測器，噪聲下降到正常水平時，產生的噪聲低于平均噪聲水平值及通過臨界值兩者之和時，中央計算單元會發出一個清管球已通過的信號。接近臨界值和通過臨界值可以根據不同類型的清管球來設定相應的值，圖4為清管球通過時產生的噪聲信號。

圖4 清管球通過產生的噪聲信號

4 功能對比

磁感應式過球指示器安裝方便，無需對管線進行大幅改造，只需在管線上焊接或粘貼引磁材料，永磁鐵的尺寸小，功能強，可檢測到管道中高速移動的清管球，并且不需要電池和外接電源，發生故障后容易更換不影響管線正常生產，但是精確度受管線的壁厚、材質、導磁系數影響等因素。

超聲波式過球指示器安裝方便，無需對管線進行任何改造，靠綁扎帶即可固定在管道上，精確度高，檢修方便，適用于一級危險區域，其缺點是造價較高。

5 結論

海洋石油生產平臺需要持續進行生產作業，當需要在管道上安裝或維修、更換過球指示器時，如果選用機械式指示器則勢必要對所在管線段進行隔離，造成平臺停產，增加員工工作內容及風險。因此當某些管線需要安裝或維修、更換過球指示器時，還不以停產時，外夾式的過球指示器就可以發揮作用，其安裝時無需對管線本體進行改造，且安裝、維護方便，精確度高，成為在某些工況下過球指示器的最佳選擇。