吳海浩，段瑞溪，2，李立婉，宮 敬，李 穎，李 雪

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油集團(tuán)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(jiàn)的作業(yè)。清管器為球形或者柱形固體，清管作業(yè)時(shí)清管器在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，清除管道內(nèi)的液體以及固體沉積物［1］。在實(shí)際管道清理作業(yè)中，可以在清管器上加裝檢測(cè)裝置，檢測(cè)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(guò)球指示器［10－11］判斷清管器是否進(jìn)入管道以及收球筒。在實(shí)驗(yàn)管路中進(jìn)行清管實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要檢測(cè)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(yùn)動(dòng)，因此最好采用非接觸方法。而實(shí)驗(yàn)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(cè)裝置。而常用的機(jī)械式過(guò)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(cè)裝置，可以方便、準(zhǔn)確地檢測(cè)清管器的時(shí)間和速度。

1 電磁檢測(cè)原理

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

對(duì)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(rèn)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(chǎng)強(qiáng)度為

角度方向磁場(chǎng)強(qiáng)度為

其中μ0為周圍材料導(dǎo)磁系數(shù)，pm為磁偶極矩。

正負(fù)磁偶極子的連線在管道軸線上（見(jiàn)圖1），在垂直于管道軸線方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)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(shí)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(duì)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(cè)線圈的相對(duì)位置有關(guān)，感應(yīng)電壓的大小僅與磁源與檢測(cè)線圈的相對(duì)位置以及磁源的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。磁源距離檢測(cè)線圈不同距離時(shí)的k值見(jiàn)圖2。從圖2中可以看出，在檢測(cè)線圈兩側(cè)，k值對(duì)稱分布。當(dāng)磁源距離檢測(cè)線圈較遠(yuǎn)時(shí)，k值接近0；在水平距離小于3h時(shí)，k值開(kāi)始增長(zhǎng)，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(shí)，k減小到最大值，但絕對(duì)值最大。當(dāng)磁源遠(yuǎn)離檢測(cè)線圈時(shí)，k值的變化趨勢(shì)與由遠(yuǎn)靠近線圈的值相反。對(duì)單個(gè)線圈，當(dāng)磁源與線圈之間的水平距離大于3h時(shí)，磁源的運(yùn)動(dòng)在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)基本可以忽略。

圖1 磁偶示意圖

圖2 磁鐵通過(guò)線圈時(shí)感應(yīng)k值變化曲線

2 電磁檢測(cè)清管器裝置與實(shí)驗(yàn)

電磁檢測(cè)裝置由磁源、檢測(cè)線圈、放大電路及數(shù)據(jù)采集裝置組成，檢測(cè)裝置原理見(jiàn)圖3。磁源為永久磁鐵，安裝在清管器上，實(shí)驗(yàn)時(shí)隨清管器在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)。檢測(cè)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(cè)信號(hào)。在清管器實(shí)驗(yàn)中，清管器通過(guò)線圈時(shí)，磁場(chǎng)切割線圈，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，但電磁感應(yīng)電勢(shì)較小，所以要經(jīng)過(guò)放大電路放大后再進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)。

圖3 永久電磁檢測(cè)清管器裝置原理圖

本實(shí)驗(yàn)在內(nèi)徑為50mm、外徑為60mm的實(shí)驗(yàn)環(huán)路進(jìn)行清管實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)流體為自來(lái)水，在實(shí)驗(yàn)中，清管器的速度與水相同。采集清管器經(jīng)過(guò)檢測(cè)線圈時(shí)的感應(yīng)電壓，采樣頻率為1kHz。永久磁鐵中心經(jīng)過(guò)檢測(cè)線圈時(shí)感應(yīng)電壓的變化見(jiàn)圖4。在磁鐵源勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(shì)變?yōu)?的點(diǎn)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(shí)驗(yàn)中，只要線圈之間的距離大于23cm，就能夠保證在任意時(shí)刻清管器中的永久磁鐵只影響一個(gè)線圈。根據(jù)清管器通過(guò)2個(gè)線圈的時(shí)間，以及線圈間的距離便可以計(jì)算出清管器的速度。清管器通過(guò)檢測(cè)線圈的時(shí)間可以利用感應(yīng)電壓的特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間來(lái)確定。特征點(diǎn)有5個(gè)，其中3個(gè)為峰值點(diǎn)和2個(gè)感應(yīng)電壓為0的點(diǎn)。在清管器速度波動(dòng)比較大時(shí)，感應(yīng)電壓的速度也會(huì)有較大的波動(dòng)，其頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間可能是變的。這是因?yàn)楦袘?yīng)電壓為0的點(diǎn)僅與永久磁鐵與線圈的位置有關(guān)，而與速度無(wú)關(guān)。因此在計(jì)算速度時(shí)可以利用電壓為0的點(diǎn)。

圖4 不同速度下的感應(yīng)電壓曲線

3 靈敏性檢測(cè)

為檢測(cè)該方法的靈敏性，在透明實(shí)驗(yàn)管路中進(jìn)行了清管實(shí)驗(yàn)，在管道上間隔32cm的距離上安裝2個(gè)線圈（見(jiàn)圖5），信號(hào)采集頻率為1kHz。同時(shí)使用高速攝像機(jī)拍攝清管器通過(guò)該管段的過(guò)程，并根據(jù)拍攝到的圖像分析清管器的速度。檢測(cè)到的感應(yīng)電壓見(jiàn)圖6。從圖6中可以看出，在磁鐵未到達(dá)線圈時(shí)，檢測(cè)裝置的感應(yīng)電壓在0mV附近，此時(shí)檢測(cè)電路輸出的電壓波動(dòng)是正常的波動(dòng)；在永久磁鐵經(jīng)過(guò)時(shí)，感應(yīng)電壓突增，然后降為0mV。

在實(shí)驗(yàn)中，管道中流動(dòng)的介質(zhì)出現(xiàn)了水、氣及擾動(dòng)劇烈的氣液兩相流，而感應(yīng)電壓無(wú)明顯的異變，說(shuō)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(dòng)的干擾。清管器通過(guò)前后2個(gè)線圈的時(shí)間間隔為0.007s，在2個(gè)線圈之間的平均速度為45.7m／s，與高速攝像檢測(cè)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(guò)的時(shí)間，說(shuō)明這種方法靈敏度高。

圖5 清管器檢測(cè)實(shí)驗(yàn)示意圖

圖6 清管器通過(guò)線圈時(shí)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(cè)管道中清管器的時(shí)間和速度，方法簡(jiǎn)單，靈敏度高，不受管道中流動(dòng)情況的影響，可以用于實(shí)驗(yàn)室中常見(jiàn)的有機(jī)玻璃、工程塑料以及不銹鋼管等非導(dǎo)磁管道的清理實(shí)驗(yàn)。

（

）

［1］朱喜平.天然氣長(zhǎng)輸管道清管技術(shù)［J］.石油工程建設(shè)，2005，31（3）：12－16.

［2］蔣承君，巨西民.油氣管道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展和現(xiàn)狀［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2008（3）：83－86.

［3］雪城，雍歧衛(wèi)，梁新軍.電子跟蹤清管器在天然氣管線的應(yīng)用［J］.中國(guó)儲(chǔ)運(yùn)，2010（12）：83－84.

［4］鄒炳昂，張濤.清管器跟蹤定位系統(tǒng)的改進(jìn)研究［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2006（增刊）：514－516.

［5］袁克峰.高性能電子清管器及成套儀器的研究［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2003.

［6］甘德儀，張育寧.清管器定位儀器［J］.油氣管道技術(shù)，1980（1）：24－31.

［7］Liu Haifeng，Hu Jian，Yang Jun.Existing State And Developing Trend Of Detection Technology for Long Oil／Gas Transmission Pipelines in China ［J］.Natural Gas Industry，2004，24（11）：147－150.

［8］Jim Cordell，Hershel Vanzant.The pipeline pigging handbook［M］.USA：Clarion Technical Publishers and Scientific Surveys Ltd，2003.

［9］趙鐘明.電子跟蹤清管器在天然氣管線的應(yīng)用［J］.腐蝕與防護(hù)，2002，23（1）：24－25.

［10］曲永哲.磁感應(yīng)式清管器通過(guò)指示器的工作原理及其應(yīng)用［J］.油氣管道技術(shù)，1980（增刊）：49－57.

［11］陳強(qiáng)，吳玲.壓差式清管通過(guò)指示器的研制及應(yīng)用［J］.天然氣與石油，2002，20（4）：14－17.

［12］陳秉乾，王稼軍.電磁學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2012.