清管器在线监测预警装置研制与应用

　新疆油田油气储运分公司

清管器在线监测预警装置研制与应用

薛润斌赵文峰刘远东赵凯华新疆油田油气储运分公司

清管作业依赖可靠的指示装置，用以准确指示清管器的发出、到达及中间运行位置。自主研发的清管器在线监测预警装置属于磁感应式指示器，与其他磁感应式指示器相比，此设备基于铁磁材料磁滞回线特性，从优化磁信号源布置出发，慎重选择磁感应器型号，结合“辨磁”原理，实现管道剩磁自动抑制，屏蔽了杂散波的影响，突显磁信号源引发的管壁磁场变化，再经过清管判断条件优化，彻底避免了此设备发生漏报、误报现象的可能性。该装置解决了清管器运行速度的限制，可较精确计算清管器到达接收站的时间，为接收站现场操作人员提供充足的准备时间。为了便于维护人员掌握设备工作状态，设备定期自检，向终端发送“健康”或故障信息。此设备成功应用在新疆油田油气储运公司克—乌D529管道，运行稳定，提供信息及时准确，达到在线监测预警效果。

清管器；磁信号源；预警装置；在线监测；试验

清管器是管道行业中必不可少的重要工具，既可以作为清管工具用来保证管道有效输送能力，也可以作为管道内检测设备的运行托架。清管作业依赖可靠的指示装置，用以准确指示清管器的发出、到达及中间运行位置。目前，指示装置大体有两类形式[1-5]。

一类是传统的机械式指示器，需在发球筒的出口管道和收球筒的进口管道开孔安装，中间位置需估算判断。这种指示器结构简单，但受安装方式、安装位置、计算误差、信息传递滞后等缺点的影响，无法准确、及时地传递信息。

另一类是磁感应式指示器，主要是将磁场信号转变成电信号。有两种转变方法：第一种是利用“引磁”原理，在管道外壁缠绕的漆包线圈上感应出电动势，通过低频放大器放大后实现就地显示或远传显示[6]；第二种是利用磁敏感元件采集弱磁信号，并通过相关电路将最终的电压信号远传至系统网络中[7-9]。这类指示器有效地解决了传统机械式指示器的弊端，但此类指示器因磁信号源设计不严格，无法计算出清管器到达接收站的时间，而且管道杂散波对其影响较大，长输管道现场供电难、信号传送难，阴极保护电位等原因也影响这类指示器的推广。

1　装置研制

1.1工作原理

固定在清管器内的磁信号源随清管器前往接收站的过程中磁化管壁，引起管壁磁场发生变化。管道外安置的监测预警装置能够自动抑制管道本身的磁场，使得磁信号源引起的管道磁场变化突显并被其监测接收，利用4种判断条件最终确定清管器是否通过，并将此信号以信息报文的形式发送至GSM服务器，再从服务器中取出这些信息，解析后在终端电脑上显示出相关信息，预警装置原理如图1所示。

图1　清管器在线监测预警装置原理

1.2结构

清管器在线监测预警装置主要由磁信号源、监测预警装置、数据监测软件3部分子系统组成，如图2所示。

1.2.1磁信号源

长输管道管材属于铁磁性材料，有其特有的磁畴，根据铁磁性材料磁滞回线特性[10]，选择磁场强度合适的永久磁铁，按一定方式及尺寸优化布置制作成磁信号源。结合巨磁组传感器[11-13]的选型和布置方法，当这种磁信号源在管道中运行时，引起管道磁场按某种特有性质的正弦波变化，产生的正弦波波形相似，幅值一定，波长、周期、相位根据清管器运行速度发生变化。因此可将此波形作为判断清管器通过的标准波形，并得出清管器运行的瞬时速度，计算到达接收站的时间。

图2　清管器在线监测预警装置组成

1.2.2监测预警装置

监测预警装置主要由智能检测单元和信号处理单元组成。其中智能检测单元主要由巨磁组传感器、可编程运算放大器、自动增益控制模块、磁场适应模块、太阳能供电模块组成，负责自动抑制管道本身的磁场强度，监测、接收磁信号源引起的管道磁场变化信号。磁场传感器检测管壁磁场信号，根据磁场信号变化强度和变化规律，可编程运算放大器控制自动增益控制模块实现自动增益调节和磁场适应调节，以抑制管道本身的磁场强度，为磁信号源引起的管道磁场变化信号的突显做准确工作。同时，随时监测信号源引起的管道磁场变化信号，并将其接收转换成电信号。

信号处理单元主要由A/D转换、特征对比判断、无线通信模式组成，负责将智能检测单元的电信号转化，对比判断，并发出清管器通过预警装置的相关信息，同时负责监测预警装置的内检工作。信号处理单元将智能检测单元输出的模拟信号通过A/D转换器转换成数字信号后，再经MPU加工处理，与数据库中存储的变化趋势特征（标准波形）进行对比，判断清管器是否通过。同时计算清管器通过时的瞬时速度，并计算清管器到达接收站的时间，最后通过无线通信模式以信息报文的形式把相关信息发送至新疆油田公司GSM服务器。另外，信号处理单元还负责自检，向GSM服务器发送“健康”或故障信息，完成静态自检。

1.2.3数据监测软件

数据监测软件可同时对多套装置发出的信息报文进行解析、管理和显示，界面如图3所示。该软件主要有以下两种功能。

（1）监测预警装置在正常待机状况下定期自检，并发出“健康”或故障的诊断信息报文，该软件将检测的信息报文解析、显示，可方便维护人员掌握设备的工作状态。

图3　数据监测软件

（2）清管器通过后会产生通过信息报文，包括位置、速度、到达时间、磁场强度等一系列相关参数，可根据终端用户要求进行自动弹窗体显示相应信息，并报警提示[14-15]。

2　应用情况

新疆油田油气储运分公司克—乌D529原油管道全长295.42km，全线设置3座热泵站、3座加热站及1座末站。其中，701站为发送站，704站、706站为接收站和发送站，王家沟油库为接收站，全线清管周期定为20天。接收站和发送站管道进出站口安装传统机械式指示装置，造成704站过滤器频繁堵塞、离心泵自停，最严重一次为一天内清过滤器30多次，离心泵自停27次，严重影响生产，同时增加该站员工劳动强度，降低工作效率。

在新疆油田油气储运分公司克—乌D529原油管道某阀池内安装清管器在线监测预警装置，并进行静态稳定性试验，同时根据生产情况，在该管道701—704站间管段进行动态可靠性试验。

2.1静态稳定性试验

静态稳定性试验主要是检验此设备在异常环境运行的稳定性。昼夜温差大、晨露、阀池内潮湿环境、管道磁场变化异常等恶劣环境作为此设备稳定运行的考验条件。

2.2动态可靠性试验

动态可靠性试验主要是检验此设备在实际清管作业过程中有无漏报或误报现象发生，必须确定实际运行的可靠性。2013年11月25日至27日，安排克乌D529线701—704段进行清管作业，清管器在线监测预警装置分别布置在702站内阀池、703站站内阀池、704站前阀池内，在清管期间准确无误地显示了清管器通过信息和自检信息，无漏报和误报情况发生。

此设备试验过程中运行稳定，提供清管信息及时准确，估算出的清管器到达接收站的预计时间准确无误，因此可以作为实际应用时的清管指示装置。

3　结语

清管器在线监测预警装置属于磁感应式指示器，因此该设备具有磁感应式指示器的所有优点，但与其他磁感应式指示器相比，还有以下6方面特点：

（1）该设备从铁磁性材料磁滞回线特性出发，选取磁场强度合适的永磁，优化布置磁信号源，结合磁组传感器选型，使管道磁场能以固有特性的正弦波形变化，以此波形作为判断清管器通过的标准波形，避免了漏报、误报现象。

（2）因标准波形间幅值一定，波形相似，波形、周期、相位根据清管速度不同而变化，因此该设备不受清管速度的限制，可计算清管器通过时的瞬时速度，进而计算出清管器到达接收站的时间，给予现场人员充足的准备时间。

（3）该设备采用“辨磁”原理采集管道磁场变化信号，由于管道磁场受杂散波的影响会发生变化，波形各异，强弱不同，因此在众多杂散波中寻找磁信号源引发的信号是此设备研发成功的关键技术。

（4）该设备使用成熟的供电技术和通信技术，解决了长输管道现场供电难、信号远传难问题，可避免地域限制，沿长输管道任选位置进行布置，节省电缆、光纤等材料购置费用和工程费用。

（5）信息报文进入新疆油田GSM服务器，结合数据监测软件，使得终端显示不受限制，在新疆油田公司内网中的电脑都可以显示相应信息；也可以结合数据库管理软件，脱离新疆油田GSM服务器，使其推广不受地域限制。

（6）定期自检，向终端发送“健康”或故障信息，便于维护人员掌握设备的工作状态。

清管器在线监测预警装置成功研制并以静电稳定性试验和动态可靠性试验相结合的方法进行试验，在试验过程中没有漏报和误报情况发生。此设备从优化磁信号源布置入手，结合“辨磁”原理，解决了传统指示装置的弊端，而且规避了磁感应式指示器普遍存在的漏报、误报问题。同时，因采用先进太阳能供电和无线通信技术，避免了长距离施工敷设专用动力电缆和通信光纤，解决了长输管道现场供电难、信息传递难等问题。唯一需要注意的是，此设备对移动基站的依赖性较强，因此受移动网络稳定性影响较大，会出现信息迟滞现象。

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忽然，一只老鼠跳出来说：“我知道那座森林。”说完，老鼠就转身离开了。青蛙赶紧追上老鼠，跟着他走到了森林。可是，青蛙把森林翻了个底朝天也没有找到小鸟。青蛙觉得很遗憾，但是他相信：“总有一天，小鸟会回来的，再和我说说外面的世界。”

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

（栏目主持关梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.020

薛润斌：工程师，学士，2006年毕业于中国石油大学（北京），从事油气储运研究工作。

2015-01-30