外夹式过球指示器海洋油气管道上的应用

王宏波*

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

海上油田连接各个生产平台的海底管道就如同人体内的血管，因此应定期清除海底管线内部凝油、结蜡、结垢等杂质，同时可以明确管线走向、监测管线变形、检查沿线阀门的情况。为了做好清理工作，需配备可靠的信号装置，用以准确指示清管球发出、达到的信号，以便后续维护操作。目前，海洋石油平台多采用机械式过球指示器，其需要焊接在管道上，具有结构简单、经济性好等特点。但在使用中容易受到管道内异物撞击而损坏，且维修更换时需停产，影响正常生产。本文对外夹式过球指示器进行了介绍，其可分为磁感应原理和超声波原理，探测到清管球的感应信号既可就地显示，也可远距离预报。与常用的机械式指示器比较，信号指示准确、安装方便、无需在管线上开孔焊接且故障后易于更换。

1 应用背景

海油蓬莱19-3油田将新建一座8腿井口平台，新建井口平台将通过立管公用平台接入原油田群。该应用案例中需要在立管公用平台上新增一台原油收球筒和一台注水发球筒。收、发球筒及相关预留管线上面共需要4台过球指示器。由于立管公用平台已经为其他计划新建平台预留相关的生产管线，且均为带压状态。若在预留管线上带压开孔作业将具有一定危险性，因此决定采用外夹式过球指示器。

2 磁感应式过球指示器

磁感应式过球指示器工作的基本原理为：首先将磁感应式过球指示器外夹固定在管道的制定位置，过球指示器夹紧装置上自带磁感应装置。当清管球到达磁感应装置的所在位置时，磁通量发生变化，感应到电压信号，经过放大后驱动继电器动作，现场指示灯亮起，表示清管球已通过。当清管球通过后，指示灯熄灭。如果需要远传功能的话可以通过通讯线路来在控制系统中显示，如图1所示。

图1 磁感应式过球指示器工作原理

当清管球经过磁感应装置时，感应线圈将会产生感应电势，其大小为：

由于海底管道是长距离输送管线，可以将其等效成一个密封的空间，在密封的管体内，因为管线本身的导磁系数远远大于空气的导磁系数，无论磁铁运动与否，磁力线都不会穿越管壁，而在管道内部构成一个相对回路，如图2所示。

图2 封闭管道内的磁力线

对于缠绕在管线外部的线圈，其磁铁产生的磁力线在导体内部形成一个回路，因此其磁通量为0，不会产生电势（因为存在少量漏磁，E通常不为0，且其大小与管道材质、直径、壁厚及周围介质有关）。

当在管道外部焊接导磁系数大于或等于管道本身导磁系数的材料时，磁力线除了穿过管壁构成回路外，还有一部分将通过新焊接的材料形成回路，达到引磁的目的，当磁体在管道内运动时，绕在管道和新增导磁材料外线圈的磁通量就产生了变化，从而产生感应电势。

通过计算表明，磁铁的磁感应强度越大，截面积越大，产生感应电动势越大。管道半径为常数，感应电势大小和以下几个因素有关。所焊材料与管线接触面积大，感应电势大；线圈匝数多，感应电势大；磁铁运动速度快，感应电势大；磁铁靠近线圈中心处，感应电势最大，最后感应电势经放大器放大后，驱动继电器动作，指示灯亮起。

3 超声波式过球指示器

超声波式过球指示器是一种无损的，可外夹在管道上的，能够精准地即时显示过球的仪表，适用于油、气和多相流体的管道系统。其工作原理是基于清管球在管道内运动时会与管壁摩擦而产生一定程度的噪声检测，如图3所示。超声波外夹式的过球指示器无需对管线及清管球做任何改造。

图3 超声波过球指示器的工作示意

超声波检测器会检测到清管球在与管道内壁摩擦时产生的高频率噪声源，尽管这种噪声并不一定在人类的听觉范围内，但极度敏感和经过校准的传感器将会检测到由各种类型的清管球发出的各具特点的噪声源。

传感器的中央计算单元会每间隔1s从检测器收到数字化的噪声信号。当清管球接近检测器的时候，产生的噪声会超过平均的噪声水平值，定义为接近临界值；当产生的噪声超过平均噪声水平值及接近临界值两者之和时，传感器的中央计算单元会发出一个清管球到达的信号；当清管球已经通过检测器，噪声下降到正常水平时，产生的噪声低于平均噪声水平值及通过临界值两者之和时，中央计算单元会发出一个清管球已通过的信号。接近临界值和通过临界值可以根据不同类型的清管球来设定相应的值，图4为清管球通过时产生的噪声信号。

图4 清管球通过产生的噪声信号

4 功能对比

磁感应式过球指示器安装方便，无需对管线进行大幅改造，只需在管线上焊接或粘贴引磁材料，永磁铁的尺寸小，功能强，可检测到管道中高速移动的清管球，并且不需要电池和外接电源，发生故障后容易更换不影响管线正常生产，但是精确度受管线的壁厚、材质、导磁系数影响等因素。

超声波式过球指示器安装方便，无需对管线进行任何改造，靠绑扎带即可固定在管道上，精确度高，检修方便，适用于一级危险区域，其缺点是造价较高。

5 结论

海洋石油生产平台需要持续进行生产作业，当需要在管道上安装或维修、更换过球指示器时，如果选用机械式指示器则势必要对所在管线段进行隔离，造成平台停产，增加员工工作内容及风险。因此当某些管线需要安装或维修、更换过球指示器时，还不以停产时，外夹式的过球指示器就可以发挥作用，其安装时无需对管线本体进行改造，且安装、维护方便，精确度高，成为在某些工况下过球指示器的最佳选择。