CN109282767B - 移动非接触式天然气水合物管路堵塞截面轮廓检测装置及设备 - Google Patents
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Abstract
移动非接触式天然气水合物管路堵塞截面轮廓检测装置及设备，属于油气管道流体流动安全保障领域，为了解决配合超声波发射装置检测水合物管路堵塞截面轮廓的问题，要点是包括被可拆卸连接在待测管道的两个环形导轨、沿环形导轨移动的滑块、连接两个滑块的平衡杆及底座，所述底座被平衡杆固定在其上，并在底座安装有朝向待测管路的声波探头，效果是：检测装置可简单方便的安装在待测量管路纵向的任何位置，完成整个圆周的测量需要将两段轮廓曲线数据进行处理并连接合成，画出管路堵塞截面的360度轮廓曲线。
Description
技术领域
本发明属于油气管道流体流动安全保障领域，涉及一种模拟油气管道流体流动安全检测装置。
背景技术
在油气输送管道中，会因为水合物、蜡等的沉积引起管道堵塞，或因管道腐蚀导致安全问题，从而引发安全事故。自1934年前苏联在天然气输送管道中首次发现水合物堵塞以来，随着油气资源的开发不断向深水领域拓展，由水合物引发的各类安全问题愈加突出，给石油工业带来极大的经济损失。据统计，全世界全年用于水合物防治的费用高达5亿美元，其中一半用于水合物的生成预防。因此，对油气管道中水合物的形成和堵塞过程的研究尤为重要。
目前，现有技术中主要公开了对水合物在管道内的形成和流动的过程研究，然而水合物堵塞在管道中的堵塞形态，尤其是管道堵塞过程中水合物的截面轮廓研对于预防和去除水合物具有重大意义，因而，提供一种能够适应于管道堵塞过程中水合物的截面轮廓检测的装置显得尤为重要。
超声波技术主要用于机械制造、工程建设、石油化工设备等领域，由信号发射、信号接收和波形显示三部份组成。其基本原理是通过超声波探头产生压电效应以发射、接收超声波。探头的核心元件是薄片状压电晶体，通常称为压电晶片。当高频电脉冲施加于探头时，激励压电晶片发生高频振动，产生超声波，经过反射后被接收电路接收，经示波器采集信号并输出接收波形，由此，可以应用超声波技术来测量海底天然气水合物管路堵塞截面轮廓。
发明内容
为了解决配合超声波发射装置检测水合物管路堵塞截面轮廓的问题，从而对管道作出较为完整的便捷性检测，本发明提出如下技术方案：
一种移动非接触式天然气水合物管路堵塞截面轮廓检测装置，包括被可拆卸连接在待测管道的两个环形导轨、沿环形导轨移动的滑块、连接两个滑块的平衡杆及底座，所述底座被平衡杆固定在其上，并在底座安装有朝向待测管路的声波探头。
进一步的，在所述滑块上安装有定位标尺，底座沿竖直方向在定位标尺上滑动，空心连接杆顶端与底座固定连接，空心连接杆的底端连接声波探头。
进一步的，所述的定位标尺包括与底座固定的支撑架和旋钮，支撑架上具有标尺刻度，旋钮具有螺纹，旋钮以螺纹连接将底座固定在支撑架的不同高度位置。
进一步的，所述环形导轨的上环面为滑块滑行的导轨面。
进一步的，由环形导轨的上环面向待测管路方向延伸形成导轨板，导轨板的导轨面供滑块滑行，所述导轨面为两导轨板相对的两个内侧面。
进一步的，所述的环形导轨为半圆形导轨，在其上设置有用于将其固定在待测管道上的固定螺栓。
进一步的，在所述半圆形导轨的终端安装有挡块。
进一步的，在所述环形导轨的导轨板贯穿开出通孔，以配合螺栓将所述滑块在某一时间固定在导轨板的某一位置。
进一步的，在环形导轨上安装若干标示角度位置信息的标志位，所述的标志位在环形导轨上呈均匀或不均匀分布。
一种移动非接触式天然气水合物管路堵塞截面轮廓检测装备，包括至少两组上述的移动非接触式天然气水合物管路堵塞截面轮廓检测装置，且各组检测装置的环形导轨围成整圆形导轨。
有益效果：由于水合物管路堵塞分布位置和形状具有不确定性，想要较为准确的检测到其位置和轮廓，需要进行全面检测，本发明设置可拆卸连接在待测管道的两个环形导轨、沿环形导轨移动的滑块，并将平衡杆固定在两个底座，实现了同步、可移动式的全面检测，能够配合超声波发射装置全面检测水合物管路堵塞截面轮廓。
附图说明：
图1是本发明装置的三维结构示意图。
图2是本发明装置导轨及滑块的安装示意图。
图3是本发明装置侧视图。
图4是本发明装置是立体图。
图5是波形图。
图6是不同声波探头与管壁距离下反射声波信号的比较图。
其中：1.环形导轨 2.固定螺栓 3.待测管路 4.滑块 5.通孔 6.平衡杆 7.挡块8.底座 9.距离控制器 10.声波探头 11.旋钮 12.定位标尺 13.空心连接杆 14.探头固定夹具
具体实施方式：
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。所述实施例是为进一步描述本发明，而不是限制本发明。
如图4所示，移动非接触式天然气水合物管路堵塞截面轮廓检测装置，主要包括被可拆卸连接在待测管道的两个环形导轨1、沿环形导轨1移动的滑块4、连接两个滑块4的平衡杆6及底座8，所述底座8被平衡杆6固定在其上，并在底座8安装有朝向待测管路3的声波探头10。在所述滑块4上安装有定位标尺12，底座8沿竖直方向在定位标尺12上滑动，空心连接杆13顶端与底座8固定连接，空心连接杆13的底端连接声波探头10。所述的定位标尺12包括与底座8固定的支撑架和旋钮11，支撑架上具有标尺刻度，旋钮11具有螺纹，旋钮11以螺纹连接将底座8固定在支撑架的不同高度位置。所述环形导轨1的上环面为滑块4滑行的导轨面。由环形导轨1的上环面向待测管路3方向延伸形成导轨板，导轨板的导轨面供滑块4滑行，所述导轨面为两导轨板相对的两个内侧面。所述的环形导轨1为半圆形导轨，在其上设置有用于将其固定在待测管道上的固定螺栓2。在所述半圆形导轨的终端安装有挡块7。在所述环形导轨1的导轨板贯穿开出通孔5，以配合螺栓将所述滑块4在某一时间固定在导轨板的某一位置。在环形导轨1上安装若干标示角度位置信息的标志位，所述的标志位在环形导轨1上呈均匀或不均匀分布。
由上述方案，环形导轨1为测量提供固定和定位的作用，导轨的两端各有一个固定螺栓2，通过调整两个固定螺栓2的旋进位置使导轨固定在待测管路3上，固定后，导轨不会发生移动，以保证测量时的准确定位。滑块4连接在环形导轨1上，可沿着环形导轨1在待测管路3周围进行自由移动，当移动至测量位置时可完成手动固定，开始测量。为了确定滑块4的角度位置，环形导轨1上设置有角度刻度。定位标尺12固定在滑块4上，作用是调节底座8与待测管路3之间的距离并同时进行测量，调节的方法是扭动标尺侧面的旋钮11。底座8固定在标尺上，作用是连接声波探头10与定位标尺12，通过移动和测量底座8的位置来间接得到声波探头10的位置，从而使得声波探头10与管壁的距离可以被调整，其调整的目的是为了找到一个位置信息，即找到一个所述距离，该距离下，声波探头焦点是否达到天然气水合物堵塞位置边界，即反射声波信号的幅值和强度最大。底座8上连有空心连接杆13，用于连接声波探头10以及疏导声波探头10尾部的接线。连接杆的前端连有固定夹具，用于将声波探头10进行固定，在测量时，也可方便的对探头进行更换。
由上述，本发明提供了一种海底天然气水合物管路堵塞截面轮廓检测装置。其采用便携式可拆卸开口钳座(即环形导轨1)，可安装定位在待测管路3外圆任何纵向位置。采用单发单收式超声探头，基于超声波在不同介质中波速和传播时间的差异，通过对声信号的反演计算确定圆周每一点处管路内水合物堵塞厚度。其控制滑块4围绕管路移动，可检测并记录360度圆周内的管内堵塞轮廓。该装置弥补了现有技术无法配合超声波装置便捷式测量管路内水合物堵塞截面轮廓的局限，并为油气管道安全运输提供了新的检测和安全预防手段。
本装置超声波装置测量管路内水合物堵塞截面轮廓的工作原理是：超声探头发射超声波垂直入射管路表面，由于在大多数情况下，管路内水合物堵塞物的形态呈现贴近内壁面的生长方式，因此超声波通过管路内壁后会直接射入水合物堵塞物内，在到达堵塞物与管路内输送天然气的气-固界面处发生反射，反射信号通过原路径返回至接收端，接收到的信号经过分析处理可得到在完整的传播过程中，声波在各相介质内的传播时间和行程，由此判断出在超声波通过的路径上水合物堵塞物的厚度。在这个过程中，声波会在管路内表面与水合物堵塞物的固-固接触面上发生反射，这个反射通常十分强烈，并依赖于水合物堵塞物与管路的接触紧密程度，会对接收信号产生极大的干扰，因此，对于现有技术所使用的接触式超声波测厚方法无法实现对目标信号的准确判断。本发明采用的移动式非接触超声波测量方法突破了原有超声波测厚仅采用波形时域分析的局限，通过幅值分析与时域分析相结合的方法，能更加准确的锁定目标信号，进而计算出管路内的水合物堵塞轮廓。该装置与方法打破了原有管路堵塞检测方法仅能依靠压力波和超声波在管内沿输运方向传播的局限，弥补了现有技术仅能大致判断堵塞位置无法确定堵塞截面轮廓的不足。
如图2所示，在对管路堵塞进行测量时，先将两条环形导轨1通过固定螺栓2套在待测管路3堵塞位置。通过调整两个固定螺栓2的扭动距离尽可能使待测管路3处于两条平行导轨的几何中心处。此处的固定螺栓2设计可根据待测管路3的需求，不受管路尺寸的限制。导轨上的滑块4可以在导轨上绕待测管路3自由滑动，当滑块4滑动到需要测量的位置时，可以用螺栓穿入通孔5将滑块4的位置固定，这样使声波探头10在测量某一固定位置的堵塞厚度时，不会因为滑块4的轻微移动造成对接收信号的干扰。通孔5对称均匀的分布在两条环形导轨1上，两个滑块4通过平衡杆6相连，在绕管路滑动的过程中，两个滑块4能确保同步且与导轨垂直，这样可以保证声波探头10可以一直对准管路的轴心，不会偏离。在导轨的两端各设置有一个挡块7，防止滑块4脱离导轨。整个滑动轨迹覆盖管路圆周180度，每次完成一个完整的360度圆周测量需要拆卸一次，也可以采用两套设备相互配合，这样更有利于节省时间，提高测量效率。在滑动起始点和终点之间设置了若干个标志位，这些标志位均匀分布。当滑块4移动到任意位置时，都能获得相应的角度位置信息。声波探头10通过底座8与平衡杆6相连，由此根据单发单收探头接收到的声信号来判断管路内的堵塞截面信息。
可以通过底座8带动探头的均匀移动对声信号进行连续采集，根据探头焦距的大小设置底座8的移动距离范围。实例中采用的是聚焦4.2英寸频率为5MHz的超声探头，设置移动距离范围是4.2英寸，起始位置与管路壁厚有关，为确保采样的准确性，每次测量底座8带动探头由起点开始至少往复运动一次，采样结束后，移动滑块4至下一测量点重复上一步测量，完成整个圆周的测量需要合成每一点的测量信息，画出管路堵塞截面的360度轮廓曲线。因此，测量点设置的越多，获得的堵塞轮廓点位越多，拟合获得的轮廓越准确。理论上无法无限次测量管路内圆周的每一点的堵塞信息，测量点位越多，所需时间越长，实际测量次数需要根据具体情况进行综合考虑。
上述方案的海底天然气水合物管路堵塞截面轮廓检测装置，其包括了声波探头10、移动式测量底座8和环形可拆卸导轨，其中声波探头10连接测量底座8，由标志位实时给出测量位置、由定位标尺12给出探头与管道之间的距离；底座8由定位标尺12间接与滑块4相互连接并滑块4移动，滑块4安装在环形导轨1上，最后将环形导轨1固定在待测量管路上。此外，滑块4可沿环形导轨1绕待测管路3旋转，通过调整导轨的固定位置，可实现对管路内360度检测，绕管路移动的同时测量和记录待测管路3堵塞轮廓曲线信息。
该检测装置可简单方便的安装在待测量管路纵向的任何位置。无需外接管路，能在不破坏管路结构的情况下快速测量堵塞截面轮廓。便携式的装置构造，半圆形的滑道设计可实现快速拆卸。便于轮廓曲线数据的处理和连接合成，完成对待测量钢管横截面的完整轮廓测量。该装置可无视管路内的工况，如高压条件，可在管路工作状态下实现堵塞截面轮廓的测量。
作为进一步的方案，本装置组装及测量步骤如下：
第一步，先将两条环形导轨1通过固定螺栓2套在待测管路3堵塞位置。通过调整两个固定螺栓2的扭动距离尽可能使待测管路3处于两条平行导轨的几何中心处。
第二步，将滑块4移至环形导轨1的起始端，两个滑块4应保证上下对齐，这样可以保证声波探头10可以一直对准管路的轴心，不会偏离。
第三步，用螺栓穿入通孔5将滑块4的位置固定，不要使声波探头10在测量某一固定位置的堵塞厚度时，发生轻微移动而造成对接收信号的干扰。固定后，记录相应的角度位置信息
第四步，调整探头距管外壁的距离，由于本实施例中采用的是聚焦4.2英寸的超声波探头10，因此先调整探头距管外壁距离为4.2英寸，并以此作为每次测量的起始位置。
第五步，连接声波换能器，声波发生器和示波器的接线。本发明中的声波探头包括声波发生器和声波换能器，声波即为超声波。
第六步，开始测量，打开声波换能器开关，观察示波器中的波形，此时反射最强信号应该来自于管外壁的反射。逐渐向靠近待测管路3的方向移动超声探头，同时记录移动距离并观察波形变化情况。往复移动一次后即可确定目标信号的位置，精确记录该位置信息。
第七步，将滑块4移至环形导轨1的下一测量点并重复步骤三至步骤六。
第八步，将位置信息进行计算后，得到测量的每一点的堵塞轮廓，连接这些点就可画出管路堵塞截面的360度轮廓曲线。测量点设置的越多，获得的堵塞轮廓点位越多，画出的堵塞轮廓越准确。理论上无法无限次测量管路内圆周的每一点的堵塞信息，测量点位越多，所需时间越长，实际测量次数需要根据具体情况进行综合考虑。
对于第八步中，采用幅值分析与时域分析相结合方法对堵塞厚度计算方法如下：
幅值分析方法：聚焦探头有在焦点处增强反射信号的功能，当声波探头10在移动以调整其与管壁距离的过程中，明显发现反射信号幅值增强时，可以通过公式(1)的计算方法获得该处的堵塞厚度：
r＝D-R-s (1)
其中，r是管壁厚度，R是水合物堵塞的厚度，D是声波换能器焦距，s是声波探头的焦点到达水合物堵塞位置边界时探头发射端与管壁的垂直距离。
其中，如图6所示，s的获取方法是：限定一个声波探头与管壁的起始距离，以该起始距离由声波探头发射超声波信号，并对反射声波信号采集；改变声波探头与管壁的距离，并得到多组反射声波信号，其中，具有最大幅值的反射声波信号所对应的声波探头与管壁的距离，即为探头的焦点到达水合物堵塞位置边界的距离，在此距离声波探头发射超声波信号，则反射声波信号的强度最大，s即是该距离。
考虑在测试的过程中，声波在水、管道的外壁和水合物等不同的传播介质中的速度不同，焦点距离D将会随着探头的移动而发生变化。所以需要对焦距D做出修正，修正公式如下：
其中，D0表示换能器的本征焦距，是换能器的固有属性，Vwater是声波在水中的传播速度，Vmedilm是声波在实际介质中的传播速度。而对于本实验而言，公式(2)可表示如下：
其中，Vpipe表示声波在管壁中的传播速度，Vhydtate是声波在水合物堵塞物中的传播速度，它们都是已知的，所以可根据计算得到堵塞物的厚度：
时域分析方法：但是在很多情况下，无法通过移动幅值分析方法直接计算得出堵塞厚度，例如管壁面厚度过大，此时要对接收信号波形进行时域分析。波形图如图5，t1，t2和t3分别表示管路外、内表面和堵塞界面处的反射到达时间，因此，声波在水合物中的传播时间可表示为：
Δt＝t3-t2 (5)
当Vhydrate已知，则r可表示为：
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种移动非接触式天然气水合物管路堵塞截面轮廓检测装置，其特征在于，包括被可拆卸连接在待测管道的两个环形导轨(1)、沿环形导轨(1)移动的滑块(4)、连接两个滑块(4)的平衡杆(6)及底座(8)，所述底座(8)被平衡杆(6)固定在其上，并在底座(8)安装有朝向待测管路(3)的声波探头(10)；在所述滑块(4)上安装有定位标尺(12)，底座(8)沿竖直方向在定位标尺(12)上滑动，空心连接杆(13)顶端与底座(8)固定连接，空心连接杆(13)的底端连接声波探头(10)；所述的定位标尺(12)包括与底座(8)固定的支撑架和旋钮(11)，支撑架上具有标尺刻度，旋钮(11)具有螺纹，旋钮(11)以螺纹连接将底座(8)固定在支撑架的不同高度位置；
声波探头所在位置对应的管道内天然气水合物的堵塞厚度：
r＝D-R-s (1)
其中，r是管壁厚度，R是水合物堵塞的厚度，D是声波换能器焦距，s是声波探头的焦点到达水合物堵塞位置边界时探头发射端与管壁的垂直距离；s的获取方法是：限定一个声波探头与管壁的起始距离，以该起始距离由声波探头发射超声波信号，并对反射声波信号采集；改变声波探头与管壁的距离，并得到多组反射声波信号，其中，具有最大幅值的反射声波信号所对应的声波探头与管壁的距离，即为探头的焦点到达水合物堵塞位置边界的距离，在此距离声波探头发射超声波信号，则反射声波信号的强度最大，s即是该距离。
2.如权利要求1所述的移动非接触式天然气水合物管路堵塞截面轮廓检测装置，其特征在于，所述环形导轨(1)的上环面为滑块(4)滑行的导轨面。
3.如权利要求1所述的移动非接触式天然气水合物管路堵塞截面轮廓检测装置，其特征在于，由环形导轨(1)的上环面向待测管路(3)方向延伸形成导轨板，导轨板的导轨面供滑块(4)滑行，所述导轨面为两导轨板相对的两个内侧面。
4.如权利要求1-3任一项所述的移动非接触式天然气水合物管路堵塞截面轮廓检测装置，其特征在于，所述的环形导轨(1)为半圆形导轨，在其上设置有用于将其固定在待测管道上的固定螺栓(2)。
5.如权利要求4所述的移动非接触式天然气水合物管路堵塞截面轮廓检测装置，其特征在于，在所述半圆形导轨的终端安装有挡块(7)。
6.如权利要求5所述的移动非接触式天然气水合物管路堵塞截面轮廓检测装置，其特征在于，在所述环形导轨(1)的导轨板贯穿开出通孔(5)，以配合螺栓将所述滑块(4)在某一时间固定在导轨板的某一位置。
7.如权利要求4所述的移动非接触式天然气水合物管路堵塞截面轮廓检测装置，其特征在于，在环形导轨(1)上安装若干标示角度位置信息的标志位，所述的标志位在环形导轨(1)上呈均匀或不均匀分布。
8.一种移动非接触式天然气水合物管路堵塞截面轮廓检测装备，其特征在于，包括至少两组权利要求1～7任一项所述的移动非接触式天然气水合物管路堵塞截面轮廓检测装置，且各组检测装置的环形导轨(1)围成整圆形导轨。
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