实验管路中清管器非接触检测方法

吴海浩，段瑞溪，2，李立婉，宫 敬，李 颖，李 雪

（1.中国石油大学（北京）城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249；2.中国石油集团海洋工程有限公司，北京 100028）

清管为石油天然气管道工业中常见的作业。清管器为球形或者柱形固体，清管作业时清管器在管道内运动，清除管道内的液体以及固体沉积物［1］。在实际管道清理作业中，可以在清管器上加装检测装置，检测清管器的沿线速度。使用清管器跟踪装置［2－9］，可以跟踪清管器的位置，可以使用过球指示器［10－11］判断清管器是否进入管道以及收球筒。在实验管路中进行清管实验时，需要检测清管器的速度。而任何突入到管道中的物体均可能阻碍清管器的运动，因此最好采用非接触方法。而实验管路一般直径较小，清管器尺寸更小，故在清管器上难以安装复杂的检测装置。而常用的机械式过球指示器需要在管道中打孔，安装较复杂。因此本文根据电磁感应原理，制作了非接触检测装置，可以方便、准确地检测清管器的时间和速度。

1 电磁检测原理

当一块永久磁铁通过一个线圈时，线圈中将产生感应电势，感应电势与磁通量之间的关系为：其中E为感应电势为磁通变化率，Φ为穿过回路所围面积S的磁通量，α为磁力线通过单位面积ds的法线角，B为磁感应强度，μ为导磁系数，H 为磁场强度。

对于水、不锈钢以及空气，其导磁系数都接近于真空，在分析中认为磁铁周围的材料等同于真空。

根据磁偶极子的理论［12］，在极坐标系下，径向方向磁场强度为

角度方向磁场强度为

其中μ0为周围材料导磁系数，pm为磁偶极矩。

正负磁偶极子的连线在管道轴线上（见图1），在垂直于管道轴线方向上的磁场强度Hv［7］为

其中：

式中h为磁偶与管道外壁的距离，L为线圈距离磁偶中心的水平距离。

由于线圈与磁场方向垂直，故cosα＝1，则有

由于线圈固定在管径为D的管壁上，有S＝πD，同时B＝μ0Hv，将式6—8代入式（9），得：

式中v为清管器速度。

假设L＝Nh，N为常数，则有

令：

则有

对于磁铁以及管路直径与材质已经确定的管路，D、pm、h为已知参数，k只与磁源与检测线圈的相对位置有关，感应电压的大小仅与磁源与检测线圈的相对位置以及磁源的运动速度有关。磁源距离检测线圈不同距离时的k值见图2。从图2中可以看出，在检测线圈两侧，k值对称分布。当磁源距离检测线圈较远时，k值接近0；在水平距离小于3h时，k值开始增长，在距离为0.9h处，k增大到最大值；此后随着距离的减小k减小，在距离为0时，k减小到最大值，但绝对值最大。当磁源远离检测线圈时，k值的变化趋势与由远靠近线圈的值相反。对单个线圈，当磁源与线圈之间的水平距离大于3h时，磁源的运动在线圈中产生的感应电势基本可以忽略。

图1 磁偶示意图

图2 磁铁通过线圈时感应k值变化曲线

2 电磁检测清管器装置与实验

电磁检测装置由磁源、检测线圈、放大电路及数据采集装置组成，检测装置原理见图3。磁源为永久磁铁，安装在清管器上，实验时随清管器在管道内运动。检测线圈安装在管道外部，线圈截面与管道轴线垂直。放大电路与数据采集系统在管道的外部，用于采集并放大检测信号。在清管器实验中，清管器通过线圈时，磁场切割线圈，线圈中产生感应电势，但电磁感应电势较小，所以要经过放大电路放大后再进入数据采集与显示系统。

图3 永久电磁检测清管器装置原理图

本实验在内径为50mm、外径为60mm的实验环路进行清管实验，实验流体为自来水，在实验中，清管器的速度与水相同。采集清管器经过检测线圈时的感应电压，采样频率为1kHz。永久磁铁中心经过检测线圈时感应电压的变化见图4。在磁铁源匀速运动时，感应电压的形状与k值的形状完全相同。在不同的速度下，永久磁铁的影响距离均为115mm，感应电势变为0的点距离磁铁中心的水平距离为20mm，正向感应电压出现在距离永久磁铁中心约40mm处。在实验中，只要线圈之间的距离大于23cm，就能够保证在任意时刻清管器中的永久磁铁只影响一个线圈。根据清管器通过2个线圈的时间，以及线圈间的距离便可以计算出清管器的速度。清管器通过检测线圈的时间可以利用感应电压的特征点对应的时间来确定。特征点有5个，其中3个为峰值点和2个感应电压为0的点。在清管器速度波动比较大时，感应电压的速度也会有较大的波动，其顶点对应的时间可能是变的。这是因为感应电压为0的点仅与永久磁铁与线圈的位置有关，而与速度无关。因此在计算速度时可以利用电压为0的点。

图4 不同速度下的感应电压曲线

3 灵敏性检测

为检测该方法的灵敏性，在透明实验管路中进行了清管实验，在管道上间隔32cm的距离上安装2个线圈（见图5），信号采集频率为1kHz。同时使用高速摄像机拍摄清管器通过该管段的过程，并根据拍摄到的图像分析清管器的速度。检测到的感应电压见图6。从图6中可以看出，在磁铁未到达线圈时，检测装置的感应电压在0mV附近，此时检测电路输出的电压波动是正常的波动；在永久磁铁经过时，感应电压突增，然后降为0mV。

在实验中，管道中流动的介质出现了水、气及扰动剧烈的气液两相流，而感应电压无明显的异变，说明电磁方法只受清管器上永久磁铁的影响，而不受管道中的流动的干扰。清管器通过前后2个线圈的时间间隔为0.007s，在2个线圈之间的平均速度为45.7m／s，与高速摄像检测到的速度相同。这一结果表明，电磁感应电压能够迅速、准确地反映清管器通过的时间，说明这种方法灵敏度高。

图5 清管器检测实验示意图

图6 清管器通过线圈时感应电压变化曲线

4 结论

电磁感应方法能够有效地检测管道中清管器的时间和速度，方法简单，灵敏度高，不受管道中流动情况的影响，可以用于实验室中常见的有机玻璃、工程塑料以及不锈钢管等非导磁管道的清理实验。

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