油气管道通径检测器过弯性能分析

李晓龙，张仕民，焦 泉，张 康，陈优良

（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249）

油气管道通径检测器过弯性能分析

李晓龙，张仕民，焦 泉，张 康，陈优良

（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249）

通径检测器在解决石油管道安全隐患方面发挥着重要作用。在检测弯管段时，通径检测器存在通过性差、里程累计误差以及误检测等问题。分别对通径检测器的弯道通过性能以及过弯时检测臂的特性进行了分析，得出了能够顺利过弯的骨架最大长度范围值。总结得出周向检测臂在过弯过程中的倾角变化规律，并在此基础上提出了一种新型的弯道判定算法，有效地避免里程累计误差以及误检测现象的出现。

油气管道；通径检测器；过弯特性；识别算法

［3］ 周建波，张兴洲，马志红，等．中国东北地区的构造格局与盆地演化［J］．石油与天然气地质，2009，30（5）：530-538．

［4］ 李海成．大庆油田聚合物驱分注工艺现状［J］．石油与天然气地质，2012，33（2）：296-301．

［5］ 裴晓含，段宏，崔海清，等．聚合物驱偏心分质注入技术［J］．大庆石油地质与开发，2006，25（5）：68-69．

［6］ 柴方源，徐德奎，蔡萌．二、三类油层聚合物驱全过程一体化分注技术［J］．大庆石油地质与开发，2013，32（2）：92-95．

［7］ 李晶，王耀东，邱振伟，等．分层注聚管柱的研究与应用［J］．石油矿场机械，2004，33（增刊）：100-102．

［8］ 韩占忠，王敬，兰小平．FL U E N T流体工程仿真计算实例与应用［m］．北京：北京理工大学出版社，2004：38-76．

3 结论

1） 通过3种分注工具的数值模拟分析及室内对比评价，流线型环形降压槽式分注工具的投捞成功率最高、节流压差最大、黏损率最小，具有较大优势，可更好地提高二类油层的动用程度。

2） 该分注工具也可用于其他油田，具有广阔的发展前景。

［1］ 王文明．测井参数定量化技术在榆树林油田葡萄花储层物性解释中的应用［J］．石油与天然气地质，2009，30 （2）：230-235．

［2］ 刘合，袁涛，李金玲．聚合物驱井下单管分注技术［J］．石油学报，1999，20（6）：91-93．

随着中国油气探明储量的增长以及全国油气整体供应需求的增大，油气管道的建设得到飞速的发展。国家“十二五”规划纲要在加强能源输送通道建设的内容中明确指出，“要优化能源开发布局，完善石油储备体系，加快西北、东北、西南和海上进口油气战略通道建设，完善国内油气主干管网”。目前，我国近80%的原油、20%的成品油和95%以上的天然气都是通过管道运输的，管道一旦发生事故，会直接或间接对社会经济和生态环境造成巨大影响。鉴于管道安全事故危害的严重性、维护管道安全的重要性以及管道内检测对于防止管道事故的有效性，从2000年起，国家颁布了《中华人民共和国石油天然气管道保护法》、《石油天然气管道安全规程》、《石油天然气管道安全监督与管理暂行规定》等相关法律法规，对全干线油气管道的安全检测提出了明确要求［1-6］。

管道完整性检测的方法有很多，其中管道内检测技术是最经济、有效的技术之一［7-10］。按其检测原理可以分为无损检测技术和接触式检测技术。其中，无损检测主要包括漏磁检测、超声波检测、电涡流检测等技术，该类检测器的特点是检测精度高、价格昂贵、后期数据处理繁琐等，可以实现细小腐蚀坑以及裂纹的检测。接触式检测技术主要包括通径检测器，其中根据检测臂的不同可以分为轮式、杆式以及探针式，该类内检测器的特点是检测精度相对较低、经济性高、后期数据处理简单直观，主要针对管道大缺陷以及大变形的检测。鉴于通径检测器的以上特点，其被广泛应用于管道的基线检测以及管道大变形检测领域［11-16］。

对于通径检测器，其过弯道性能研究具有重要意义。首先，弯道决定了通径检测器的管道运行通过性能，通过性差会产生卡堵等现象。其次，过多的弯道将引起管道里程误差的累积。此外，由通径检测器的检测原理可知，其通过弯道时可能会产生误检测现象，即将弯道误识别为管道大变形，造成不必要的开挖损失。鉴于以上分析，本文将结合通径检测器的检测原理，对其过弯性能进行分析，有效地避免内检测器遇卡、里程误差累积以及管道大变形误检测等现象的产生。

1 通径检测器弯道通过性分析

通径检测器的基本结构主要由防撞头、骨架、皮碗、里程轮、数据采集单元、数据处理单元、检测臂以及发射机等组成［11-13］。其结构尺寸除了需要考虑强度要求、内部数据采集及控制系统尺寸外，弯道通过性能也是一个关键因素之一。目前国内大部分石油天然气管道的弯道中心线曲率为（4～6）D（D为管道外径尺寸），通径检测器的骨架结构如图1a所示，在进行弯道通过性分析时可以将其简化为图1b所示结构。

图1 清管器骨架示意

图2所示为管道通过性分析示意图。由几何关由式（1）～（2）可以得到式（3）：式中：a为通径检测器骨架长度；b为通径检测器骨架直径；D为管道外径（忽略壁厚影响）；R为弯道处管道中心线曲率半径。

图3所示为弯道处不同角度的管道截面轮廓线图。在图3中，将竖直平面定义为0°截面。以此类推，分别将与竖直平面夹角为γ的平面定义为γ平面。由图2中可以看出，当通径检测器运行至弯道处时，所有截面的轮廓线均相交于A、B两点。随着α平面角度的增大，弯道处截面轮廓线的长度不断减小，同时宽度不断增大。对于通径检测器的内骨架，其长度在满足公式（3）的前提下同样需要满足长度小于A B的要求，即满足式（4），否则通径检测器器将无法顺利通过弯道，产生卡堵现象。式中：L为弯道处不同角度管道截面轮廓线交点连线距离。

图2 管道通过性分析示意

图3 弯道不同截面图

2 检测臂过弯特性分析

由通径检测器的检测原理可知，当检测臂依次划过管道内表面时，随着内部形貌特征的不同，其初始倾角也不断发生变化，通过采集变化的角度值可以实现管道内表面形貌特征的提取和还原［17-21］。当其在直管段运行时，其检测臂的初始倾角相同。当通径检测器运行至弯道时，其周向1圈检测臂的初始倾角将发生变化，靠近弯道外侧的检测臂初始倾角减小，靠近管道内侧的检测臂的初始倾角不断增大。图4所示为0°截面所对应的检测示意图，其检测臂角度变化趋势最为明显。

如前所述，不同角度的α平面所对应的管道轮廓截面图也不相同，并且在实际运行过程中，检测器会产生旋转运动，为了尽可能得到每个检测臂过弯道时的倾角状态，在此选择从0～90°的10个弯道轮廓截面图进行分析，具体分析如图5所示。为了便于分析，假设0～90°的10个弯道轮廓截面内均包括一对检测臂，因为分析过程中是将截面垂直投影，所以定义靠近弯道外侧的检测臂为上侧检测臂，靠近弯道内侧的检测臂为下侧检测臂。为了进行规律性分析，在此以Ø325mm管道所对应的通径检测器为例进行分析，检测臂长度选取为120mm、130mm 2种类型。结合C A D工程软件分析可得对应不同截面的1对检测臂的初始倾角，如图6～7所示。

图4 0°弯道截面示意

图6所示为130mm检测臂所对应不同弯道截面时检测臂倾角值对比图，从图中可以得出：

1） 当截面角度为0°时，同一截面上的1对检测臂的倾角差值最大，90°时倾角差值最小。

2） 当截面角度为0°时，同一截面上的1对检测臂的倾角和值最大，90°时倾角和值最小。

3） 弯道外侧检测臂初始倾角随着截面倾角的增大而减小，弯道内侧的检测臂初始倾角随着截面倾角的增大而增大。

4） 随着截面倾角的增大，同一截面上的1对检测臂的倾角和减小，倾角差同样减小。

图5 0～90°弯道截面示意

图6 130mm检测臂不同截面倾角值对比

图7所示为120mm、130mm检测臂所对应的不同弯道截面时检测臂倾角对比图，从图中可以得出：

1） 检测臂长度越短，所对应的检测臂倾角值越大。

2） 检测臂长度越短，同一截面上的一对检测臂的倾角和值越大；同理，同一截面上的一对检测臂的倾角差值也越大。

图7 120mm、130mm检测臂不同截面倾角值对比

3 通径检测器弯道判定算法

为了避免里程累积误差以及误检测现象的产生，本文基于通径检测器的检测原理以及上述分析规律提出了一种新型的弯道判别算法。

以检测臂长度为130mm为例进行分析，将通径检测器周向1圈检测臂进行检测前标号，相对的一对检测臂定义为一组，如图8所示，并将图示位置定义为周向旋转方向的初始零位。由图6中数据进行拟合可得截面角度值与检测臂倾角值以及倾角和与倾角差的关系式。

截面角度值与上侧检测臂倾角拟合关系式

截面角度值与下侧检测臂倾角拟合关系式

截面角度值与一组检测臂倾角和拟合关系式

截面角度值与一组检测臂倾角差拟合关系式

根据通径检测器内部是否安装有陀螺仪，将判断算法分为2类。

图8 内检测器检测臂标记示意

1） 安装有陀螺仪。

当通径检测器运行至弯道处时，提取位于截面为一组检测臂初始倾角值进行分析。将测量得出的检测臂初始倾角和、差带入式（7）～（8）进行计算，得出此时的“计算截面角度值β”。将此计算值与陀螺仪的测量值β0进行代数运算，若计算值与测量值的差值小于误差接受范围δ0，则可认定此处为弯道处，若不满足则认定为非弯道处。具体的算法流程如图9a所示。

2） 未安装有陀螺仪。

同理，当通径检测器运行至弯道处时，提取位于截面为0°一组检测臂初始倾角值进行分析。将测量值带入式（5）～（6）进行旋转角度β估算，并将计算出的β带入式（7）～（8）进行计算，得出此时的角度差、角度和的值为“计算角度和、差值”。将计算值的和差值与测量得出的和差值进行比较，若计算值与测量值的差值小于误差接受范围δ′0，则可认定此处为弯道处，若不满足则认定为非弯道处。具体的算法流程如图9b所示。

图9 弯道判断流程

4 结论

1） 本文针对通径检测器在实际检测运行过程中存在的通过性差、易产生里程累积误差以及误检测等问题，分别对通径检测器的过弯通过性以及过弯时检测臂特性进行了分析，提出了满足通径检测器过弯要求的最小结构尺寸。

2） 结合通径检测器检测臂过弯时角度变化规律，提出了一种新型的弯道识别算法，极大地提高了管道弯道处的识别准确率，有效地避免了误检测现象的发生。

3） 随着国内油气管道建设步伐的不断推进，无论是新建管线的基线检测还是老管线的周期线检测，通径检测器都具有很大的市场应用价值。但是，目前对于通径检测器在管道内部固有特征识别方面研究较少，因此本文基于此提出了通径检测器弯道识别算法，有效地实现了管道内部固有特征的识别。

4） 该弯道识别算法是本文的创新技术。但是，目前该技术是以通径检测器检测臂的运动规律为研究基础，仅适应于通径检测器检测过程中的弯道识别。本文提出的识别算法仅是通径检测器在理想运行状态下的分析结果，因此与实际检测臂的运行规律可能会存在差别。在今后的研究中需要考虑通径检测器由于结构尺寸以及运行速度等因素引起的重心偏移影响。此外，该算法未进行试验验证，其识别精度和准确性有待于检验和提高。以上问题将是下一步研究工作的重点和难点。

［1］ 石永春，刘剑锋，王文娟，等．管道内检测技术及发展趋势［J］．工业安全与环保，2006，32（8）：46-48．

［2］ 田瑛，甄建超，孙春良，等．我国油气管道建设历程及发展趋势［J］．石油规划设计，2011，22（4）：4-8．

［3］ 张剑波，袁超红，等．海底管道检测与维修技术［J］．石油矿场机械，2005，34（5）：6-10．

［4］ 赵新伟，李鹤林，罗金恒，等．油气管道完整性管理技术及其进展［J］．中国安全科学学报，2006，16（1）：130-136．

［5］ 杨祖佩，王维斌．油气管道完整性管理体系研究进展［J］．油气储运，2006，25（8）：7-11．

［6］ 崔涛，冯庆善，杨祖佩，等．新建管道完整性管理理念探索［J］．油气储运，2008，27（10）：4-8．

［7］ 周燕，董怀荣，周志刚，等．油气管道内检测技术的发展［J］．石油机械，2011，39（3）：74-77．

［8］ 宋生奎，宫敬，才建，等．油气管道内检测技术研究进展［J］．石油工程建设，2005，31（2）：10-14．

［9］ 潘家华．普及和发展我国管道内检测技术［J］．油气储运，1996，3（15）：1-4．

［10］ 王晓华，曾鸣，王文明，等．基于超声波的连续油管管道检测装置设计［J］．石油矿场机械．2013，42（12）：51-54．

［11］ 代莉莎，张仕民，朱霄霄，等．油气管道通径检测器技术研究进展［J］．油气储运，2012，31（11）：808-813．

［12］ 代莉莎．油气管道通径检测器研究［D］．北京：中国石油大学（北京）．2013．

［13］ 郭晓丽．油气管道通径仪研究［D］．北京：天津大学．2007．

［14］ Yasushi Yonemura，Ki ichi Suyama，Ryuj i Sakasai．m ethod and Instrument Formeasuring Inside Diameter Of Conduit：U S 6895681 B2［P］，2005-05-24．

［15］ Claudio Camerini，Jean Pierre von der W eid，miguel Freitas，et al．Feeler Pig：a Sim ple W ay to Detect and Size Internal Corrosion［C］／／International Pipeline Conference，Calgary，Alberta，Canada，Septem ber 29-October，2008，paper no．64626．

［16］ Claudio Camerini，miguel Freitas．Feeler Pig-ANew Tool formulti-Size Pipeline Inspection［G］．E C N D T 2006-Tu．3．1．4．

［17］ Jeffrey S，Kevin W．Pipeline Caliper PIG：U S 5088336 ［P］．1991-09-04．

［18］ Jeffrey S，Kevin W．Pipeline Caliper PIG：U S 4953412 ［P］．1992-02-18．

［19］ Dennis R．Smith．Bend Detector PIG：U S 4930223［P］．1990-06-05．

［20］ D wane O．Laymon，Jamesm．Berry．Bend Detector For A Pipel ine PIG：U S 4628613［P］．1986-12-16．

［21］ Dennis R．Smith．Bend Detector PIG：U S 4780962［P］．1988-11-01．

Analysis for Character of Caliper Pig Passing Through Curving Pipeline

LI Xiaolong，Z H A N G Shimin，JIA O Q uan，Z H A N G Kang，C H E N Y ouliang
（College ofmechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum（Beijing），Beijing102249，China）

As a necessary tool used for pipeline in-line inspection，caliper pig plays an im portant role in solving the problem of potential danger of pipeline．O wing to the problem of bad pass ability，themileage accumulation error and error detection，in this paper，the ability and character are respectively studiedw hen caliper pig pass through curving pipeline．T hrough analyzing the process of caliper pig pass through the curve pipeline，themaximal length of the calip er skeletonwas obtained．Besides，the angle changing law of detection arm during the caliper passed through the curve pipeline was also concluded．O n the basis of it，in this paper，a new identification algorithmw hich was used to identify the curving pipeline was proposed and the judgment algorithmeffectively avoided the phenomenon ofmileage accumulation errors and detection errors．T he study in this paper has some guiding significance for the internal pipeline inspection．

oil and gas pipeline；caliper pig；the character of pass through curving pipeline；identification algorithm

T E973

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．015

2014-09-26

李晓龙（1988-），男，山东青岛人，博士研究生，主要从事管道清管、内检测装备研究，E-mail：xiaolongtlee＠163．com。