（精密仪器及机械专业论文）油气管道通径仪研究.pdf

中文摘要 管道运输作为油气资源的主要输送工具以其不可替代的突出优势在全世界 范围内得到了广泛的应用，但由于自然或人为等原因，管道事故频频发生，管道 安全性问题也受到越来越多的重视，其中针对管道内部缺陷检测衍生出多种内检 测方法和设备。为保证内检测器能够顺利地在管道内运行，首先需要依次将清管 器、通径仪送入管道运行，以清理管道内壁并测绘管径分布。根据检测结果在变 径较大处采取局部换管或维修措施，防止内检测器在管道内卡死。 通径仪需测绘整条管线各处的实际管径相对原始管径的变化量并记录相应 的里程位置以便维修时的定位，另外还需记录沿管线每隔l 也公里设置的发射机 发射的标记信号，以消除定位系统中里程轮的累积误差。近年来我国管道检测用 的通径仪设备主要依靠德国进口，该设备相对我国当前管道检测事业已经明显落 后并且通用性差，因此中石油管道局在此次通径仪系列化研制过程中委托天津大 学研制一套通径仪电子包及配套软件系统。 通径仪系统包括用于数据采集、存储和传输的硬件部分以及里程标定、数据 分析和生成报表的软件部分，其中软件部分包括调试软件以及数据分析软件。本 文首先根据通径仪需求分析给出了系统的总体方案设计，创造性地将反时限算法 用于里程轮优选，避免频繁切换造成的误差，提高了定位的精度；详细介绍了系 统硬件部分数据采集、压缩、存储和传输各功能模块以及电源管理、实时时钟等 辅助功能模块的设计；然后重点阐述了系统软件部分设计，包括基于l a b v i e w 开发用于检测前标定通径仪的调试软件，和基于d e l p h i 平台开发的功能强大的 数据分析软件；最后给出了对本通径仪系统做的一系列可靠性实验，论证了其可 靠性和优越性。 关键词：通径仪d e l p h il a b v i e w 地面标记器里程轮 a b s t r a c t p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n ，a sm a i nv e h i c l ef o ro i l - g a se n e r g yt r a n s p o r t a t i o n ，w i d e l y u s e da l lo v e rt h ew o r l d ，o w i n gt oi t sp r o m i n e n ta d v a n t a g ec a n n o tb es u b s t i t u t e df o r b u tb e c a u s eo fs u c hr e a s o n sa sn a t u r eo ra r t i f i c i a ld e s t r u c tm o r ea n dm o r ea c c i d e n t s t o o kp l a c eo np i p e l i n e s s a f e t yp r o b l e mo fp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o nh a sb e e nt h i n k m u c ho f m a n yk i n do fi n t e r n a li n s p e c t i o nm e t h o d sa n da p p a r a t u sh a v eb e e nm a d e d u et op i p e l i n ei n t e r n a ld e f e c t i o n w es h o u l du s ec l e a n i n gp i ga n dg e o m e 仃vp i g f i r s tt oc l e a n i n gt h ep i p ea n dm a p p i n gi t sd i a m e t e rc h a n g e ，s ot h a tt oi n s u r ep i p e l i n e i n t e r n a li n s p e c t i o np i gf i t sf o rt h ep i p ew h i l eo p e r a t i n g b a s e do nt h er e s u l t g e tb y g e o m e t r yp i g , w ec a nr e p l a c eo rr e p a i rp a r to ft h ep i p eb e c a u s et h ed i a m e t e rh a sb i g c h a n g et h e r e ，s ot h a tt op r e v e n ti n t e r n a li n s p e c t i o np i gf r o mb e i n gl o c k e di n g e o m e t r yp i gs h o u l dm e a s u r et h ew h o l el i n e sd i a m e t e rc h a n g er e l a t i v et ot h e n o r m a ld i a m e t e rf o rl o c a t i n gw h i l e m a i n t a i n i n g ，a n dr e c o r dt h em a r k i n gs i g n a l s e n d i n gb yt r a n s m i t t e rm o u n t e da l o n gp i p e l i n ei n1 - 2k mi n t e r v a lf o re l i m i n a t i n gt h e a g g r e g a t ee r r o rm a d eb yo d o m e t e rw h e e l si nl o c a t i n gs y s t e m t h e s ey e a r sg e o m e t r y p i gu s e di no u rc o u n t r ya r em a i n l yi m p o r t e df r o mg e r m a n y t h i sk i n do f g e o m e t r y p i gi so b v i o u s l yo u to fd a t ea n dn o tf o ru n i v e r s a lu s e ，s oc n p p t a s ku st od e v e l o p t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f g e o m e t r yp i gf o ru n i v e r s a lu s e t h eg e o m e t r yp i gi sm a d eu po ft h eh a r d w a r ef o rc o l l e c t i n g ，s t o r i n ga n d t r a n s m i t t i n gd a t a , a n dt h es o f t w a r ew h i c hi n c l u d e sd e b u g g i n gs o f t w a r ea n dd a t a a n a l y z i n gs o f t w a r ef o rl o c a t i n g ，d a t aa n a l y z i n ga n dm a k i n gt h ef i n a lr e p o r t i nt h i s p a p e r ，f i r s t , b a s e do nr e q u i r e m e n t , w eg i v eaw h o l es c h e m e t h e ns h o wt h a tw eh a v e a ni n n o v a t i v ei d e at ou s et i m er e v e r s em e t h o dw h i l ec h o o s i n go d o m e t e rw h e e l t h i s m e t h o dc a nd e c r e a s et h ee r r o rc a u s e db ya l t e r n a t i n gt h eo d o m e t e rw h e e l sc h a n n e l f r e q u e n t l ya n di n c r e a s et h ep r e c i s i o nw h i l el o c a t i n g i nt h ef o l l o w i n g ，w ed e t a i l e d i n t r o d u c et h eh a r d w a r ed e v e l o p i n gi n c l u d i n gd a t as a m p l e ，d a t ac o m p r e s s ，d a t a s t o r a g e ， d a t at r a n s m i t ，p o w e r m a n a g e m e n ta n dr e a lt i m ec l o c k , e t c t h e ne x p a t i a t ed e v e l o p i n g o ft i l e s o f t w a r e d e b u g g i n gs o f t w a r ed e v e l o p e db a s eo nl a b v i e wi su s e df o r d e m a r c a t i n gb e f o r ei n s p e c t i n g d a t aa n a l y z i n gs o f t w a r ew i t hp o w e r f u lf u n c t i o n si s d e v e l o p e db a s eo nd e l p h i a tl a s t ，as e r i a lo fd e p e n d a b l ee x p e r i m e n t sa r ed o n eo n g e o m e t r yp i g t os h o wt h i ss y s t e mh a sv e r yg o o dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：g e o m e t r yp i g ，d e l p h i ，l a b v i e w , a g m o d o m e t e rw h e e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲鑫晓巧签字嗍抄7 年月上弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨奎盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲丢噬确 签字日期：乒年月上：；日 导师签名： 签字日期：叠1 年月二夕日 第一章绪论 第一章绪论 本章将简要介绍论文的研究背景、意义，通径检测器发展的历史、检测原理 及在管道内检测中的重要作用和本文将要完成的工作。 1 1 本课题的研究背景 随着能源需求的增加，作为油气能源主要输送工具的管道运输以其不可取代 的突出优势，在全世界范围内得到了广泛的应用，与此同时，管道运输的安全性 问题也越来越受到各国政府的重视。目前世界上总管网的5 0 已经使用了3 0 年 甚至更长的时间，由于腐蚀、磨损、意外损伤等原因导致的管线泄漏事故时有发 生，而且会日趋严重，由于所输介质的危险性和污染性，一旦发生事故会造成巨 大的生命财产损失和环境污染。所以，管道的安全问题已经成为从管道建设计划 开始到管道报废的各个阶段都要作为一个系统化的工程需要认真考虑和解决的 问题【1 2 1 。 管道安全工程需要考虑的问题主要包括：如何避免或者减少管道事故的发 生；如何准确全面地了解管道的情况；如何对管道未来的运行状况做出科学预测； 怎样维护管道最为经济可靠等。当前，世界上的管道运营者采用多种方法评估、 检测和监视其成千上万公里的管道，包括管道专用地面检查、阴极保护测量、泄 漏监测程序、开挖寻找管道腐蚀或保护涂层失效、水压试验和使用在线检测器。 在管道安全工程所应用的所有方法中，管道在线检测( 内检测) 是管道腐蚀检测 诸多方法中最有效和可靠的方法之一，因为只有通过管道内检测准确了解管道状 况，对管道运行的安全性做出正确的评价，才能及早采取有利措施，避免管道事 故的发生i j 硎。 在确定要检测的管道以后，必需制定检测计划，调查管道设备及作业进行条 件，确信如阀门、三通、弯头等以及接收和发送器能让检测器顺利通过。具体检 测步骤如下： 1 、 清管器( c l e a n i n gp i g ) 对管道进行清理p 8 】 在检测前根据检测器对管内壁的要求利用清管器对管内进行清洗。以便清除 结蜡及清除输气管道内液体。具体可以先以泡沫清管器在管内通过，清出部分脏 物，在通过几次泡沫清管器之后，便可用机械清管器再度清洁管道，机械清管器 第一章绪论 的驱动皮碗与管壁有很密切的接触，可以清去大量污物。 2 、通径检测器( g e o m e t r yp i g ) 调查管道几何变径 由于管道智能检测器的通过能力不强，如果管道发生较大变径将会影响管道 智能检测器的通过，严重时会发生卡球现象，智能检测器价格昂贵，如果发生卡 球，将会产生重大的经济损失。 所以在用智能检测器进行在线检测之前向管道内输送通径仪，调查管道变 形，通径仪的伞架结构( 如图l _ l 所示) 使其具有报好的通过能力，记录整段管 线管道内径的几何变化，得0 全段资料后，可评估是否可继续进行下一步放入智 能检测器进行检测，若管道有较大的变径，则要先行对管道进行修复才能再做下 一步的操作。 量程 e n a 目l f l 命架式通径仪机械系统剧 3 、智能检测器如漏磁检测器( m f lp i g ) 对管道进行内检测 在上述通径仪捡测过后，管道具备了使智能检测器通过的良好条件，此时可 利用智能检测器得0 管道内部的各种缺陷信息。 综上，目前我国在役油气管道总长已达4 万公里，管道的安全问题不容忽视， 其中管道内检铡技术是管道检测各种方法中最有效和可靠的方法之一，2 0 0 6 年 1 2 月8 日，中石油管道技术公司在北京成功举行了我国首例具有自主知识产权 的直径1 0 1 6 毫米的高清晰度管道漏磁检翘4 器的产品发布会，足见我国对管道内 检测技术研究的重视同时通径检测器在进行管道内检测中也起到了不可或映的 作用，围绕通径仪展开的研发工作也就相当重要了。 2 通径仪国内外发展现状 通径内检测器，又称通径仪它的出现是管道检测技术的一大进步，通径仪 可用于管道几何形状原始状况的检测，以备今后遭受损伤时对比检查，发现严重 变形及时安排维修在新线投产，老线检修工程中，也可作为鉴定工程质量和制 第一章绪论 定施工措施的手段。对于管道由于几何变形引起的事故较腐蚀事故的频率有过之 而无不及，当管段形状发生变化或可能发生变化的管段，在情况不十分明确时， 为确保安全考虑，可采取长距离更换管子的措施，但是如有可靠的检测资料，那 么长距离换管子远非最经济的选择，运用通径仪，取得完整可靠的管道变形资料， 采取局部换管等相应措施，就可以消除地下隐患，避免事故的发生。 1 2 1 国外通径仪的发展情况 早期开发的通径仪为一个铝盘，其直径均为管内径的9 5 至9 7 5 ，铝盘放 在两个皮碗中间。若通径仪取出后，铝盘有缺口或压凹，则可大致知道管道变形 最严重的程度，这种通径仪的最大缺点是不知压凹位于何处，且误差较大。我国 曾用铝筒代替铝盘做过试验，原理都是一样的。 由于上述通径仪有严重的缺点，目前已不再使用。t d w i l l i a m s o n 公司于6 0 年代开发了第二代通径仪( k a l i p e r p i g ) 1 9 j 。该通径仪由两个半球形皮碗带动，两 皮碗中间有伞状测径杆及里程轮。伞状杆沿圆周分布，各杆均贴靠在管内壁上。 若管壁有几何变形，变形处的各杆产生转动，转动幅度大变形就大，里程轮可记 下变形位置。这个时候的通径仪能够定位变径的位置。但是其存在的缺陷是：数 据记录是依靠伞状杆通过机电传动，数据记录在纸上，仅是一大堆的数据记录， 要准确定位变径位置其实还需要相当大量的数据计算，操作人员的工作量大，而 且大量的数据稍不小心就会计算出错，这是第二代通径仪最严重的缺点。 8 0 年代初期，随着计算机技术的普及发展，第二代通径仪经过改进，产生 了第三代通径仪，第三代通径仪的显著优点是：数据记录是通过电子仪器记录杆 的转动存储于计算机内。虽然这一代通径仪产生早期也只是将大量的数据记录存 储，而对于数据的后续处理也并没有实现自动化，一个主要原因是由于当时计算 机技术的限制，但是其先进的意义是不言而喻的。它为我们以后完善后续数据处 理功能，实现数据自动分析定位提供了可能。 为了能得到管道的周向各点变径，近些年h r o s e n 公司又开发出能够测周向 变径的通径仪，我们称之为第四代通径仪，其早期的产品是在两个皮碗中间的金 属盘上贴有一系列的电阻应变片，应变片沿圆周均匀分布，当管径变形大时，在 变径的位置上产生的应变大，从而测出在不同里程处，在不同圆周方向上变形的 大小。这一产品出现后不久r o s e n 公司又推出电子测径仪，简称e g p ( e i e c t r o n i c g a n g i n gp i g ) ，其尾部装有电磁场的产生及发射器，通过电磁波测出发射器与管 内壁之间的距离，并转变成电信号存储于通径仪装有的电子计算机内。这种通径 仪的一个优点是p i g 的测量元件不与管壁直接接触，这样就能够减少许多机械故 障。这种通径仪上装有一组探头，每个探头有自己的接收通道，每秒钟可接收 第一章绪论 5 0 个数据，并存储于计算机内。这种通径仪另一个优点是对管内壁的清洁要求 不高，通径仪的运行范围宽，这是一个新的发展方向1 0 1 2 1 。 1 2 2 通径仪在我国的应用现状 我国的管道运输工业迅速发展，在国民经济中占有的重要地位越来越明显。 鉴于这种状况，我国有关单位也及时确立了管道通径仪的研究，中国石油天然气 总公司管道科学院在1 9 8 8 年与天津激光技术研究所合作研制出了d 5 0 0 型原油管 道通径仪，该仪器上带有里程轮和伞状式测径传感器，在通径仪后部装有跟踪发 射机，在运行中不断地发射固定频率的信号，地面的人员携带跟踪接收机可在有 效范围内接收到信号，这样就可知道通径仪在管道内的位置和发生堵卡的地点。 由于传感器的皮碗与管壁接触，因此对管道的清管要求很高，此通径仪在抚顺的 康乐前甸( 1 7 7 k m ) 输油支线上，先后进行5 次试用，都顺利通过，并测出 该管道上有1 1 个一l 3 个通径变化点，精度较高，这一装置可以自动检测和记 录管径的变化量及所在的部位。该仪器测距范围为7 6 k m 之内较合适，测径的精 度为 士2 5 d ，测距精度 脉冲优选算法三： 藿 标记信号u 标记信号k 阈值设定r 1 模式识别r 2 2 2 软件部分概要设计 图2 3 单片机软件部分功能流程 一、标定软件概要设计 通径仪标定软件要与电子包进行实时通讯，可以读取通径仪电子包内部高精 度时钟的值，也可以对其进行写入时钟校准。可以读取实时标定的变径量和标记 第二章通径仪系统的总体方案设计 量，根据伞架结构标定时候受力的不同，生成相应的凹陷或者椭圆度标定文件。 还可以判定里程轮工作是否正常，优选算法是否合理。另外为了方便工程数据文 件的保存，允许向通径仪中写入工程信息，包括工程名称，通径仪发射的地点， 接收的地点，发射日期等重要信息。标定软件主要的功能模块结构如图2 - 4 所示： 图2 - 4 通径仪标定软件功能图示 二、数据分析软件概要设计 通径仪系统数据分析软件实际上是地面标记设备的智能终端，具有较强的数 据处理能力和开发能力，主要功能包括：完成通径仪各种参数的设置，具备长距 离数据回放、人工标识处理、文件管理等功能，基本功能模块如图2 5 。 l 、里程校准模块：通过对采集的两路信号，即位移传感器输出的交径信号 的a d 转换值以及a g m 发射的标记信号，对这两路信号的时钟对准，从而能够 定位变径点与距离它最近的一组标记桩的相对距离。 2 、参数设定模块：用于设定基本的工程信息，所测管道的正常管径，以及 需要分析的变径阈值等信息。 3 、变径自动分析模块：通过阈值比较算法得到管线的变径点，结合里程校 准模块，给出变径点的准确位置。 4 、图形显示模块：将检测得到的变径数据以曲线的方式全线回放显示，让 操作员对管线的变径情况一目了然，同时提供了丰富的曲线操作功能。 5 、手动编辑分析变径模块：弥补自动分析的不足，提供手动修改接口。 6 、图形打印模块：为便于提交报告，便于据检测结果开挖，提供打印功能。 7 、报表输出模块：为了检测备案，便于日后对管道进行维护操作，提供规 范化的报表是一个必需的模块 f 茎t2 - 6 数据分析软件甩例图 1 4 本软 科 射洲 卜得 附剃 外滞 黜似 扛捌 躺粼 睛褪 鸺煳 撂随 删削 搓衅 椭一 桶扛 删讯 排沱 一一 删一 一一 。一一 手软1 1 三泔射删丽斛缈 第二章通径仪系统的总体方案设计 图2 - 6 所示用例图明确给出了通径仪数据分析软件必须具有以下功能：原始 数据导入( 通径仪运行生成的两个原始数据文件以及标定软件生成的凹陷及椭圆 度标定文件首先导入当前目录) 、数据分析、手动修改、生成报告、报告可以直 接递交客户( 报告必须规范) 、系统可以被有权限的i t 部操作人员进行维护【期。 下面我们整体规划一下通径仪数据分析软件数据的处理流程，见图2 7 所示 降成里程信甸 山 ( 尊置基本参数 山 分析变径信息并生成报告 j ( 分析人员调整报甸 图2 7 数据分析软件处理流程 为了实现上面所示的几个基本处理流程，同时实现软件的模块化处理，将通 径仪软件大致划分为如下几个模块： 图2 - 8 数据分析软件结构图 宁 第二章通径仪系统的总体方案设计 软件的模块化处理将问题细分，各模块遵循高内聚低耦合原则设计他们之间 的接口如下： ( s u b s v s t e l ) il ( s u b s y s t e m )i 二 掣m l o 鼍军姒鲨 - r 胥r 一、冁靶一 罔但职疋 l、r j 塑 s u b s y s t e m ) 项目创建向导 百 - - ii 稚 s u b s y s t e m ) 项目信息维护 站4 l s u b s y s t e m ) 叶变形自动识别 盯l s u b s y s t e m )il v l 的时候，仍然采用v l 计算速度； 当v l v 2 的时候，改用v 1 计算速度： 当v 2 v 2 的时候，仍然用v 2 计算速度。 这里的v l 和v 2 根据实际情况确定具体值，在0 5 m s 到5 m s 之间。 具体实现的时候，由于一个里程轮有两个霍尔元件信号，当里程轮高速运行 的时候，它们相位是一定的：而里程轮的卡死也并不是突然产生的，而是一个速 度逐渐降低的过程，因此，两个霍尔元件的速度也可以认为是近似相等的，误差 非常的小。所以这里为了减少计算，只各取一路霍尔元件信号进行。 另外在速度计算模块中加入一个超时定时器，当其中一个里程轮速度变慢或 者卡死的时候，下一个脉冲超时没有到来，此时候需要进行相应的出错处理。 二、速度比较、切换算法【3 l 啦】 在管道中，里程轮在转动过程中可能出现打滑等现象，因此我们跟踪信号的 速度，选取最快的那个速度作为当前的准确值对这个里程轮的信号进行跟踪。但 是当速度计算出来以后，就要进行比较决定使用哪路信号，并进行切换。但是这 个切换时间将怎么决定呢? 需要考虑以下几方面：l 、选择频率最快的一路里程轮脉冲信号进行跟踪：2 、 区分出正常工作信号和故障信号，跟踪信号错误时要快速、准确的切换到其它正 常里程轮脉冲信号；3 、在跟踪信号频率远小于其它里程轮脉冲频率时迅速切换， 当跟踪信号频率与另外几路信号频率比较，频率较小并在一定范围内时，设定切 换时间倒计时，频率差越大切换时间越短，即几路脉冲信号频率差与切换时间近 似反比关系，防止频繁切换带来的里程计量误差。 因此出现了这样一个精度与时间选取之间的矛盾，如何解决这一矛盾呢? 让 第三章通径仪硬件设计 我们看看在电力系统继电保护的一种算法一反时限算法。有反时限算法，那么 与其相对应的也有定时限算法，为什么不选取定时限算法呢? 这里就先将定时限 算法和反时限算法的原理简单介绍一下。 在电力系统保护中，为了实现过电流的保护性，如图3 - 4 所示： 图3 - 4 继电保护不意图 其中为了保护电源不会由于电流过大或是热量积累太高而被烧坏在线路中 加入了一个继电器来对电源进行保护。 因此为了实现过电流保护的选择性，应将线路各段的保护动作时间按阶梯原 则来整定，即离电源端越近时限越长。每段时限级差一般为0 5 秒。继电器的动 作时间和短路电流的大小无关。采用这种动作时限方式的称为定时限。定时限过 流继电器为电磁式，配有时间继电器获得时限特性，其型号为d l 型。 反时限是使动作时间与短路电流的大小有关，当动作电流大时，动作时间就 短，反之则动作时间长，反时限过流保护示意图如图3 5 所示。 i 1 9 图3 5 反时限过流保护示意图 利用这一特性做成的继电器称为反时限过流继电器。它是感应式，型号为 g l 型。固态继电器是对负载实现开关功能的，由于负载的过载能力呈反时限特 性，所以固态继电器实现的保护应与负载特性相配合，即在其正常的开关功能之 外，还必须对负载实现反时限过流保护。所谓反时限过流保护，即对应于负载不 同的过流故障状态，固态继电器应该能识别过载电流的大小，经过不同的时间延 迟，闭环控制关断m o s f e t 。过载电流越大则保护延迟时间越小，严重过流时 立即保护，从而实现反时限特性的自保护。固态继电器的过流保护特性是指负载 电流与跳闸延迟时间的关系，也可以用负载电流相对于额定电流的倍数与跳闸延 迟时间的关系来表示，即i l e = f ( t ) 。其中，跳闸延迟时间是指固态继电器额定 状态工作时，从出现过载或短路故障开始到固态继电器关断所需要的时间。目前， 常用的反时限过电流继电器仍然是电磁式或静态式，其感应型的反时限特性离散 第三章通径仪硬件设计 度较大，且整定较困难。 这和我们要找定的那个时间非常相似，就是动作时间与速度差值成反比的关 系，速度相差越大，动作时间越长；速度相差越小，动作时间越短，甚至不动作， 运用这种算法就可以很好的解决之前提出来的问题。即是说：当两个轮的速度 v 1 和v 2 ，当速度相差很小的时候( 由于里程轮在管道中运行的速度一般为0 5 m s 到5 m s