李曉龍，張仕民，焦 泉，張 康，陳優(yōu)良

（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249）

油氣管道通徑檢測器過彎性能分析

李曉龍，張仕民，焦 泉，張 康，陳優(yōu)良

（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249）

通徑檢測器在解決石油管道安全隱患方面發(fā)揮著重要作用。在檢測彎管段時，通徑檢測器存在通過性差、里程累計誤差以及誤檢測等問題。分別對通徑檢測器的彎道通過性能以及過彎時檢測臂的特性進行了分析，得出了能夠順利過彎的骨架最大長度范圍值?？偨Y(jié)得出周向檢測臂在過彎過程中的傾角變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新型的彎道判定算法，有效地避免里程累計誤差以及誤檢測現(xiàn)象的出現(xiàn)。

油氣管道；通徑檢測器；過彎特性；識別算法

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3 結(jié)論

1） 通過3種分注工具的數(shù)值模擬分析及室內(nèi)對比評價，流線型環(huán)形降壓槽式分注工具的投撈成功率最高、節(jié)流壓差最大、黏損率最小，具有較大優(yōu)勢，可更好地提高二類油層的動用程度。

2） 該分注工具也可用于其他油田，具有廣闊的發(fā)展前景。

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隨著中國油氣探明儲量的增長以及全國油氣整體供應需求的增大，油氣管道的建設(shè)得到飛速的發(fā)展。國家“十二五”規(guī)劃綱要在加強能源輸送通道建設(shè)的內(nèi)容中明確指出，“要優(yōu)化能源開發(fā)布局，完善石油儲備體系，加快西北、東北、西南和海上進口油氣戰(zhàn)略通道建設(shè)，完善國內(nèi)油氣主干管網(wǎng)”。目前，我國近80%的原油、20%的成品油和95%以上的天然氣都是通過管道運輸?shù)?，管道一旦發(fā)生事故，會直接或間接對社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境造成巨大影響。鑒于管道安全事故危害的嚴重性、維護管道安全的重要性以及管道內(nèi)檢測對于防止管道事故的有效性，從2000年起，國家頒布了《中華人民共和國石油天然氣管道保護法》、《石油天然氣管道安全規(guī)程》、《石油天然氣管道安全監(jiān)督與管理暫行規(guī)定》等相關(guān)法律法規(guī)，對全干線油氣管道的安全檢測提出了明確要求［1-6］。

管道完整性檢測的方法有很多，其中管道內(nèi)檢測技術(shù)是最經(jīng)濟、有效的技術(shù)之一［7-10］。按其檢測原理可以分為無損檢測技術(shù)和接觸式檢測技術(shù)。其中，無損檢測主要包括漏磁檢測、超聲波檢測、電渦流檢測等技術(shù)，該類檢測器的特點是檢測精度高、價格昂貴、后期數(shù)據(jù)處理繁瑣等，可以實現(xiàn)細小腐蝕坑以及裂紋的檢測。接觸式檢測技術(shù)主要包括通徑檢測器，其中根據(jù)檢測臂的不同可以分為輪式、桿式以及探針式，該類內(nèi)檢測器的特點是檢測精度相對較低、經(jīng)濟性高、后期數(shù)據(jù)處理簡單直觀，主要針對管道大缺陷以及大變形的檢測。鑒于通徑檢測器的以上特點，其被廣泛應用于管道的基線檢測以及管道大變形檢測領(lǐng)域［11-16］。

對于通徑檢測器，其過彎道性能研究具有重要意義。首先，彎道決定了通徑檢測器的管道運行通過性能，通過性差會產(chǎn)生卡堵等現(xiàn)象。其次，過多的彎道將引起管道里程誤差的累積。此外，由通徑檢測器的檢測原理可知，其通過彎道時可能會產(chǎn)生誤檢測現(xiàn)象，即將彎道誤識別為管道大變形，造成不必要的開挖損失。鑒于以上分析，本文將結(jié)合通徑檢測器的檢測原理，對其過彎性能進行分析，有效地避免內(nèi)檢測器遇卡、里程誤差累積以及管道大變形誤檢測等現(xiàn)象的產(chǎn)生。

1 通徑檢測器彎道通過性分析

通徑檢測器的基本結(jié)構(gòu)主要由防撞頭、骨架、皮碗、里程輪、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、檢測臂以及發(fā)射機等組成［11-13］。其結(jié)構(gòu)尺寸除了需要考慮強度要求、內(nèi)部數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)尺寸外，彎道通過性能也是一個關(guān)鍵因素之一。目前國內(nèi)大部分石油天然氣管道的彎道中心線曲率為（4～6）D（D為管道外徑尺寸），通徑檢測器的骨架結(jié)構(gòu)如圖1a所示，在進行彎道通過性分析時可以將其簡化為圖1b所示結(jié)構(gòu)。

圖1 清管器骨架示意

圖2所示為管道通過性分析示意圖。由幾何關(guān)由式（1）～（2）可以得到式（3）：式中：a為通徑檢測器骨架長度；b為通徑檢測器骨架直徑；D為管道外徑（忽略壁厚影響）；R為彎道處管道中心線曲率半徑。

圖3所示為彎道處不同角度的管道截面輪廓線圖。在圖3中，將豎直平面定義為0°截面。以此類推，分別將與豎直平面夾角為γ的平面定義為γ平面。由圖2中可以看出，當通徑檢測器運行至彎道處時，所有截面的輪廓線均相交于A、B兩點。隨著α平面角度的增大，彎道處截面輪廓線的長度不斷減小，同時寬度不斷增大。對于通徑檢測器的內(nèi)骨架，其長度在滿足公式（3）的前提下同樣需要滿足長度小于A B的要求，即滿足式（4），否則通徑檢測器器將無法順利通過彎道，產(chǎn)生卡堵現(xiàn)象。式中：L為彎道處不同角度管道截面輪廓線交點連線距離。

圖2 管道通過性分析示意

圖3 彎道不同截面圖

2 檢測臂過彎特性分析

由通徑檢測器的檢測原理可知，當檢測臂依次劃過管道內(nèi)表面時，隨著內(nèi)部形貌特征的不同，其初始傾角也不斷發(fā)生變化，通過采集變化的角度值可以實現(xiàn)管道內(nèi)表面形貌特征的提取和還原［17-21］。當其在直管段運行時，其檢測臂的初始傾角相同。當通徑檢測器運行至彎道時，其周向1圈檢測臂的初始傾角將發(fā)生變化，靠近彎道外側(cè)的檢測臂初始傾角減小，靠近管道內(nèi)側(cè)的檢測臂的初始傾角不斷增大。圖4所示為0°截面所對應的檢測示意圖，其檢測臂角度變化趨勢最為明顯。

如前所述，不同角度的α平面所對應的管道輪廓截面圖也不相同，并且在實際運行過程中，檢測器會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，為了盡可能得到每個檢測臂過彎道時的傾角狀態(tài)，在此選擇從0～90°的10個彎道輪廓截面圖進行分析，具體分析如圖5所示。為了便于分析，假設(shè)0～90°的10個彎道輪廓截面內(nèi)均包括一對檢測臂，因為分析過程中是將截面垂直投影，所以定義靠近彎道外側(cè)的檢測臂為上側(cè)檢測臂，靠近彎道內(nèi)側(cè)的檢測臂為下側(cè)檢測臂。為了進行規(guī)律性分析，在此以?325mm管道所對應的通徑檢測器為例進行分析，檢測臂長度選取為120mm、130mm 2種類型。結(jié)合C A D工程軟件分析可得對應不同截面的1對檢測臂的初始傾角，如圖6～7所示。

圖4 0°彎道截面示意

圖6所示為130mm檢測臂所對應不同彎道截面時檢測臂傾角值對比圖，從圖中可以得出：

1） 當截面角度為0°時，同一截面上的1對檢測臂的傾角差值最大，90°時傾角差值最小。

2） 當截面角度為0°時，同一截面上的1對檢測臂的傾角和值最大，90°時傾角和值最小。

3） 彎道外側(cè)檢測臂初始傾角隨著截面傾角的增大而減小，彎道內(nèi)側(cè)的檢測臂初始傾角隨著截面傾角的增大而增大。

4） 隨著截面傾角的增大，同一截面上的1對檢測臂的傾角和減小，傾角差同樣減小。

圖5 0～90°彎道截面示意

圖6 130mm檢測臂不同截面傾角值對比

圖7所示為120mm、130mm檢測臂所對應的不同彎道截面時檢測臂傾角對比圖，從圖中可以得出：

1） 檢測臂長度越短，所對應的檢測臂傾角值越大。

2） 檢測臂長度越短，同一截面上的一對檢測臂的傾角和值越大；同理，同一截面上的一對檢測臂的傾角差值也越大。

圖7 120mm、130mm檢測臂不同截面傾角值對比

3 通徑檢測器彎道判定算法

為了避免里程累積誤差以及誤檢測現(xiàn)象的產(chǎn)生，本文基于通徑檢測器的檢測原理以及上述分析規(guī)律提出了一種新型的彎道判別算法。

以檢測臂長度為130mm為例進行分析，將通徑檢測器周向1圈檢測臂進行檢測前標號，相對的一對檢測臂定義為一組，如圖8所示，并將圖示位置定義為周向旋轉(zhuǎn)方向的初始零位。由圖6中數(shù)據(jù)進行擬合可得截面角度值與檢測臂傾角值以及傾角和與傾角差的關(guān)系式。

截面角度值與上側(cè)檢測臂傾角擬合關(guān)系式

截面角度值與下側(cè)檢測臂傾角擬合關(guān)系式

截面角度值與一組檢測臂傾角和擬合關(guān)系式

截面角度值與一組檢測臂傾角差擬合關(guān)系式

根據(jù)通徑檢測器內(nèi)部是否安裝有陀螺儀，將判斷算法分為2類。

圖8 內(nèi)檢測器檢測臂標記示意

1） 安裝有陀螺儀。

當通徑檢測器運行至彎道處時，提取位于截面為一組檢測臂初始傾角值進行分析。將測量得出的檢測臂初始傾角和、差帶入式（7）～（8）進行計算，得出此時的“計算截面角度值β”。將此計算值與陀螺儀的測量值β0進行代數(shù)運算，若計算值與測量值的差值小于誤差接受范圍δ0，則可認定此處為彎道處，若不滿足則認定為非彎道處。具體的算法流程如圖9a所示。

2） 未安裝有陀螺儀。

同理，當通徑檢測器運行至彎道處時，提取位于截面為0°一組檢測臂初始傾角值進行分析。將測量值帶入式（5）～（6）進行旋轉(zhuǎn)角度β估算，并將計算出的β帶入式（7）～（8）進行計算，得出此時的角度差、角度和的值為“計算角度和、差值”。將計算值的和差值與測量得出的和差值進行比較，若計算值與測量值的差值小于誤差接受范圍δ′0，則可認定此處為彎道處，若不滿足則認定為非彎道處。具體的算法流程如圖9b所示。

圖9 彎道判斷流程

4 結(jié)論

1） 本文針對通徑檢測器在實際檢測運行過程中存在的通過性差、易產(chǎn)生里程累積誤差以及誤檢測等問題，分別對通徑檢測器的過彎通過性以及過彎時檢測臂特性進行了分析，提出了滿足通徑檢測器過彎要求的最小結(jié)構(gòu)尺寸。

2） 結(jié)合通徑檢測器檢測臂過彎時角度變化規(guī)律，提出了一種新型的彎道識別算法，極大地提高了管道彎道處的識別準確率，有效地避免了誤檢測現(xiàn)象的發(fā)生。

3） 隨著國內(nèi)油氣管道建設(shè)步伐的不斷推進，無論是新建管線的基線檢測還是老管線的周期線檢測，通徑檢測器都具有很大的市場應用價值。但是，目前對于通徑檢測器在管道內(nèi)部固有特征識別方面研究較少，因此本文基于此提出了通徑檢測器彎道識別算法，有效地實現(xiàn)了管道內(nèi)部固有特征的識別。

4） 該彎道識別算法是本文的創(chuàng)新技術(shù)。但是，目前該技術(shù)是以通徑檢測器檢測臂的運動規(guī)律為研究基礎(chǔ)，僅適應于通徑檢測器檢測過程中的彎道識別。本文提出的識別算法僅是通徑檢測器在理想運行狀態(tài)下的分析結(jié)果，因此與實際檢測臂的運行規(guī)律可能會存在差別。在今后的研究中需要考慮通徑檢測器由于結(jié)構(gòu)尺寸以及運行速度等因素引起的重心偏移影響。此外，該算法未進行試驗驗證，其識別精度和準確性有待于檢驗和提高。以上問題將是下一步研究工作的重點和難點。

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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

李曉龍（1988-），男，山東青島人，博士研究生，主要從事管道清管、內(nèi)檢測裝備研究，E-mail：xiaolongtlee＠163．com。