鐘 康，劉 劍，武峰山

（渤海石油航務(wù)建筑工程有限責(zé)任公司，天津 300452）

0 引言

本文主要對系統(tǒng)監(jiān)/檢測部分的輔助檢測設(shè)備功能進(jìn)行闡述，主要包括流型識別系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)等。

1 流型識別系統(tǒng)

由天津大學(xué)過程層析成像與多相流測試研究室研制的“油氣水多相流流型在線檢測設(shè)備”以石油、化工等工業(yè)過程中的廣泛存在的油氣水多相流為測試對象，基于電容/電導(dǎo)與超聲多普勒測試原理實現(xiàn)超聲、電學(xué)多模態(tài)的融合測試，可實現(xiàn)油氣水多相流動過程狀態(tài)、流動結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測及流動參數(shù)的測量。該設(shè)備采用Compact PCI（CPCI）工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，具有數(shù)據(jù)采集速度快、測試流動范圍寬、不受流型狀態(tài)約束的特點。測試系統(tǒng)平臺具有可重構(gòu)、框架式、柔性化的特點，配套軟件具有模塊化、多進(jìn)程和可擴展的特點，可滿足不同測試對象、測試目標(biāo)及數(shù)據(jù)處理的需求。

1.1 系統(tǒng)原理

流型識別系統(tǒng)采用電容/電導(dǎo)/超聲三模態(tài)陣列式傳感器融合的方式。

1.1.1 電容電導(dǎo)原理

（1）電容檢測原理：主要檢測源電極和檢測電極之間透過管道內(nèi)部物料后所形成的電容值，然后將反應(yīng)該內(nèi)部物料介電常數(shù)變化的電容值與實際流態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)投影對應(yīng)，建立起一一對應(yīng)的關(guān)系。如圖1 所示，4 個環(huán)形金屬電極環(huán)鑲嵌在絕緣管道的內(nèi)壁構(gòu)成電導(dǎo)模態(tài)：G 和E 為激勵電極對，S1 和S2 為檢測電極對。電導(dǎo)模態(tài)工作時，電極E 被注入一定頻率的恒定方波激勵電流，在電極S1、S2 之間形成電學(xué)敏感場，使敏感場的阻抗特性隨被測流體的混合電導(dǎo)率變化而變化。通過對電極S1、S2之間的電勢差進(jìn)行測量，可獲得連續(xù)相為導(dǎo)電相條件下的相含率信息。在油氣水多相流中，只有水為可導(dǎo)電相。

圖1 電容電導(dǎo)組合傳感器結(jié)構(gòu)

（2）電導(dǎo)檢測原理：是基于電阻傳感機理的檢測方法，依據(jù)不同的媒質(zhì)具有不同的電導(dǎo)率，從而判斷出敏感場內(nèi)物體的電導(dǎo)率分布，便可推知場內(nèi)媒質(zhì)的分布情況。通常的工作方式是電流激勵、電壓檢測。當(dāng)場內(nèi)的電導(dǎo)率發(fā)生變化時，場內(nèi)電流敏度、電勢分布也會隨之變化，從而導(dǎo)致場域邊界上測量電壓發(fā)生變化[1]。這種測得的場域邊界上電壓的變化值，即可建立起與場域內(nèi)電導(dǎo)率變化信息的對應(yīng)關(guān)系，建立起識別方法。此方法主要應(yīng)用于水基液相流體部分波動的檢測。

1.1.2 超聲原理

超聲檢測原理：超聲波具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好，能夠成為射線而定向傳播等特點。如圖2 所示，超聲波遇到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，遇到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)[2]。

圖2 超聲原理

1.1.3 整體框架

電導(dǎo)電容測試系統(tǒng)傳感器安裝在連續(xù)波多普勒傳感器的下游，并提供相含率測試數(shù)據(jù)，如圖3 所示。

圖3 傳感器與測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能及指標(biāo)

油氣水多相流流型識別系統(tǒng)采用陣列式傳感器融合的方式，結(jié)合陣列式傳感器的多通道高速測試系統(tǒng)，可以在開展多相流試驗時準(zhǔn)確檢測系統(tǒng)流型變化。

（1）陣列傳感器：①流體適應(yīng)性，水含率0%～100%，油含率0%～100%，氣含率0%～90%；②環(huán)境耐受性，耐溫120 ℃，耐壓7 MPa。

（2）多通道高速測試系統(tǒng)：①獲得管道截面內(nèi)不同位置處的多相流波動信息，用以刻畫多相流在不同子空間上的波動特性，以獲得更多的流動結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)；②實現(xiàn)對兩相、三相流的時域、頻域特征提取，以及水平、垂直流型的識別；③可識別出段塞流、波狀流、層流、泡狀流等流態(tài)。

1.3 系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)由多通道高速測試系統(tǒng)、陣列傳感器短節(jié)和流行識別軟件組成，陣列傳感器集成于耐壓短節(jié)，通過多通道高速測試系統(tǒng)實現(xiàn)對管內(nèi)流型識別。通過機器學(xué)習(xí)，使其建立分析判斷流型的模型是該項目的關(guān)鍵。

1.4 功能驗證

在整套系統(tǒng)安裝完成后，通過調(diào)整氣液比和壓力，2 英寸流型識別系統(tǒng)可以自動識別段塞流、波狀流、層流、泡狀流等流態(tài)，4 英寸傳感器短節(jié)耐100 ℃、7.2 MPa 壓力。設(shè)備運行后通過攝取管道截面內(nèi)不同位置處的多相流波動信息，刻畫多相流在不同子空間上的波動特性，能夠獲得更多的流動結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。配合高速攝像系統(tǒng)，能夠在流型識別系統(tǒng)畫面上清晰、準(zhǔn)確、實時地顯示出所識別的段塞流、波狀流、層流、泡狀流等流態(tài)。

2 高壓內(nèi)窺鏡

2.1 系統(tǒng)組成

高壓內(nèi)窺鏡由目鏡保護(hù)片、連接套、目鏡筒、目鏡調(diào)整套、光欄、內(nèi)管支架、外鏡管支架、鏡管主體、物鏡組件、轉(zhuǎn)鏡組間隔、物鏡保護(hù)片和光纖等組成。

2.2 系統(tǒng)功能及指標(biāo)

高壓內(nèi)窺鏡系統(tǒng)包括光學(xué)成像、照明和機械結(jié)構(gòu)3 個部分。光學(xué)成像系統(tǒng)由物鏡系統(tǒng)、轉(zhuǎn)像系統(tǒng)、目鏡系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成，照明系統(tǒng)采用可控LED 光源，機械結(jié)構(gòu)采用316L 不銹鋼一體化封裝形式。高壓內(nèi)窺鏡系統(tǒng)創(chuàng)新性采用了超過100 件微型光學(xué)組件，在實現(xiàn)穩(wěn)定光學(xué)成像的基礎(chǔ)上，可整體封裝于超細(xì)的剛性結(jié)構(gòu)中。該系統(tǒng)可以在溫度120 ℃、壓力3 MPa、3 m/s 流速的嚴(yán)苛工作條件下，鏡體不發(fā)生晃動，能夠清晰分辨管道內(nèi)流體流動狀態(tài)。通過不同視角的內(nèi)窺鏡旋轉(zhuǎn)觀測，可以實現(xiàn)頂部冷凝狀況監(jiān)測和高氣液比流態(tài)監(jiān)測。

2.3 系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成

高壓內(nèi)窺鏡由照明系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和圖像分析系統(tǒng)一體集成的主機配合高壓內(nèi)窺鏡頭組成，并設(shè)計了專門的密封旋轉(zhuǎn)組件。

2.4 功能驗證

設(shè)備安裝調(diào)試完成后，經(jīng)實驗測試，高壓內(nèi)窺鏡可以承受3 MPa 壓力，并且可以帶壓旋轉(zhuǎn)鏡頭桿360°觀察內(nèi)部情況，打壓過程不受流體流動影響。打開操作軟件，進(jìn)入內(nèi)窺鏡檢測畫面，可以實現(xiàn)管道內(nèi)部實時監(jiān)測、實時查看和錄制視頻、截取圖像、存儲圖像，并且能夠進(jìn)行評價。

3 高速攝像系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

高速攝像機采購湖南科天健光電技術(shù)有限公司RockeTech高速攝像機，系統(tǒng)由高速攝像機、工控機（內(nèi)含軟件）、光照系統(tǒng)、鏡頭及高壓視鏡組成。

（1）高速攝像機：①靈敏度，25 Lux；②最高分辨率，110 萬像素（1280 像素×860 像素）；③最高幀數(shù)，10 000 fps；④可拍攝記錄高壓視鏡窗口流動的流體流態(tài)。

（2）軟件：①實時采集圖像、實時存儲，可設(shè)置相機和采集卡參數(shù)，采集高速圖像以流媒體文件格式存儲到高速存儲介質(zhì)中；②可調(diào)整播放速度進(jìn)行圖像回放，可逐幀查看；③支持實時采集過程中調(diào)節(jié)曝光時間。

（3）高壓視鏡：①耐壓，7.5 MPa；②耐溫，300 ℃；③視鏡類型，對向雙視鏡。

3.2 系統(tǒng)功能及指標(biāo)

通過雙視窗高壓視鏡提供流體流態(tài)觀測的視窗窗口，采用高速攝像機對流體進(jìn)行高速拍攝，可獲得清楚的圖像和運動過程，用于多相流流體運動規(guī)律的觀察和分析。

3.3 功能驗證

經(jīng)實驗測試，高速攝像系統(tǒng)可以實現(xiàn)最高可達(dá)10 000 fps，最高分辨率可達(dá)110 萬像素，可以清晰呈現(xiàn)出管道內(nèi)部畫面。進(jìn)入軟件操作界面實時采集圖像、實時存儲，可設(shè)置相機和采集卡參數(shù)，采集圖像以流文件格式存儲到高速存儲介質(zhì)中，并可調(diào)整播放速度進(jìn)行圖像回放或逐幀查看，可將圖像保存成圖片或視頻格式。高壓短節(jié)可承受7 MPa 壓強和120 ℃高溫。

4 總結(jié)與展望

深水多相流動動態(tài)腐蝕評價系統(tǒng)通過模擬多相介質(zhì)、濕氣頂部腐蝕、CO2腐蝕、細(xì)菌腐蝕、垢下腐蝕等的腐蝕環(huán)境，可以開展多相（濕氣、氣水混輸、油氣水混輸）輸送介質(zhì)管道的內(nèi)腐蝕研究和防腐蝕措施的作用效果評價，也可作為管道新材料、新技術(shù)和新工藝的驗證平臺，將在油氣田開發(fā)生產(chǎn)、管道服役安全等生產(chǎn)、技術(shù)研究領(lǐng)域發(fā)揮基礎(chǔ)平臺作用，有力促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究和進(jìn)步。