基于超声波的油气管道水合物堵塞监测装置及监测方法

摘要

基于超声波的油气管道水合物堵塞监测装置及监测方法，属于管道监测技术领域，为了解决油气管道中天然气水合物堵塞预警的问题，要点是所述超声发射换能器用于将接收到的电信号转换成超声波信号，并向管道内发射；所述超声波接收换能器用于接收管道内的超声波信号，并传输给信号解析装置；信号解析装置对接收的管道内的超声波信号解析并得到管道内超声波在管道流体中传播的声速和声衰减系数，以判断管道内水合物生成状态，效果是实现了对油气管道中管道水合物堵塞的监测。

说明书

技术领域

本发明属于管道监测技术领域，涉及一种基于超声波的油气管道水合物堵塞监测装置及其监测方法。

背景介绍

当前我国经济社会稳步快速发展，人民生活水平日益提高，能源需要越来越大。管道运输是一种主要的能源运输方式，具有运量大、成本低、安全性高、占地面积小、可持续运输等优点，被广泛应用于石油、天然气的长距离输送。由于开采出的石油、天然气中含有水，在进入管道前若不能完全脱出，在高压低温的管道环境中，天然气和水会形成天然气水合物固体。天然气水合物生成的初期，管道流体内会出现天然气水合物颗粒，如果不在天然气水合物生成初期及时发现并采取措施，管道内的水合物数量会大量增加，生成的大量水合物颗粒会发生聚集，沉积，最终导致管道堵塞。管道中的水合物堵塞不但会影响管道工况的稳定，降低输送效率，还可能导致管道局部位置的超高压破坏等严重事故，对管道的安全和稳定运行危害巨大。如果能在管道发生天然气水合物堵塞的初期，及时检测到管道内出现天然气水合物，从而有针对性地采取加抑制剂等措施，防止管道天然气水合物堵塞事故的发生。

现有的管道声学堵塞检测方法大多是使用低频声波检测堵塞位置，经常是在堵塞发生后定位堵塞位置，并不能在堵塞发生前提供预警，也不能给工作人员留出足够的时间采取措施以防止完全堵塞的发生，因此，有必要通过一些方法对油气管道发生天然气水合物堵塞进行预测。

在油气管道中生成的天然气水合物会改变管道流体的声学特性，包括声衰减和声速。对管道内流体的声学特性进行在线检测，可以确实管道内是否有水合物生成。超声波具有穿透性好，并且具有较宽的频带范围，适用于管道流体的声学特性检测

申请公布号CN 104198674 A的中国专利申请公开了一种管输天然气水合物形成在线预警装置及方法，是通过将超声波换能器安装在采样桶的侧壁上，测量采样桶中水相的声速，用于确定水相中的盐分浓度和天然气水合物抑制剂的浓度，再根据温度、压力和气体组分数据，计算水合物生成相平衡条件，判断管道内会不会生成天然气水合物。这种装置中的超声波换能器是测量采样桶中水相的声速，只适用于天然气管道，而且不能直接检测管道中流体的声学特性，存在检测对象的局限性，即使用的管道是天然气管道，不能用于油气混输的管道。

发明内容

为了解决油气管道中天然气水合物堵塞预警的问题，本发明提出如下方案：

一种基于超声波的油气管道水合物堵塞监测装置，包括信号发生器、支撑腔体、于支撑腔体的通道相对设置的超声波发射换能器与超声波接收换能器以及将支撑腔体与监测管道固定并使得支撑腔体通道与管道连通的法兰盘，所述信号发生器用于产生脉冲激励信号，并传输给超声波发射换能器；所述超声发射换能器用于将接收到的电信号转换成超声波信号，并向管道内发射；所述超声波接收换能器用于接收管道内的超声波信号，并传输给信号解析装置；信号解析装置对接收的管道内的超声波信号解析并得到管道内超声波在管道流体中传播的声速和声衰减系数，以判断管道内水合物生成状态。

进一步的，在支撑腔体的壁体上沿着朝向所述通道的方向开出用于容置换能器的第一槽体，换能器的一部分位于第一槽体内，并在支撑腔体的壁体上安装固定端盖，在固定端盖上沿着远离所述通道的方向开出第二槽体，换能器的另一部分位于第二槽体，所述第一槽体和第二槽体连通形成的槽体容置整个换能器。

进一步的，所述的在支撑腔体的壁体上安装固定端盖，是由螺钉将固定端盖固定安装在支撑腔体的壁体。

进一步的，所述槽体连通于支撑腔体的通道，在槽体的内侧壁与换能器外壳之间安装有隔离套，在换能器外壳与隔离套之间安装有换能器密封圈，在隔离套与槽体内侧壁之间安装有隔离套密封圈。

进一步的，所述的换能器密封圈、隔离套密封圈均具有两个或以上，并位于更靠近朝向所述通道一侧的槽体内。

进一步的，隔离套是由聚砜材料制成，超声波换能器的外壳材料是由不锈钢制成。

进一步的，所述的固定端盖的盖顶面开出使得换能器的电缆线通过的引线孔。

进一步的，超声波接收换能器接收的管道内的超声波信号由其传输至数据采集装置，数据采集装置用于将接收到的模拟信号转换成数字信号，并传给信号解析装置用于解析。

一种上述任一项所述的基于超声波的油气管道水合物堵塞监测装置的监测方法，包括如下步骤：使用信号发生器产生脉冲激励信号，并传输给超声波发射换能器；超声发射换能器将接收到的激励信号转换成超声波，并向管道内发射；超声波发射换能器发射的超声波在管道流体内传播一定距离被超声波接收换能器接收；超声波接收换能器将接收到的管道内的超声波转成电信号，并传给数据采集装置；所述数据采集装置用于将接收到的模拟信号转换成数字信号，并传给信号解析装置；所述信号解析装置对接收到的超声波信号解析，得到超声波信号的首波到达时间和振幅，并以此确定超声波在管道流体中传播的声速和声衰减系数。

超声波在管道流体中传播的声速c，其计算公式为：

其中，x为发射换能器与接收换能器间的距离，t为接收到的超声波的首波到达时间；

管道内流体的声衰减系数α，其计算公式为：

其中，U₀为超声波发射换能器发射的超声波信号的振幅，U₁为超声波接收换能器接收到的超声波信号的振幅；

由循环管道超声波在管道流体中传播的声速和声衰减系数确定管道内水合物生成状态。

进一步的，由循环管道超声波在管道流体中传播的声速和声衰减系数确定管道内水合物生成状态的方法是：在实验室进行水合物堵塞循环管路测试时，将管道水合物堵塞监测装置安装在实验室的循环管道上，测得水合物生成前、后不同过程中循环管道内超声波在管道流体中传播的声速和声衰减系数，建立超声波在管道流体中传播的声速、声衰减系数与水合物生成量之间的拟合关系式，在现场检测时，测得现场管道内超声波在管道流体中传播的声速与声衰减系数，将现场管道内的超声波在管道流体中传播的声速、声衰减系数带入实验确定的超声波在管道流体中传播的声速、声衰减系数与水合物生成量之间的拟合关系式，获得管道内水合物的生成量，若发现水合物生成量超过设定阈值，则认为发生了水合物堵塞。

有益效果：本发明提供了一种基于超声波的油气管道水合物堵塞监测装置，实现了对油气管道中管道水合物堵塞的监测，直接安装在管道上，却也不会对管道正常运行产生影响，使用超声波对管道进行实时监测，以流体的声学特性判断管道内是否有天然气水合物生成，一旦发现管道中有天然气水合物生成，就可以及时发出报警，为现场人员提供充足的时间采取抑制水合物堵塞措施。

附图说明

图1是监测装置的原理示意图；

图2是监测装置的第一剖视图；

图3是监测装置的第二剖视图；

图4是监测装置的立体图；

图5是监测装置分解图；

图6是换能器示意图；

图7是监测装置的内部剖视图；

图8是监测装置的第三剖视图。

图中：1支撑腔体；2法兰盘；3第一超声波发生换能器；4螺钉；5第二超声波发生换能器；6换能器密封圈；7隔离套密封圈；8固定端盖；9超声波隔离套；10第二超声波接收换能器；11第一超声波接收换能器；12换能器引线孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明做进一步详细的说明：

根据图1所示，天然气水合物在管道中生成并最后形成堵塞包括以下过程，

(1)气泡，水滴，油滴在连续相中的夹带；

(2)天然气水合物在气泡，水滴，油滴表面生成；

(3)生成的天然气水合物颗粒发生团聚，沉积；

(4)生成天然气水合物团块，沉积物形成管道堵塞。

在以上每个过程中，管道内流体的声学特性量都不相同，主要表现在声衰减和声速的不同上，因而可以采用声学特征量(声速、声衰减)标定的方法确定管道内水合物的状态。

基于超声波的油气管道水合物堵塞监测装置包括支撑腔体1、超声波换能器、固定端盖8、超声波隔离套9、换能器密封圈6、隔离套密封圈7、螺钉4等；

信号发射器与超声波发射换能器连接，所述超声波接收换能器与所述数据采集装置连接，所述数据采集装置与所述计算机连接，所述计算机与所述报警装置连接，计算机又可以被称为信号解析装置；

所述信号发生器用于产生脉冲激励信号，并传给超声波发射换能器；所述超声波发射换能器用于将接收到的电信号转换成超声波信号，并向管道内发射；所述超声波接收换能器用于接收管道内的超声波信号，并传给数据采集装置；所述数据采集装置用于将接收到的模拟信号转换成数字信号，并传给计算机；所述计算机对接收到的超声波信号进行分析和计算，可以解析得到超声波信号的首波到达时间和振幅，从而获得管道内流体的声速和接收到的超声波信号的振幅，由振幅计算声衰减系数，将现场管道内的超声波在管道流体中传播的声速、声衰减系数带入实验确定的超声波在管道流体中传播的声速、声衰减系数与水合物生成量之间的拟合关系式，获得管道内水合物的生成量，并判断管道内是否有水合物生成；当计算机判断出管道内有天然气水合物生成时，计算机向报警装置发出预警信号；所述报警装置用于接收计算机的预警信号，并发出报警。

所述支撑腔体1的外形为长方体，支撑腔体1两端设有和被检测管道连接的法兰盘2，支撑腔体1的中间是和测量管道内径相同的圆形通孔，即用于介质流通的支撑腔体的通道，支撑腔体的四个侧面设有圆形孔道用于安装超声波换能器，孔道和超声波隔离套外径基本相同，超声波隔离套9安装在孔道内，支撑腔体1侧面的圆形孔道周围设有螺纹孔，并由螺钉4将固定端盖8固定在螺纹孔中，使得固定端盖8与支撑腔体1固定安装。

所述超声波换能器的数量是四个，超声波换能器分为两组，每一组超声波换能器包括一个超声波发射换能器和一个超声波接收换能器；每一组超声波换能器中的两个换能器分别布置在支撑腔体相对的两个侧面，每一组的超声波换能器的中心频率相同。作为一种优选方案，相邻的超声波换能器安装位置呈直角，如图3。

所述超声波发射换能器和超声波接收换能器的外壳尺寸相同；超声波换能器的外壳的下端面为弧面，弧面的曲率半径和被检测管道内径相同；超声波换能器下端设有双层密封圈槽，其箍紧换能器，使得换能器与超声波隔离套之间被密封。即超声波换能器的外围安装有超声波隔离套9，超声波隔离套9的作用是防止超声波换能器发射的超声波通过支撑腔体1发生绕射；所述超声波隔离套9的材料是聚砜材料，超声波隔离套9下端，即靠近支撑腔体1的通道的一侧设有双层密封圈槽用于安装换能器密封圈6。

所述固定端盖8上端为圆柱形，下端为圆盘形，圆盘上设有圆形通孔，固定端盖8顶部设有超声波换能器引线孔12；固定端盖8圆盘底面和支撑腔体1侧面接触，通过螺钉4固定在支撑腔体1上，为超声波换能器和超声波隔离套提供轴向约束。

由上述监测装置，通过管道中流体的声速和声衰减等声学特性的变化判断管道内是否有水合物生成。能够在管道内还没有形成水合物堵塞之前，监测管道中是否有天然气水合物生成。当判断管道内有水合物生成时，能发出报警，给工作人员留出足够的时间采取抑制水合物生成的措施，避免严重的天然气水合物堵塞事故的发生。

图2、4示出了超声波检测主装置的装配方式。换能器密封圈6安装在第一超声波发生换能器3、第二超声波发生换能器5、第二超声波接收换能器10、第一超声波接收换能器11的下端(即靠近支撑腔体的通道的一侧)的密封圈槽内，每个超声波换能器上装有两个换能器密封圈，换能器密封圈的作用是防止管道内流体通过换能器和超声波隔离套间的缝隙泄露，双层密封圈的作用是扶正超声波换能器。超声波隔离套安装在超声波换能器的外围，超声波隔离套的材料的是聚砜材料，超声波换能器外壳的材料是不锈钢，聚砜材料和不锈钢的声阻抗相差很大，超声波经过不锈钢和聚砜材料界面时，大部分超声波会被反射回来，如果没有超声波隔离套超声波会通过不锈钢支撑腔体从超声波发射换能器直接绕射到超声波接收换能器，导致声速和声衰减测量不准确。因此超声波隔离套的作用是防止超声波发射换能器发射的超声波通过支撑腔体直接绕射到超声波接收换能器，隔离超声波。隔离套密封圈7安装在超声波隔离套9下端(即靠近支撑腔体的通道的一侧)的密封圈内，是位于超声波隔离套和管壁之间，每个超声波隔离套上安装两个隔离套密封圈，隔离套封圈的作用是防止管道内流体通过隔离套和支撑腔体间的缝隙泄露，双层密封圈的作用是扶正超声波隔离套。装有超声波隔离套的超声波换能器被安装在支撑腔体侧面的圆孔里面，超声波换能器的顶部通过固定端盖固定。固定端盖周边设有法兰盘，法兰盘上有12个孔，支撑腔体上有12余之对应的盲孔，使用螺钉将固定端盖固定到支撑腔体上。超声波换能器的电缆线通过固定端盖上的换能器引线孔接出。

在进行检测时，将超声波检测主装置通过支撑腔体两侧的法兰安装到被检测管道上，将信号发生器与超声波发射传感器连接，将超声波接收传感器与数据采集装置连接，将数据采集系统和计算机连接。

声速和声衰减的采集过程为：使用信号发生器产生脉冲激励信号，并传给超声波发射换能器；超声发射换能器将接收到的激励信号转换成超声波，并向管道内发射；超声波发射换能器发射的超声波在管道流体内传播一定距离被超声波接收换能器接收；超声波接收换能器将接收到的管道内的超声波转成电信号，并传给数据采集装置；所述数据采集装置用于将接收到的模拟信号转换成数字信号，并传给计算机；所述计算机对接收到的超声波信号进行分析和计算，确定超声波信号的首波到达时间和振幅。

管道内流体的声速c，计算公式如下：

其中，x为发射换能器与接收换能器间的距离，t为接收到的超声波的首波到达时间。

管道内流体的声衰减系数α，计算公式为：

其中，U₀为超声波发射换能器发射的超声波信号的峰值电压，U₁为超声波接收换能器接收到的超声波信号的峰值电压。

确定管道中是否发生水合物堵塞的具体做法是：在实验室进行水合物堵塞循环管路测试时，将管道水合物堵塞监测装置安装在实验室的循环管道上，测得水合物生成前后不同过程中循环管道内流体的声速和衰减值，建立声速、声衰减与水合物生成状态的拟合关系式。在现场检测时，将管道水合物堵塞监测装置安装在现场管道上，再根据实测的现场管道内流体的声速与声衰减值，利用上述声速、声衰减与水合物生成状态的拟合关系式，获得管道水合物生成状态，从而能够判断管道内有没有发生水合物堵塞。当判断管道内有天然气水合物生成时，发出堵塞预警信号。

本发明选择声速和声衰减系数以声学特征监测水合物的生成，是由于管道内流体中生成水合物颗粒，在超声波传播到水合物颗粒表面时，会发生散射，入射的超声波的能量会减小。散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子的性质有关。生成的水合物量越多，对声波的散射也越大，造成的声衰减也越大。在一定颗粒范围内，声速随颗粒浓度增大而单调升高。在一定范围内，管道内流体的声速随着水合物生成量的增加而增加。声速和声衰减系数别常用来检测多相流中的颗粒浓度，在水合物发生堵塞之前，也是一颗粒的形式存在，用声速和声衰减系数能反映出水合物的生成量，因此选择声速和声衰减系数，并可以用于油气混输的管道。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。