CN106122773A - 一种油气管道焊缝泄漏监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油气管道焊缝泄漏监测装置，主要包括环形电极、绝缘隔离层、绝缘保护层、电容传感器、信号分时采集模块以及监控主机。其测量原理是：环形电极、绝缘隔离层、管道外壁三者形成圆筒型电容器，如果焊缝发生穿孔或出现裂纹引起泄漏，泄漏介质进入管道外壁和环形电极所形成的环形空间，改变绝缘介质的介电常数，从而使电容值发生突变。信号分时采集模块对各个焊缝处的电容值进行扫描，并同时记录当前焊缝的位置输入监控主机进行泄漏监测和定位。与现有技术相比，本发明具有适用范围广、结构简单、定位迅速、定位精度高、成本低廉、安全可靠等优点，具有广泛的应用前景。

Description

一种油气管道焊缝泄漏监测装置

技术领域:

本发明公开一种油气管道焊缝泄漏监测装置，尤其是用于输送油气的金属管道焊缝处因应力集中、腐蚀等所造成的穿孔、裂纹所引发的泄漏的监测预警和定位装置。

背景技术:

在石油化工行业中，管道运输作为输送石油天然气的一种重要方式，凭借其运量大、占地少、投资建设周期短、费用低、安全可靠等优点得到了广泛的应用。管道在焊接过程中通常会出现未焊透、气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷，焊缝是管道最薄弱环节，是发生泄漏高风险区。管道发生泄漏管内高压油气会进入环境，造成巨大的经济损失和环境污染，严重影响生产和危害公共安全。

国内外现有的管道泄漏检测方法主要有以下几种：

(1)负压波法：当管道发生泄漏事故时，泄露处立即发生物质损失，并引起局部密度减小，进而造成压力降低。由于管道内流体不能立即改变流速，会在泄漏处和其任一端流体之间产生压差。泄漏产生的减压波就称为负压波。设置在泄漏点两端的传感器根据压力信号的变化和泄漏产生的负压波传播到上、下游的时间差就可以确定泄漏位置。但该方法主要用于泄漏刚发生时预警，对于已经发生的稳定泄漏则无法检测和定位，另外对于微小泄漏检测难度很大。

(2)质量平衡法：在正常运行状态下，管道的输入和输出质量应该相等，泄漏必然产生质量差。质量平衡法是最基本的泄漏检测方法，可靠性高。由于管道泄漏定位算法对流量测量误差十分敏感，管道泄漏定位误差为流量测量误差的6～7倍，因此流量测量误差的减小可以显著提高管道泄漏检测的定位精度。质量平衡法适用于原油及成品油管道，在国内一般与压力波法联合使用。其缺点是：受限于仪表精度，不能准确定位。

(3)热红外成像法：利用泄漏液体对红外辐射的影响，通过与周围土壤的正常温度进行比较，从而达到检测目的。该方法适用于天然气管道泄漏检测，但这类方法不能对管道进行连续检测，实时性差且对管道的埋设深度有一定限制。

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出一种电容式泄漏监测装置，能够对管线焊缝进行实时监测并准确确定泄漏位置，从而为应急抢修提供科学准确的依据。

通过在金属管道焊缝等容易泄漏处的绝缘隔离层外加一层环形金属，使环形金属、防腐绝缘层、金属管道管壁三者形成电容。如果管道或防腐绝缘层发生泄漏，电容的电容值会随之发生明显变化，以此来判断管道的泄漏点。

发明内容：

本发明涉及一种油气管道焊缝泄漏监测装置，主要包括环形电极、绝缘隔离层、绝缘保护层、电容传感器、信号分时采集模块以及监控主机，待测金属管道的外壁沿焊缝均匀包覆有绝缘隔离层，绝缘隔离层的内表面与管道的外壁紧密接触，绝缘隔离层的外表面安装有环形电极，环形电极的外表面包覆有绝缘保护层，金属管道的管壁和环形电极分别通过导线与电容传感器相连接，电容传感器和信号分时采集模块相连，信号分时采集模块与监控主机相连。

所述的环形电极材质为易导电、耐腐蚀金属，宽度约为焊缝宽度的3～4倍。

所述的绝缘隔离层的材质为不导电多孔介质，其最佳厚度为0.5～5mm。

所述的绝缘保护层的材质为不导电、不渗透致密介质。

所述的信号分时采集模块主要由时序控制器、信号放大器、A/D转换器以及焊缝位置存储器组成。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)可以监测瞬时和连续泄漏；

(2)预警灵敏度高，可以监测出微小泄漏；

(3)定位精度高，定位误差小于5cm；

(4)适用范围广，可用于输气管路、输油管路以及气液混输管路的泄漏监测；

(5)装置组成简单，适用性强，操作方便。

附图说明：

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明电容测量原理图；

图3为本发明信号分时采集模块构成示意图；

图4为本发明泄漏监测原理示意图。

具体实施方式:

如图1所示，本发明涉及一种油气管道焊缝泄漏监测装置，主要包括环形电极1、绝缘隔离层2、绝缘保护层3、电容传感器4、信号分时采集模块5以及监控主机6，待测金属管道7的外壁沿焊缝8均匀包覆有绝缘隔离层2，绝缘隔离层2内表面与管道7外壁紧密接触，绝缘隔离层2外表面安装有环形电极1，环形电极1的外表面包覆有绝缘保护层3，金属管道7的管壁和环形电极1分别通过导线与电容传感器4相连接，电容传感器4和信号分时采集模块5相连，信号分时采集模块5与监控主机6相连。

如图1所示，所述的环形电极1的材质为易导电、耐腐蚀金属，宽度约为焊缝8宽度的3～4倍。

如图2所示，所述的绝缘隔离层2的材质为不导电多孔介质，其最佳厚度为1～5mm。绝缘隔离层2充满金属管道7的外壁和环形电极1所形成的环形空间，其作用是将管壁金属与环形电极1隔离，避免二者直接接触；另外，绝缘隔离层2由多孔介质组成，管内气相或液相流体泄漏后，会很快通过多孔介质在金属管道外表面和环形电极1所形成的环形空间内扩散。

如图2所示，所述的绝缘保护层3的材质为不导电致密绝缘介质，绝缘保护层3安装在环形电极1的外表面上，其作用是保护环形电极1不发生变形或其他损伤。

如图3所示，所述的信号分时采集模块5主要由时序控制器9、信号放大器10、A/D转换器11以及焊缝位置存储器12组成；时序控制器9主要用于对金属管道7所有焊缝8进行快速扫描，记录当前焊缝电容数据以及当前焊缝位置。

本发明工作原理说明如下：

如图1所示，环形电极1、绝缘隔离层2、金属管道7的管壁三者形成圆筒型电容器，其电容大小由下式计算：

$C=\frac{2\mathrm{\π}\mathrm{\ϵ}L}{ln(D_2/D_1)}---\left(1\right)$

式中，ε为绝缘介质的介电常数，L为环形电极板1的宽度，D₁为金属管道7的外径，D₂为环形电极1的内径。

当金属管道7和环形电极1结构固定后，由公式(1)可知，电容值主要取决于绝缘介质的介电常数ε；由于绝缘隔离层2很薄，只有0.5～5mm，由公式(1)可知，D₂与D₁的比值接近1，电容值对电常数ε的变化非常敏感，微小电常数ε变化就会引起电容值大幅改变。

如图3所示，为了能够实时在线进行管道多处位置的泄漏监测，采用分时采集模块5进行数据采集控制，采用高速模拟开关控制每个传感器与采集电路的通断，从而实现采集电路的分时复用功能；信号分时采集模块5对各个焊缝8处的电容值进行扫描，并同时记录当前焊缝的位置输入计算机进行分析处理；信号分时采集模块5中的时序控制器9用于连通当前电容传感器。信号放大器10用于放大电容信号，A/D转换器11用于将电容信号转化为数字信号，各个电容传感器对应的焊缝的地理坐标就记录储存在焊缝位置存储器12中；信号分时采集模块5将当前电容信号以及当前电容所在焊缝位置一并输入监控主机6进行分析处理。

具体运行过程为：在某一时刻，监控主机6向信号分时采集模块5发送采集指令，信号分时采集模块5通过时序控制器9控制电源开关和信号开关采集某一个电容传感器4测得的电容信号，并经过信号放大、A/D转换、记录下当前电容信号之后传输至监控主机6，与此同时，分时采集模块5也通过焊缝位置存储器12调取当前焊缝位置信息并与当前电容信号一起传送至监控主机6；下一时刻，监控主机6向信号分时采集模块5发送下一个采集指令，信号分时采集模块5通过时序控制器9控制电源开关和信号开关采集下一个焊缝对应的电容传感器4测得的信号，并经过信号放大、A/D转换、记录下下一个电容信号之后传输至监控主机6，与此同时，此时焊缝8位置信息与对应的电容信号一起传送至监控主机6；如此循环往复，便可实现对管道上所有电容传感器信号的分时采集；如果某个电容传感器4所在处管道发生泄漏，通过本发明便可实时在线确定泄漏位置。

如图4所示，如果焊缝8发生穿孔或出现裂纹，在管道内外差压作用下将发生介质泄漏，泄漏气、液相介质通过绝缘隔离层2的多孔介质材料在金属管道7外壁和环形电极1所形成的环形空间内扩散传播，改变绝缘介质的介电常数ε，从而使电容值发生突变；这种异常电容信号由电容传感器4测量后，通过信号分时采集模块5传送至监控主机6；监控主机6将当前焊缝所测电容信号与上一时刻电容信号进行对比，若发生显著变化，则可判断该焊缝处发生了介质泄漏；由于该焊缝所在地理坐标信息是已知的，应急救援力量可立即赶赴该焊缝处进行应急抢修。

由于泄漏气体、液体以及气液多相流均会引起介电常数的变化，因此本发明不但可用于输气管路和输油管路，还可用于油气混输管路焊缝泄漏的实时监测；与现有技术相比，本发明不需要复杂的信号处理，具有适用范围广，结构简单、定位迅速、定位精度高、成本低廉、安全可靠等优点，具有广泛的应用前景。

Claims (5)

1.一种油气管道焊缝泄漏监测装置，其特征在于：主要包括环形电极(1)、绝缘隔离层(2)、绝缘保护层(3)、电容传感器(4)、信号分时采集模块(5)以及监控主机(6)，待测金属管道(7)的外壁沿焊缝(8)均匀包覆有绝缘隔离层(2)，绝缘隔离层(2)的内表面与待测金属管道(7)的外壁紧密接触，绝缘隔离层(2)的外表面安装有环形电极(1)，环形电极(1)的外表面包覆有绝缘保护层(3)，金属管道(7)的管壁和环形电极(1)分别通过导线与电容传感器(4)相连接，电容传感器(4)和信号分时采集模块(5)相连，信号分时采集模块(5)与监控主机(6)相连。

2.根据权利要求1所述的一种油气管道焊缝泄漏监测装置，其特征在于：所述的环形电极(1)的材质为易导电、耐腐蚀金属，宽度约为焊缝(8)宽度的3～4倍。

3.根据权利要求1所述的一种油气管道焊缝泄漏监测装置，其特征在于：所述的绝缘隔离层(2)的材质为不导电多孔介质，其最佳厚度为0.5～5mm。

4.根据权利要求1所述的一种油气管道焊缝泄漏监测装置，其特征在于：所述的绝缘保护层3的材质为不导电、不渗透致密介质。

5.根据权利要求1所述的一种油气管道焊缝泄漏监测装置，其特征在于：所述的信号分时采集模块(5)主要由时序控制器(9)、信号放大器(10)、A/D转换器(11)以及焊缝位置存储器(12)组成。