CN109268544B - 一种自力式管线紧急截断装置及天然气管道测控安防系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自力式管线紧急截断装置及天然气管道测控安防系统，紧急截断装置包括连接在上游管线的高压短节以及连接在下游管线的球阀，高压短节通过电气控制阀组连接至二位六通换向装置，二位六通换向装置连接至高压气缸执行机构，所述高压气缸执行机构与球阀相连，用于控制球阀的开闭；系统包括沿输气管线铺设的光缆，光缆的端部连接至测温主机和测振主机，测温主机和测振主机的输出端连接至控制中心，控制中心的输出端通过数据线连接至设置在输气管线上的两个自力式管线紧急截断装置。本发明可实现风险提前预测、隐患提前预警、应急自动触发，维护维修及时等功能，从而达到保护天然气输气管线的目的。
Description
技术领域
本发明涉及天然气输气管线的安全运行领域，具体涉及一种自力式管线紧急截断装置及天然气管道测控安防系统。
背景技术
我国大量的天然气产区多在沙漠、荒原及群山峻岭之中，造成巡井及管理存在极大的困难，所需人工质高量大，成本逐年升高，天然气井数字化管理成为解决这一难题的大趋势。目前，现场安装的紧急截断装置虽然可以实现远程开关，但是需要电源和干净的控制气源，一旦失电失气，整个输气管线控制将完全瘫痪，无法起到保护输气管线的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自力式管线紧急截断装置及天然气管道测控安防系统，以解决现有技术的问题，本发明直接利用管道内气体作为控制气源，不仅在带电情况下可进行远程开关控制，也可在失电情况下，当管线压力在规定的下限值时自动截断，可实现风险提前预测、隐患提前预警、应急自动触发，维护维修及时等功能，从而达到保护天然气输气管线的目的。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种自力式管线紧急截断装置，包括连接在上游管线的高压短节以及连接在下游管线的球阀，高压短节通过电气控制阀组连接至二位六通换向装置，二位六通换向装置连接至高压气缸执行机构，所述高压气缸执行机构与球阀相连，用于控制球阀的开闭；
所述电气控制阀组包括阀块，阀块上设置有常开电磁阀以及与常开电磁阀并联的第一常闭电磁阀和第二常闭电磁阀，所述二位六通换向装置包括依次连接的弹簧外壳、传感器接头、执行器外壳以及复位盖，弹簧外壳中设置有换向弹簧，换向弹簧的端部通过弹簧下压柱连接至设置在传感器接头中的活塞杆，活塞杆的外侧套设有活塞杆密封套，活塞杆的端部连接至设置在执行器外壳中的执行器芯轴，执行器芯轴的端部连接至开关芯轴，传感器接头上设置有与常开电磁阀连接的管线压力监测接口，活塞杆、传感器接头的内壁以及活塞杆密封套之间形成与管线压力监测接口连通的第一环形间隙，执行器外壳的一侧设置有气缸连接出口、气缸连接进口以及手动出气口，执行器外壳的另一侧交错设置有气缸排气口、气缸进气口以及手动进气口，执行器芯轴上设有能够连通气缸连接出口和气缸排气口的第二环形间隙以及能够连通气缸连接进口和气缸进气口的第三环形间隙，开关芯轴上设有能够连通手动出气口和手动进气口的第四环形间隙，高压短节的气体一路连接至常开电磁阀，另一路通过阀块连接至手动进气口，所述气缸连接进口和手动出气口连通，所述气缸进气口和气缸排气口连接至高压气缸执行机构，复位盖上穿插设有复位杆。
进一步地，所述高压气缸执行机构包括缸体，缸体的中部设置有齿轮，齿轮的中心通过轴与球阀的阀芯相连，齿轮的两侧啮合有齿条，缸体的两端均设有弹簧座，齿条朝向弹簧座的一端连接有齿条座，且齿条座与弹簧座之间设置有气缸弹簧，弹簧座的外侧连接有气缸本体，气缸本体的自由端连接有缸盖，气缸本体中设置有活塞，活塞上连接有拉杆，拉杆的另一端穿过气缸本体及弹簧座，并通过锁紧螺母与齿条座固连，气缸本体上设置有气缸进出气口，且气缸进出气口通过同一管线分别连接至气缸进气口和气缸排气口。
进一步地，拉杆与气缸本体之间设有第一YX密封圈和O型密封圈，活塞与气缸本体之间设有第二YX密封圈。
进一步地，活塞杆与弹簧下压柱连接的一端与传感器接头的内壁之间设置有第三YX密封圈，活塞杆密封套和活塞杆之间设置有第一O型圈，活塞杆密封套和传感器接头的内壁之间设置有第二O型圈，执行器芯轴和执行器外壳之间设有若干第三O型圈。
进一步地，换向弹簧的另一端设置有弹簧调压板，弹簧调压板上有调节螺栓，且调节螺栓通过锁紧螺母穿插在弹簧外壳上。
进一步地，弹簧下压柱的外侧设有限位螺套，且限位螺套与传感器接头内壁通过螺纹连接。
进一步地，所述活塞杆通过限位销与执行器芯轴相连；复位杆的自由端连接有用于驱动复位杆的手动杆。
进一步地，高压短节与电气控制阀组之间的气路管件上依次设置有高压截止阀和过滤器。
进一步地，球阀上还连接有能够手动进行开闭的手动执行机构。
一种天然气管道测控安防系统，包括沿输气管线铺设的光缆，光缆的端部连接至测温主机和测振主机，测温主机和测振主机的输出端连接至控制中心，控制中心的输出端通过数据线连接至输气管线两端的自力式管线紧急截断装置，且控制中心的输出端通过数据线连接至自力式管线紧急截断装置的电气控制阀组。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的自力式管线紧急截断装置直接从连接在上游管线的高压短节接取一路气源，经过换向装置后进入气动执行机构气缸作为动力，使气缸活塞运动从而带动连接在下游管线的球阀打开或关闭，当管线流体压力低于换向弹簧设定弹簧力值时，活塞杆不能压缩换向弹簧，换向装置上的气缸连接出口和气缸排气口保持连通，气流排出气缸，则活塞拉动齿条运动，从而带动齿轮旋转关闭下部球阀，不仅在带电情况下可进行远程开关控制，也可在失电情况下，当管线压力在规定的下限值时自动截断，达到保护天然气输气管线的目的，另外高压气缸执行机构改变了气缸结构，可承受控制气源压力范围扩大为0.4-25兆帕，产品应用范围更加广泛。
本发明提供的自力式管线紧急截断装置无论何种方式关闭后只能通过操作换向装置上的手动杆复位或给手动进气口和气缸连接进口之间的电磁阀通电才可再次打开球阀。能更好的保护管线安全生产，不至于在装置关闭后由于管线压力恢复而自动打开球阀，当管线出现异常或检修需要主动关闭紧急截断装置时，给常开电磁阀以及和它并联的第一常闭电磁阀同时通电，则总气源被截断，气缸中的气体排出气缸，球阀关闭。
本发明通过沿输气管线铺设的光缆获取输气管线威胁类别和威胁位置的信号，在机房内放置测温主机和测振主机，对泄漏或可能的灾害进行预警，指导制定处置对策。在两端的集气站安装自力式管线紧急截断装置，分布式光纤监测发现险情，系统判断为重大险情时，第一时间就会指令自力式管线紧急截断装置截断险情位置上下游管线，然后进行事故应急处理服务。安排人员立即赶往监测到的险情位置，使用经长期技术积累，实践证明有效的抢险作业技术，帮助油田方面尽快回复正常生产。
附图说明
图1为本发明的天然气管道测控安防系统整体结构示意图；
图2为本发明的二位六通换向装置结构示意图；
图3为本发明的高压气缸执行机构结构示意图；
图4为本发明的自力式管线紧急截断装置结构示意图。
其中：1、调压螺钉；2、第一锁紧螺母；3、弹簧外壳；4、弹簧调压板；5、换向弹簧；6、弹簧下压柱；7、限位螺套；8、传感器接头；9、管线压力监测口；10、活塞杆密封套；11、限位销；12、活塞杆；13、执行器外壳；14、执行器芯轴；15、开关芯轴；16、复位盖；17、复位杆；18、手动杆；19、第三YX密封圈；20、第一O形圈；21、第二O形圈；22、第三O形圈；23、气缸连接出口；24、气缸连接进口；25、手动出气口；26、手动进气口；27、气缸进气口；28、气缸排气口；29、齿轮；30、齿条；31、缸体；32、弹簧座；33、气缸进出气口；34、气缸本体；35、缸盖；36、活塞；37、拉杆；38、第二锁紧螺母；39、气缸弹簧；40、O型密封圈；41、第一YX密封圈；42、第二YX密封圈；43、常开电磁阀；44、第一常闭电磁阀；45、第二常闭电磁阀；46、压力传感器；47、过滤器；48、高压截止阀；49、电气控制阀组；50、二位六通换向装置；51、高压气缸执行机构；52、气路管件；53、高压短节；54、手动执行机构；55、球阀；56、控制中心；57、数据线；58、测温主机；59、测振主机；60、光缆；61、输气管线；62、自力式管线紧急截断装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图2至图4，自力式管线紧急截断装置62包括连接在上游管线的高压短节53以及连接在下游管线的球阀55，高压短节53通过电气控制阀组49连接至二位六通换向装置50，二位六通换向装置50连接至高压气缸执行机构51，所述高压气缸执行机构51与球阀55相连，用于控制球阀55的开闭，高压短节53与电气控制阀组49之间的气路管件52上依次设置有高压截止阀48和过滤器47，球阀55上还连接有能够手动进行开闭的手动执行机构54；
所述电气控制阀组49包括阀块，阀块上设置有常开电磁阀43以及与常开电磁阀43并联的第一常闭电磁阀44和第二常闭电磁阀45，所述二位六通换向装置50包括依次连接的弹簧外壳3、传感器接头8、执行器外壳13以及复位盖16，弹簧外壳3中设置有换向弹簧5，换向弹簧5的一端设置有弹簧调压板4，弹簧调压板4上连接有调节螺栓1，且调节螺栓1通过第一锁紧螺母2穿插在弹簧外壳3上，换向弹簧5的另一端通过弹簧下压柱6连接至设置在传感器接头8中的活塞杆12，弹簧下压柱6的外侧设有限位螺套7，且限位螺套7与传感器接头8内壁通过螺纹连接，活塞杆12的外侧套设有活塞杆密封套10，活塞杆12的端部连接至设置在执行器外壳13中的执行器芯轴14，所述活塞杆12通过限位销11与执行器芯轴14相连，执行器芯轴14的端部有开关芯轴15，传感器接头8上设置有与常开电磁阀43连接的管线压力监测接口9，活塞杆12、传感器接头8的内壁以及活塞杆密封套10之间形成与管线压力监测接口9连通的第一环形间隙，执行器外壳13的一侧设置有气缸连接出口23、气缸连接进口24以及手动出气口25，执行器外壳13的另一侧交错设置有气缸排气口28、气缸进气口27以及手动进气口26，执行器芯轴14上设有能够连通气缸连接出口23和气缸排气口28的第二环形间隙以及能够连通气缸连接进口24和气缸进气口27的第三环形间隙，开关芯轴15上设有能够连通手动出气口25和手动进气口26的第四环形间隙，高压短节53的气体一路连接至常开电磁阀43，另一路通过阀块连接至手动进气口26，所述气缸连接进口24和手动出气口25连通，所述气缸进气口27和气缸排气口28连接至高压气缸执行机构51，复位盖16上穿插设有复位杆17，复位杆17的自由端连接有用于驱动复位杆17的手动杆18，活塞杆12与弹簧下压柱6连接的一端与传感器接头8的内壁之间设置有第三YX密封圈19，活塞杆密封套10和活塞杆12之间设置有第一O型圈20，活塞杆密封套10和传感器接头8的内壁之间设置有第二O型圈21，执行器芯轴14和执行器外壳13之间设有若干第三O型圈22。复位杆复位必须通过人工现场检修后才可敲击复位，避免现场特殊情况出现时因管线压力瞬间变化后紧急截断装置关闭，后续压力恢复正常，紧急截断装置自动复位恢复正常运行，导致隐患发生。复位后自力式管线紧急截断装置62进入电气、机械双重保护模式下正常运行。
所述高压气缸执行机构51包括缸体31，缸体31的中部设置有齿轮29，齿轮29的中心通过轴与球阀55的阀芯相连，齿轮29的两侧啮合有齿条30，缸体31的两端均设有弹簧座32，齿条30朝向弹簧座32的一端连接有齿条座，且齿条座与弹簧座32之间设置有气缸弹簧39，弹簧座32的外侧连接有气缸本体34，气缸本体34的自由端连接有缸盖35，气缸本体34中设置有活塞36，活塞36上连接有拉杆37，拉杆37的另一端穿过气缸本体34及弹簧座39，并通过第二锁紧螺母38与齿条座固连，气缸本体34上设置有气缸进出气口33，且气缸进出气口33通过同一管线连接至气缸进气口27和气缸排气口28，拉杆37与气缸本体34之间设有第一YX密封圈41和O型密封圈40，活塞36与气缸本体34之间设有第二YX密封圈42。采用本发明的设计结构,气动执行机构可承受控制气源压力范围为0.4-25兆帕。
参见图1，一种天然气管道测控安防系统，包括沿输气管线61铺设的光缆60以及测温主机58和测振主机59，检测主机内部集成脉冲激光发射器，光电转换模块等，测振主机59主要是通过光干涉产生的相位差来实现的，测温主机58主要是通过光的拉曼散热效应来实现，沿输气管线61铺设的光缆60直接连接至测振主机59和测温主机58，通过控制中心56软件计算光缆60的总长度并检测和计算测温主机58及测振主机59的光现象，在光缆60上等均的分布检测点来计算，目前是1米为一个监测点来实现输气管线61上光缆60的全程监控，控制中心56即为电脑。
通过对输气管线61上光缆60的全程监控，再由控制中心56通过数据线57向自力式管线紧急截断装置62上的电气控制阀组49发送高电频脉冲信号，控制输气管线61两端的自力式管线紧急截断装置62开关，来达到预警安防控制的效果。
下面对本发明的操作过程做详细描述：
自力式管线紧急截断装置62的高压短节53连接输气管线的上游管线，球阀55连接输气管线下游管线。从高压短节53上外接的管路气体通过高压截止阀48、过滤器47、气路管件52进入电气控制阀组49后分两路，一路气体通过常开电磁阀43直接作用在二位六通换向装置50的管线压力监测口9上，实时检测管线压力，另一路作用在手动进气口26上，气缸连接进口24和手动出气口25是常通的，当管线压力高于换向弹簧5设定弹簧力值时推动活塞杆12压缩换向弹簧5，此时二位六通换向装置50上的气缸连接进口24和气缸进气口27接通，气缸连接出口23和气缸排气口28截止，操作手动杆18可使手动进气口26和手动出气口25连通，则气流通过气缸进气口27进入气缸本体34推动活塞36向外运动，拉动齿条30运动，从而带动齿轮29旋转打开下部球阀55；也可通过打开安装在手动进气口26和气缸连接进口24之间的第二常闭电磁阀45，使气流进入气缸本体34打开球阀55。
当管线压力低于换向弹簧5设定弹簧力值时，活塞杆12不能压缩换向弹簧5，二位六通换向装置50上的气缸连接出口23和气缸排气口28保持连通，气缸连接进口24和气缸进气口27截止，气流通过气缸排气口28由气缸连接出口23排出气缸，用管线引至安全区域排放处理，则活塞36向内运动，拉动齿条30运动，从而带动齿轮29旋转关闭下部球阀55。
当管线出现异常或检修需要主动关闭球阀55时，给常开电磁阀43以及和它并联的第一常闭电磁阀44同时通电，则总气源被截断，气缸中的气体通过被通电打开的第一常闭电磁阀44排出气缸，用管线引至安全区域排放处理，球阀55失气关闭，关闭后只能通过手动杆18复位或给手动进气口26和气缸连接进口24之间的第二常闭电磁阀45通电才可再次打开球阀55。
本发明系统通过沿管道铺设的光缆60获取输气管线威胁类别和威胁位置的信号，在机房内放置测温主机58和测振主机59，对泄漏或可能的灾害进行预警，指导制定处置对策。在两端的集气站安装自力式管线紧急截断装置62，分布式光纤监测发现险情，系统判断为重大险情时，第一时间就会指令自力式管线紧急截断装置截断险情位置上下游管线，然后进行事故应急处理服务。安排人员立即赶往监测到的险情位置，使用经长期技术积累，实践证明有效的抢险作业技术，帮助油田方面尽快回复正常生产。
天然气管道测控安防系统采用分布式光纤监测技术，由一根伴随管线敷设的通讯光缆监控一条管道，监测输气管线温度和振动。其中，利用分布式光纤测温系统对管线进行泄漏监测；利用分布式光纤测振系统对管线线路环境状况进行监测，实现对管线外部威胁情况的监测。
分布式光纤测温系统，根据气态方程pV＝nRT，当管线泄露出天然气时泄漏位置的局部环境将发生失温，局部温度的变化会影响光在光纤内部传播时的散射情况(拉曼散射)，通过监测解调仪检测出具体发生变化的部位和程度，通过数据库和分析软件对比，即可得出是否发生了泄漏事故，事故点在什么位置，该方法可实现实时监测，精确定位(0.5～2m)。
分布式光纤测振系统利用光纤受到外界扰动，光干涉现象中的参量将发生变化的原理，检测一条数十千米的管线的环境振动变化，空间采样间隔仅1m，检测周期达秒级。而且多点多事件同时监测，且互不影响。
系统在整条天然气管道区间可能探测到多种不同的振动事件，通过建立威胁数据库，对常见的干扰和机械侵害等破坏性事件进行有效分类和识别预警，并对非破坏性振动事件进行屏蔽和滤除，可提高振动安全预警的准确率。
当管线压力急剧变化或流量急剧变化(一般为泄漏或重大事故)时，自力式管线紧急截断装置的机械机构和电气系统均可截断管线，将事故管段隔离，防止事故扩大化。
当管线发生微漏或有人为施工可能会威胁到管线安全时，分布式光纤监测系统将检测出的威胁信号上传各级报警平台，申请人工干预，如人工处理不了，则可启动自力式管线紧急截断装置，隔离事故管段，防止事故扩大化。
天然气管道在线智能测控安防系统将大量应用过的成熟技术有机融合，并添加适合我们工程的智能数据库和处理平台，解决以往各先进技术各自成型、独立先进的问题。集合各先进技术的优势，发挥出1+1＞2的功效，成为管线安全防护的新技术。
Claims (9)
1.一种自力式管线紧急截断装置，其特征在于，包括连接在上游管线的高压短节(53)以及连接在下游管线的球阀(55)，高压短节(53)通过电气控制阀组(49)连接至二位六通换向装置(50)，二位六通换向装置(50)连接至高压气缸执行机构(51)，所述高压气缸执行机构(51)与球阀(55)相连，用于控制球阀(55)的开闭；
所述电气控制阀组(49)包括阀块，阀块上设置有常开电磁阀(43)以及与常开电磁阀(43)并联的第一常闭电磁阀(44)和第二常闭电磁阀(45)，所述二位六通换向装置(50)包括依次连接的弹簧外壳(3)、传感器接头(8)、执行器外壳(13)以及复位盖(16)，弹簧外壳(3)中设置有换向弹簧(5)，换向弹簧(5)的端部通过弹簧下压柱(6)连接至设置在传感器接头(8)中的活塞杆(12)，活塞杆(12)的外侧套设有活塞杆密封套(10)，活塞杆(12)的端部连接至设置在执行器外壳(13)中的执行器芯轴(14)，执行器芯轴(14)的端部连接至开关芯轴(15)，传感器接头(8)上设置有与常开电磁阀(43)连接的管线压力监测接口(9)，活塞杆(12)、传感器接头(8)的内壁以及活塞杆密封套(10)之间形成与管线压力监测接口(9)连通的第一环形间隙，执行器外壳(13)的一侧设置有气缸连接出口(23)、气缸连接进口(24)以及手动出气口(25)，执行器外壳(13)的另一侧交错设置有气缸排气口(28)、气缸进气口(27)以及手动进气口(26)，执行器芯轴(14)上设有能够连通气缸连接出口(23)和气缸排气口(28)的第二环形间隙以及能够连通气缸连接进口(24)和气缸进气口(27)的第三环形间隙，开关芯轴(15)上设有能够连通手动出气口(25)和手动进气口(26)的第四环形间隙，高压短节(53)的气体一路连接至常开电磁阀(43)，另一路通过阀块连接至手动进气口(26)，所述气缸连接进口(24)和手动出气口(25)连通，所述气缸进气口(27)和气缸排气口(28)连接至高压气缸执行机构(51)，复位盖(16)上穿插设有复位杆(17)；
所述活塞杆(12)通过限位销(11)与执行器芯轴(14)相连；复位杆(17)的自由端连接有用于驱动复位杆(17)的手动杆(18)。
2.根据权利要求1所述的一种自力式管线紧急截断装置，其特征在于，所述高压气缸执行机构(51)包括缸体(31)，缸体(31)的中部设置有齿轮(29)，齿轮(29)的中心通过轴与球阀(55)的阀芯相连，齿轮(29)的两侧啮合有齿条(30)，缸体(31)的两端均设有弹簧座(32)，齿条(30)朝向弹簧座(32)的一端连接有齿条座，且齿条座与弹簧座(32)之间设置有气缸弹簧(39)，弹簧座(32)的外侧连接有气缸本体(34)，气缸本体(34)的自由端连接有缸盖(35)，气缸本体(34)中设置有活塞(36)，活塞(36)上连接有拉杆(37)，拉杆(37)的另一端穿过气缸本体(34)及弹簧座(32)，并通过第二锁紧螺母(38)与齿条座固连，气缸本体(34)上设置有气缸进出气口(33)，且气缸进出气口(33)通过同一管线分别连接至气缸进气口(27)和气缸排气口(28)。
3.根据权利要求2所述的一种自力式管线紧急截断装置，其特征在于，拉杆(37)与气缸本体(34)之间设有第一YX密封圈(41)和O型密封圈(40)，活塞(36)与气缸本体(34)之间设有第二YX密封圈(42)。
4.根据权利要求3所述的一种自力式管线紧急截断装置，其特征在于，活塞杆(12)与弹簧下压柱(6)连接的一端与传感器接头(8)的内壁之间设置有第三YX密封圈(19)，活塞杆密封套(10)和活塞杆(12)之间设置有第一O型圈(20)，活塞杆密封套(10)和传感器接头(8)的内壁之间设置有第二O型圈(21)，执行器芯轴(14)和执行器外壳(13)之间设有若干第三O型圈(22)。
5.根据权利要求1所述的一种自力式管线紧急截断装置，其特征在于，换向弹簧(5)的另一端设置有弹簧调压板(4)，弹簧调压板(4)上有调节螺栓(1)，且调节螺栓(1)通过第一锁紧螺母(2)穿插在弹簧外壳(3)上。
6.根据权利要求1所述的一种自力式管线紧急截断装置，其特征在于，弹簧下压柱(6)的外侧设有限位螺套(7)，且限位螺套(7)与传感器接头(8)内壁通过螺纹连接。
7.根据权利要求1所述的一种自力式管线紧急截断装置，其特征在于，高压短节(53)与电气控制阀组(49)之间的气路管件(52)上依次设置有高压截止阀(48)和过滤器(47)。
8.根据权利要求1所述的一种自力式管线紧急截断装置，其特征在于，球阀(55)上还连接有能够手动进行开闭的手动执行机构(54)。
9.一种基于权利要求1至8任一项所述的自力式管线紧急截断装置的天然气管道测控安防系统，其特征在于，包括沿输气管线(61)铺设的光缆(60)，光缆(60)的端部连接至测温主机(58)和测振主机(59)，测温主机(58)和测振主机(59)的输出端连接至控制中心(56)，控制中心(56)的输出端通过数据线(57)连接至输气管线(61)两端的自力式管线紧急截断装置(62)，且控制中心(56)的输出端通过数据线(57)连接至自力式管线紧急截断装置(62)的电气控制阀组(49)。
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