CN111828775B - 一种输气管道滑油累积定位检测抽排方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于天然气管道安全维护领域，涉及针对于天然气管道滑油的沉积和附着位置、累积量的检测和抽排处理方法。其特征在于：由放置回收系统、管道机器人、后端控制系统组成整体系统；管道机器人负载有超声阵列、重力云台、多轴机械陀螺、行程计数器等检测设备组成的检测系统，以及能将滑油抽排的电控抽吸器；管道外有气液分离储存器对抽排出的滑油和天然气进行安全处理。本方法能够实现不停产的管道三维空间及滑油位置、沉积量、附着量的一次性检测和滑油的一次性安全处理。

Description

一种输气管道滑油累积定位检测抽排方法

技术领域

本发明属于天然气管道安全维护领域，涉及针对于天然气管道滑油的沉积和附着位置、累积量的检测和抽排处理方法。

背景技术

近年来，为适应需求，我国油气管网规模不断扩大，管道的建设施工及管理水平得到大幅度的提升。根据《中长期油气管网规划》，到2020年全国长输油气管网规模将达到16.9万km；到2025年，管网规模将达到24万km，截至2017年底，中国油气长输管道里程已达13.14万km，其中天然气管道约7.26万km，原油管道约3.09万km，成品油管道约2.79万km。

随着清洁能源战略的实施，我国天然气使用量逐年增高，天然气管线长度也在不断增加。部分管道已运行十多年，难免存在腐蚀和缺陷问题；同时，天然气的长距离传输需要进行增压，常见的增压设备包括注油润滑的往复式压缩机(以下简称压缩机)，注入压缩机的滑油一部分经过压缩机橇内的回流管线伴随被压缩的天然气进入压缩机入口涤气罐；一部分通过活塞杆气封进入污油收集罐；剩余的滑油则随被压缩的天然气进入下游管道、直至海管。滑油的沉积是以往检测未被重视的领域，滑油随天然气运输过程中会凝结并滞留于输气管道中，大量的滞留滑油会增加天然气阻力，严重影响天然输送安全。

目前在天然气管道滑油检测和处理领域，还未有针对性的系统检测处理方案。滑油进入天然气管道后因温度降低，一部分附着于管道内壁，一部分沉积于管道底部，造成管道内径减小。因此需要及时对这些管道进行滑油沉积和附着检测，明确滑油在管道内的形态、位置和累积程度，随后将其转移出管道，避免影响管道的正常使用和输送安全。

由于滑油存在于管道内，只能实行管道内检测。目前在管道内检测主要的方式有三种，分别是：漏磁检测，超声检测和涡流检测。由于滑油的沉积和附着改变的是管道内壁的厚度，滑油本身不导电的性质使漏磁检测和涡流检测对其无法有效检测。因此可选的方案是超声波检测，超声波检测是通过换能器发送和接收超声波的时间差来计算管壁附着厚度和沉积高度。但单个换能器无法覆盖整个管道内壁，无法确定滑油在管道内的累积状态；同时仅靠超声波检测无法确定沉积和附着在管道的具体位置。

通常检测设备需要通过搭载平台进入管道进行检测。常见的搭载平台有管道猪、履带式管道机器人、轮式管道机器人、智能球等。管道猪通常是依靠两端的气体压差移动，对生产影响大，不易控制速度和及时回收数据；智能球是将检测设备置于球内，将球置于管道内进行检测，不易控制且难以回收。在天然气管道内检测中所常见的履带式管道机器人，如江苏若博机器人科技有限公司的专利(专利号：CN105856235A、CN105856234A)所示，多为履带驱动的小车形式，在仪器居中性、运载稳定性和承载能力都不及轮式管道机器人。轮式管道机器人行走时位于管道中心，速度可控，是相对可靠的运载方案。

对管道内液体的排出和控制方面，主要有利用气体的本身减少液体沉积或者安装积液排除装置两种思路。第一种思路如以下两个专利(申请号：CN201610111812.2，CN201510386095.X)，一个是通过气体涡旋效应提升携液能力来减少沉积，该方案未从根本上减少天然气中的积液，且只能处理气体中的水；另一个是通过气举排除积液，该方案处理量小，且容易泄露污染环境。第二种思路如专利(申请号：CN201920883923.4)在进出气口之间安装排除装置，使积液在装置下部堆积，该方案破坏了管道整体性，处理量小，容易泄露造成污染。

信息传递方面，主要有有线传输，无线传输，嵌入式存储。无线传输不稳定，传输距离短；有线传输需要提供足够牵引力；嵌入式存储效率低，不易及时发现和解决问题。相应对应的控制方式就有采用有线或无线的人工控制或嵌入式的自动控制。无线传输稳定性不及有线，全自动控制安全性不及人工，人工控制效率不及自动控制。

因此，针对于长距离天然气管道滑油检测抽排方法要解决以下要点问题：

(1)检测方法要能确定滑油在管道内的具体位置以及沉积量与附着量；

(2)能够在不停产的情况下实现检测设备的安全进出和检测；

(3)控制方案要兼顾检测效率和安全性；

(4)要是实现对管道内滑油的有效排出和安全处置。

发明内容

为了摸清对长距离天然气管道滑油的累积状态和位置并有效处置，补充针对于长距离天然气管道滑油累积检测和处理方法的空白。本发明提出了一种输气管道滑油累积定位检测抽排方法，能够实现在不停产、兼顾效率与安全的条件下，实现对天然气管道的滑油的存在位置、沉积量和附着量一次性检测，并进行一次性抽排处理。

为了实现以上目的，所述一种输气管道滑油沉积定位检测抽排方法，包括以下主要步骤：

S1：放置回收系统将管道内空气排出，管道机器人进入被测管道；

S2：前端处理器控制管道机器人检测管道内壁滑油的沉积和附着；

S3：DSP前端处理器将空间实时坐标信息与沉积位置信息发送给后端控制主机；

S5：DSP前端处理器控制抽吸器，根据检测结果将滑油抽出管道；

S6：滑油抽排结束，管道机器人返回过程中进行二次抽排，并用工业CCD相机沿途检测滑油剩余情况，传送回后端控制主机。

所述放置回收系统阀组均为电控阀，受后端控制系统控制；其中阀3a、阀3c断电常关，阀3b、阀3d断电常开；当3b打开，出口天然气浓度超90％，3a才可打开。

所述系统排出管道内空气和放置管道机器人步骤为：

S11：后端控制主机命令阀3a关闭，阀3b，阀3c，阀3d打开，排出密封舱及管道内空气；

S12：天然气检测仪检测浓度达到设定值，阀3b关闭，阀3a打开；

S13：后端控制主机设定参数、启动管道机器人，机器人自主进入目标管道。

所述前端控制系统检测管道滑油累积，通过重力传感器确定重力方位，云台调整超声阵列使任意一颗超声波换能器朝向重力方向，并以此换能器建立阵列方向基准。

所述管道机器人检测滑油沉积量和附着量以及位置有以下步骤：

S21：DSP判定超声阵列基准方向与重力方向夹角是否小于设定值；

S22：启动超声阵列检测管道内壁；

S23：根据超声波发射和接收数据计算各个方向的滑油厚度；

S24：DSP根据各方向数据与阵列基准间的夹角判定滑油是沉积还是附着；

S25：工业CCD相机对输气管道进行拍照，利用照片对滑油沉积位置进行二次校正，以确定目标处确实存在滑油累积；

S26：DSP读取实时路程、方位角和倾斜角信息，计算实时三维坐标和确定滑油所在位置；

S27：将滑油信息以沉积方向为基准和三维坐标信息合成编码储存和回传。

重力云台具有在一定范围内维持和调整阵列基准的作用，重力传感器实时监测重力方向，由DSP处理器实时监测二者数据并对比；若DSP判定二者夹角超过15°，则命令驱动电机降速停止，通过重力云台调整阵列基准和重力方向一致后再重新开始检测。

所述管道内的滑油抽排有以下步骤：

S51：由DSP根据检测数据和行程数据判定抽吸器是否运动至滑油累积位置；

S52：若抽吸器(31)接近滑油所在位置，DSP处理器(23)控制驱动电机(17)减速使抽吸器接近滑油，到达后启动抽吸器(31)吸油，结束后关闭抽吸器(31)；

S53：当收到抽吸开始信号后，后端控制主机立即启动分离器，开始将天然气排出并点燃，同时储存滑油。

所述三维坐标检测方法为：绞车实测脐带缆进入长度和驱动轮行程计数器参数共同确定机器人实时位移，即行程数据；结合机械陀螺仪测得的油管方位和斜度，利用最小曲率法迭代计算出机器人实时三维空间坐标，测点更新距离为0.5米；结合滑油沉积检测结果确定滑油在三维空间中的位置。

前端控制器需要控制管道机器人的牵引力和牵引速度，实现管道机器人的在管道内的顺利行进和为检测系统提供合适的外部条件，所述前端控制器控制牵引力和牵引速度的方法是：DSP处理器通过给电源控制器指令，改变驱动电机和支撑电机的电压来调节驱动轮速度和支撑轮支撑力大小，从而实现对机器人速度和牵引力的控制。

本发明与现有方法相比，具有的优点有：

(1)能够实现输气管道不停产检测滑油；

(2)能够实现同时检测滑油的沉积量、附着量和具体位置；

(3)兼顾效率和安全性，同时具有多功能改造升级潜力

(4)能够在一次行程中多次抽排，并能有效探知和对比抽排效果。

附图说明

图1为本发明的系统整体图；

图2为本发明的管道检测机器人；

图3为本发明系统主要部件及控制关系图；

图4为本发明管道检测机器人整体运行流程图；

图5为本发明沉积检测模块检测流程图；

图6为本发明三维空间坐标计算流程图；

图7为本发明控制检测机器人牵引力牵引速度原理图。

图中标号表示：1-主管道；2-金属过滤网；3a～3d-电动阀；4-天然气检测仪；5-管道机器人；6-脐带缆；7-密封舱；8-旁路管线；9-I/O设备；10-后端控制主机；11-信号放大器；12-绞车传感器；13-绞车；14-气液分离储存器；15-超声阵列；16-重力云台；17-驱动电机；18-驱动轮；19-重力传感器；20-扶正器；21-万向节；22-多轴机械陀螺；23-DSP处理器(前端控制器)；24-行程计数器；25-支撑轮；26-支撑电机；27-数据存储模块；28-电源控制器；29-蓄电池；30-工业CCD照相机；31-抽吸器；32-脐带缆接头

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的效果有更加清楚的理解，现结合附图说明本发明的具体实施。

如图1，4所示，所述一种输气管道滑油沉积定位检测抽排方法，包括以下主要步骤：

S1：放置回收系统将管道内空气排出，管道机器人5进入被测管道；

S2：前端控制系统控制管道机器人5检测管道内壁滑油的沉积和附着；

S3：DSP前端处理器23将空间实时坐标信息与沉积位置信息发送给后端控制主机10；

S5：DSP前端处理器23控制抽吸器，根据检测结果将滑油抽出管道；

S6：滑油抽排结束，管道机器人5返回过程中进行二次抽排，并沿途检测滑油剩余情况，传送回后端控制主机10。

所述S1详细步骤为：

S11：后端控制主机10给出指令：阀3a关闭，阀3b，阀3c，阀3d打开，旁路管线8的天然气从阀3c进入密封舱7再进入管道机器所在管道，从阀3b出排出，以此通过天然气的不断注入将管道内原有空气排出；

S12：天然气检测仪4检实时监测出口天然气浓度，并将信息回传至后端控制主机10，当天然气浓度达到90％，达到设定值，后端控制主机10发出指令：阀3b关闭，阀3a打开；

S13：同时后端控制主机10设定管道检测相关参数，命令启动管道机器人5启动，管道机器人5自检完成后自行通过阀3a进入管道，并开始自动检测和回传数据。

所述管道机器人抽排管道内滑油运行步骤为：

S51：由DSP处理器23根据检测数据和行程数据判定抽吸器31是否运动至滑油累积位置；

S52：若抽吸器(31)接近滑油所在位置，DSP处理器(23)控制驱动电机(17)减速使抽吸器接近滑油，到达后启动抽吸器(31)吸油，结束后关闭抽吸器(31)；

S53：当收到抽吸开始信号后，后端控制主机10立即启动分离器14，开始将天然气排出并点燃，同时储存滑油。

如图2，3所示，所述超声阵列15自检时需要通过结合云台16和重力传感器19建立重力基准，具体方式是：DSP处理器23读取重力方向，通过重力云台16转动超声阵列15使阵列中任一颗超声波换能器正对重力方向，并以此换能器方向为超声阵列基准方向。

如图3，7所示，所述管道机器人5的运动和控制通过以下方式实现：支撑轮24和扶正器19实现管道机器人5始终处于管道中心，驱动轮18转动带动管道机器人5前进，管道机器人5利用万向节21的任意转动能力转弯。DSP处理器23通过给电源控制器28指令，按比例改变驱动电机17和支撑电机26的电压来调节驱动轮18速度和支撑轮25支撑力大小，从而实现对机器人5速度和牵引力的控制。

如图3所示，所述管道机器人5由脐带缆6供电，DSP控制器23协调控制整个管道机器人系统，具体是：DSP处理器23控制电源模块a5和运动模块a3，实现控制管道机器人23的行走速度和牵引力，为检测模块a1和抽排模块a2提供合适的运动条件；此外，DSP处理器23同时控制沉积检测模块a1、三维空间检测模块a2和抽排模块a4，调节合适的参数使三者配合工作实现在运动中检测和抽排。

如图4所示，当管道机器人5完成初始设置的检测抽排任务，管道机器人5停止，由前端控制系统10给出继续检测或返回指令。若命令返回，在返回过程中DSP处理器23协调控制抽吸器31对已检测出的滑油位置进行二次抽排。同时工业CCD相机30拍照检测滑油管道内壁剩余情况，并反馈回后端控制主机10，供控制人员判断是否需要再次抽排或者返回。

如图5所示，所述检测模块在DSP处理器23的控制下实现配合工作，得到滑油信息和三维信息后储存和回传，其具体步骤如下：

S21：DSP处理器23判定超声阵列15基准方向与重力方向夹角是否小于设定值；

S22：启动超声阵列15检测管道内壁；

S23：根据超声波发射和接收的数据计算各个方向的滑油厚度；

S24：DSP处理器23根据各方向数据与阵列基准间的夹角判定滑油是沉积还是附着；

S25：工业CCD相机30对输气管道进行拍照，利用照片对滑油沉积位置进行二次校正，以确定目标处确实存在滑油沉积；

S26：DSP处理器23读取实时路程、方位角和倾斜角信息，计算实时三维坐标和确定滑油所在位置；

S27：滑油信息以沉积方向为基准和三维坐标信息合成编码储存和回传。

所述S21判定基准方向与重力方向具体内容是：重力云台16具有在一定范围内维持和调整阵列基准的作用，重力传感器19实时监测重力方向，由DSP处理器23实时监测二者数据并对比；若DSP处理器23判定二者夹角超过15°，则命令驱动电机17降速停止，并加大重力云台16调整量，至阵列基准和重力方向满足要求再重新开始检测。

如图6所示，管道机器人三维坐标确定流程为：绞车传感器12实测脐带缆进入长度和驱动轮行程计数器24参数共同确定机器人实时位移，即行程数据；结合机械陀螺仪22测得的油管方位和斜度，利用最小曲率法迭代计算出机器人5实时三维空间坐标，测点更新距离为0.5米；结合滑油沉积检测结果确定滑油在三维空间中的位置。

Claims (8)

1.一种输气管道滑油累积定位检测抽排方法，包括以下步骤：

S1：放置回收系统将管道内空气排出，管道机器人(5)进入被测管道；

S2：DSP前端处理器(23)控制管道机器人(5)检测管道内壁滑油的沉积和附着；

所述S2： DSP前端处理器(23)控制管道机器人(5)检测管道内壁滑油的沉积和附着包括以下步骤：

S21：DSP前端处理器(23)判定超声阵列(15)基准方向与重力方向夹角是否小于设定值；

S22：启动超声阵列(15)检测管道内壁；

S23：根据超声波发射和接收数据计算各个方向的滑油厚度；

S24：DSP前端处理器(23)根据各方向数据与阵列基准间的夹角判定滑油是沉积还是附着；

S25：工业CCD相机(30)对输气管道进行拍照，利用照片对滑油沉积位置进行二次校正，以确定目标处确实存在滑油沉积；

S26：DSP前端处理器(23)读取实时路程、方位角和倾斜角信息，计算空间实时坐标信息和确定的滑油沉积位置信息；

S27：将滑油沉积位置信息以沉积方向为基准和空间实时坐标信息合成编码储存和回传；

S3：DSP前端处理器(23)将空间实时坐标信息与沉积位置信息发送给后端控制主机(10)；

S5：DSP前端处理器(23)控制抽吸器(31)，根据检测结果将滑油抽出管道；

S6：滑油抽排结束，管道机器人(5)返回过程中进行二次抽排，并通过工业CCD相机(30)沿途检测滑油剩余情况，传送回后端控制主机(10)。

2.根据权利要求1所述的一种输气管道滑油累积定位检测抽排方法，其特征在于：放置回收系统阀组均为电控阀组(3a-3d)，受后端控制主机(10)控制；其中阀3a、阀3c断电常关，阀3b、阀3d断电常开；当阀3b打开，出口天然气浓度超90％，阀3a才可打开。

3.根据权利要求1所述的一种输气管道滑油累积定位检测抽排方法，其特征在于：系统排出管道内空气和放置管道机器人(5)的步骤为：

S11：后端控制主机(10)命令阀3a关闭，阀3b，阀3c，阀3d打开，排出密封舱(7)及管道内空气；

S12：天然气检测仪(4)检测浓度达到设定值，阀3b关闭，阀3a打开；

S13：后端控制主机(10)设定参数、启动管道机器人(5)，机器人(5)自主进入目标管道。

4.根据权利要求1所述的一种输气管道滑油累积定位检测抽排方法，其特征在于：超声阵列(15)与重力传感器(19)均与DSP前端处理器(23)连接，DSP前端处理器(23)读取重力方向，通过重力云台(16)转动超声阵列(15)使阵列中任一颗超声波换能器正对重力方向，并以此为超声阵列(15)的基准方向。

5.根据权利要求1所述的一种输气管道滑油累积定位检测抽排方法，其特征在于：重力云台(16 )具有在一定范围内维持和调整阵列基准的作用，重力传感器(19)实时监测重力方向，由DSP前端处理器(23)实时监测二者数据并对比；若DSP前端处理器(23)判定二者夹角超过15°，则命令驱动电机(17 )降速停止，同时通过重力云台(16 )调整阵列基准和重力方向一致后再重新开始检测。

6.根据权利要求1所述的一种输气管道滑油累积定位检测抽排方法，其特征在于：管道内的滑油抽排有以下步骤：

S51：由DSP前端处理器(23)根据检测数据和行程数据判定抽吸器(31)是否运动至滑油累积位置；

S52：若抽吸器(31)接近滑油所在位置，DSP前端处理器(23)控制驱动电机(17)减速使抽吸器接近滑油，到达后启动抽吸器(31)吸油，结束后关闭抽吸器(31)；

S53：当收到抽吸开始信号后，后端控制主机(10)立即启动分离器(14)，开始将天然气排出并点燃，同时储存滑油。

7.根据权利要求1所述的一种输气管道滑油累积定位检测抽排方法，其特征在于：绞车传感器(12)实测脐带缆进入长度和驱动轮行程计数器(24)参数确定机器人实时位移，即行程数据；结合机械陀螺仪(22)测得的油管方位和斜度，利用最小曲率法迭代计算出机器人实时三维空间坐标，并结合滑油沉积检测结果确定滑油在三维空间中的位置，其中测点更新距离为0.5米。

8.根据权利要求1所述的一种输气管道滑油累积定位检测抽排方法，其特征在于：DSP前端处理器(23)通过控制电源控制器(28)，分别按比例调节分配给驱动电机(17)和支撑电机(26)的电压，控制驱动轮(18)转速和支撑轮(25)正压力，最终控制管道机器人牵引力和牵引速度。

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