專利名稱：一種天然氣管道積液測(cè)量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于液位測(cè)量領(lǐng)域，主要涉及對(duì)密閉容器內(nèi)液位進(jìn)行測(cè)量的一種方法和裝 置，尤其涉及對(duì)天然氣管道內(nèi)部積液高度進(jìn)行測(cè)量的一種方法和裝置。
背景技術(shù)：
天然氣管道在一定條件下會(huì)產(chǎn)生積液，積液占據(jù)一部分管道截面，減小了氣體的 有效輸送截面積，導(dǎo)致管輸效率降低，在一定溫度條件下還有可能會(huì)形成水合物，造成冰堵 事故。對(duì)于高含硫和二氧化碳的氣體集輸管道，積液的存在還會(huì)加速管線腐蝕，造成管線穿 孔，引發(fā)泄漏，甚至導(dǎo)致中毒事故。定期清管是減少管內(nèi)積液的有效和通常采用的方法，而 確定清管周期和制定清管方案，需要知道管內(nèi)積液的多少，即需要對(duì)管內(nèi)積液量進(jìn)行測(cè)量。
快關(guān)閥法是測(cè)量管道積液的最常用的方法，其原理是在測(cè)量管段前后兩端各安裝 一個(gè)快關(guān)閥門(mén)，流動(dòng)穩(wěn)定時(shí)，迅速關(guān)閉閥門(mén)，通過(guò)排出封閉在管道中的液體并測(cè)量其體積來(lái) 確定積液的多少。采用快關(guān)閥法時(shí)需要對(duì)現(xiàn)有管道進(jìn)行改造，在被測(cè)管道上布置快關(guān)閥門(mén)， 測(cè)量時(shí)需要切斷系統(tǒng)，影響管道正常生產(chǎn)。中國(guó)發(fā)明專利CN100434906C公開(kāi)了一種電導(dǎo)探 針測(cè)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)液相含量的實(shí)時(shí)測(cè)量。但探針需要布置在管道內(nèi)部，為介入式 測(cè)量方法，會(huì)阻礙正常清管作業(yè)時(shí)清管球的通過(guò)，此外，電導(dǎo)探針測(cè)量方法還要求被測(cè)管段 的管壁為不導(dǎo)電的絕緣材料。因此電導(dǎo)探針?lè)椒ㄒ矡o(wú)法滿足正在運(yùn)行的天然氣集輸管線內(nèi) 部積液測(cè)量要求。中國(guó)發(fā)明專利CN1155809C公開(kāi)了一種采用伽馬射線測(cè)量管道積液量技 術(shù)。射線方法不足之處在于射線在鋼制管壁中衰減劇烈，需要對(duì)管線開(kāi)孔以布置射線源 倉(cāng)，不能對(duì)已建好的集輸管線積液量進(jìn)行非介入式檢測(cè)，此外，該類方法還存在輻射風(fēng)險(xiǎn)。超聲波廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)罐等密閉容器液位的檢測(cè)，傳統(tǒng)超聲液位液位測(cè)量方法工作 原理是采用時(shí)差法，由超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，在介質(zhì)中傳播，遇到氣液界面后被反 射，由接收探頭接收反射回波。利用超聲波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間和超聲波聲速計(jì)算其傳播 距離，從而得到液位高度。當(dāng)容器內(nèi)溫度、壓力發(fā)生變化，或容器內(nèi)氣液相介質(zhì)組分改變時(shí)， 聲速也將發(fā)生變化，很難保證液位測(cè)量精度。中國(guó)發(fā)明專利100434906C公開(kāi)了一種自校正 式超聲波液位測(cè)量裝置，為進(jìn)行聲速校正需要在被測(cè)容器內(nèi)部安裝一固定反射環(huán)，并非真 正意義上的非介入式測(cè)量方法。天然氣管道壓力高、輸送介質(zhì)易燃易爆，高含硫天然氣還有劇毒，為保證安全，杜 絕介質(zhì)泄漏隱患，要求采用的積液測(cè)量方法不能改變現(xiàn)有管線結(jié)構(gòu)，只能在管外壁進(jìn)行非 介入式測(cè)量。綜上所述，現(xiàn)有管道積液測(cè)量技術(shù)，通常為介入式測(cè)量方法，需要對(duì)現(xiàn)有管道 進(jìn)行改造，無(wú)法滿足正在運(yùn)行的天然氣管線積液檢測(cè)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明的目的在于提出一種基于超聲波的 非介入式管道積液監(jiān)測(cè)裝置和方法，無(wú)需聲速校正，不受管道內(nèi)氣液相組分以及溫度、壓力 等參數(shù)影響，且不改變現(xiàn)有管路結(jié)構(gòu)，在管外壁采用單個(gè)超聲探頭即可實(shí)現(xiàn)對(duì)管內(nèi)積液高度的快速測(cè)量。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種天然氣管道積液監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟(1)在待測(cè)管道外壁布置同時(shí)具有發(fā)送和接受超聲信號(hào)功能的超聲探頭，將超聲 波探頭置于被測(cè)管線管外壁最底部或最頂部；(2)采集由超聲探頭發(fā)射的超聲波在管內(nèi)介質(zhì)和管壁界面處反射的回波信號(hào)；(3)采用積液監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)對(duì)采集的回波信號(hào)進(jìn)行特征識(shí)別，根據(jù)其波形特征判斷 當(dāng)前超聲探頭所在位置處與管道內(nèi)壁接觸的是氣體還是液體；(4)在管外壁沿周向方向以順時(shí)針或逆時(shí)針移動(dòng)超聲探頭的測(cè)量位置，直至觀察 到反射回波特征發(fā)生突變，此時(shí)將超聲探頭位置向與前期相反的方向微調(diào)，直至準(zhǔn)確找到 回波發(fā)生突變點(diǎn)；(5)記錄超聲探頭當(dāng)前位置的周向角； (6)根據(jù)周向角度和被測(cè)管道內(nèi)徑，由幾何關(guān)系計(jì)算積液高度。超聲探頭發(fā)射一束超聲波由管外壁垂直入射后，在介質(zhì)與管內(nèi)壁的接觸處將會(huì)發(fā) 生透射與反射。氣液界面以上是管壁和氣相接觸，氣液界面以下管壁和液相接觸。氣相和 液相兩種介質(zhì)的特性不同，發(fā)生反射和透射的能量差異很大。當(dāng)管內(nèi)積液位置高于測(cè)量點(diǎn) 時(shí)，由于管壁/液體界面透射作用強(qiáng)，聲能在分界面處有一部分被透射入液體中，而當(dāng)管內(nèi) 氣液界面低于測(cè)量點(diǎn)時(shí)，由于管壁/氣體界面透射作用弱，透射入氣體中的超聲波能量很 小，幾乎全部被反射。根據(jù)超聲探頭接收到的反射回波的幅值特征，可判斷探頭所在位置是 在氣液界面以上還是在氣液界面以下。通過(guò)在管外壁沿周向方向逐步調(diào)整超聲探頭的測(cè)量 位置，捕捉根據(jù)氣液界面上反射回波的特性發(fā)生突變的位置，此即氣液界面位置。記錄當(dāng)前 超聲探頭所在位置的周向角α，由于被測(cè)金屬管道內(nèi)徑d已知，根據(jù)幾何關(guān)系很容易確定 出積液高度h的大小。為實(shí)施本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的積液測(cè)量裝置，包括超聲探頭，周向角度尺，積液監(jiān)測(cè)計(jì) 算機(jī)，周向角度尺呈圓筒狀緊貼被測(cè)管道外壁布置，超聲探頭在移動(dòng)測(cè)量過(guò)程中緊貼角度 尺外緣，且保持與管壁垂直，內(nèi)壁處反射的回波信號(hào)由信號(hào)線傳遞到積液監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)上顯
7J\ ο超聲探頭同時(shí)具有發(fā)射超聲波和接受超聲波的功能，探頭超聲耦合在管道外壁， 測(cè)量過(guò)程可在管道外壁沿周向方向順時(shí)針或逆時(shí)針移動(dòng)。周向角度尺布置在被測(cè)管道外壁上，其上刻度均勻分布，被測(cè)管線最底部對(duì)應(yīng)的 周向角度為0°，最頂部對(duì)應(yīng)的周向角度為180°。積液監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)主要功能是對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行顯示、識(shí)別和報(bào)警，當(dāng)回波特征 發(fā)生突變時(shí)，進(jìn)行報(bào)警提示。本發(fā)明與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下特點(diǎn)(1)為非介入式積液測(cè)量方法，無(wú)需在管壁上開(kāi)孔，不會(huì)對(duì)管線強(qiáng)度造成破壞，無(wú) 泄漏風(fēng)險(xiǎn)，尤其適合輸送腐蝕性、有毒性介質(zhì)管線內(nèi)部積液監(jiān)測(cè)；(2)不受管道內(nèi)氣液相介質(zhì)的組成，以及溫度、壓力等參數(shù)影響，無(wú)需進(jìn)行聲速校 正；(3)只需測(cè)量金屬管壁與內(nèi)部介質(zhì)形成的界面上的回波信號(hào)，所需能量微小，不會(huì) 引發(fā)安全問(wèn)題，防爆性能好；
(4)測(cè)量探頭不與流體接觸，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)壓力損失，測(cè)量探頭不會(huì)發(fā)生磨損，基 本無(wú)需更換、維護(hù)；(5)不影響管線清管等正常作業(yè)。


圖1是本發(fā)明的積液測(cè)量裝置示意圖；圖2是本發(fā)明的反射回波特征對(duì)比圖；圖3是本發(fā)明的周向角度尺展開(kāi)示意圖；圖4是本發(fā)明的積液測(cè)量過(guò)程示意圖；圖5是本發(fā)明的積液高度計(jì)算原理圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的提出的方法原理和裝置結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。參見(jiàn)圖1，本發(fā)明提出的積液監(jiān)測(cè)裝置主要包括超聲探頭2，周向角度尺3，信號(hào)線 4、積液監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)5。本發(fā)明提出的超聲探頭2耦合在被測(cè)管道1的管外壁上，超聲探頭同 時(shí)具有發(fā)射和接受超聲信號(hào)的功能。超聲探頭2在管外向管內(nèi)垂直發(fā)射高頻超聲波。超聲 波在管內(nèi)壁與內(nèi)部介質(zhì)界面處發(fā)生反射，反射回來(lái)的回波信號(hào)重新被超聲探頭接收。超聲 探頭2末端通過(guò)信號(hào)線4與積液監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)5相連，將管內(nèi)壁處反射的回波信號(hào)傳遞到積 液監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)上5進(jìn)行顯示。根據(jù)聲學(xué)原理，當(dāng)超聲波到達(dá)兩種不同物質(zhì)的分界面時(shí)，部分能量反射回原來(lái)介 質(zhì)中，其余能量進(jìn)入第二種介質(zhì)，兩介質(zhì)聲阻抗相差越小，則從第一種介質(zhì)穿透到第二種介 質(zhì)那部分能量就越大，反之，聲阻抗差別很大時(shí)，幾乎全部入射能都在界面上發(fā)生反射。與 管內(nèi)壁接觸的介質(zhì)不同，則此處反射回波的特征也有很大差別。金屬管壁材料為鋼時(shí)，鋼制 管壁到水的聲透射率為9. 7 X 10_2，而管壁到空氣中的透射率僅為1. 997X10_5。參見(jiàn)圖2，6為管內(nèi)壁和氣相接觸時(shí)界面反射回波曲線，7為管內(nèi)壁和液相接觸時(shí) 界面反射回波曲線。管道內(nèi)氣體和液體在重力作用下分層，上部為氣體空間，下部為液體空 間。探頭所在某一位置處，若是氣體與管內(nèi)壁接觸，則由于絕大部分超聲信號(hào)被反射，從新 被超聲探頭2接收的超聲波衰減程度較低，回波信號(hào)波幅較大，而當(dāng)探頭所在位置處若是 液體與管內(nèi)壁接觸，由于一部分超聲能量在發(fā)生了透射，進(jìn)入液相，因此超聲探頭1接收到 的能量相對(duì)較小，回波信號(hào)波幅也相對(duì)較小。反射回波信號(hào)由積液監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)5采集并實(shí) 時(shí)顯示。通過(guò)積液監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)5上顯示反射回波的特征，可以判斷超聲探頭所在位置處管 內(nèi)壁接觸的介質(zhì)是氣體還是液體。超聲探頭2在測(cè)量中的實(shí)時(shí)位置由周向角度尺3測(cè)量。圖3為周向角度尺3展開(kāi)示意圖。周向角度尺展開(kāi)后為矩形，其四個(gè)頂點(diǎn)分別為 A、B、C、D。矩形寬為W= 2cm，長(zhǎng)度L = π D，D為待測(cè)管道1的外徑。周向角度尺上布置有 均勻分布的刻度，周向角度范圍是0-360°。周向角度尺3最頂部和最底部所指示的角度均 為0°，中間所指示的角度為180°。在測(cè)量過(guò)程中，周向角度尺呈圓筒狀緊貼在被測(cè)管道 1的外壁上，見(jiàn)圖1。周向角度尺的四個(gè)頂點(diǎn)中，A點(diǎn)和C點(diǎn)重合，B點(diǎn)和D點(diǎn)重合，且AB線 位于管線最底部。根據(jù)以上布置方式，管線最底部對(duì)應(yīng)的周向角度為0°，最頂部周向角度 為 180° 。
積液監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)5具有超聲回波信號(hào)顯示、回波信號(hào)識(shí)別以及報(bào)警三大功能?；?波信號(hào)顯示當(dāng)前位置超聲回波信號(hào)和前一測(cè)量位置超聲回波信號(hào)，并通過(guò)內(nèi)置程序?qū)苫?波信號(hào)特征進(jìn)行識(shí)別，若當(dāng)前回波信號(hào)與前一位置所產(chǎn)生的回波特征發(fā)生了突變，則進(jìn)行 報(bào)警提示。圖4為積液測(cè)量過(guò)程示意圖。測(cè)量時(shí)，超聲探頭2布置在被測(cè)管道1的外壁8上。 首先將超聲探頭置于管線最底部，以逆時(shí)針?lè)较驈墓芡獗诘撞垦刂苤芟蚬茼敳恳苿?dòng)；或 首先將超聲探頭2置于被測(cè)管道1外壁最頂部，以順針?lè)较驈墓芡獗诘撞垦刂苤芟蚬艿?部測(cè)量。超聲探頭2在沿管外壁8緩慢移動(dòng)過(guò)程中，在管內(nèi)壁9所產(chǎn)生的反射回波信號(hào)，由 信號(hào)線4傳遞到積液監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)5，通過(guò)積液監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)5時(shí)時(shí)顯示界面回波信號(hào)特征。若 在移動(dòng)過(guò)程中觀察到反射回波特征發(fā)生了突變，此時(shí)將超聲探頭位置向與前期相反的方向 微調(diào)，直至準(zhǔn)確找到回波發(fā)生突變點(diǎn)。此時(shí)探頭2所在位置處即對(duì)應(yīng)管內(nèi)氣液界面10。通 過(guò)周向角度尺3記錄超聲探頭2此時(shí)的周向角度α。確定氣液界面位置后，積液高度的計(jì)算方法參見(jiàn)圖5。被測(cè)金屬管內(nèi)徑為d，氣液 界面10處對(duì)應(yīng)的周向角為α，根據(jù)幾何關(guān)系可以確定出管內(nèi)積液高度(氣液界面距離管內(nèi) 壁底部距離)h:
權(quán)利要求
一種天然氣管道積液測(cè)量方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在待測(cè)管道外壁布置一個(gè)同時(shí)具有發(fā)送和接受超聲信號(hào)功能的超聲探頭，將超聲波探頭置于被測(cè)管線外壁最底部或最頂部；(2)采集由超聲探頭發(fā)射的超聲波在管內(nèi)介質(zhì)和管內(nèi)壁接觸處所反射的回波信號(hào)；(3)采用積液監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)對(duì)采集的回波信號(hào)進(jìn)行特征識(shí)別，根據(jù)其波形特征判斷當(dāng)前超聲探頭所在位置處與管道內(nèi)壁接觸的是氣體還是液體；(4)在管外壁沿周向方向移動(dòng)超聲探頭4的測(cè)量位置，直至觀察到反射回波特征發(fā)生突變，此時(shí)將超聲探頭位置向與前期相反的方向微調(diào)，直至準(zhǔn)確找到回波發(fā)生突變點(diǎn)；(5)記錄當(dāng)前超聲探頭周向角度；(6)根據(jù)周向角度和被測(cè)管道內(nèi)徑，計(jì)算積液高度。
2.一種天然氣管道積液測(cè)量裝置，其特征在于包括超聲探頭，周向角度尺，積液監(jiān)測(cè) 計(jì)算機(jī)，周向角度尺布置在被測(cè)管道外壁上，超聲探頭在移動(dòng)測(cè)量過(guò)程中緊貼角度尺外緣， 且保持與管壁垂直，管內(nèi)壁處反射的回波信號(hào)由信號(hào)線傳遞到積液監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)上顯示。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲探頭，其特征在于探頭超聲耦合在管道外壁，測(cè)量 過(guò)程可在管道外壁沿周向方向順時(shí)針或逆時(shí)針移動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的周向角度尺，其特征在于周向角度尺呈圓筒狀布置在被測(cè) 管道外壁，其刻度均勻分布，被測(cè)管線最底部對(duì)應(yīng)的周向角度為0°，最頂部對(duì)應(yīng)的周向角 度為180°。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的積液監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)，其特征在于回波特征發(fā)生突變時(shí)，進(jìn)行報(bào)警提示。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種天然氣管道積液測(cè)量方法和裝置。由耦合在被測(cè)管道外壁的超聲探頭向管道內(nèi)垂直發(fā)射高頻超聲波，氣、液介質(zhì)特性不同，反射回波能量差異很大，根據(jù)超聲探頭接收到的管內(nèi)壁反射回波的特征，判斷探頭所在位置處與管內(nèi)壁接觸的是氣體還是液體，在管外壁沿周向方向逐步調(diào)整超聲探頭的測(cè)量位置，由周向角度尺記錄回波發(fā)生突變時(shí)超聲探頭的周向角度，進(jìn)而計(jì)算出積液高度。本發(fā)明為非介入式積液測(cè)量方法，無(wú)需改變現(xiàn)有管路結(jié)構(gòu)，無(wú)介質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)，不影響管線清管等作業(yè)，同時(shí)，不受管道內(nèi)氣液相介質(zhì)的組成，以及溫度、壓力等參數(shù)影響，克服了現(xiàn)有超聲技術(shù)需要復(fù)雜的聲速校正的缺點(diǎn)，尤其適合輸送腐蝕性、有毒性介質(zhì)管線內(nèi)部積液的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01F23/296GK101839746SQ20091022954
公開(kāi)日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2009年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月25日
發(fā)明者曹學(xué)文, 梁法春 申請(qǐng)人:梁法春