本發(fā)明公開一種油氣管道焊縫泄漏監(jiān)測裝置，尤其是用于輸送油氣的金屬管道焊縫處因應(yīng)力集中、腐蝕等所造成的穿孔、裂紋所引發(fā)的泄漏的監(jiān)測預(yù)警和定位裝置。

背景技術(shù)：
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在石油化工行業(yè)中，管道運(yùn)輸作為輸送石油天然氣的一種重要方式，憑借其運(yùn)量大、占地少、投資建設(shè)周期短、費(fèi)用低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。管道在焊接過程中通常會(huì)出現(xiàn)未焊透、氣孔、夾渣、裂紋等焊接缺陷，焊縫是管道最薄弱環(huán)節(jié)，是發(fā)生泄漏高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。管道發(fā)生泄漏管內(nèi)高壓油氣會(huì)進(jìn)入環(huán)境，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和危害公共安全。

國內(nèi)外現(xiàn)有的管道泄漏檢測方法主要有以下幾種：

(1)負(fù)壓波法：當(dāng)管道發(fā)生泄漏事故時(shí)，泄露處立即發(fā)生物質(zhì)損失，并引起局部密度減小，進(jìn)而造成壓力降低。由于管道內(nèi)流體不能立即改變流速，會(huì)在泄漏處和其任一端流體之間產(chǎn)生壓差。泄漏產(chǎn)生的減壓波就稱為負(fù)壓波。設(shè)置在泄漏點(diǎn)兩端的傳感器根據(jù)壓力信號的變化和泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波傳播到上、下游的時(shí)間差就可以確定泄漏位置。但該方法主要用于泄漏剛發(fā)生時(shí)預(yù)警，對于已經(jīng)發(fā)生的穩(wěn)定泄漏則無法檢測和定位，另外對于微小泄漏檢測難度很大。

(2)質(zhì)量平衡法：在正常運(yùn)行狀態(tài)下，管道的輸入和輸出質(zhì)量應(yīng)該相等，泄漏必然產(chǎn)生質(zhì)量差。質(zhì)量平衡法是最基本的泄漏檢測方法，可靠性高。由于管道泄漏定位算法對流量測量誤差十分敏感，管道泄漏定位誤差為流量測量誤差的6～7倍，因此流量測量誤差的減小可以顯著提高管道泄漏檢測的定位精度。質(zhì)量平衡法適用于原油及成品油管道，在國內(nèi)一般與壓力波法聯(lián)合使用。其缺點(diǎn)是：受限于儀表精度，不能準(zhǔn)確定位。

(3)熱紅外成像法：利用泄漏液體對紅外輻射的影響，通過與周圍土壤的正常溫度進(jìn)行比較，從而達(dá)到檢測目的。該方法適用于天然氣管道泄漏檢測，但這類方法不能對管道進(jìn)行連續(xù)檢測，實(shí)時(shí)性差且對管道的埋設(shè)深度有一定限制。

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提出一種電容式泄漏監(jiān)測裝置，能夠?qū)芫€焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并準(zhǔn)確確定泄漏位置，從而為應(yīng)急搶修提供科學(xué)準(zhǔn)確的依據(jù)。

通過在金屬管道焊縫等容易泄漏處的絕緣隔離層外加一層環(huán)形金屬，使環(huán)形金屬、防腐絕緣層、金屬管道管壁三者形成電容。如果管道或防腐絕緣層發(fā)生泄漏，電容的電容值會(huì)隨之發(fā)生明顯變化，以此來判斷管道的泄漏點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明涉及一種油氣管道焊縫泄漏監(jiān)測裝置，主要包括環(huán)形電極、絕緣隔離層、絕緣保護(hù)層、電容傳感器、信號分時(shí)采集模塊以及監(jiān)控主機(jī)，待測金屬管道的外壁沿焊縫均勻包覆有絕緣隔離層，絕緣隔離層的內(nèi)表面與管道的外壁緊密接觸，絕緣隔離層的外表面安裝有環(huán)形電極，環(huán)形電極的外表面包覆有絕緣保護(hù)層，金屬管道的管壁和環(huán)形電極分別通過導(dǎo)線與電容傳感器相連接，電容傳感器和信號分時(shí)采集模塊相連，信號分時(shí)采集模塊與監(jiān)控主機(jī)相連。

所述的環(huán)形電極材質(zhì)為易導(dǎo)電、耐腐蝕金屬，寬度約為焊縫寬度的3～4倍。

所述的絕緣隔離層的材質(zhì)為不導(dǎo)電多孔介質(zhì)，其最佳厚度為0.5～5mm。

所述的絕緣保護(hù)層的材質(zhì)為不導(dǎo)電、不滲透致密介質(zhì)。

所述的信號分時(shí)采集模塊主要由時(shí)序控制器、信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換器以及焊縫位置存儲(chǔ)器組成。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)可以監(jiān)測瞬時(shí)和連續(xù)泄漏；

(2)預(yù)警靈敏度高，可以監(jiān)測出微小泄漏；

(3)定位精度高，定位誤差小于5cm；

(4)適用范圍廣，可用于輸氣管路、輸油管路以及氣液混輸管路的泄漏監(jiān)測；

(5)裝置組成簡單，適用性強(qiáng)，操作方便。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明電容測量原理圖；

圖3為本發(fā)明信號分時(shí)采集模塊構(gòu)成示意圖；

圖4為本發(fā)明泄漏監(jiān)測原理示意圖。

具體實(shí)施方式:

如圖1所示，本發(fā)明涉及一種油氣管道焊縫泄漏監(jiān)測裝置，主要包括環(huán)形電極1、絕緣隔離層2、絕緣保護(hù)層3、電容傳感器4、信號分時(shí)采集模塊5以及監(jiān)控主機(jī)6，待測金屬管道7的外壁沿焊縫8均勻包覆有絕緣隔離層2，絕緣隔離層2內(nèi)表面與管道7外壁緊密接觸，絕緣隔離層2外表面安裝有環(huán)形電極1，環(huán)形電極1的外表面包覆有絕緣保護(hù)層3，金屬管道7的管壁和環(huán)形電極1分別通過導(dǎo)線與電容傳感器4相連接，電容傳感器4和信號分時(shí)采集模塊5相連，信號分時(shí)采集模塊5與監(jiān)控主機(jī)6相連。

如圖1所示，所述的環(huán)形電極1的材質(zhì)為易導(dǎo)電、耐腐蝕金屬，寬度約為焊縫8寬度的3～4倍。

如圖2所示，所述的絕緣隔離層2的材質(zhì)為不導(dǎo)電多孔介質(zhì)，其最佳厚度為1～5mm。絕緣隔離層2充滿金屬管道7的外壁和環(huán)形電極1所形成的環(huán)形空間，其作用是將管壁金屬與環(huán)形電極1隔離，避免二者直接接觸；另外，絕緣隔離層2由多孔介質(zhì)組成，管內(nèi)氣相或液相流體泄漏后，會(huì)很快通過多孔介質(zhì)在金屬管道外表面和環(huán)形電極1所形成的環(huán)形空間內(nèi)擴(kuò)散。

如圖2所示，所述的絕緣保護(hù)層3的材質(zhì)為不導(dǎo)電致密絕緣介質(zhì)，絕緣保護(hù)層3安裝在環(huán)形電極1的外表面上，其作用是保護(hù)環(huán)形電極1不發(fā)生變形或其他損傷。

如圖3所示，所述的信號分時(shí)采集模塊5主要由時(shí)序控制器9、信號放大器10、A/D轉(zhuǎn)換器11以及焊縫位置存儲(chǔ)器12組成；時(shí)序控制器9主要用于對金屬管道7所有焊縫8進(jìn)行快速掃描，記錄當(dāng)前焊縫電容數(shù)據(jù)以及當(dāng)前焊縫位置。

本發(fā)明工作原理說明如下：

如圖1所示，環(huán)形電極1、絕緣隔離層2、金屬管道7的管壁三者形成圓筒型電容器，其電容大小由下式計(jì)算：

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

式中，ε為絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)，L為環(huán)形電極板1的寬度，D₁為金屬管道7的外徑，D₂為環(huán)形電極1的內(nèi)徑。

當(dāng)金屬管道7和環(huán)形電極1結(jié)構(gòu)固定后，由公式(1)可知，電容值主要取決于絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)ε；由于絕緣隔離層2很薄，只有0.5～5mm，由公式(1)可知，D₂與D₁的比值接近1，電容值對電常數(shù)ε的變化非常敏感，微小電常數(shù)ε變化就會(huì)引起電容值大幅改變。

如圖3所示，為了能夠?qū)崟r(shí)在線進(jìn)行管道多處位置的泄漏監(jiān)測，采用分時(shí)采集模塊5進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制，采用高速模擬開關(guān)控制每個(gè)傳感器與采集電路的通斷，從而實(shí)現(xiàn)采集電路的分時(shí)復(fù)用功能；信號分時(shí)采集模塊5對各個(gè)焊縫8處的電容值進(jìn)行掃描，并同時(shí)記錄當(dāng)前焊縫的位置輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理；信號分時(shí)采集模塊5中的時(shí)序控制器9用于連通當(dāng)前電容傳感器。信號放大器10用于放大電容信號，A/D轉(zhuǎn)換器11用于將電容信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，各個(gè)電容傳感器對應(yīng)的焊縫的地理坐標(biāo)就記錄儲(chǔ)存在焊縫位置存儲(chǔ)器12中；信號分時(shí)采集模塊5將當(dāng)前電容信號以及當(dāng)前電容所在焊縫位置一并輸入監(jiān)控主機(jī)6進(jìn)行分析處理。

具體運(yùn)行過程為：在某一時(shí)刻，監(jiān)控主機(jī)6向信號分時(shí)采集模塊5發(fā)送采集指令，信號分時(shí)采集模塊5通過時(shí)序控制器9控制電源開關(guān)和信號開關(guān)采集某一個(gè)電容傳感器4測得的電容信號，并經(jīng)過信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、記錄下當(dāng)前電容信號之后傳輸至監(jiān)控主機(jī)6，與此同時(shí)，分時(shí)采集模塊5也通過焊縫位置存儲(chǔ)器12調(diào)取當(dāng)前焊縫位置信息并與當(dāng)前電容信號一起傳送至監(jiān)控主機(jī)6；下一時(shí)刻，監(jiān)控主機(jī)6向信號分時(shí)采集模塊5發(fā)送下一個(gè)采集指令，信號分時(shí)采集模塊5通過時(shí)序控制器9控制電源開關(guān)和信號開關(guān)采集下一個(gè)焊縫對應(yīng)的電容傳感器4測得的信號，并經(jīng)過信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、記錄下下一個(gè)電容信號之后傳輸至監(jiān)控主機(jī)6，與此同時(shí)，此時(shí)焊縫8位置信息與對應(yīng)的電容信號一起傳送至監(jiān)控主機(jī)6；如此循環(huán)往復(fù)，便可實(shí)現(xiàn)對管道上所有電容傳感器信號的分時(shí)采集；如果某個(gè)電容傳感器4所在處管道發(fā)生泄漏，通過本發(fā)明便可實(shí)時(shí)在線確定泄漏位置。

如圖4所示，如果焊縫8發(fā)生穿孔或出現(xiàn)裂紋，在管道內(nèi)外差壓作用下將發(fā)生介質(zhì)泄漏，泄漏氣、液相介質(zhì)通過絕緣隔離層2的多孔介質(zhì)材料在金屬管道7外壁和環(huán)形電極1所形成的環(huán)形空間內(nèi)擴(kuò)散傳播，改變絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)ε，從而使電容值發(fā)生突變；這種異常電容信號由電容傳感器4測量后，通過信號分時(shí)采集模塊5傳送至監(jiān)控主機(jī)6；監(jiān)控主機(jī)6將當(dāng)前焊縫所測電容信號與上一時(shí)刻電容信號進(jìn)行對比，若發(fā)生顯著變化，則可判斷該焊縫處發(fā)生了介質(zhì)泄漏；由于該焊縫所在地理坐標(biāo)信息是已知的，應(yīng)急救援力量可立即趕赴該焊縫處進(jìn)行應(yīng)急搶修。

由于泄漏氣體、液體以及氣液多相流均會(huì)引起介電常數(shù)的變化，因此本發(fā)明不但可用于輸氣管路和輸油管路，還可用于油氣混輸管路焊縫泄漏的實(shí)時(shí)監(jiān)測；與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不需要復(fù)雜的信號處理，具有適用范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單、定位迅速、定位精度高、成本低廉、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。