专利名称：天然气干气管道智能检测球的制作方法
技术领域：
本发明涉及天然气管道检测领域，更确切地说，是涉及ー种适用于天然气干气管道内检测的智能检测球。
背景技术：
尽管天然气在进入天然气管道之前都经过了脱水、脱硫等处理，但是实际的运行过程中，管道不可避免地会进入水汽、 CO2以及H2S等腐蚀性介质。如果天然气管道干气管道中存在积水并同时含有腐蚀性有害物质组分，就会在管道内积水处产生内腐蚀。内腐蚀是造成管道系统严重老化的原因之一，它将导致管道泄漏，降低结构强度，并严重威胁整个输气系统的安全性、完整性和经济性。鉴于管道输送的密闭性，无论是国内还是国外，目前对管道内腐蚀的检测评价手段还不成熟，管道内腐蚀具有较大的隐蔽性，有时候内腐蚀导致的问题是灾难性的。2000年，EI Paso公司在新墨西哥卡尔斯巴附近的一条Φ 760运营管线发生内腐蚀失效事故,引发大火并造成12人死亡，直接财产损失达100万美元，赔偿损失高达1550万美元，此次事故的引发原因正是由于管线底部长期积液导致内部腐蚀穿孔所引起的。就目前而言，对管道内腐蚀检测使用的主要方法是内检测、试压和直接评价。但由于检测工具不易进入管道内部，天然气管道的内腐蚀通常难以检測。管线的机械和几何约束使在线检测的应用受到阻碍，只有大约50%的管道可以在线清管检测。虽然漏磁检测能对管道内腐蚀情况进行详细地测量，也能对内管道腐蚀严重位置给与准确定位，可是每次检测时都要预先停止对天然气管道的输送，停止生产，不能满足天然气不间断传输和连续化生产的要求，不仅成本设备昂贵，费用开销大，而且存在国内技术不成熟，检测时间长，操作非常复杂等缺点。试压法要求管道在停输状态下使用，而超声波和射线拍照则要求在检测之前挖掘和清理管道表面，都使得全线检测不切实际。因此，对无法进行内检测和不能中断输送的管道，可以选择使用内腐蚀直接评价方法(DG — ICDA)进行完整性评价。直接评价具有成本低、易实施等特点，该方法近年得到了广泛的应用。虽然内部腐蚀直接评价方法(ICDA)证明了在管道エ业中的应用价值，但是内部腐蚀直接评价方法(ICDA)不能提供关于具有腐蚀性水分存在的准确信息，也无法量化腐蚀的危害，更不能对管道内存在的积水点进行定位。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的缺陷和不足，提供ー种天然气干气管道智能检测球，利用干气气体在管道内的传输流动带动小球贴着管道内壁滚动，小球外壁附着的矩阵式积液传感器用来检测腐蚀性液体，声波检发器可以检测气体泄漏点的存在，同时联合无线传输模块实现定位功能。在无需开挖管道的前提下，本发明的智能检测小球能满足干气管道气体不间断传输和连续化生产的要求，能快速地检测并定位出干气管道内存在的积液点以及天然气泄漏点。
为实现上述功能，本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下智能检测小球由空心球体、矩阵式积液传感器、无线数据传输模块、声波检发装置、数据处理装置以及电池组构成。空心球体直径大小小于5cm，其中有半个球体上分布了细小孔洞，有孔洞部分球体内壁贴有防水纸，以防止水渗入球体腔内；球体外表面紧密分布着矩阵式积液传感器，用来检测腐蚀液体；绝缘防水防爆隔板将空心球体内腔分为两个部分，其中一部分在隔板上安装有无线通信天线、蜂鸣器、高灵敏度麦克风和串行通信接ロ，另外一部分安装有电路板和供电电池。
本发明是采用天然气气体在管道内的传输流动带动小球贴着管道内壁滚动，当小球外壁附着的矩阵式积液传感器，探測到管道内积水点的存在吋，将其转化为电信号传送给数据处理装置。另外，或者声波检发装置采用声波检漏原理，当检测到管道内天然气泄漏形成的特殊声波信号时，数据处理装置将其数据处理后，通过无线通信模块将管道内积水信息、天然气泄漏信息、当前时间信息、小球节点位置信息传输到下个小球节点。小球通过无线通信模块接收和发射数据，在长输管道内自动连线组网，每个小球自成ー个网络节点。各个小球节点之间采用时差声波测距法进行节点的定位，从而间接地对检测点进行定位。本发明的天然气干气管道智能检测小球有益效果是
采用管道内气体流动作为动力，无需额外附加动力；无需开挖管道，或者停止天然气输送和生产；径大采用球体设计，直小远小于输气管道直径，可防止装置在管道内的卡死；矩阵式积液传感器紧密分布在小球外表面，可最大限度地检测天然气管道内积液点；实时地对管道内声波信息进行分析处理，能够最大限度地检测管道内部任意位置的泄漏点；连续在相同间隔后投入智能检测小球，可以形成数据信息传输通道的长链，能够实现检测信号在长输管道内的传输；小球节点间用时差法声波定位原理，能对管道内积液点和天然气泄漏点进行准确的定位；能绘制出地各个检测球的位置信息ニ维图和管道内检测信息的曲线，最終给出的检测报告能给管道腐蚀评价提供重要的參考依据，提高了管道腐蚀评估的可信度和准确度。而且，本发明提供的天然气干气管道智能检测球成本低廉，相对于其它的管道检测设备，操作简单，使用更加灵活、方便。
图I是本发明的天然气干气管道智能检测球的整体结构示意图。图2是本发明的天然气干气管道智能检测球系统框图。图3是本发明的天然气干气管道智能检测球工作原理图。图中I、空心球体2、矩阵式积液传感器3、声波发射器4、声波接收器5、隔板
6、有孔隙腔体7、天线8、电路板9、电池10、密封腔体；
11、上位机分析与监控系统12、終端检测球系统13、检测球系统14、数据处理核心15、声波接收与发射电路 16、矩阵式积液传感器电路17、串行通信电路18、无线通信模块；
19、天然气长输管道20、检测小球21、远程终端装置22、エ控机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的天然气干气管道智能检测小球作进ー步的详细描述。本发明的天然气干气管道智能检测小球包括空心球体(I)、矩阵式积液传感器
(2)、无线通信模块(18)、声波检发装置、数据处理装置以及供电电池(9)；
所述空心球体(I)直径大小小于50_，外壳采用坚固的绝缘材料注塑而成，空心球体内部被隔板(5)分为上下两个部分，上部分为有孔隙腔体(6)，下部分为密封腔体(10)，上下两部分用螺纹连接； 所述有孔隙腔体(6)壳体上分布有细小孔洞，腔体体内壁贴有防水纸；
所述密封腔体(10)由隔板(5)与下半球体构成；
所述矩阵式积液传感器(2)采用胶水固定，分嵌在空心球体(I)外表面，积液传感器
(2)背侧的信号线经过球体细小孔洞引入到有孔隙腔体(6)内，连接到电路板(8)的积液传感器电路(16)上；
所述无线通信模块(18)包括无线数据通信电路和天线(7)；
所述无线数据通信电路集成在电路板(8)上，与数据处理核心(14)的通信接ロ相连
接;
所述无线通信的天线(7)穿过隔板(5)安装孔焊接在电路板(8)上，固定于隔板(5)中心,竖立在有孔隙的空心球体内；
所述声波检发装置由声波发射器(3)、声波接收器(4)和声波接收与发射电路(15)组
成；
所述声波发射器(3)穿过隔板(5)上的安装孔，焊接在电路板(8)上，固定于隔板(5)上表面，位于声波接受器(4)与天线(7)中间；
所述声波接受器(4)穿过隔板(5)上的安装孔，焊接在电路板(8)上，固定于隔板(5)上表面，位于有孔隙腔体(6)内；
所述声波接收与发射电路(15)集成在电路板(8)上，其后依次连接了信号放大控制电路和模数转换电路以及数据处理核心(14)；
所述数据处理装置包括数据处理核心(14)、计时器、和时钟电路；
所述数据处理核心(14)为微处理器，主要由DSP和ARM芯片组成，位于主电路板(8)
上；
所述电路板(8)包括了计时电路、无线数据通信电路、串行通信电路(17)、声波检测气体泄漏电路、声波接收与发射电路(15)、积液传感器接ロ电路(16)、数据处理核心(14)；
所述电路板(8)固定在下部密封腔体填充物的方形凹槽第二层内，位于电池(9)上方，信号采集端与电源端ロ均通过接线端引出；
所述电池(9)固定在下部密封腔体填充物的方形凹槽最低层内，供电电池正负极通过接线端用导线引出，焊接在电路板(8)的供电端口上；
图2所示的是本发明的系统框图，整个系统由上位机分析与监控系统(11)、終端检测球系统(12)和检测球系统(13)组成，检测球通过传感器将管道内积液点和天然气泄漏信息送入数据处理核心(14)进行数据数据处理后通过无线通信模块(18)与終端检测球系统
(12)进行数据通信，然后终端检测球与エ控机通过串行通信电路(17)相连，将收到的管道检测信息输送到上位机分析与监控系统(11)。所述终端检测球系统(12)和检测球系统(13)都包括了 数据处理核心(14)、声波接收与发射电路(15)、串行通信电路(17)和无线通信模块(18)；
所述终端检测球系统(12)固定安装在远程终端装置(21)上，不可移动，用于无线数据的通信和辅助管道内可移动检测球定位；
所述检测球系统还包括了用于管道内积水点检测的矩阵式积液传感器电路(16);
所述上位机分析与监控系统(11)通过串行通信电路(17)与終端检测球系统(12)有线相连，负责显示各个检测球的位置信息和实时的管道内检测信息，以及生成最终检测报告和管道腐蚀评价报告。本发明的工作过程如图3所示，具体如下
I、在使用智能检测小球之前，首先对各个检测小球装置中的计时器进行时间校正，保持每个小球内计时器的时间同步。2、将本发明的終端小球装置安放在远程终端装置(21)上，并通过串行通信电路与エ控机的串ロ有线相连；将检测球在相同的时间间隔后投入到天然气管道内，利用天然气气体在管道内的传输流动带动小球贴着管道内壁底滚动。3、投放进入的各个检测小球通过无线通信模块(18)接收和发射数据，使每个小球自成ー个网络节点，自动在长输管道内连线组网，形成数据信息传输通道的长链。各个小球节点之间采用时差法声波测距原理进行各个节点的定位，确定各个节点间的间隔距离以及同終端小球之间的总距离。4、当管道内存在积水点时，小球外壁附着的矩阵式积液传感器(2)表面会与水液体接触，输出相应的电信号，传输给数据处理装置进行处理。5、当管道内存在气体泄漏点时，声波检发装置的接收器接收到气体经过缝隙时发出的特殊频率的信号，传输给数据处理装置进行处理。6、当检测到管道内积水点或者气体泄漏点时，小球声波检发装置的发射装置发出一定频率的声波信号，同时将管道内积水信息、天然气泄漏信息、当前时间信息、小球节点位置信息存储并通过无线通信模块传输到下个小球节点。7、检测小球进入到管道終端回收装置后，エ控机可及时将小球存储器内存储的数据通过串行通信接ロ或者直接取出数据存储设备进行读出取。8、检测小球通过数据信息传输通道将各个检测小球的定位信息和管道内检测信 息传送给終端检测小球，然后终端检测小球通过有线连接传输给エ控机的上位机分析与处理系统(11)，上位机分析与处理系统(11)实时地绘制出地各个检测球的位置信息ニ维图和管道内检测信息的曲线，最后结合回收到的检测球内的数据，给出管道检测报告和管道腐蚀评价报告。
权利要求
1.ー种天然气干气管道智能检测球，包括空心球体(I)、矩阵式积液传感器(2)、无线通信模块(18)、声波检发装置、数据处理装置以及供电电池(9)； 所述空心球体(I)外壳采用坚固的绝缘材料注塑而成，空心球体内部被隔板(5)分为上下两个部分，上部分为有孔隙腔体(6)，下部分为密封腔体(10)，上下两部分用螺纹连接； 所述矩阵式积液传感器(2)采用胶水固定，分嵌在空心球体(I)外表面，积液传感器(2)背侧的信号线经过球体孔隙引入到有孔隙腔体(6)内，连接到电路板(8)的积液传感器电路(16)上； 所述无线通信模块(18)包括无线数据通信电路和天线(7)； 所述声波检发装置由声波发射器(3)、声波接收器(4)和声波接收与发射电路(15)组成； 所述数据处理装置包括数据处理核心(14)、计时器、和时钟电路； 所述电池(9)固定在下部密封腔体填充物的方形凹槽最低层内，电池正负极通过接线端引出，焊接在电路板(8 )的供电端ロ上。
2.根据权利要求I所述的天然气干气管道智能检测球，其特征是空心球体(I)无需额外附加动力，直接利用气体在管道内的传输流动带动球体贴着管道内壁滚动。
3.根据权利要求I所述的天然气干气管道智能检测球，其特征是空心球体(I)外表面贴有矩阵式积液传感器(2)，内部空心的腔体被隔板(5)分为有孔隙和密封的两个部分 所述有孔隙腔体(6)壳体上分布有细小孔洞，腔体体内壁贴有防水纸； 所述密封腔体(10)由隔板(5)与下半球体构成。
4.根据权利要求I所述的天然气干气管道智能检测球，其特征是无线通信模块(18)使各个小球自成ー个网络节点，自动在长输管道内连线组网，形成数据信息传输通道的长链； 所述无线通信模块的天线(7)位于有孔隙腔体(6)内，处理电路集成在电路板(8)上； 所述无线数据通信电路集成在电路板(8)上，与数据处理核心(14)的通信接ロ相连接; 所述无线通信的天线(7)穿过隔板(5)安装孔焊接在电路板(8)上，固定于隔板(5)上，竖立在有孔隙的空心球体内。
5.根据权利要求I所述的天然气干气管道智能检测球，其特征是声波检发装置的声波发射器(3)和声波接受器(4)安装在有孔隙腔体(6)内，处理电路则集成在电路板(8)上； 所述声波发射器(3)为蜂鸣器，通过隔板(5)上的安装孔，焊接在电路板(8)上，固定于隔板(5)上表面，位于有孔隙腔体(6)内； 所述声波接受器(4)为一定向麦克风，通过隔板(5)上的安装孔，焊接在电路板(8)上，固定于隔板(5)上表面，位于有孔隙腔体(6)内； 所述声波接收与发射电路(15)集成在电路板(8)上，其后依次连接了信号放大控制电路和模数转换电路以及数据处理核心(14)。
6.根据权利要求I所述的天然气干气管道智能检测球，其特征是数据处理装置负责对输入信息的数据处理，以及对各个模块的控制；所述数据处理装置包括数据处理核心(14)、计时器、和时钟电路； 所述数据处理核心(14)为微处理器，主要由DSP和ARM芯片组成，位于电路板(8)上。
7.根据权利要求6所述的天然气干气管道智能检测球，其特征是电路板(8)包括了计时电路、无线数据通信电路、串行通信电路(17)、声波检测气体泄漏电路、声波接收与发射电路(15)、积液传感器接ロ电路(16)、数据处理核心(14); 所述串行通信电路(17)的接ロ可与エ控机的串ロ相接，通过隔板(5)安装孔焊接在电路板上，固定于隔板(5)上表面； 所述电路板(8)固定在下部密封腔体填充物的方形凹槽第二层内，位于电池(9)上方，信号采集端与电源端ロ均通过接线端引出。
8.根据权利要求I所述的检测球供电电池为高容量锂电池，其特征是供电电池正负极通过接线端用导线弓I出，焊接在电路板(8)的供电端口上。
9.根据权利要求I所述的天然气干气管道智能检测球，其功能实现的方法特征是 步骤ー在使用智能检测小球之前，首先对各个检测小球装置中的计时器进行时间校正，保持每个小球内计时器的时间同步； 步骤ニ 将本发明的終端小球装置安放在远程终端装置(21)上，并通过串行通信电路(17)与エ控机的串ロ有线相连；将检测球在相同的时间间隔后投入到天然气管道内，利用天然气气体在管道内的传输流动带动小球贴着管道内壁底滚动； 步骤三投放进入的各个检测小球通过无线通信模块(18)接收和发射数据，使每个小球自成ー个网络节点，自动在长输管道内连线组网，形成数据信息传输通道的长链； 各个小球节点之间采用时差法声波测距原理进行各个节点的定位，确定各个节点间的间隔距离以及同終端小球之间的总距离； 步骤四当小球外壁附着的矩阵式积液传感器(2)检测到管道内存在积水点时，或者当声波检发装置的接收器检测到管道内气体泄漏点的特殊频率信号吋，将检测信息传输给数据处理装置进行处理； 步骤五当检测到管道内积水点或者气体泄漏点时，小球声波检发装置的发射装置发出一定频率的声波信号，同时将管道内积水信息、天然气泄漏信息、当前时间信息、小球节点位置信息存储并通过无线通信模块传输到下个小球节点； 步骤六检测小球进入到管道終端回收装置后，エ控机可及时将小球存储器内存储的数据通过串行通信接ロ或者直接取出数据存储设备进行读出取； 步骤七检测小球通过数据信息传输通道将各个检测小球的定位信息和管道内检测信息传送给終端检测小球，然后终端检测小球通过有线连接传输给エ控机的上位机分析与处理系统(11)，上位机分析与处理系统(11)实时地绘制出地各个检测球的位置信息ニ维图和管道内检测信息的曲线，最后结合回收到的检测球内的数据，给出管道检测报告和管道腐蚀评价报告。
全文摘要
一种适用于天然气干气管道内检测的智能检测球，属于天然气管道检测领域。本发明包括空心球体、积液检测装置、无线数据传输装置、声波检发装置、数据分析处理装置以及电源装置等。本发明无需额外附加动力，直接利用天然气气体在管道内的传输流动带动小球贴着管道内壁滚动。投放进入管道内的各个小球通过无线装置，使每个小球自成一个网络节点，自动在长输管道内连线组网，形成数据信息传输的通道，可实现检测信号在长输管道内的传输。本发明可对管道内积液点和天然气泄漏进行检测及定位，并能实时地绘制出检测球位置二维图和管道检测信息曲线，最终给出的检测报告能给管道腐蚀评价提供重要的参考依据，提高管道腐蚀评估的可信度和准确性。
文档编号F17D5/06GK102644851SQ201210138719
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月8日 优先权日2012年5月8日
发明者于志军, 师光辉, 张丹, 曹谢东, 李 杰, 秦海洋, 谭卫斌, 隆博 申请人:西南石油大学