一种应用于研究水合物堵塞的全可视化循环管路系统的制作方法

本发明涉及管道流动安全控制技术领域，特别是涉及一种应用于研究水合物堵塞的全可视化循环管路系统。

背景技术：

天然气中的烃分子与游离水在一定温度、压力条件下会结合形成天然气水合物，天然气水合物是一种白色结晶固体。在油气开采和运输过程中，特别是低温、高压的深水环境下非常容易生成天然气水合物，天然气水合物会堵塞输送管路，且深水环境下极难清理管路中的天然气水合物，严重影响了油气开采效率；对管路中由于水合物堵塞引起的流动安全问题进行研究，有助于解决以上问题。

目前的流动安全评价实验循环管路均能实现一定程度的科学研究并获得相关实验数据，但其并没有实现全可视化，无法做到对天然气水合物在管路中堵塞状态的整体观测，也无法得到水合物生成堵塞过程的实时图像，无法为海底油气管道输运过程中的流动安全问题的解决提供基础数据；目前现有的循环管路所配套的注入与排放系统只能实现小程度的气液多相注入，而且实验气体和液体不能够回收利用、还会对环境造成破坏。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种应用于研究水合物堵塞的全可视化循环管路系统，以解决上述现有技术存在的问题，实现循环管路系统的全可视化和实时监测。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种应用于研究水合物堵塞的全可视化循环管路系统，包括全可视化管路系统、注液系统、分离收集系统和数据采集系统；

所述全可视化管路系统包括单螺杆泵和依次首尾相连的第一管路、第二管路、第三管路和第四管路，所述单螺杆泵连接在四个所述第一管路和所述第四管路之间，所述第一管路、第二管路、第三管路和第四管路均透光，所述第一管路、第二管路、第三管路和第四管路之间设置有若干个ccd相机，所述全可视化管路系统设置于步进式低温恒温室内，所述步进式低温恒温室一侧设置有热交换器；

所述注液系统包括第一溶液罐和第二溶液罐，所述第一溶液罐通过第一输液管与所述单螺杆泵连通，所述第二溶液罐分别通过第二输液管与所述单螺杆泵连通，所述第一输液管和所述第二输液管上分别设置有往复泵，所述第一输液管上还设置有液体流量计；

所述分离收集系统包括与所述全可视化管路连通的天然气收集罐，所述天然气收集罐的出口连接有气液分离器和燃烧器；

所述数据采集系统包括设置在所述第一输液管、第二输液管、第一管路、第二管路、第三管路、第四管路上的压力传感器，设置在所述第一管路、第二管路、第三管路、第四管路上的温度传感器，设置在所述第一管路、第二管路、第三管路和第四管路之间的若干个ccd相机，及与所述ccd相机、所述压力传感器、所述温度传感器分别电连接的计算机。

优选地，所述第一管路、第二管路、第三管路和第四管路均水平设置且依次平行排列；所述第一管路、第二管路、第三管路和第四管路依次通过不锈钢弯管连接，所述第一管路还通过第一注入管道与所述单螺杆泵的入口连通，所述第四管路还通过第二注入管道与所述单螺杆泵的出口连通，所述单螺杆泵的出口连接有质量流量计，所述第一注入管道与所述第二注入管道通过连接管相连，所述连接管上设置有压差传感器和第一气动阀；所述第一管路、第二管路、第三管路和第四管路均由若干个有机玻璃直管连接构成；所述不锈钢弯管和所述有机玻璃直管均采用高透光材质制作而成；所述第一管路上设置有声波仪、闸阀和球阀。

优选地，可视管一端伸入密封法兰a内，可视管与密封法兰a之间由外到内的方向顺序安装有支撑环、挡圈、o型密封圈a和距离环；将两个密封法兰a的法兰盘通过螺栓固定对接，两个密封法兰a的法兰盘中间设置有密封垫片，分别伸入两个密封法兰a的可视管之间设置有距离套，所述距离套与可视管中间安装有垫圈a；密封法兰a上的传感器接口处设置有传感器，管路整体通过u型卡槽固定于支座上。

优选地，所述第二管路和所述第三管路均铺设在活动底座上，所述活动底座一端转动连接在地面上，通过手拉葫芦能够将所述活动底座的另一端吊起。

优选地，所述注液系统还包括连接在所述第一注入管道上的真空泵，所述真空泵与所述第一注入管道之间的管道上设置有阀门和与所述计算机电连接的压力传感器。

优选地，所述天然气收集罐与所述全可视化管路之间设置有背压控制系统，所述背压控制系统包括设置在所述天然气收集罐与所述全可视化管路之间的管路上的背压调节阀、手动截止阀和与所述计算机电连接压力传感器。

优选地，还包括稳压注气系统，所述稳压注气系统包括依次连通的缓冲稳压罐、第一气体增压泵和试验气瓶组，所述缓冲稳压罐与所述第二注入管道连通，所述缓冲稳压罐与所述第二注入管道之间的管道上设置有止回阀、气体流量计、气体过滤器和第二气动阀，所述气体流量计与所述气体过滤器并联；所述气液分离器与第二气体增压泵的一端连通，所述第二气体增压泵的另一端与所述天然气收集罐连通。

优选地，所述第四管路上设置有盲管。

优选地，所述盲管为不锈钢三通管一端连接钢管密封法兰b，另一端的旋转接头伸入密封法兰c，密封法兰c与旋转接头之间设置支撑带、o形密封圈d和u形密封圈b，密封法兰c与钢管法兰对接，密封法兰c在与钢管法兰对接的一面上设置有o形密封圈c。

优选地，不锈钢三通管上设置有定位盘，定位盘上设置有若干个定位孔，密封法兰c上设置有定位架，定位架上设置有弹簧销组件，弹簧销组件通过定位孔连接定位盘与定位架。

优选地，可视短管两端分别伸入顶盖法兰，下端的顶盖法兰连接不锈钢三通管支路，上端的顶盖法兰上设置有排放阀，两端的顶盖法兰通过护管固定连接，可视短管端面与顶盖法兰之间设置垫圈，可视短管外壁与顶盖法兰之间设置有o形密封圈b和u形密封圈a。

优选地，所述不锈钢弯管上均设置有可视窗，一个所述不锈钢弯管上设置有排放阀。

优选地，所述步进式低温恒温室的一侧还设置有与所述计算机电连接的甲烷浓度传感器。

本发明应用于研究水合物堵塞的全可视化循环管路系统相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明应用于研究水合物堵塞的全可视化循环管路系统能够实现循环管路系统的全可视化和实时监测。全可视化管路系统整体由透明有机玻璃直管构成，ccd相机能够对管路状态进行实时监测；通过温度传感器、压力传感器、压差传感器、质量流量计、声波仪和数据采集系统组成的数据采集及分析系统实时监测水合物生成时的温度、压力、流量以及声波信号等数据并进行分析，通过ccd相机和数据采集系统能够得到水合物生成过程的实时图像，能够对海底油气输运的流动安全问题提供综合性数据和评价，具有结构合理，操作简便，易于观测等优点。注液系统采用两个溶液罐，即两套注液系统，能够实现两种溶液的混合定量注入；通过缓冲稳压罐和气动阀的协调配合，使得天然气可以稳定恒压注入实验系统，并且可以通过实验系统反馈的压力数据自动恒压补气；通过天然气天然气收集罐可以实现实验气体排出后的再收集，并且可以通过气体增压泵实现气体的再利用或者通过燃烧器将实验废气烧掉以防止温室气体排入大气。本发明一种应用于研究水合物堵塞的全可视化循环管路系统能够高效、稳定、环保地为流动安全循环管路实验系统提供多相流体注入，能够进一步地为深海油气管道输运过程中的流动安全保障问题提供技术和数据支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明应用于研究水合物堵塞的全可视化循环管路系统的结构示意图；

图2为本发明应用于研究水合物堵塞的全可视化循环管路系统中全可视化管路系统的结构示意图；

图3为本发明应用于研究水合物堵塞的全可视化循环管路系统中数据采集系统的结构示意图；

图4为本发明应用于研究水合物堵塞的全可视化循环管路系统的原理示意图；

图5为本发明应用于研究水合物堵塞的全可视化循环管路系统的可视管连接方式的结构示意图；

图6为本发明应用于研究水合物堵塞的全可视化循环管路系统的盲管结构示意图；

其中，1、热交换器；2、甲烷浓度传感器；3、步进式低温恒温室；4、有机玻璃直管；5、不锈钢弯管；6、可视窗；7、闸阀；8、球阀；9、连接法兰；10、压力传感器；11、温度传感器；12、压差传感器；13、质量流量计；14、ccd相机；15、数据采集系统；16、单螺杆泵；17、排放阀；18、第一注入管道；19、声波仪；20、第一气动阀；21、连接软管；22、手拉葫芦；23、活动底座；24、盲管；25、第一往复泵；26、第二往复泵；27、真空泵；28、空气压缩机；29、第一溶液罐；30、第二溶液罐；31、缓冲稳压罐；32、实验气瓶组；33、天然气收集罐；34、压力调节阀；35、手动截止阀；36、第二气动阀；37、止回阀；38、背压调节阀；39、第二注入管道；40、液体流量计；41、气体流量计；42、第一气体增压泵；43、气液分离器；44、燃烧器；45、天然气浓度传感器；46、点火器；47、气体过滤器，48、第二气体增压泵；49、可视管；50、密封法兰a；51、螺栓；52、u型卡槽；53、支撑环；54、距离套；55、传感器；56、o型密封圈a；57、挡圈；58、垫圈a；59、密封垫片；60、距离环61、顶盖法兰；62、固定支座；63、可视短管；64、o型密封圈b；65、u型密封圈a；66、密封法兰b；67、弹簧销组件；68、定位架；69、o型密封圈c；70、旋转接头；71、u型密封圈b；72、o型密封圈d；73、支撑带；74、不锈钢三通管；75、定位盘；76、密封法兰c；77、垫圈b。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种应用于研究水合物堵塞的全可视化循环管路系统，以解决现有技术存在的问题，实现循环管路系统的全可视化和实时监测。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-4所示，本实施例应用于研究水合物堵塞的全可视化循环管路系统包括全可视化管路系统、注液系统、稳压注气系统、背压控制系统、分离收集系统和数据采集系统15。

其中，全可视化管路系统包括单螺杆泵16和依次首尾相连的第一管路、第二管路、第三管路和第四管路，第一管路、第二管路、第三管路和第四管路均水平设置且依次平行排列；第一管路的一端通过不锈钢弯管5与第二管路的一端连接，第二管路的另一端通过不锈钢弯管5与第三段管路的一端连接，第三段管路的另一端通过不锈钢弯管5与第四段管路的一端连接，第一管路的另一端通过不锈钢弯管5和第一注入管道18与单螺杆泵16的入口连通，第四管路的另一端通过第二注入管道39与单螺杆泵16的出口连通，单螺杆泵16的出口还连接有质量流量计13；第一注入管道18与第二注入管道39通过连接管相连，连接管上设置有压差传感器12和第一气动阀20；全可视化管路系统中的第二管路和第三管路均铺设在活动底座23上，活动底座23一端转动连接在地面上，通过手拉葫芦22能够将活动底座23的另一端吊起；第二段管路和第三段管路为起伏段管路，第二段管路和第三段管路上分别连接有连接软管21，通过活动底座23上设置的手拉葫芦22来控制起伏段管路的起伏，可实现0-15°的起伏角度。第四管路上设置有盲管24，盲管24用以观察流动死区的状态，第三管路和第四管路之间的不锈钢弯管5上设置有排放阀17，排放阀17能够方便排空管路内的气体。盲管结构为不锈钢三通74管一端连接钢管密封法兰b66，另一端的旋转接头伸入密封法兰c76，密封法兰c76与旋转接头70之间设置支撑带73、o形密封圈d72和u形密封圈b71，密封法兰c76与钢管法兰对接，密封法兰c76在与钢管法兰对接的一面上设置有o形密封圈c69；不锈钢三通管74上设置定位盘75，定位盘75上设置有多个定位孔，密封法兰c76上设置定位架68，定位架68上有弹簧销组件67，弹簧销组件67通过定位孔连接定位盘75与定位架68；可视短管63两端分别伸入顶盖法兰61，下端的顶盖法兰连接不锈钢三通管74支路，上端的顶盖法兰61上设置排放阀，两端的顶盖法兰通过护管62固定连接，可视短管63端面与顶盖法兰之间设置垫圈，可视短管外壁与顶盖法兰之间设置o形密封圈b64和u形密封圈a65。

第一管路、第二管路、第三管路和第四管路均由若干个有机玻璃直管4连接构成，相邻的两个有机玻璃直管4通过连接法兰9连接，第一压力传感器10和温度传感器11设置在连接法兰9上，连接法兰9上设置有压力传感器10和温度传感器11；不锈钢弯管5上均设置有可视窗6；本实施例中不锈钢弯管5和有机玻璃直管4均为耐压防腐蚀管，且均采用高透光材质制作而成，工作压力范围为0.1mpa～5mpa；第一管路上设置有声波仪19、闸阀7和球阀8，声波仪19用于对水合物堵塞进行声波探测，通过控制球阀8的开度，可用于模拟不同限制区域的水合物生成情况。单螺杆泵16能够在一定压力下实现大流量气液两相混输并且不会打碎生成的水合物颗粒，最大流量为25m³/h，含气率范围在0-40％；单螺杆泵16和质量流量计13能够为全可视化管路系统提供循环流动过程。将可视管49一端伸入密封法兰a50内，并在可视管49与密封法兰a50之间由外到内的方向顺序安装支撑环53、挡圈57、o型密封圈a56和距离环60；将两个密封法兰a50的法兰盘通过螺栓51固定对接，并在两个密封法兰a50的法兰盘中间放置密封垫片59，同时在分别伸入两个密封法兰a50的可视管49之间放置距离套54距离套54与可视管49中间安装有垫圈a58；将传感器55放入密封法兰a50上设置的传感器接口，管路整体通过u型卡槽52固定于支座上。

全可视化管路系统设置于步进式低温恒温室3内，步进式低温恒温室3一侧设置有热交换器1和甲烷浓度传感器2，热交换器1、甲烷浓度传感器2和步进式低温恒温室3组成控温系统；当全可视化管路系统需要制冷时通过启动热交换器1进行制冷，步进式低温恒温室3内可通过温度传感器11实时反馈温度并进行调节，同时甲烷浓度传感器2可实现甲烷泄漏报警功能；步进式低温恒温室3可提供的工作温度范围为-20℃～40℃，温度控制精度为±0.5℃，可实现1小时内步进式低温恒温室33的温度从常温降至-20℃的制冷速率。

注液系统包括第一溶液罐29和第二溶液罐30，第一溶液罐29通过第一输液管与单螺杆泵16连通，第二溶液罐30分别通过第二输液管与单螺杆泵16连通，第二溶液罐30与通过管路与第二注入管道39连通。第一输液管设置有第一往复泵25、压力传感器10和液体流量计40，第二输液管上设置有第二往复泵26和压力传感器10；第一溶液罐29为水溶液罐，采用不锈钢材质；第二溶液罐30为化学剂、腐蚀类液体溶液罐，采用玻璃钢材质。注液系统还包括连接在第一注入管道18上的真空泵27，真空泵27与第一注入管道18之间的管道上设置有压力传感器10和阀门。

稳压注气系统包括依次连通的缓冲稳压罐31、第一气体增压泵42和试验气瓶组，缓冲稳压罐31与第二注入管道39连通，缓冲稳压罐31与第二注入管道39之间的管道上设置有止回阀37、气体流量计41、气体过滤器47和第二气动阀36，气体流量计41和第二气动阀36串联后再与气体过滤器47并联；第一气体增压泵42连接有空气压缩机28，止回阀37能够防止气体回流；实验气瓶组32选用40l碳纤维缠绕甲烷气瓶，标准压力13.5mpa，且连接方式为串联连接，共用一个减压阀；缓冲稳压罐31容积设计为100l，可在20mpa压力下满足一次实验供气需要，罐体采用高强度钢材质。

分离收集系统包括与第二注入管道39连通的天然气收集罐33，天然气收集罐33的出口通过三通接头分为两路输送管路：一路输送管路接有手动截止阀35和气液分离器43，并在气液分离器43后接有第二气体增压泵48，第二气体增压泵48的另一端与试验气瓶组连通；另一路输送管路通过压力调节阀34后接在燃烧器44上，燃烧器44通过与其连接的点火器46控制；其中气液分离器43可实现精度≤10μm水颗粒的气液分离。

背压控制系统包括设置在天然气收集罐33与第二注入管道39之间的管路上的背压调节阀38、压力传感器10和手动截止阀35。背压调节阀38耐压25mpa，压力调节范围为0～10mpa，控制精度为0.1mpa。背压控制系统工作过程为：当实验系统需要稳定的出口流动状态时，打开背压调节阀38前连接的手动截止阀35，设备系统压力通过连接的压力传感器10和数据采集系统15进行终端调节，可以根据实验要求进行设定。

数据采集系统15包括设置在第一管路、第二管路、第三管路和第四管路之间的若干个ccd相机14、上述各类传感器和与ccd相机14、上述各类传感器、液体流量计40、质量流量计13等分别电连接的计算机；ccd相机14分别位于各有机玻璃直管4处及可视窗6处。数据采集系统15通过ccd相机14进行实时图像采集；数据采集系统15集中采集所有传感器采集的数据，并将采集到的ccd相机14的图像信息与监测到的各传感器的数据进行整合分析。

本实施例应用于研究水合物堵塞的全可视化循环管路系统的工作过程为：

首先进行注液：启动真空泵27将全可视化管路系统内部抽真空，然后将实验配置溶液分别注入第一溶液罐29、第二溶液罐30中，开启第一往复泵25和第二往复泵26，将实验溶液泵入循环系统中，压力传感器10和液体流量计40将泵入循环系统的实验溶液剂量实时反馈到计算机；当泵入循环系统的实验溶液达到所需压力和实验剂量时，关闭手动截止阀35，并关闭第一往复泵25和第二往复泵26，停止溶液注入过程；

当注液系统完成实验溶液注入过程后，打开实验气瓶组32连接的手动截止阀35，天然气输送至空气压缩机28所连接的第一气体增压泵42中，待天然气经过增压过程后，将增压后的气体泵入缓冲稳压罐31中进行存储；当实验需要为循环系统进行供气时，通过数据采集系统15调节实验所需的进气压力和进气量后通过第二气动阀36进行实时进气调节，进气流量和压力信息通过第二气动阀36两端连接的气体流量计41和压力传感器10进行实时反馈；

然后启动单螺杆泵16，使全可视化管路系统开始运转，待流动稳定后，启动控温系统，将环境温度逐步降至实验温度并保持温度恒定；随着流动过程的持续进行，管路内将会有水合物生成并堵塞管路，此时通过温度传感器11、压力传感器10、质量流量计13、声波仪19实时记录管路内的温度、压力、流量以及声波信号等数据，并通过数据采集系统15进行实时采集分析，还可以通过ccd相机14和数据采集系统15得到水合物生成过程的实时图像；在全可视化管路系统运行过程中，当天然气由于水合物的生成有所消耗时，数据采集系统15可通过实时反馈的压力数据自动调节第二气动阀36，保证天然气的自动恒压补充，止回阀37可以防止气体的回流；

当实验系统需要稳定的出口流动状态时，打开背压调节阀38前连接的手动截止阀35，设备系统压力通过连接的压力传感器10和数据采集系统15进行终端调节，可以根据实验要求进行设定；当实验系统内排出的气体经过背压控制系统后，将排出的气体导入天然气收集罐33中，通过连接的气体流量计41、压力传感器10和天然气浓度传感器45实时反映天然气收集罐33中的气体含量信息。当天然气收集罐33中的气体达到一定含量时可以：①打开手动截止阀35，通过气液分离器43并经过第二气体增压泵48增压后重新泵入稳压注气系统；②打开压力调节阀34前的手动截止阀35，并启动点火器46，将多余的天然气通过燃烧器44烧掉以防止天然气排入大气层中引发温室效应；

在工作过程中数据采集系统15整合其他所有系统中的传感器信息并进行实时反馈，以保证所有系统合理协调运行。

本实施例应用于研究水合物堵塞的全可视化循环管路系统产生的有益效果可以用来研究：

(1)天然气水合物在管路中生成和聚集特性：

由于管路中不同的温度、压力、流速、气液比率和化学添加剂等条件导致水合物在管路中的生成时间、生成速率、生成位置和生成量的不同；本实施例可以通过控制以上所提到的实验条件，通过温度传感器11、压力传感器10、压差传感器12、质量流量计13、声波仪19和数据采集系统15组成的数据采集及分析系统实时监测水合物生成时的温度压力等参数进行分析，并且可以得到水合物生成堵塞过程的实时图像；

(2)天然气水合物在管路中堵塞的声波信号特性分析：

由于本系统于管路中加入声波仪19，因此可以通过发射出声波信号，分析遇到水合物堵塞区域时的反射信号来预测并判断水合物堵塞区域的位置及水合物堵塞的形状；

(3)天然气水合物在管路中生成时的压差模型分析：

当流动过程中发生天然气水合物生成并堵塞管路的情况，管路内会发生巨大的压差变化，通过与循环系统连接的压差传感器12可以进行压差信号分析水合物堵塞程度；

(4)支流管道盲区及流动死区的天然气水合物生成堵塞特性分析：

实际管道中的盲区及流动死区最容易发生天然气水合物生成堵塞现象，通过附加在第四管路上的盲管24可以有效观测并分析在这些区域下的水合物堵塞特性；

(5)管道倾斜状态下天然气水合物生成堵塞特性分析：

实际输气管路通常铺设于海底斜坡，这样会使管路与水平面成一定角度，因此通过本实施例的起伏段管路可以研究管路在不同倾斜角度下的水合物生成及堵塞特性；

(6)快速启停工况下管路内水合物沉积特性分析：

通过开启或者关闭由质量流量计13、单螺杆泵16、第一气动阀20和压差传感器12组成的循环系统，可以模拟实际管线启停工况，研究启停状态下天然气水合物在管线内的堵塞及沉积特性。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。