基于电磁感应的油气管道智能封堵器通信系统.pdf
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1、 2023 年 第 4 期Pipeline Technique and Equipment49 基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFC0802106)收稿日期:2022-04-19基于电磁感应的油气管道智能封堵器通信系统赵东辉,张 蕾,张吉昌,王建伟,闫 旭,李 宠(中国石油管道局工程有限公司维抢修分公司,河北廊坊 065001)摘要:油气管道的材质大部分是以铁磁材料为主的各种合金,为了保证耐压强度,油气管道壁厚一般要求 10 mm 甚至更高。较厚的铁磁金属管道会对电磁信号产生极大的衰减,虽然低频电磁波可以有效穿透金属管道,但是电场信号依然衰减很大,只能利用磁场信号进行近场耦合通信。文
2、中设计了一种基于电磁感应的油气管道双向通信系统,采用高灵敏度磁传感器实现了系统的收发分置,利用简单的通信编码方案实现了数据帧的可靠通信,采用优化检测算法提高了通信系统的准确度,实现了基于油气管道智能封堵器的管内外双向通信系统。关键词:管道双向通信;智能封堵器;低频电磁波;电磁感应中图分类号:TE973 文献标识码:A 文章编号:1004-9614(2023)04-0049-04Communication System of Intelligent Plugging Device for Oil and Gas Pipeline Based on Electromagnetic Inductio
3、nZHAO Donghui,ZHANG Lei,ZHANG Jichang,WANG Jianwei,YAN Xu,LI Chong(Maintenance and Emergency Repair Company of China Petroleum Pipeline Engineering Co.,Ltd.,Langfang 065001,China)Abstract:The materials of oil and gas pipelines are mostly various alloys made of ferromagnetic materials.In order to ens
4、ure compressive strength,the wall thickness of oil and gas pipelines generally requires 10 mm or even higher.Thick ferromagnetic metal pipelines can cause significant attenuation of electromagnetic signals.Although low-frequency electromagnetic waves can effectively penetrate metal pipelines,the ele
5、ctric field signal still attenuates greatly,and can only be used for near-field coupling communication using magnetic field signals.This article designed a two-way communication system for oil and gas pipelines based on electromagnetic induction.High sensitivity magnetic sensors were used to achieve
6、 the systems transmission and recep-tion separation,and a simple communication encoding scheme was used to achieve reliable communication of data frames.Opti-mized detection algorithms were used to improve the accuracy of the communication system,achieving an internal and external two-way communicat
7、ion system based on oil and gas pipeline smart plug.Keywords:pipeline two-way communication;smart plug;low-frequency electromagnetic waves;electromagnetic induction0 引言油气管道智能封堵器系统可以有效缩小施工的规模,降低封堵作业的成本,具有工艺简单、减小损失等优点,并且拓展了其在不同地质条件的应用领域 1。智能封堵器系统主要包括以下部分:封堵器机械结构、应急处理系统、通信与控制系统、微型液压系统。其中,通信与控制系统是实现封堵器管
8、内外单元协调工作的通信桥梁,能够有效控制液压系统和封堵系统正常工作,是研发智能封堵的关键技术。目前,实现管道通信主要有 2 种技术:(1)声波法。调制后的声信号沿着管道管壁可以传导很长的距离,但是声激励单元与接收单元在使用时需要紧贴管壁,对于深埋于地下的管道作业来说相当不便;除此之外,声通信还面临着由于回声和混响带来的码间串扰和定位难等问题。(2)电磁感应法,使用信号调制将包含控制信号的波形以电磁波的形式进行发射,330 Hz 的极低频(ELF)电磁波信号可以穿透土壤、河水和金属管道2,实现稳定可靠的管道通 50 第 4 期信,缺点是传输距离较近。本文采用电磁感应法,采用高灵敏度磁传感器进行接
9、收并自研相关设备,设计了一套完整的油气管道双向通信系统。1 信道计算假设管道内发射装置发射的电磁波以近似平面波的形式沿垂直管壁的方向向管道外传播,则其衰减系数为=121+222-1()12(1)式中:为角频率;为管道的电导率;为磁导率;为管道外泥土的介电常数。对于极低频电磁波而言,铁、泥土都满足 1,则式(1)可简化为/2(2)因为材料的磁导率越高、筒壁越厚,电磁波衰减越严重,因此壁厚 h、以及 等参数都会影响电磁波的衰减3。系统设计前测量出管壁有 2 层厚度为 0.04 m 的铁质材料,中间夹有 0.05 m 厚的泥土,铁质材料在 0 时的电阻率为 8.710-8 m,则管壁的电阻率由式(3
10、)得出:=0(1+t)(3)式中 为铁的电阻温度系数4,=510-3-1。另外,铁质材料的磁导率随通过电流的不同而不同,当发射装置的工作频率 f=22 Hz 时,计算得出 80 mm 铁介质衰减为-117.35 dB,通过管道外 3 m 的衰减为-0.48 dB,合计为 117.83 dB。金属板的屏蔽效能可表示为SE=A+R+B(4)式中:SE 为屏蔽效能;A 为吸收损耗;R 为反射损耗;B为多次反射损耗。A=0.131tfrr,R=74.6-10lg(r/(frr2)屏蔽以吸收损耗为主,可以计算不同厚度的电磁场损耗,当 A10 dB 时,B 可以忽略。如表 1 所示,A 为吸收损耗,SEC
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