非金属复合材料油气管道内部结蜡电容层析检测机理及评价方法研究

非金属复合材料油气管道已逐渐成为我国油气输送的首选，但由于其输送线路长，易受温度、油气品质等影响，在管道内壁会产生结蜡现象，形成油气管道输送隐患。随着结蜡程度加剧，在管道压力等因素作用下，造成蜡堵、管道凝管现象，增加管道输送压力，导致爆管等灾难性事故，造成重大经济损失与环境污染。本课题提出一种电容层析成像检测方法，主要研究内容包括：大直径电容层析成像传感器场特性理论分析与数值仿真，同时考虑传感器直径、管壁结蜡形状、空隙率等检测环境因素对敏感场分布的影响；重点进行传感器优化设计的实验研究，如传感器设计参数与检测性能影响分析等，传感器参数设计的平衡问题等；对于试验配置的研究包括，激励源频率、幅值以及模式的选择，数据采集速率等；成像算法的改进，包括对与算法复杂度、速度以及结果的平衡考虑，以满足系统对实时性与图像重建质量要求；提出一种用于管道ECT检测的多参数综合标定方法，为石油行业提供技术支撑。

非金属复合材料油气管道由于其输送线路长，易受温度、油气品质等影响，在管道内壁会产生结蜡现象，形成油气管道输送隐患。随着结蜡程度加剧，在管道压力等因素作用下，造成蜡堵、管道凝管现象，增加管道输送压力，导致爆管等灾难性事故，造成重大经济损失与环境污染。本项目针对此类问题完成了如下内容的研究，包括：1.电容层析成像传感器场特性理论分析与数值仿真，利用有效理论对电容层析成像传感器简化模型进行了理论分析，建立了三种简化物理模型并推导出最终半解析公式，通过测量数据确定了公式中待定系数，并进行了模型有效性验证，验证结果证明，误差率在7.5%以内，满足工程设计的要求；2.考虑传感器直径、管壁结蜡形状、空隙率等检测环境因素对敏感场分布的影响，重点进行传感器优化设计的实验研究，如传感器设计参数与检测性能影响分析等，传感器参数设计的平衡问题等，提出了一种利用模糊理论与量化法结合的评价方法以增强电容层析成像传感器系统的设计，不同于以往传统方法，此方法能够将多目标函数融合为新的单一目标函数以指导优化，通过多指标正交设计的方法设计实验，并最终证明了此方法可以同时有效地提高灵敏场分布的均匀性与图像重组结果的准确性；3. 电容层析成像系统硬件电路设计，设计了包括激励源、微电容测量电路、相敏解调电路以及多路开关控制电路，通过仿真与实验，验证了各模块电路的有效性与准确性，实现了对管道结蜡电容的测量，为后续的成像实验提供了数据支持；4. 非金属管道内部结蜡检测实验系统的实现。利用有限元软件COMSOL进行物理模型建立，并计算检测区域的敏感场分布。设计不同结蜡程度的实物模拟管道，利用设计的ECT传感器系统进行电容测量，通过线性反投影算法实现了非金属管道内部结蜡的成像，通过仿真结果与实际试验结果比较，该系统能够实现非金属管道内部的结蜡检测。