楊紅新，杜寶偉，趙延杰，張 潔，李永飛，陳 剛

(1.延長油田股份有限公司勘探開發(fā)技術(shù)研究中心，陜西 延安 716000；2.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065)

超聲防蠟降粘技術(shù)是超聲技術(shù)在石油領(lǐng)域新的應(yīng)用，已顯示出成本低、工藝簡單、無污染等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。因此，研制超聲波防蠟器并且對超聲防蠟降粘機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析具有重要意義。國內(nèi)研究者對超聲波防蠟降粘作用機(jī)理進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，提出了十幾種作用功能，但目前普遍認(rèn)同的主要作用有4 個：機(jī)械作用，空化作用，熱作用和超聲乳化作用[3-4]。超聲防蠟降粘作用是機(jī)械作用、空化作用、熱作用和乳化效應(yīng)等綜合作用的結(jié)果，其中乳化效應(yīng)是空化作用的次級效應(yīng)，而熱作用是一種綜合效應(yīng)，也與空化作用有很大關(guān)系[5]。

1 防蠟降粘用超聲振動系統(tǒng)的研制

1.1 超聲振動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

變截面細(xì)桿一維縱振的波動方程為：

(1) 等截面桿

(2)圓錐形桿

根據(jù)四端網(wǎng)絡(luò)傳輸矩陣法[6-7]設(shè)計(jì)了一種夾心式全波長復(fù)合壓電超聲換能器，所設(shè)計(jì)換能器的各段尺寸如表1 所示。在超聲振動系統(tǒng)能量傳遞過程中，接觸面的結(jié)合程度是影響能量傳遞效率的一個主要因素，所以，在變幅桿和換能器的連接方式上采用將換能器前蓋板與變幅桿一體加工完成(圖1)，最大限度降低能量在接觸面上的輻射，提高能量傳遞效率。

圖1 換能器整體結(jié)構(gòu)示意圖

表1 換能器結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 變幅桿應(yīng)力校核

由于換能器后端蓋(L1 段)、陶瓷片(L2 和L3 段)與前端蓋(L4)所受應(yīng)力與變幅桿(L5 和L6 段)相比要小得多，而且其材料的疲勞強(qiáng)度都小于變幅桿材料的疲勞強(qiáng)度，所以只校核變幅桿處的應(yīng)力即可。通過解式(1)可得變幅桿的位移分布為：

對式3 中各等式兩端微分得：

圖2 復(fù)合變幅桿振速分布曲線

從振速分布曲線圖(圖2)可以看出，振動系統(tǒng)的振速分布平穩(wěn)且可以到達(dá)放大振幅的效果。從應(yīng)力分布曲線圖(圖3)可知，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在x=0.078m處，相應(yīng)的最大應(yīng)力為=5.4253×107Pa，硬鋁的疲勞許用應(yīng)力為14×107Pa，遠(yuǎn)大于該值，因而所選工具材料滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 復(fù)合變幅桿應(yīng)力分布曲線

1.3 換能器支撐面的選取

本實(shí)驗(yàn)中，換能器、變幅桿的支撐確定在變幅桿的節(jié)面位置，因?yàn)閾Q能器、變幅桿是在空載的條件下設(shè)計(jì)計(jì)算的，考慮到實(shí)際加工過程中的負(fù)載會對超聲振動頻率產(chǎn)生一定影響，在變幅桿各段長度確定后，頻率變化會使節(jié)面位置產(chǎn)生偏移。將負(fù)載等效為同種材料的一小段，變幅桿又變?yōu)樽笥叶嗣媸芰榱悖鐖D4 所示。

圖4 加載后變幅桿的等效振動模型示意圖

由式(6)可得增加的L7段即可等效為在L6的末端加負(fù)載：

頻率方程為：

根據(jù)式(8)和式(9)通過Matlab 仿真計(jì)算，可以得出L7變化與負(fù)載阻抗Z 之間的關(guān)系曲線，如圖5 所示。由換能器位移節(jié)點(diǎn)方程聯(lián)合式(8)和式(9)可得負(fù)載阻抗Z 與節(jié)面位置變化量δx 之間的關(guān)系曲線如圖6 所示。

圖5 L7 與之間的關(guān)系曲線

圖6 阻抗Z 與之間的關(guān)系曲線

由圖5 可以看出，當(dāng)負(fù)載阻抗達(dá)到400kg·s-1時，節(jié)面位置變化不到5mm。因此在實(shí)際工作中可以根據(jù)實(shí)際工作情況先估計(jì)負(fù)載范圍，然后選擇節(jié)面，而由于負(fù)載的小擾動引起的節(jié)面位置的變化很小，基本不會影響工作情況。若負(fù)載變化范圍很 大，則應(yīng)根據(jù)各負(fù)載對應(yīng)的節(jié)面加工出多個法蘭面，然后根據(jù)負(fù)載情況選擇其中一個作為固定面。

1.4 換能器的有限元模態(tài)分析及實(shí)驗(yàn)測試

1) 模態(tài)分析。對壓電陶瓷施加零電壓，由于設(shè)計(jì)頻率為20kHz，故設(shè)置頻率范圍為18 22kHz 進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果如圖7 所示。由有限元仿真結(jié)果可知，換能器的固有頻率為19.655kHz，與設(shè)計(jì)的諧振頻率20 kHz 誤差較小。

圖7 換能器模態(tài)分析圖

2) 實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)中采用HP4294A 型精密阻抗分析儀測量和分析超聲換能裝置的諧振特性，其測量結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可以更清晰地看到換能器的諧振頻率為19.975kHz，與設(shè)計(jì)頻率20kHz相差0.025kHz，誤差為0.13%，滿足設(shè)計(jì)要求。?

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 超聲波作用時間對處理效果的影響

在超聲波頻率為20kHz，超聲功率為50W 的條件下，分別用超聲波對延長油田原油作用1min、3min 和9min，作用前后的粘溫曲線如圖9 所示。

圖9 不同作用時間的粘溫曲線

由圖9 可見不同處理時間對處理效果的影響。處理時間為1min 時，作用效果不明顯，隨著超聲作用時間的增長，超聲作用效果增強(qiáng)，但是，隨著超聲作用時間的繼續(xù)增長，其作用效果反而減弱。因此，實(shí)際應(yīng)用中并不能為了提高作用效果，一味延長作用時間，因?yàn)樽饔脮r間過長，作用效果改善不明顯反而下降，浪費(fèi)能源和效率[10-11]。

2.2 超聲波功率對處理效果的影響

在超聲頻率20kHz，輻照3min 的條件下，分別用功率為20W、30W 和50W 的超聲波對400mL 原油進(jìn)行作用，作用前后的粘溫曲線如圖10 所示。

圖10 超聲波作用前后的粘溫曲線

由圖10 可見，當(dāng)功率為20W 時，作用效果已經(jīng)很明顯，隨著功率的增加，超聲作用增強(qiáng)，但是增強(qiáng)較緩慢。因此為了提高超聲作用的效果，應(yīng)該采用大功率的超聲波，但也不能一味追求大功率，應(yīng)根據(jù)原油性質(zhì)等具體情況選擇合適的功率。

2.3 超聲空化作用效果實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用大慶產(chǎn)脫水原油，此原油含雜質(zhì)少，利于配制不同含蠟量的模擬油。依據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論，以下實(shí)驗(yàn)選取超聲功率為50W，超聲輻照時間為3min。將石蠟、原油、蠟油體積比1∶1、2∶1 的模擬油經(jīng)超聲作用測其粘溫曲線，與不同含蠟量的原油自然粘溫曲線對比，結(jié)果如圖11 所示。由圖11 可知，經(jīng)超聲作用后，石蠟及不同含蠟量的原油在很大溫度范圍內(nèi)降粘效果并不明顯，但卻有很明顯的降低相對凝點(diǎn)的效果。

圖11 超聲作用前后粘溫曲線

[1] 王陽恩.超聲波采油技術(shù)的原理及應(yīng)用[J].物理學(xué)和高新技術(shù)，2002，31(11)： 725-728.

[2] 顧春元，虞建業(yè)，任永林，袁萍.超聲波采油技術(shù)研究與應(yīng)用[J].鉆采工藝，2003，26(6)：59-61.

[3] 馮異勇.石蠟沉積及清除數(shù)值模擬研究[D].成都：西南石油學(xué)院，2002.

[4] 許文林，何玉芳，王雅瓊.超聲空化氣泡運(yùn)動方程的求解及過程模擬[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005(1)：28-31.

[5] 張赫.基于寬頻帶換能器的原油超聲防蠟降粘技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

[6] 顧煜炯，周兆英，姚健.超聲振動系統(tǒng)的四端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1997，33(3)：94-100.

[7] 朱武，張佳民.基于四端網(wǎng)絡(luò)法的超聲變幅桿設(shè)計(jì)[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，20(4)：21-23.

[8] 栗桂冬，張金鐸，王仁乾.壓電換能器和換能器陣[M].北京：北京大學(xué)出版社，2005.

[9] 蒙海英.基于MATLAB 的超聲波聲場模擬及可視化研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[10] 楊筱衡，張國忠. 輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M].東營：石油大學(xué)出版社，2006.

[11] 羅塘湖.含蠟原油流變特性及其管道輸送[M].北京：石油工業(yè)出版社，1991.