·試驗研究·

長輸管道超聲波檢測中介質壓力對聲場影響研究*

唐東林1申鵬飛1趙江2王斌2袁曉紅1任杰1陳昂1

(1. 石油天然氣裝備教育部重點實驗室，西南石油大學四川成都610500;

2.金牛工程建設有限責任公司新疆克拉瑪依834008)

摘要：針對超聲波檢測過程中介質壓力對聲場影響問題，根據(jù)機電類比原理，結合壓電元機電換能等效電路圖，采用理論與實驗相結合的方法對其影響作用進行研究，指出變介質壓力減弱聲場強度。以5MHz的超聲波傳感器為對象，分別以水、液壓油(HL46#)、原油為耦合介質進行實驗，實驗表明：壓力作用下聲場強度出現(xiàn)不同程度的減小，三種耦合介質中聲壓幅值變化率分別為0.1585 V/MPa、0.0876 V/MPa、0.0525 V/MPa。實驗結果與理論分析符合較好。

關鍵詞：超聲波檢測;介質壓力;聲場變化

作者簡介：第一唐東林，男，1970年生，教授/博士后，2006年畢業(yè)于天津大學，現(xiàn)工作于西南石油大學機電工程學院從事無損檢測技術、石油裝備安全評價技術研究。E-mail: tdl840451816@163.com

文章編號：中圖法分類號：TB551

收稿日期：(2014-07-23編輯：屈憶欣)

Study on the Influence of Medium Pressure on the Acoustic Field During Long-distance Pipeline Ultrasonic DetectionTANG Donglin1, SHEN Pengfei1, ZHAO Jiang2,WANG Bin2, YUAN Xiaohong1,REN Jie1,CHEN Ang1

(1.KeyLaboratoryforPetroleum-GasEquipmentofEMC,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500，China;

2.JinNiuEngineeringConstructionLimitedLiabilityCompany，Karamay,Xinjiang834000，China)

Abstract：Aiming at the influence of medium pressure ultrasonic detection of flaws in crude oil pipeline, according to the electromechanical analogical principle and transfer equivalent figure of piezoelectric transducers, the methods of experiments and theoretical analysis was used. And it was concluded that variable pressure weakened ultrasonic intensity. The ultrasonic transducers of 5 MHz was tested in water、Hydraulic Oil(HL46 #) 、Crude Oil. Experiments indicate that the ultrasonic field has different degrees of decreases and the rates of acoustic pressure are 0.1585 V/MPa、0.0876 V/MPa、0.0525V/MPa. It is shown that the theoretical conclusion is proved in corresponding testing experiment.

Key word：ultrasonic detection,medium pressure,acoustic field change

0引言

管道是油氣輸運的主要手段，腐蝕、壓力以及溫度等因素會導致管內(nèi)產(chǎn)生缺陷并擴展，高壓輸油管道缺陷擴展更快，如果沒能及時發(fā)現(xiàn)缺陷，一旦發(fā)生事故將造成極大的環(huán)境污染、生態(tài)破壞以及巨大的財產(chǎn)損失。所以必須定期對管道進行檢測，以確定管道中的缺陷種類、大小和位置，以便及時進行管道維修、更換避免事故發(fā)生[1、2]。

超聲波檢測是埋地輸油管道內(nèi)缺陷檢測的重要方法，檢測過程中原油作為天然的耦合劑，在輸油壓力作用下檢測器在管道內(nèi)爬行。陣列超聲波探頭的性能決定缺陷檢測的靈敏度、精度[3、4]。只分析檢測過程中壓力對聲速的影響，缺少壓力對傳感器自身影響作用分析。壓電陶瓷受到變載荷作用時,聲場會發(fā)生變化[5]。

采用實驗手段，對水、液壓油(HL46 #)以及樣品原油在壓力作用下超聲波聲場變化研究，定性分析了壓力對聲場的影響，對于管道腐蝕缺陷檢測超聲波設計具有重要參考價值。

1介質壓力對聲場影響理論分析

液浸超聲波傳感器振動方式屬于厚度方向伸縮，根據(jù)第四類壓電方程：[6]

(1)

其中：X表示應力、x表示應變、E表示電場強度、D表示電位移矢量、C表示彈性剛度常數(shù)、h壓電勁度常數(shù)、β介電隔離率。

得出壓電元件的機械振動方程：[6]

(2)

其中：F1、F2為壓電元件兩端的外力，ρ為壓電元密度、V為縱波速度、A為壓電元面積、K波數(shù)、n機電轉化系數(shù)、ω激勵源頻率、C0壓電元截止電容、ξ1、ξ2為兩端質點振動速度、V為壓電元兩端電壓。采用機電類比法得到圓薄片壓電換能器的機電等效圖1。其中,Z1、Z2為傳感器輻射超聲波聲負載。

圖1　圓薄片壓電換能器的機電等效圖

由上圖可知,當傳感器受到變壓力F作用時,力F與換能器振動產(chǎn)生的力F1、F2方向相反，根據(jù)力的疊加原理力 F1、F2將減小[7]。根據(jù)機、電、聲類比關系，聲場初始聲壓P0減小。

壓力改變超聲波波速影響聲場，壓力對波速的影響表示為[8]：

(3)

其中：C為液體中聲速、C0為常溫一個大氣壓下液體中聲速、P為液體壓力、K為比例系數(shù)。每MPa引起的聲速相對變化約為10-3數(shù)量級[9]，0.1 MPa～2.5 MPa壓力引起很小的聲速變化。因此,介質壓力對聲場的影響主要是由介質壓力對壓電元的影響所致。

2介質壓力對聲場影響的實驗研究

超聲波傳感器回波幅值定性表示聲壓大小，因此在不同壓力下通過一定位置回波幅值A1(或A2)的變化，判斷超聲傳感器初始聲壓P0的變化。

圖2　超聲波傳感器回波波形

為分析介質壓力對超聲波傳感器聲場的影響，設計了如圖3、圖4所示的壓力測試裝置：在底板上安裝超聲探頭，通過調節(jié)支撐桿上螺母改變傳感器提離高度，以滿足實驗要求。

圖3　實驗裝置示意圖

圖4　實驗裝置實物圖

通過手動試壓泵對裝置進行加壓，記錄示波器上回波幅值及壓力表示數(shù)。分別對水、液壓油(HL46#)、樣品原油進行壓力-回波幅值測試實驗。耦合介質為水，提離高度13.50 mm，加壓增加到2.00 MPa時，回波位置變化0.098 mm，相對誤差為0.73%，在允許誤差范圍內(nèi)，實驗裝置能夠滿足要求。

實驗采用5 MHz、晶片直徑為8 mm的超聲波傳感器，以水、液壓油、樣品原油為耦合劑(提離高度一定)分別測試壓力與回波幅值的關系。傳感器在不同介質下的回波幅值不同，這主要與耦合介質性質有關，聲場發(fā)生不同程度的衰減。圖5中a、b、c分別為常壓下水、液壓油、原油介質中的波形圖。

圖5　常壓下不同介質中的波形

圖6　回波幅值隨介質壓力的變化

回波幅值隨介質壓力變化如圖6所示，實驗結果表明隨壓力(0.1 MPa～2.5 MPa)變化過程中，三種介質的回波幅值發(fā)生變化，中間階段幅值有所增大，但總體趨勢為減小，在水、液壓油、原油介質中變化率分別為0.158 5 V/MPa、0.087 63 V/MPa、0.052 54 V/MPa，隨介質黏度的增大介質壓力對聲場的影響作用減小，中間階段的幅值增大可能由于測量、操作誤差所引起。根據(jù)圖2所示的機電等效圖分析，當介質壓力變化時超聲波傳感器所受到壓力改變，壓電元件所受的加持力發(fā)生變化，致使壓電元振動產(chǎn)生的力F1(F2)改變，導致壓電元輻射聲場發(fā)生變化，表現(xiàn)為聲壓幅值的改變，因此實驗結果與理論分析符合較好。

3結論

在介質壓力對傳感器壓電元聲場影響作用的理論分析基礎上，通過在不同壓力(0.1 MPa～2.5 MPa)作用下測量固定位置回波幅值的變化，定性分析介質壓力對聲場影響。實驗結果表明變化的介質壓力對壓電元的聲場強度具有一定的減弱作用，與理論分析的結果相一致。并且耦合介質黏度不同，壓力對聲場的影響程度也不相同。對于超聲波管道內(nèi)檢測器的傳感器陣列設計具有一定的指導意義。

參 考 文 獻

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