山西省產品質量監(jiān)督檢驗研究院 山西 太原 030006

引言

油品產品的密度、粘度及低溫性能是油品產品的主要的物理性能指標,它不僅與半成品、成品的質量控制、檢測有關,而且對加強及提高生產過程的計量管理水平、促進科學研究及國內外貿易的發(fā)展密切相關,以及良好的低溫性能能夠滿足車輛、飛機和工程裝備在不同溫度下正常運行相關,因此準確的檢測石油產品的密度、粘度及低溫性能具有重要意義。

1 石油管材應用超聲的重要意義

在科學技術不斷進步的今天,超聲技術也在不斷改進,在檢測石油管材的過程中,通過合理運用超聲技術,能夠保證石油管材得到更好的利用,促進石油工程的穩(wěn)定高速發(fā)展。在油田開發(fā)過程中,常見的管材主要有輸油管與無縫管等,如果石油管材的質量較差,會引發(fā)嚴重的安全事故,影響石油的運輸質量。為了保證石油開采與運輸質量,對石油管材進行科學的檢測特別重要。在檢測石油管材的過程中,通過合理運用超聲技術,能夠保證管材破損處得到更好的檢測,為檢測人員提供更加精確的石油管材檢測數據,保證石油管材得到更好的運用。由于超聲設備的體積比較小,具有操作方便、運行穩(wěn)定等特點,能夠保證石油管道的正常運行,提升石油的運輸質量。將超聲檢測技術應用到石油管材檢測中,能夠減少石油管材的損耗,進一步提升石油企業(yè)的經濟效益。

2 超聲波在石油產品檢測中應用的研究進展

2.1 聲速法 聲速法又稱時差法,聲速是超聲波檢測工業(yè)應用最廣的物理量,聲速與待測檢測的許多特性存在直接或者間接的聯(lián)系。有的關系非常簡單,已有直接的經驗公式,比如,超聲波在介質中傳播時,其傳播速度與介質的密度相關,當油品密度變化時,超聲波在油品中的傳播速度也會改變。因此,在通過溫度、壓力以及其他變量補償后可以通過測量超聲波在油料中的傳播速度間接檢測油料密度。應用聲速法檢測介質密度的關鍵是在短距離內準確測出超聲傳播時間的起點和終點,但由于數據采集頻率的限制,傳播時間精度往往達不到理想的要求。應用聲速法可以檢測礦漿、油品和鉛蓄電池電解質等的密度測量。應用聲速法國內外學者對不同介質和應用環(huán)境開展了大量研究。應用超聲波聲速法檢測不同牌號油品的密度,實驗發(fā)現隨油品密度的增大,超聲波在油品中的速度也隨之增大。通過回歸分析建立聲速與密度間的經驗公式,該經驗公式在已知油品密度時,可以逆向推導油品的聲速；已知超聲波在油品中聲速情況下,可以求出油品的密度。在研究的基礎上指出超聲波在油品中傳播的速度與溫度成非線性關系,同時也受到壓力的影響。在使用聲速法測量密度時,需要溫度補償。也發(fā)現當油品處于溫度10～15℃和比重1.10～1.30范圍內時,通過測量恒定溫度下超聲波在油品中的傳播速度,近似預測油品的密度。但是提出的方法對不同牌號的柴油進行檢測,結果表明多種柴油樣品密度相同,但聲速不同。這很有可能是由于柴油樣品化學組成成分不同,導致超聲波在介質中的傳播速度不同。同樣,使用聲速法測量介質密度,介質必須足夠純凈,聲速和密度才能呈現出相關關系。

2.2 聲衰減法 超聲波在石油產品傳播過程中,隨傳播距離的增大,聲壓和聲強不同程度的衰減。聲衰減法是應用超聲在介質中聲衰減特性建立與介質密度的相關關系。聲衰減主要分為擴散損耗、散射損耗和粘滯損耗。擴散衰減是由于聲束擴散而引起的衰減,僅取決于波陣面的形狀,而與傳聲介質的性質無關。散射衰減是超聲波在傳播過程中,由于介質的不均勻性引起聲散射,從而造成聲壓或聲能的減弱。粘滯衰減是由于傳聲介質的粘滯性引起質點間的內摩擦,使一部分聲能轉化為熱能,同時傳聲介質的稠密部分與稀疏部分間進行熱交換,進而導致聲能的損耗。測量時以衰減系數為紐帶,通過測量回波電壓,建立回波曲線電壓與石油產品密度間的函數關系,從而測得石油產品密度。超聲在石油產品中的衰減是個復雜的物理量,受到多因素的干擾,在工業(yè)檢測中往往只測量相對值。由于各類衰減的描述多為近似公式,因此,測量精度較低,遠不及聲速法的測量精度。在工業(yè)檢測中往往在聲速法和聲阻抗法等不適用的情況下使用。

2.3 超聲波檢測石油產品低溫性能 石油產品的低溫性能指標是在低溫條件下油料發(fā)生凝結、混濁、結晶等物態(tài)變化時對應的溫度條件,因此,對石油產品進行制冷降溫,并在此過程中連續(xù)監(jiān)測油料的聲速、聲衰減系數、聲阻抗各項聲學特性參數及其密度和粘度的變化情況。盡管隨著溫度的變化,石油產品的聲學特性參數及物性參數也將發(fā)生變化,但在石油產品的物態(tài)也發(fā)生變化時,其聲學參數及物性參數的變化速度必然發(fā)生階躍性的轉折。因此,若在制冷降溫過程中,連續(xù)監(jiān)測石油產品的各項聲學特性參數及密度和粘度等物性參數的變化,當其聲速變化發(fā)生階躍性轉折時,此時對應的溫度即可表征油料的低溫性能指標。另外,由材料學可知,其中的儲能模量和損耗模量的比值稱為損耗因子,能反映材料粘性彈性比例。損耗模量遠大于儲能模量時(即),材料主要發(fā)生彈性形變,所以材料呈固態(tài)；損耗模量遠小于儲能模量時(即),材料主要發(fā)生粘性形變,所以材料呈液態(tài)；彈性模量和粘性模量相當時,材料為凝膠等半固態(tài)。由此可見損耗因子是物質形態(tài)的一個量化指標,因此,在石油產品的制冷過程中,可以通過石油產品的損耗因子的大小及其變化來判斷油樣屬于液態(tài)、半液態(tài)及固態(tài)的程度以及物態(tài)的變化,進而由此檢測石油產品的低溫性能指標。

3 超聲波探傷檢測影響因素的應對策略

超聲波探傷檢測工作質量的提升,首要的前提是選用合格的檢測人員,在選用合格的檢測人員的基礎上,不斷的通過檢測人員自我培訓以及組織培訓等多種方式的結合,提高現有的檢測工作人員的整體素質。除此以外,還應結合自身的實際情況優(yōu)化超聲波探傷檢測的管理制度。關注超聲波檢測計劃的制定與實施,超聲波探傷檢測的計劃內容應包括合格的檢測人員配置、檢測時間、檢測工藝、標記方法、檢測儀器、探頭及附件等等,在計劃中應明確采用和被檢對象的規(guī)格、特性不發(fā)生沖突的檢測標準與驗收標準；還應涉及到循環(huán)檢驗、復核檢驗以及檢測場所的環(huán)境條件限制等諸多內容。在計劃的實施過程中應根據實際情況靈活的調整,進而從根本上提高超聲波探傷檢測工作質量。

結語

目前,現有石油產品檢測儀器在總體上功能單一分散,綜合集成度低下。還有相當一部分石油產品檢測儀器存在自動化程度不高、人為因素影響大、檢測耗時長等不足。這個現狀會導致對石油產品檢測結果精度低、可信度不高、檢測效率低下的問題,不滿足高精度快速自動化檢測的需求。這個現狀導致相關油品檢測機構為了完成相應的油料物性檢測任務而不得不配備種類繁多的儀器。針對現有石油產品檢測儀器種類繁多的問題,可以應用超聲波檢測技術,開發(fā)一款超聲波檢測儀實現對石油產品的密度、粘度和低溫性能同時檢測的儀器,緩解儀器眾多帶來的人力和財力損失。