長(zhǎng)輸管道超聲波檢測(cè)中介質(zhì)壓力對(duì)聲場(chǎng)影響研究

·試驗(yàn)研究·

長(zhǎng)輸管道超聲波檢測(cè)中介質(zhì)壓力對(duì)聲場(chǎng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西南石油大學(xué)四川成都610500;

2.金牛工程建設(shè)有限責(zé)任公司新疆克拉瑪依834008)

摘要：針對(duì)超聲波檢測(cè)過程中介質(zhì)壓力對(duì)聲場(chǎng)影響問題，根據(jù)機(jī)電類比原理，結(jié)合壓電元機(jī)電換能等效電路圖，采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)其影響作用進(jìn)行研究，指出變介質(zhì)壓力減弱聲場(chǎng)強(qiáng)度。以5MHz的超聲波傳感器為對(duì)象，分別以水、液壓油(HL46#)、原油為耦合介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明：壓力作用下聲場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的減小，三種耦合介質(zhì)中聲壓幅值變化率分別為0.1585 V/MPa、0.0876 V/MPa、0.0525 V/MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析符合較好。

關(guān)鍵詞：超聲波檢測(cè);介質(zhì)壓力;聲場(chǎng)變化

作者簡(jiǎn)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(xué)，現(xiàn)工作于西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院從事無損檢測(cè)技術(shù)、石油裝備安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究。E-mail: tdl840451816@163.com

文章編號(hào)：中圖法分類號(hào)：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(yùn)的主要手段，腐蝕、壓力以及溫度等因素會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)產(chǎn)生缺陷并擴(kuò)展，高壓輸油管道缺陷擴(kuò)展更快，如果沒能及時(shí)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(cái)產(chǎn)損失。所以必須定期對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，以確定管道中的缺陷種類、大小和位置，以便及時(shí)進(jìn)行管道維修、更換避免事故發(fā)生[1、2]。

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

采用實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)水、液壓油(HL46 #)以及樣品原油在壓力作用下超聲波聲場(chǎng)變化研究，定性分析了壓力對(duì)聲場(chǎng)的影響，對(duì)于管道腐蝕缺陷檢測(cè)超聲波設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

1介質(zhì)壓力對(duì)聲場(chǎng)影響理論分析

液浸超聲波傳感器振動(dòng)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(yīng)力、x表示應(yīng)變、E表示電場(chǎng)強(qiáng)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(jī)械振動(dòng)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(jī)電轉(zhuǎn)化系數(shù)、ω激勵(lì)源頻率、C0壓電元截止電容、ξ1、ξ2為兩端質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、V為壓電元兩端電壓。采用機(jī)電類比法得到圓薄片壓電換能器的機(jī)電等效圖1。其中,Z1、Z2為傳感器輻射超聲波聲負(fù)載。

圖1　圓薄片壓電換能器的機(jī)電等效圖

由上圖可知,當(dāng)傳感器受到變壓力F作用時(shí),力F與換能器振動(dòng)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(jī)、電、聲類比關(guān)系，聲場(chǎng)初始聲壓P0減小。

壓力改變超聲波波速影響聲場(chǎng)，壓力對(duì)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(gè)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(duì)變化約為10-3數(shù)量級(jí)[9]，0.1 MPa～2.5 MPa壓力引起很小的聲速變化。因此,介質(zhì)壓力對(duì)聲場(chǎng)的影響主要是由介質(zhì)壓力對(duì)壓電元的影響所致。

2介質(zhì)壓力對(duì)聲場(chǎng)影響的實(shí)驗(yàn)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A(chǔ)1(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(zhì)壓力對(duì)超聲波傳感器聲場(chǎng)的影響，設(shè)計(jì)了如圖3、圖4所示的壓力測(cè)試裝置：在底板上安裝超聲探頭，通過調(diào)節(jié)支撐桿上螺母改變傳感器提離高度，以滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖3　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖4　實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

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

實(shí)驗(yàn)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(cè)試壓力與回波幅值的關(guān)系。傳感器在不同介質(zhì)下的回波幅值不同，這主要與耦合介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，聲場(chǎng)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(zhì)中的波形圖。

圖5　常壓下不同介質(zhì)中的波形

圖6　回波幅值隨介質(zhì)壓力的變化

回波幅值隨介質(zhì)壓力變化如圖6所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨壓力(0.1 MPa～2.5 MPa)變化過程中，三種介質(zhì)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(shì)為減小，在水、液壓油、原油介質(zhì)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(zhì)黏度的增大介質(zhì)壓力對(duì)聲場(chǎng)的影響作用減小，中間階段的幅值增大可能由于測(cè)量、操作誤差所引起。根據(jù)圖2所示的機(jī)電等效圖分析，當(dāng)介質(zhì)壓力變化時(shí)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(dòng)產(chǎn)生的力F1(F2)改變，導(dǎo)致壓電元輻射聲場(chǎng)發(fā)生變化，表現(xiàn)為聲壓幅值的改變，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析符合較好。

3結(jié)論

在介質(zhì)壓力對(duì)傳感器壓電元聲場(chǎng)影響作用的理論分析基礎(chǔ)上，通過在不同壓力(0.1 MPa～2.5 MPa)作用下測(cè)量固定位置回波幅值的變化，定性分析介質(zhì)壓力對(duì)聲場(chǎng)影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明變化的介質(zhì)壓力對(duì)壓電元的聲場(chǎng)強(qiáng)度具有一定的減弱作用，與理論分析的結(jié)果相一致。并且耦合介質(zhì)黏度不同，壓力對(duì)聲場(chǎng)的影響程度也不相同。對(duì)于超聲波管道內(nèi)檢測(cè)器的傳感器陣列設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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