油氣管道兩相段塞流的聲發(fā)射測試實(shí)驗(yàn)

王 鑫， 李美慧， 岳曉慶， 李曉磊， 桑勛源

(中國石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

油氣管道兩相段塞流的聲發(fā)射測試實(shí)驗(yàn)

王 鑫， 李美慧， 岳曉慶， 李曉磊， 桑勛源

(中國石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

基于聲發(fā)射非侵入式檢測方法，在水平管油氣兩相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行了段塞流流型區(qū)聲發(fā)射信號(hào)的檢測，并配合高速攝像技術(shù)同步測量，分析了液塞頭、液塞體以及液膜區(qū)聲信號(hào)的變化情況。結(jié)果表明,段塞流動(dòng)特征與測得的聲發(fā)射信號(hào)波形具有較好的關(guān)聯(lián)性。同時(shí)利用連續(xù)型聲信號(hào)采集處理軟件進(jìn)行聲發(fā)射參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、計(jì)算與提取，定量分析了4種聲發(fā)射參數(shù)隨不同氣液相表觀流速的變化情況。實(shí)驗(yàn)證明，聲發(fā)射技術(shù)具有靈敏度高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，可用于段塞流型的識(shí)別和參數(shù)提取，為實(shí)際應(yīng)用于海洋油氣工業(yè)兩相段塞流的現(xiàn)場檢測提供理論基礎(chǔ)。

油氣段塞流; 聲發(fā)射; 波形分析

0 引 言

在目前的長距離陸上混輸管道系統(tǒng)以及海洋油田混輸生產(chǎn)系統(tǒng)中，段塞流是一種常見的流動(dòng)現(xiàn)象。由于這種流型的間歇性、波動(dòng)性以及不穩(wěn)定性，是深水油田開發(fā)必須突破的流動(dòng)安全問題，而有效實(shí)時(shí)的檢測技術(shù)是解決段塞流的關(guān)鍵性問題之一[1-2]，也是石油工程多相流研究人員的重要研究方向。目前在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用于兩相流檢測的技術(shù)有伽馬射線法[3]、光學(xué)法[4]、電導(dǎo)電容法[5]以及超聲法[6]等，上述方法中能夠應(yīng)用于油田現(xiàn)場的只有射線法。

近年來，聲學(xué)法在現(xiàn)代檢測技術(shù)中日益受到關(guān)注，其中聲發(fā)射技術(shù)[7-8]作為一種非侵入式的動(dòng)態(tài)檢測方法廣泛應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)檢測中，并取得了良好的效果。Zhang等[9]利用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行木材斷裂損傷檢測，并利用無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離高速采集的控制。Svoboda等[10]通過在儲(chǔ)罐表面布置多個(gè)聲發(fā)射傳感器成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)罐泄漏和裂紋的檢測,但這些信號(hào)都屬于突發(fā)型聲信號(hào)，對(duì)于氣液兩相流連續(xù)型聲信號(hào)檢測的利用較少。Robert等[11-12]提出分布式光纖聲發(fā)射技術(shù)(DAS)，利用其敏感的頻率響應(yīng)和緊密的空間分布可以檢測管道中布有光纖位置處的聲信號(hào)。方立德等[13-14]利用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行了垂直管氣液兩相流動(dòng)的檢測，成功進(jìn)行了流型識(shí)別，表明了聲發(fā)射技術(shù)的可行性。故利用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行氣液段塞流測試的研究具有極大的發(fā)展?jié)摿脱芯恳饬x。

本文利用聲發(fā)射以及高速攝像同步的技術(shù)進(jìn)行水平管油氣兩相段塞流機(jī)理的研究，分析段塞流流型的聲信號(hào)特性，同時(shí)使用自行開發(fā)的聲信號(hào)采集處理軟件進(jìn)行聲發(fā)射參數(shù)的提取，觀察不同氣液相表觀流速下聲發(fā)射參數(shù)的變化，探究段塞流流動(dòng)特征與聲信號(hào)的關(guān)聯(lián)性，為后續(xù)深入研究段塞流機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。

1 聲發(fā)射檢測原理

聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)[15]是材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性應(yīng)力波的現(xiàn)象,其作為一種無損檢測手段廣泛應(yīng)用于材料損傷以及機(jī)械結(jié)構(gòu)檢測領(lǐng)域。檢測原理如圖1所示，從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波傳播到材料表面，使傳感器探測的表面發(fā)生位移，并將材料的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后再被放大、處理和記錄。其檢測過程是以振動(dòng)波形式存在的一系列能量的產(chǎn)生、傳播和接收過程，人們根據(jù)觀察到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析與推斷以了解發(fā)射源的變化機(jī)制。

圖1 聲發(fā)射檢測原理

本實(shí)驗(yàn)使用的聲信號(hào)硬件采集系統(tǒng)為北京聲華的SAEU2S型聲發(fā)射儀，包括聲發(fā)射傳感器、前置放大器及數(shù)據(jù)采集卡，其顯著特點(diǎn)是具有多個(gè)同步的檢測通道測量部件，可以進(jìn)行互不干擾的獨(dú)立檢測。軟件部分為本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的連續(xù)型聲信號(hào)采集處理程序，克服了原有程序采集時(shí)間、波形顯示、文件存儲(chǔ)等一系列不足，并加入了7個(gè)聲信號(hào)參數(shù)處理程序，分別是持續(xù)時(shí)間(DT)、上升時(shí)間(RT)、幅值(AMP)、平均電壓電平(ASL)、均方根值(RMS)、絕對(duì)能量值(ABS)以及振鈴計(jì)數(shù)(Counts)，實(shí)現(xiàn)了聲發(fā)射信號(hào)實(shí)時(shí)采集處理過程，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率，對(duì)于現(xiàn)場應(yīng)用具有重要意義。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與測量方法

本實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，主要包括氣液兩相管流循環(huán)系統(tǒng)和聲信號(hào)采集系統(tǒng)，其中氣液兩相循環(huán)系統(tǒng)包括氣液兩相供應(yīng)系統(tǒng)，空氣經(jīng)螺桿壓縮機(jī)進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，經(jīng)過不同量程大小的孔板流量計(jì)和渦街流量計(jì)的計(jì)量后，進(jìn)入氣體注入管；液相白油通過離心泵增壓后經(jīng)過質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)量進(jìn)入液體注入管，然后進(jìn)入氣液混合段進(jìn)行充分混合，進(jìn)而經(jīng)過氣液發(fā)展段到測試段，最后進(jìn)入氣液分離器，完成兩相流的全部循環(huán)。測試段為內(nèi)徑26 mm的不銹鋼管，其上游布置一段1 m長，相同內(nèi)徑的有機(jī)玻璃管用于流型觀察。

1-水箱,2-離心水泵,3-質(zhì)量流量計(jì),4-液體注入管,5-氣體注入管,6-氣液混合段,7-氣液發(fā)展段,8-聲發(fā)射傳感器,9-測試段,10-兩組孔板微小流量計(jì),11-渦街流量計(jì),12-儲(chǔ)氣罐,13-螺桿壓縮機(jī),14-高速攝像,15-放大器,16-聲發(fā)射采集箱,17-計(jì)算機(jī)

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

聲信號(hào)采集系統(tǒng)包括傳感器、前置放大器、采集卡以及計(jì)算機(jī)，本實(shí)驗(yàn)使用WG50型寬頻傳感器，其測量范圍為100～1 000 kHz，使用40 dB前置放大器，即進(jìn)行信號(hào)的100倍放大。除此之外，利用高速攝像同步拍攝，觀察氣液段塞流的發(fā)展過程。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)測試，空管以及單相液體流動(dòng)的管路聲信號(hào)的原始電壓幅值均為0.06 mV，且不隨氣液速的增大而改變，說明單相流體中沒有氣泡破碎發(fā)出的聲信號(hào)，故將其電壓值設(shè)為閾值電壓，以濾除空管和單相液體聲信號(hào)的干擾。本實(shí)驗(yàn)采用空氣、白油作為氣液兩相流動(dòng)介質(zhì)，聲信號(hào)采集頻率為2 MHz，采集時(shí)間為20 s，采樣方式為連續(xù)采集。

3.1聲信號(hào)波形分析

隨著氣液流速的增大，流動(dòng)進(jìn)入段塞流型區(qū)，聲發(fā)射信號(hào)波形產(chǎn)生了明顯的波包凸起。圖3為表觀氣速4.0 m/s，表觀液速1.0 m/s的段塞流區(qū)域空氣-白油聲信號(hào)原始電壓波形圖。由圖可見,聲信號(hào)最大電壓幅值為2 mV，明顯高于環(huán)境背景噪聲，且信號(hào)由連續(xù)多個(gè)獨(dú)立波包組成，即段塞流液塞波包。

圖3 段塞流原始聲信號(hào)波形圖

為了更清晰地將聲信號(hào)原始電壓數(shù)據(jù)與液塞結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)起來，現(xiàn)取11～12 s之間的信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的波形圖如圖4所示，根據(jù)電壓值的大小，該段信號(hào)可以分為:①波包最大電壓值高達(dá)0.6 mV，但持續(xù)時(shí)間較短，通過與高速攝像同步對(duì)比發(fā)現(xiàn)，此時(shí)間段為液塞頭部卷吸過程。當(dāng)液塞頭部聲信號(hào)到達(dá)傳感器時(shí)，傳感器采集到的聲信號(hào)能量值急劇增大，電壓信號(hào)波形曲線急劇上升，由于液塞頭部卷吸了前一個(gè)液塞單元體尾部的大量氣泡，這些氣泡在液塞頭內(nèi)部發(fā)生破裂、合并等現(xiàn)象，隨之產(chǎn)生高于閾值的聲信號(hào)，故液塞頭部聲信號(hào)電壓值較強(qiáng)；②電壓值較第一部分有明顯的下降趨勢，但高于閾值電壓，且持續(xù)時(shí)間較長，經(jīng)對(duì)比分析看出,此部分為液塞頭部后面的液塞體區(qū)域，其流體內(nèi)部氣泡數(shù)量明顯減少，氣泡之間的破碎、合并減少，主要為浮力的作用下氣泡的上升合并所產(chǎn)生的聲信號(hào)；③電壓值低于閾值，聲信號(hào)趨于穩(wěn)定，此部分為液膜區(qū)，此時(shí)氣液兩相呈分層流，相間不存在動(dòng)量和能量的交換，因此產(chǎn)生的聲信號(hào)較低。

圖4 液塞單元體聲信號(hào)波形圖

3.2聲信號(hào)參數(shù)分析

根據(jù)Mandhane流型圖中段塞流區(qū)域分布[16]，選取表觀氣速2.0、2.5、3.0、4.0 m/s，表觀液速vSL為0.5～1.0 m/s之間的典型段塞流工況點(diǎn)進(jìn)行流型錄像觀察和聲信號(hào)的采集，采樣頻率為2 MHz，連續(xù)采集20 s聲信號(hào)，并用本實(shí)驗(yàn)開發(fā)的軟件直接提取聲信號(hào)參數(shù)，通過統(tǒng)計(jì)分析求得每個(gè)工況點(diǎn)下的平均值，進(jìn)而得出了了各個(gè)聲信號(hào)參數(shù)與氣液相表觀流速之間的關(guān)系，其中聲信號(hào)參數(shù)包括平均電壓電平、絕對(duì)能量值、均方根值以及振鈴計(jì)數(shù)。圖5為聲信號(hào)參數(shù)隨氣液相表觀流速的變化曲線圖。由圖5(a)可以看出，聲信號(hào)平均電壓電平隨著氣液速的增大而減小，當(dāng)氣速為2.0 m/s時(shí)，各個(gè)液速所對(duì)應(yīng)的平均電壓電平為15～15.5 dB左右；在氣速為2.5 m/s后，平均電壓電平的下降速度逐漸減小，直到表觀氣速增大至4.0 m/s時(shí)，聲信號(hào)平均電壓電平降低到13 dB左右。由圖5(b)可以看出，聲信號(hào)絕對(duì)能量值整體隨著表觀氣速的增大而略微上升，當(dāng)表觀氣速為2.0 m/s時(shí)，該能量值在10～26 J左右，而當(dāng)表觀氣速增大至4.0 m/s時(shí)，能量值為12～27 J左右。由圖5(c)可以看出，聲信號(hào)均方根值隨表觀氣速的增大有明顯的增大趨勢，由17.5 μV增大至35 μV左右，說明隨著氣速的增加，段塞區(qū)域內(nèi)的氣泡增多，氣泡破碎、合并產(chǎn)生的聲信號(hào)電壓值增大，均方根值增大。由圖5(d)可以看出，聲信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)隨表觀氣速的增大也有明顯的增大趨勢，說明氣速越大，液塞區(qū)氣泡碰撞、合并所產(chǎn)生的超過閾值的聲信號(hào)越多，進(jìn)而使振鈴計(jì)數(shù)增大。

4 結(jié) 語

本文利用自行開發(fā)的連續(xù)型聲發(fā)射采集處理程序成功地實(shí)現(xiàn)了氣液段塞流聲信號(hào)的實(shí)驗(yàn)檢測，通過與高速攝像的同步分析，討論了液塞頭、液塞體以及液膜區(qū)對(duì)應(yīng)聲信號(hào)的變化情況，可見具有很好的關(guān)聯(lián)性。同時(shí)，分析了4個(gè)聲發(fā)射參數(shù)隨氣液相表觀流速的變化情況，當(dāng)氣液速逐漸增大時(shí)，液塞區(qū)氣體卷吸量增多，氣泡之間的碰撞、合并增多，產(chǎn)生的聲信號(hào)增大，相應(yīng)的聲發(fā)射參數(shù)也會(huì)增大，定量地反映了聲發(fā)射信號(hào)的變化情況。實(shí)驗(yàn)室研究表明聲發(fā)射技術(shù)具有很高的采樣速率，能夠用于段塞流型的識(shí)別和參數(shù)提取，而且這種技術(shù)很容易在油田管道，甚至海底油氣管道上安裝，管道的碳鋼材料也是聲發(fā)射信號(hào)的極好傳輸介質(zhì)，衰減很小。因此該技術(shù)能夠應(yīng)用于海洋油氣田高壓油氣管道的段塞流實(shí)時(shí)檢測。

(a) ASL

(b) 絕對(duì)能量

(c) 均方根

(d) 振鈴計(jì)數(shù)

圖5 段塞流聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)隨表觀氣液速度變化

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ExperimentalMeasurementofOil-GasSlugFlowbyAcousticEmission

WANGXin，LIMeihui，YUEXiaoqing，LIXiaolei，SANGXunyuan

(College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong, China)

Based on the non-intrusive detection method of acoustic emission, the acoustic signal of oil and gas slug flow was tested on the experiment system of two-phase flow with horizontal pipe, and was synchronized and analyzed with the high-speed camera. The acoustic signals from liquid slug head, liquid slug body and liquid film zone were analyzed. The results show that the slug flow characteristics are in good correlation with the measured acoustic emission signal waveforms. Also, a continuous acoustic signal acquisition and processing software was developed and the acoustic emission parameters could be calculated and saved simultaneously with the measurement. The variation of four kinds of acoustic emission parameters with different gas and liquid superfical velocity was analyzed quantitatively. The experiments demonstrate that the acoustic emission technology has the advantages of high sensitivity and good real-time, can be used for the identification and parameter extraction of slug flow pattern, and provides good theoretical basis for field detection of two-phase slug flow in offshore petroleum industry.

oil-gas slug flow; acoustic emission; waveform analysis

TE 832

A

1006-7167(2017)09-0051-04

2016-12-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51376197)

王 鑫(1973-)，男，河南南陽人，副教授，主要從事多相管流和油氣田集輸方面的研究。Tel.: 15092291089; E-mail: wangxin@upc.edu.cn