超聲波在石油產(chǎn)品檢測中的應(yīng)用及研究進(jìn)展

山西省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 山西 太原 030006

引言

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

1 石油管材應(yīng)用超聲的重要意義

在科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的今天,超聲技術(shù)也在不斷改進(jìn),在檢測石油管材的過程中,通過合理運(yùn)用超聲技術(shù),能夠保證石油管材得到更好的利用,促進(jìn)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(zhì)量較差,會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故,影響石油的運(yùn)輸質(zhì)量。為了保證石油開采與運(yùn)輸質(zhì)量,對石油管材進(jìn)行科學(xué)的檢測特別重要。在檢測石油管材的過程中,通過合理運(yùn)用超聲技術(shù),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(shù)據(jù),保證石油管材得到更好的運(yùn)用。由于超聲設(shè)備的體積比較小,具有操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn),能夠保證石油管道的正常運(yùn)行,提升石油的運(yùn)輸質(zhì)量。將超聲檢測技術(shù)應(yīng)用到石油管材檢測中,能夠減少石油管材的損耗,進(jìn)一步提升石油企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 超聲波在石油產(chǎn)品檢測中應(yīng)用的研究進(jìn)展

2.1 聲速法 聲速法又稱時(shí)差法,聲速是超聲波檢測工業(yè)應(yīng)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(guān)系非常簡單,已有直接的經(jīng)驗(yàn)公式,比如,超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),其傳播速度與介質(zhì)的密度相關(guān),當(dāng)油品密度變化時(shí),超聲波在油品中的傳播速度也會(huì)改變。因此,在通過溫度、壓力以及其他變量補(bǔ)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(yīng)用聲速法檢測介質(zhì)密度的關(guān)鍵是在短距離內(nèi)準(zhǔn)確測出超聲傳播時(shí)間的起點(diǎn)和終點(diǎn),但由于數(shù)據(jù)采集頻率的限制,傳播時(shí)間精度往往達(dá)不到理想的要求。應(yīng)用聲速法可以檢測礦漿、油品和鉛蓄電池電解質(zhì)等的密度測量。應(yīng)用聲速法國內(nèi)外學(xué)者對不同介質(zhì)和應(yīng)用環(huán)境開展了大量研究。應(yīng)用超聲波聲速法檢測不同牌號油品的密度,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(jīng)驗(yàn)公式,該經(jīng)驗(yàn)公式在已知油品密度時(shí),可以逆向推導(dǎo)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(chǔ)上指出超聲波在油品中傳播的速度與溫度成非線性關(guān)系,同時(shí)也受到壓力的影響。在使用聲速法測量密度時(shí),需要溫度補(bǔ)償。也發(fā)現(xiàn)當(dāng)油品處于溫度10～15℃和比重1.10～1.30范圍內(nèi)時(shí),通過測量恒定溫度下超聲波在油品中的傳播速度,近似預(yù)測油品的密度。但是提出的方法對不同牌號的柴油進(jìn)行檢測,結(jié)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(xué)組成成分不同,導(dǎo)致超聲波在介質(zhì)中的傳播速度不同。同樣,使用聲速法測量介質(zhì)密度,介質(zhì)必須足夠純凈,聲速和密度才能呈現(xiàn)出相關(guān)關(guān)系。

2.2 聲衰減法 超聲波在石油產(chǎn)品傳播過程中,隨傳播距離的增大,聲壓和聲強(qiáng)不同程度的衰減。聲衰減法是應(yīng)用超聲在介質(zhì)中聲衰減特性建立與介質(zhì)密度的相關(guān)關(guān)系。聲衰減主要分為擴(kuò)散損耗、散射損耗和粘滯損耗。擴(kuò)散衰減是由于聲束擴(kuò)散而引起的衰減,僅取決于波陣面的形狀,而與傳聲介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。散射衰減是超聲波在傳播過程中,由于介質(zhì)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(zhì)的粘滯性引起質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦,使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能,同時(shí)傳聲介質(zhì)的稠密部分與稀疏部分間進(jìn)行熱交換,進(jìn)而導(dǎo)致聲能的損耗。測量時(shí)以衰減系數(shù)為紐帶,通過測量回波電壓,建立回波曲線電壓與石油產(chǎn)品密度間的函數(shù)關(guān)系,從而測得石油產(chǎn)品密度。超聲在石油產(chǎn)品中的衰減是個(gè)復(fù)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(yuǎn)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(chǎn)品低溫性能 石油產(chǎn)品的低溫性能指標(biāo)是在低溫條件下油料發(fā)生凝結(jié)、混濁、結(jié)晶等物態(tài)變化時(shí)對應(yīng)的溫度條件,因此,對石油產(chǎn)品進(jìn)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(shù)、聲阻抗各項(xiàng)聲學(xué)特性參數(shù)及其密度和粘度的變化情況。盡管隨著溫度的變化,石油產(chǎn)品的聲學(xué)特性參數(shù)及物性參數(shù)也將發(fā)生變化,但在石油產(chǎn)品的物態(tài)也發(fā)生變化時(shí),其聲學(xué)參數(shù)及物性參數(shù)的變化速度必然發(fā)生階躍性的轉(zhuǎn)折。因此,若在制冷降溫過程中,連續(xù)監(jiān)測石油產(chǎn)品的各項(xiàng)聲學(xué)特性參數(shù)及密度和粘度等物性參數(shù)的變化,當(dāng)其聲速變化發(fā)生階躍性轉(zhuǎn)折時(shí),此時(shí)對應(yīng)的溫度即可表征油料的低溫性能指標(biāo)。另外,由材料學(xué)可知,其中的儲(chǔ)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(yuǎn)大于儲(chǔ)能模量時(shí)(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(yuǎn)小于儲(chǔ)能模量時(shí)(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(dāng)時(shí),材料為凝膠等半固態(tài)。由此可見損耗因子是物質(zhì)形態(tài)的一個(gè)量化指標(biāo),因此,在石油產(chǎn)品的制冷過程中,可以通過石油產(chǎn)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(jìn)而由此檢測石油產(chǎn)品的低溫性能指標(biāo)。

3 超聲波探傷檢測影響因素的應(yīng)對策略

超聲波探傷檢測工作質(zhì)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(chǔ)上,不斷的通過檢測人員自我培訓(xùn)以及組織培訓(xùn)等多種方式的結(jié)合,提高現(xiàn)有的檢測工作人員的整體素質(zhì)。除此以外,還應(yīng)結(jié)合自身的實(shí)際情況優(yōu)化超聲波探傷檢測的管理制度。關(guān)注超聲波檢測計(jì)劃的制定與實(shí)施,超聲波探傷檢測的計(jì)劃內(nèi)容應(yīng)包括合格的檢測人員配置、檢測時(shí)間、檢測工藝、標(biāo)記方法、檢測儀器、探頭及附件等等,在計(jì)劃中應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；還應(yīng)涉及到循環(huán)檢驗(yàn)、復(fù)核檢驗(yàn)以及檢測場所的環(huán)境條件限制等諸多內(nèi)容。在計(jì)劃的實(shí)施過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活的調(diào)整,進(jìn)而從根本上提高超聲波探傷檢測工作質(zhì)量。

結(jié)語

目前,現(xiàn)有石油產(chǎn)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(dāng)一部分石油產(chǎn)品檢測儀器存在自動(dòng)化程度不高、人為因素影響大、檢測耗時(shí)長等不足。這個(gè)現(xiàn)狀會(huì)導(dǎo)致對石油產(chǎn)品檢測結(jié)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(dòng)化檢測的需求。這個(gè)現(xiàn)狀導(dǎo)致相關(guān)油品檢測機(jī)構(gòu)為了完成相應(yīng)的油料物性檢測任務(wù)而不得不配備種類繁多的儀器。針對現(xiàn)有石油產(chǎn)品檢測儀器種類繁多的問題,可以應(yīng)用超聲波檢測技術(shù),開發(fā)一款超聲波檢測儀實(shí)現(xiàn)對石油產(chǎn)品的密度、粘度和低溫性能同時(shí)檢測的儀器,緩解儀器眾多帶來的人力和財(cái)力損失。