长输管道超声波检测中介质压力对声场影响研究

·试验研究·

长输管道超声波检测中介质压力对声场影响研究*

唐东林1申鹏飞1赵江2王斌2袁晓红1任杰1陈昂1

(1. 石油天然气装备教育部重点实验室，西南石油大学四川成都610500;

2.金牛工程建设有限责任公司新疆克拉玛依834008)

摘要：针对超声波检测过程中介质压力对声场影响问题，根据机电类比原理，结合压电元机电换能等效电路图，采用理论与实验相结合的方法对其影响作用进行研究，指出变介质压力减弱声场强度。以5MHz的超声波传感器为对象，分别以水、液压油(HL46#)、原油为耦合介质进行实验，实验表明：压力作用下声场强度出现不同程度的减小，三种耦合介质中声压幅值变化率分别为0.1585 V/MPa、0.0876 V/MPa、0.0525 V/MPa。实验结果与理论分析符合较好。

关键词：超声波检测;介质压力;声场变化

作者简介：第一唐东林，男，1970年生，教授/博士后，2006年毕业于天津大学，现工作于西南石油大学机电工程学院从事无损检测技术、石油装备安全评价技术研究。E-mail: tdl840451816@163.com

文章编号：中图法分类号：TB551

收稿日期：(2014-07-23编辑：屈忆欣)

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

管道是油气输运的主要手段，腐蚀、压力以及温度等因素会导致管内产生缺陷并扩展，高压输油管道缺陷扩展更快，如果没能及时发现缺陷，一旦发生事故将造成极大的环境污染、生态破坏以及巨大的财产损失。所以必须定期对管道进行检测，以确定管道中的缺陷种类、大小和位置，以便及时进行管道维修、更换避免事故发生[1、2]。

超声波检测是埋地输油管道内缺陷检测的重要方法，检测过程中原油作为天然的耦合剂，在输油压力作用下检测器在管道内爬行。阵列超声波探头的性能决定缺陷检测的灵敏度、精度[3、4]。只分析检测过程中压力对声速的影响，缺少压力对传感器自身影响作用分析。压电陶瓷受到变载荷作用时,声场会发生变化[5]。

采用实验手段，对水、液压油(HL46 #)以及样品原油在压力作用下超声波声场变化研究，定性分析了压力对声场的影响，对于管道腐蚀缺陷检测超声波设计具有重要参考价值。

1介质压力对声场影响理论分析

液浸超声波传感器振动方式属于厚度方向伸缩，根据第四类压电方程：[6]

(1)

其中：X表示应力、x表示应变、E表示电场强度、D表示电位移矢量、C表示弹性刚度常数、h压电劲度常数、β介电隔离率。

得出压电元件的机械振动方程：[6]

(2)

其中：F1、F2为压电元件两端的外力，ρ为压电元密度、V为纵波速度、A为压电元面积、K波数、n机电转化系数、ω激励源频率、C0压电元截止电容、ξ1、ξ2为两端质点振动速度、V为压电元两端电压。采用机电类比法得到圆薄片压电换能器的机电等效图1。其中,Z1、Z2为传感器辐射超声波声负载。

图1　圆薄片压电换能器的机电等效图

由上图可知,当传感器受到变压力F作用时,力F与换能器振动产生的力F1、F2方向相反，根据力的叠加原理力 F1、F2将减小[7]。根据机、电、声类比关系，声场初始声压P0减小。

压力改变超声波波速影响声场，压力对波速的影响表示为[8]：

(3)

其中：C为液体中声速、C0为常温一个大气压下液体中声速、P为液体压力、K为比例系数。每MPa引起的声速相对变化约为10-3数量级[9]，0.1 MPa～2.5 MPa压力引起很小的声速变化。因此,介质压力对声场的影响主要是由介质压力对压电元的影响所致。

2介质压力对声场影响的实验研究

超声波传感器回波幅值定性表示声压大小，因此在不同压力下通过一定位置回波幅值A1(或A2)的变化，判断超声传感器初始声压P0的变化。

图2　超声波传感器回波波形

为分析介质压力对超声波传感器声场的影响，设计了如图3、图4所示的压力测试装置：在底板上安装超声探头，通过调节支撑杆上螺母改变传感器提离高度，以满足实验要求。

图3　实验装置示意图

图4　实验装置实物图

通过手动试压泵对装置进行加压，记录示波器上回波幅值及压力表示数。分别对水、液压油(HL46#)、样品原油进行压力-回波幅值测试实验。耦合介质为水，提离高度13.50 mm，加压增加到2.00 MPa时，回波位置变化0.098 mm，相对误差为0.73%，在允许误差范围内，实验装置能够满足要求。

实验采用5 MHz、晶片直径为8 mm的超声波传感器，以水、液压油、样品原油为耦合剂(提离高度一定)分别测试压力与回波幅值的关系。传感器在不同介质下的回波幅值不同，这主要与耦合介质性质有关，声场发生不同程度的衰减。图5中a、b、c分别为常压下水、液压油、原油介质中的波形图。

图5　常压下不同介质中的波形

图6　回波幅值随介质压力的变化

回波幅值随介质压力变化如图6所示，实验结果表明随压力(0.1 MPa～2.5 MPa)变化过程中，三种介质的回波幅值发生变化，中间阶段幅值有所增大，但总体趋势为减小，在水、液压油、原油介质中变化率分别为0.158 5 V/MPa、0.087 63 V/MPa、0.052 54 V/MPa，随介质黏度的增大介质压力对声场的影响作用减小，中间阶段的幅值增大可能由于测量、操作误差所引起。根据图2所示的机电等效图分析，当介质压力变化时超声波传感器所受到压力改变，压电元件所受的加持力发生变化，致使压电元振动产生的力F1(F2)改变，导致压电元辐射声场发生变化，表现为声压幅值的改变，因此实验结果与理论分析符合较好。

3结论

在介质压力对传感器压电元声场影响作用的理论分析基础上，通过在不同压力(0.1 MPa～2.5 MPa)作用下测量固定位置回波幅值的变化，定性分析介质压力对声场影响。实验结果表明变化的介质压力对压电元的声场强度具有一定的减弱作用，与理论分析的结果相一致。并且耦合介质黏度不同，压力对声场的影响程度也不相同。对于超声波管道内检测器的传感器阵列设计具有一定的指导意义。

参 考 文 献

[1] Haniffa, M.A.M., Hashim, F.m. Recent developments in in-line inspection tools (ILI) for deepwater pipeline applications[C]. IEE Conference Publications,2011:1-6.

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[3] K.Reber,M.Beller,H.Willems, et al.A new generation of ultrasonic in-line inspection tools for detecting, sizing and locating metal loss and cracks in transmission pipelines[C]. IEEE Ultrasonics Symposium,2002: 665-667.

[4] B.Dai, S.Sheng, X.Tian, et al.Research on multi- probe ultrasonic automated in-line inspection system of pipeline corrosion[C]. IEEE International Conference on Mechatronics and Automation,2007:3105-3110.

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[6] 张福学.现代压电学[M].北京:科学出版社. 2003.5.

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