管道口径对快中子检测油垢厚度响应的影响

买买提江·米吉提，艾尔肯·阿不列木，马小强

（新疆大学 物理科学与技术学院，新疆 乌鲁木齐830046）

埋地输油管道是油田的主要设施之一，原油会在输油管道内壁形成油垢，γ射线（或中子）透射法和散射法测量油垢厚度已经有了较好的实验和数值模拟［1－10］。输油管道口径大小不同，从70 mm（油井抽油机处）到1 016 mm（西气东输管道）不等，用快中子检测不同的输油管道响应不同，本工作选取62 mm到126.5 mm不同口径的管道，讨论透射和散射法中子计数响应与聚乙烯（模拟油垢）厚度的关系。以及管道口径对测量精度的影响。为进一步开展中子检测输油管道油垢厚度的仪器研究提供依据。

1 实验原理

1.1 透射原理［8］

快中子有很强的穿透能力，当快中子通过被检测样品时，由于被原子核散射或吸收。快中子透射时满足指数衰减规律［11］：

用y表示透射率倒数的对数ln（T－1），则有：

其中N为衰减后快中子数，N0为衰减前快中子数，T为透射率，A＝－l nβ，B＝Σt为拟合常数（实际为总的宏观截面），已知A，B，测量N和N0确定样品的厚度X，实际计算时使用的是透射率，由于透射率是两次计数率之比，不需探测器的效率。β为样品较大时的修正因子，与样品的成份、密度、厚度和大小等均有关，也与实验装置有关，但测量中只要设计合理，并保持测量过程中样品各参数不变，则β可以视为常数。

1.2 散射原理［7］

准直中子束通过样品后向前方向呈现中子衰减现象，其他方向呈现出中子的散射现象。强度为I0的快中子入射到样品上，快中子强度随入射到样品内深度增加而减小，满足指数衰减规律，在深度为y处的中子束强度为：I0（y）＝I0（0）e－Σt y，实际应用中使用中子束在样品中的平均入射强度：

对于厚度为X样品，在散射角为θ时探测到被散射的中子计数Is为

Σs为中子宏观散射截面，Ω为探测器在散射角为θ方向上对样品所张立体角，ε为探测器探测效率，tm为测量时间。把（4）式代入（5）式，化简可得：

对于确定的探测器，确定的距离，确定样品和固定的测量时间，对某一个θ而言为确定的常数，设散射中子计数与样品厚度之间有关系：

即：

在实际测量之前用实际油垢和输油管道标定θ方向散射中子计数和油垢样品的关系，确定常数Y0、A、t，测出输油管道的油垢厚度。

2 实验方法

2.1 实验装置

测量模拟油垢厚度实验装置示意图示于图1。实验中使用241Am-Be［11］中子源（活度为3.7×109Bq），置于外径为 180.0 mm，高度为170.0 mm的圆柱体石蜡－硼酸中子屏蔽体内（壁厚75.0 mm），准直孔直径 30.0 mm，深度为90.0 mm。透射法探测器为Zn S，散射法探测器为锂玻璃。ZnS探测器由ST-207花卷型ZnS（Ag）快中子屏配GDB-44型光电倍增管组成，置于中子源对侧。锂玻璃探测器由直径为40 mm，厚度为5 mm锂玻璃配GDB-44型光电倍增管组成，置于中子源同侧。由高压电源提供可调高压，由放大器调整信号的放大倍数。数据处理系统采用北京核仪器厂生产的BH1224型微机多道谱仪系统和UMS软件数据采集系统。

2.2 实验参数

用长300.0 mm，外径不等的钢管模拟输油管道。管道参数列于表1。由于聚乙烯与油垢有相似的化学成分，在实验中用聚乙烯模拟油垢，通过在钢管内壁叠加聚乙烯的层数使其的厚度从0～20 mm以2 mm均匀增加。

图1 实验装置示意图Fig.1Sketch of experi mental assembly

表1 管道参数Table 1Parametrs of pipe

在透射实验中探测器的工作高压870 V，放大倍数为10倍。中子源到保温层的距离为3 c m，探测器到保温层的距离为3 c m，选取多道谱仪0～1 023道在600 s时间内的总计数为透射中子计数。散射中子探测器与中子源间距离为15 c m，探测器到保温层的距离为5 mm，中子源到保温层的距离为3 c m。散射中子探测器记录的幅度谱结果示于图2，由图2可见，散射谱分成两部分，低幅度部分为γ射线幅度谱，高幅度部分为热中子峰幅度谱。由于高压和放大倍数的选择对实验有重要影响，在放有聚乙烯的情况下，调节高压和放大倍数，选取峰谷比（即热中子峰值和谷值的比）最大时的高压和放大值，选择谷道道址。本实验中高压取685 V，放大为4.0倍，谷道选为210道。设定600 s测量时间，热中子峰的总计数作为中子散射计数。用yt（X）表示保温层厚度为t，聚乙烯厚度为X时的中子散射计数。

图2 散射幅度谱Fig.2Scattering pulse amplitude spectrum

2.3 实验步骤

选择高压，放大倍数；调节探测器和中子源与管道的距离以及中子源到探测器的距离，固定；改变聚乙烯的厚度（分别从0块、1块、2块……逐次增加）记录每次从多道得到的中子计数值；换用不同口径的管道，重复改变聚乙烯的厚度，记录中子计数值。

3 结果与讨论

3.1 保温层的影响

不同保温层厚度时透射法和散射法的计数对聚乙烯厚度的响应示于图3。由图3可见，管道口径（D）分别为126.5、114.5、108.0、89.5、73.0、62.0 mm时，聚乙烯厚度X变化范围为0～20.0 mm的透射和散射中子计数。透射中子计数和聚乙烯厚度之间存在良好的指数衰减关系，而散射中子计数随聚乙烯厚度增加呈现出指数增加关系。

图3 不同保温层厚度时透射法和散射法的计数对聚乙烯厚度的响应Fig.3Tr ansmission method and scattering method of different thickness of insulation layer thickness of count of polyethylene response

3.2 透射法

对透射法中的中子计数采用最小二乘法用（3）式进行拟合，拟合结果列于表2，其中R2为线性相关系数的平方，S为标准偏差，B为灵敏度，ΔD＝S／B表征石蜡厚度测量的精度。由表2可见，线性相关系数的平均值为0.993 0，平均测量精度为0.698 4 mm。满足实际测量的要求。随着管道口径增加，检测灵敏度减小。透射法中管道口径对测量精度的响应不大。

表2 透射法中不同口径管道时聚乙烯厚度拟合结果Table 2Transmission method of different diameter pipe when the thickness of the polyethylene fitting results

3.3 散射法

在散射实验中，相对散射中子计数为以聚乙烯厚度为0时的计数，其他厚度计数均减去该值，用yret（X）表示，即

对相对散射中子计数用（9）式进行处理，其结果示于图4。由图3和图4可见，在散射法中，散射中子计数以及相对散射中子计数与聚乙烯厚度之间存在较好的指数关系，应用（8）式，采用最小二乘法进行拟合，拟合结果列于表3。

在散射法中，随着聚乙烯厚度的增加，曲线前半段有较好的线性关系而后半段趋向于饱和，聚乙烯厚度的改变将无法体现在计数的变化上，为此定义一个物理量L，称为线性区间，为中子计数值在0～0.9Ym之间的聚乙烯厚度，而0.9Ym～Ym为计数饱和区。对（8）式取极限可得：

图4 不同管道口径的相对散射中子计数对聚乙烯厚度的响应Fig.4Different pipe size of the relative scattering neutron counting on the response of the thickness of the polyethylene

将0.9Y0代入（8）式求得线性区间为：

表3 散射法中不同口径管道时聚乙烯厚度指数拟合结果Table 3Scattering method of different diameter pipe when the thickness of the PE index fitting results

散射法不同管道口径的线性区间结果示于图5，由图5可见，线性区间随管道口径增大而增大，即可探测的最大聚乙烯厚度线性响应区间随管道口径增加而增大。

对线性区间的厚度采用直线拟合，拟合结果列于表4。

图5 散射法不同管道口径的线性区间Fig.5The liner range of the different pipe size for scattering method

表4 散射法中不同口径管道时聚乙烯厚度线性拟合结果Table 4Scattering method of different diameter pipe thickness of the polyethylene linear fitting results

由表4可以看出，线性相关系数的平均值为0.958 3，平均测量精度为0.625 7 mm。对精度要求不高时较大管道口径可以使用直线拟合，而对于小管道口径则对散射中子计数的线性区间较小，应用线性拟合对较大厚度的油垢厚度测量会带来较大的误差。

4 小结

（1）透射中子计数随聚油垢厚度增加呈现指数衰减关系，而散射中子计数随聚乙烯厚度增加呈现出指数增加关系。

（2）对透射法，采用式（3）拟合可以满足实际测量的要求。

（3）散射法中应采用相对中子计数对数据进行指数拟合，可以得到较好的函数关系。

（4）散射法中不同口径的管道所得到的线性区间不同，随着管道口径的增大线性区间增加。

本工作针对输油管道测垢仪进行了原理性实验。对进一步开展快中子检测输油管道油垢厚度的研究有一定的指导作用。

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