油气管道两相段塞流的声发射测试实验

王 鑫， 李美慧， 岳晓庆， 李晓磊， 桑勋源

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

油气管道两相段塞流的声发射测试实验

王 鑫， 李美慧， 岳晓庆， 李晓磊， 桑勋源

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

基于声发射非侵入式检测方法，在水平管油气两相流实验系统中进行了段塞流流型区声发射信号的检测，并配合高速摄像技术同步测量，分析了液塞头、液塞体以及液膜区声信号的变化情况。结果表明,段塞流动特征与测得的声发射信号波形具有较好的关联性。同时利用连续型声信号采集处理软件进行声发射参数的实时采集、计算与提取，定量分析了4种声发射参数随不同气液相表观流速的变化情况。实验证明，声发射技术具有灵敏度高、实时性好等优点，可用于段塞流型的识别和参数提取，为实际应用于海洋油气工业两相段塞流的现场检测提供理论基础。

油气段塞流; 声发射; 波形分析

0 引 言

在目前的长距离陆上混输管道系统以及海洋油田混输生产系统中，段塞流是一种常见的流动现象。由于这种流型的间歇性、波动性以及不稳定性，是深水油田开发必须突破的流动安全问题，而有效实时的检测技术是解决段塞流的关键性问题之一[1-2]，也是石油工程多相流研究人员的重要研究方向。目前在实验室内用于两相流检测的技术有伽马射线法[3]、光学法[4]、电导电容法[5]以及超声法[6]等，上述方法中能够应用于油田现场的只有射线法。

近年来，声学法在现代检测技术中日益受到关注，其中声发射技术[7-8]作为一种非侵入式的动态检测方法广泛应用于机械结构检测中，并取得了良好的效果。Zhang等[9]利用声发射技术进行木材断裂损伤检测，并利用无线传输技术实现了远距离高速采集的控制。Svoboda等[10]通过在储罐表面布置多个声发射传感器成功实现了对储罐泄漏和裂纹的检测,但这些信号都属于突发型声信号，对于气液两相流连续型声信号检测的利用较少。Robert等[11-12]提出分布式光纤声发射技术(DAS)，利用其敏感的频率响应和紧密的空间分布可以检测管道中布有光纤位置处的声信号。方立德等[13-14]利用声发射技术进行了垂直管气液两相流动的检测，成功进行了流型识别，表明了声发射技术的可行性。故利用声发射技术进行气液段塞流测试的研究具有极大的发展潜力和研究意义。

本文利用声发射以及高速摄像同步的技术进行水平管油气两相段塞流机理的研究，分析段塞流流型的声信号特性，同时使用自行开发的声信号采集处理软件进行声发射参数的提取，观察不同气液相表观流速下声发射参数的变化，探究段塞流流动特征与声信号的关联性，为后续深入研究段塞流机理提供理论基础。

1 声发射检测原理

声发射(Acoustic Emission，AE)[15]是材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性应力波的现象,其作为一种无损检测手段广泛应用于材料损伤以及机械结构检测领域。检测原理如图1所示，从声发射源发射的弹性波传播到材料表面，使传感器探测的表面发生位移，并将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。其检测过程是以振动波形式存在的一系列能量的产生、传播和接收过程，人们根据观察到的声发射信号进行分析与推断以了解发射源的变化机制。

图1 声发射检测原理

本实验使用的声信号硬件采集系统为北京声华的SAEU2S型声发射仪，包括声发射传感器、前置放大器及数据采集卡，其显著特点是具有多个同步的检测通道测量部件，可以进行互不干扰的独立检测。软件部分为本实验室开发的连续型声信号采集处理程序，克服了原有程序采集时间、波形显示、文件存储等一系列不足，并加入了7个声信号参数处理程序，分别是持续时间(DT)、上升时间(RT)、幅值(AMP)、平均电压电平(ASL)、均方根值(RMS)、绝对能量值(ABS)以及振铃计数(Counts)，实现了声发射信号实时采集处理过程，大大提高了实验效率，对于现场应用具有重要意义。

2 实验装置与测量方法

本实验装置如图2所示，主要包括气液两相管流循环系统和声信号采集系统，其中气液两相循环系统包括气液两相供应系统，空气经螺杆压缩机进入储气罐，经过不同量程大小的孔板流量计和涡街流量计的计量后，进入气体注入管；液相白油通过离心泵增压后经过质量流量计的计量进入液体注入管，然后进入气液混合段进行充分混合，进而经过气液发展段到测试段，最后进入气液分离器，完成两相流的全部循环。测试段为内径26 mm的不锈钢管，其上游布置一段1 m长，相同内径的有机玻璃管用于流型观察。

1-水箱,2-离心水泵,3-质量流量计,4-液体注入管,5-气体注入管,6-气液混合段,7-气液发展段,8-声发射传感器,9-测试段,10-两组孔板微小流量计,11-涡街流量计,12-储气罐,13-螺杆压缩机,14-高速摄像,15-放大器,16-声发射采集箱,17-计算机

图2 实验系统流程图

声信号采集系统包括传感器、前置放大器、采集卡以及计算机，本实验使用WG50型宽频传感器，其测量范围为100～1 000 kHz，使用40 dB前置放大器，即进行信号的100倍放大。除此之外，利用高速摄像同步拍摄，观察气液段塞流的发展过程。

3 实验结果与分析

经测试，空管以及单相液体流动的管路声信号的原始电压幅值均为0.06 mV，且不随气液速的增大而改变，说明单相流体中没有气泡破碎发出的声信号，故将其电压值设为阈值电压，以滤除空管和单相液体声信号的干扰。本实验采用空气、白油作为气液两相流动介质，声信号采集频率为2 MHz，采集时间为20 s，采样方式为连续采集。

3.1声信号波形分析

随着气液流速的增大，流动进入段塞流型区，声发射信号波形产生了明显的波包凸起。图3为表观气速4.0 m/s，表观液速1.0 m/s的段塞流区域空气-白油声信号原始电压波形图。由图可见,声信号最大电压幅值为2 mV，明显高于环境背景噪声，且信号由连续多个独立波包组成，即段塞流液塞波包。

图3 段塞流原始声信号波形图

为了更清晰地将声信号原始电压数据与液塞结构对应起来，现取11～12 s之间的信号进行放大，放大后的波形图如图4所示，根据电压值的大小，该段信号可以分为:①波包最大电压值高达0.6 mV，但持续时间较短，通过与高速摄像同步对比发现，此时间段为液塞头部卷吸过程。当液塞头部声信号到达传感器时，传感器采集到的声信号能量值急剧增大，电压信号波形曲线急剧上升，由于液塞头部卷吸了前一个液塞单元体尾部的大量气泡，这些气泡在液塞头内部发生破裂、合并等现象，随之产生高于阈值的声信号，故液塞头部声信号电压值较强；②电压值较第一部分有明显的下降趋势，但高于阈值电压，且持续时间较长，经对比分析看出,此部分为液塞头部后面的液塞体区域，其流体内部气泡数量明显减少，气泡之间的破碎、合并减少，主要为浮力的作用下气泡的上升合并所产生的声信号；③电压值低于阈值，声信号趋于稳定，此部分为液膜区，此时气液两相呈分层流，相间不存在动量和能量的交换，因此产生的声信号较低。

图4 液塞单元体声信号波形图

3.2声信号参数分析

根据Mandhane流型图中段塞流区域分布[16]，选取表观气速2.0、2.5、3.0、4.0 m/s，表观液速vSL为0.5～1.0 m/s之间的典型段塞流工况点进行流型录像观察和声信号的采集，采样频率为2 MHz，连续采集20 s声信号，并用本实验开发的软件直接提取声信号参数，通过统计分析求得每个工况点下的平均值，进而得出了了各个声信号参数与气液相表观流速之间的关系，其中声信号参数包括平均电压电平、绝对能量值、均方根值以及振铃计数。图5为声信号参数随气液相表观流速的变化曲线图。由图5(a)可以看出，声信号平均电压电平随着气液速的增大而减小，当气速为2.0 m/s时，各个液速所对应的平均电压电平为15～15.5 dB左右；在气速为2.5 m/s后，平均电压电平的下降速度逐渐减小，直到表观气速增大至4.0 m/s时，声信号平均电压电平降低到13 dB左右。由图5(b)可以看出，声信号绝对能量值整体随着表观气速的增大而略微上升，当表观气速为2.0 m/s时，该能量值在10～26 J左右，而当表观气速增大至4.0 m/s时，能量值为12～27 J左右。由图5(c)可以看出，声信号均方根值随表观气速的增大有明显的增大趋势，由17.5 μV增大至35 μV左右，说明随着气速的增加，段塞区域内的气泡增多，气泡破碎、合并产生的声信号电压值增大，均方根值增大。由图5(d)可以看出，声信号振铃计数随表观气速的增大也有明显的增大趋势，说明气速越大，液塞区气泡碰撞、合并所产生的超过阈值的声信号越多，进而使振铃计数增大。

4 结 语

本文利用自行开发的连续型声发射采集处理程序成功地实现了气液段塞流声信号的实验检测，通过与高速摄像的同步分析，讨论了液塞头、液塞体以及液膜区对应声信号的变化情况，可见具有很好的关联性。同时，分析了4个声发射参数随气液相表观流速的变化情况，当气液速逐渐增大时，液塞区气体卷吸量增多，气泡之间的碰撞、合并增多，产生的声信号增大，相应的声发射参数也会增大，定量地反映了声发射信号的变化情况。实验室研究表明声发射技术具有很高的采样速率，能够用于段塞流型的识别和参数提取，而且这种技术很容易在油田管道，甚至海底油气管道上安装，管道的碳钢材料也是声发射信号的极好传输介质，衰减很小。因此该技术能够应用于海洋油气田高压油气管道的段塞流实时检测。

(a) ASL

(b) 绝对能量

(c) 均方根

(d) 振铃计数

图5 段塞流声发射信号参数随表观气液速度变化

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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

国家自然科学基金资助项目(51376197)

王 鑫(1973-)，男，河南南阳人，副教授，主要从事多相管流和油气田集输方面的研究。Tel.: 15092291089; E-mail: wangxin@upc.edu.cn