超声波在石油产品检测中的应用及研究进展

山西省产品质量监督检验研究院 山西 太原 030006

引言

油品产品的密度、粘度及低温性能是油品产品的主要的物理性能指标,它不仅与半成品、成品的质量控制、检测有关,而且对加强及提高生产过程的计量管理水平、促进科学研究及国内外贸易的发展密切相关,以及良好的低温性能能够满足车辆、飞机和工程装备在不同温度下正常运行相关,因此准确的检测石油产品的密度、粘度及低温性能具有重要意义。

1 石油管材应用超声的重要意义

在科学技术不断进步的今天,超声技术也在不断改进,在检测石油管材的过程中,通过合理运用超声技术,能够保证石油管材得到更好的利用,促进石油工程的稳定高速发展。在油田开发过程中,常见的管材主要有输油管与无缝管等,如果石油管材的质量较差,会引发严重的安全事故,影响石油的运输质量。为了保证石油开采与运输质量,对石油管材进行科学的检测特别重要。在检测石油管材的过程中,通过合理运用超声技术,能够保证管材破损处得到更好的检测,为检测人员提供更加精确的石油管材检测数据,保证石油管材得到更好的运用。由于超声设备的体积比较小,具有操作方便、运行稳定等特点,能够保证石油管道的正常运行,提升石油的运输质量。将超声检测技术应用到石油管材检测中,能够减少石油管材的损耗,进一步提升石油企业的经济效益。

2 超声波在石油产品检测中应用的研究进展

2.1 声速法 声速法又称时差法,声速是超声波检测工业应用最广的物理量,声速与待测检测的许多特性存在直接或者间接的联系。有的关系非常简单,已有直接的经验公式,比如,超声波在介质中传播时,其传播速度与介质的密度相关,当油品密度变化时,超声波在油品中的传播速度也会改变。因此,在通过温度、压力以及其他变量补偿后可以通过测量超声波在油料中的传播速度间接检测油料密度。应用声速法检测介质密度的关键是在短距离内准确测出超声传播时间的起点和终点,但由于数据采集频率的限制,传播时间精度往往达不到理想的要求。应用声速法可以检测矿浆、油品和铅蓄电池电解质等的密度测量。应用声速法国内外学者对不同介质和应用环境开展了大量研究。应用超声波声速法检测不同牌号油品的密度,实验发现随油品密度的增大,超声波在油品中的速度也随之增大。通过回归分析建立声速与密度间的经验公式,该经验公式在已知油品密度时,可以逆向推导油品的声速；已知超声波在油品中声速情况下,可以求出油品的密度。在研究的基础上指出超声波在油品中传播的速度与温度成非线性关系,同时也受到压力的影响。在使用声速法测量密度时,需要温度补偿。也发现当油品处于温度10～15℃和比重1.10～1.30范围内时,通过测量恒定温度下超声波在油品中的传播速度,近似预测油品的密度。但是提出的方法对不同牌号的柴油进行检测,结果表明多种柴油样品密度相同,但声速不同。这很有可能是由于柴油样品化学组成成分不同,导致超声波在介质中的传播速度不同。同样,使用声速法测量介质密度,介质必须足够纯净,声速和密度才能呈现出相关关系。

2.2 声衰减法 超声波在石油产品传播过程中,随传播距离的增大,声压和声强不同程度的衰减。声衰减法是应用超声在介质中声衰减特性建立与介质密度的相关关系。声衰减主要分为扩散损耗、散射损耗和粘滞损耗。扩散衰减是由于声束扩散而引起的衰减,仅取决于波阵面的形状,而与传声介质的性质无关。散射衰减是超声波在传播过程中,由于介质的不均匀性引起声散射,从而造成声压或声能的减弱。粘滞衰减是由于传声介质的粘滞性引起质点间的内摩擦,使一部分声能转化为热能,同时传声介质的稠密部分与稀疏部分间进行热交换,进而导致声能的损耗。测量时以衰减系数为纽带,通过测量回波电压,建立回波曲线电压与石油产品密度间的函数关系,从而测得石油产品密度。超声在石油产品中的衰减是个复杂的物理量,受到多因素的干扰,在工业检测中往往只测量相对值。由于各类衰减的描述多为近似公式,因此,测量精度较低,远不及声速法的测量精度。在工业检测中往往在声速法和声阻抗法等不适用的情况下使用。

2.3 超声波检测石油产品低温性能 石油产品的低温性能指标是在低温条件下油料发生凝结、混浊、结晶等物态变化时对应的温度条件,因此,对石油产品进行制冷降温,并在此过程中连续监测油料的声速、声衰减系数、声阻抗各项声学特性参数及其密度和粘度的变化情况。尽管随着温度的变化,石油产品的声学特性参数及物性参数也将发生变化,但在石油产品的物态也发生变化时,其声学参数及物性参数的变化速度必然发生阶跃性的转折。因此,若在制冷降温过程中,连续监测石油产品的各项声学特性参数及密度和粘度等物性参数的变化,当其声速变化发生阶跃性转折时,此时对应的温度即可表征油料的低温性能指标。另外,由材料学可知,其中的储能模量和损耗模量的比值称为损耗因子,能反映材料粘性弹性比例。损耗模量远大于储能模量时(即),材料主要发生弹性形变,所以材料呈固态；损耗模量远小于储能模量时(即),材料主要发生粘性形变,所以材料呈液态；弹性模量和粘性模量相当时,材料为凝胶等半固态。由此可见损耗因子是物质形态的一个量化指标,因此,在石油产品的制冷过程中,可以通过石油产品的损耗因子的大小及其变化来判断油样属于液态、半液态及固态的程度以及物态的变化,进而由此检测石油产品的低温性能指标。

3 超声波探伤检测影响因素的应对策略

超声波探伤检测工作质量的提升,首要的前提是选用合格的检测人员,在选用合格的检测人员的基础上,不断的通过检测人员自我培训以及组织培训等多种方式的结合,提高现有的检测工作人员的整体素质。除此以外,还应结合自身的实际情况优化超声波探伤检测的管理制度。关注超声波检测计划的制定与实施,超声波探伤检测的计划内容应包括合格的检测人员配置、检测时间、检测工艺、标记方法、检测仪器、探头及附件等等,在计划中应明确采用和被检对象的规格、特性不发生冲突的检测标准与验收标准；还应涉及到循环检验、复核检验以及检测场所的环境条件限制等诸多内容。在计划的实施过程中应根据实际情况灵活的调整,进而从根本上提高超声波探伤检测工作质量。

结语

目前,现有石油产品检测仪器在总体上功能单一分散,综合集成度低下。还有相当一部分石油产品检测仪器存在自动化程度不高、人为因素影响大、检测耗时长等不足。这个现状会导致对石油产品检测结果精度低、可信度不高、检测效率低下的问题,不满足高精度快速自动化检测的需求。这个现状导致相关油品检测机构为了完成相应的油料物性检测任务而不得不配备种类繁多的仪器。针对现有石油产品检测仪器种类繁多的问题,可以应用超声波检测技术,开发一款超声波检测仪实现对石油产品的密度、粘度和低温性能同时检测的仪器,缓解仪器众多带来的人力和财力损失。