超声波石油管道压力测量

1、西安工业大学 硕士学位论文超声波石油管道压力测量 姓名：宋利 申请学位级别：硕士 专业：精密仪器及机械指导教师：弥谦黄钉劲 20070520 超声波石油管道压力测量学科：精密仪器及机械研究生签字：指导教师签字，钶钐 摘要 压力是石油、天然气生产中的重要参数之一。传统的压力测量方法一般都是接触式的，大都采用现场安装压力表或压力传感器的方法。这样的测量方法非常直接，数据也可靠，但在很多场合又是不可行的。比如安装在野外的设备有失窃的问题，某些场合也存在不能直接安装传感器或仪表的问题。本文提出了一种新的方案，用超声波实现压力信号的非接触式测量，开辟了压力测量的一种新途径。 超声波在液体中传播时，液体压

2、力将会对超声波传播声速产生影响。因此，通过测量声速进行换算则可获得压力的大小，这是一种压力非接触式超声波检测方法。与传统的接触式检测方法相比具有安装方式灵活、不改变液体状态等优点。然而大量资料表明，用超声波非接触式检测压力参数的研究尚属于探索阶段，非常值得人们去研究。 本论文研究的目的是利用超声波无损检测的方法实现对石油、天然气管道压力的在线检测。在吸取了成熟的超声波测量流量理论及其有关硬件电路的基础上，研制出一套以单片机技术为核心的实验超声波测压仪。该仪器利用“传播时间法”作为超声波声速测量的方法，不但完全克服管道壁厚影响，而且有效地消除系统误差，信号测量准确；以）处理芯片为控制核心，研制了

3、超声波传感器发射电路、接收电路、主板控制电路、电池供电转换电路、键盘电路、和显示电路等；重点解决了频率为的超声波传感器的有效激发和对超声波接收信号的有效检测问题；采用了屏蔽盒、多次滤波、隔离驱动、看门狗监视器、软件陷阱等软硬件抗干扰方法，提高了系统的稳定性和抗干扰的能力。 大量的实验测试表明，通过测试超声波在油液中的传播速度实现压力测量的方法是可行的，具有重要的实用价值。关键词：压力；超声波；石油管道；检测系统；声速 ： ：训阀觚一 叫山 ， ， ， ， 勰 ， ， ， ， ， ， ， ?幔睿洹簦颍幔觯澹欤簦椋恚?” ， ， ， ， ， ， ， 鲫 ， ， ， ， ： ； ： ： 学位论文知识

4、产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间学位论文工作的知识产权属西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍为西安工业大学。学校有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 上螬一 依 日期： 叼 。舛 移蚺 狮 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位

5、论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，学位论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人已申请学位或他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：累和】 指导教师签名： 首秒劲 日期： 阳备琵抄目 绪论 绪论 压力是石油、天然气生产过程中的重要参数之一。压力检测是预测油井生产寿命和生产状况所必需的。传统的方法都是把感知元件与被测液体直接接触，如安装压力表或压力传感器等方法，而在某些

6、场合中，存在野外失盗或是存在不能直接安装仪表等问题，这样就给压力测量工作带来了极大的不便。因此，利用超声波非接触式测压方法对管道的压力进行检测是保证油气井的正常生产、及时排除漏油和堵井现象，最大地节约人力和物力是有实际意义的。 近年来，对超声技术的研究不断深入，超声的应用越来越受到人们的重视。超声波非接触无损检测在工业中已经确定了重要的地位，几乎渗透到所有工业部门。特别是在测量系统中，由于超声测量具有精度高、非接触、无损等优点，因而得到广泛应用。目前，超声波测量流量的理论及仪器都比较完善，但要指出的是超声波非接触无损?觳庠谑凸艿姥沽饬恐械挠迷诠谏惺粲谔剿鹘锥危揖哂泄憷挠们熬啊保笨翁獗尘凹耙庖?

7、从世纪年代开始的我国油气管道大规模建设到目前为止，相继建成了原油管道、天然气管道、成品油管道、海底油气管道约计×。陆上原油管道主要分布在西北、华东、东北、华北地区约计×，在这些地区都有部分管道干线与铁路或油港相连，并建有相应的油库，基本适应了油田的原油外输；陆上天然气管道主要分布在西南，西北和东北地区，共计×左右；而成品油管道大都距离较短，镇海至杭州和正在建设的兰州至成都、重庆成品油管道约计×；海洋油气管道主要分布在渤海湾、辽东湾、黄海、东海北部、南海的珠江口，还有莺歌海等约计ד。 伴随着油气田的开发，管道作为一种经济、高效而安全的物料输送手

8、段一直为人们所关注。特别是在石油、天然气等输送中有着独特的优势【】。在石油及天然气开采后，往往需要异地输送，其距离可达数千公里，但输送管道经过长期使用，金属管壁因受流体冲刷、电化学腐蚀等作用会出现机械裂纹和腐蚀穿孔，最终导致输送效率降低、输送介质泄漏等恶性事故。由于多数管道都铺设于地下或海底，所以一旦出现事故，管道的维修和抢修成本非常高。因此，做好管道在役检测工作己成为各国所关注的重大课题。我国大量的输油管道为中、小口径管道，与主干管道一样需进行各种安全检测，由于建成投入使用的年限长，大部分达到或接近年的使用年限，且由于原设计、施工标准不高，管道年久腐蚀又缺乏正常的检测维修，己进入事故多发期，

9、或接近事故多发期。这一点在南方油田尤为突出。在南方油田管径以下的管道约×，这些管道往往分布在人口较稠密的地区，一旦发生事故，其后果将更为严重¨。 两安工业大学硕士学位论文 随着西部油田的开发和“西气东输”工程的进行，管道运输将会在我国国民经济中占据越来越重要的地位。由于管道服役时间不断增长而逐渐老化，或受到各种介质的腐蚀以及其他破坏因素，会引起管道泄露。例如处于腐蚀环境下管道的老化、埋管土壤潮湿及温度变化、通过公路时受压过大、人为的破坏等等都是常见的原因【。石油、天然气管道的泄露不仅导致了资源的损失，同时极大地污染了环境，甚至发生火灾、爆炸，严重威胁人民生命财产的安全。另一

10、方面，石油生产中需要测量输送油气石油管道的内部压力，这是保障石油开采的重要条件，也是安全生产的重要保障。因此，对石油管道压力检测技术的研究，是一个具有实际意义的工作。 由于流体压力检测系统中各元件和液体都是在封闭的空间内工作，从而给系统特征信号的实时检测带来一定的困难。对于流体压力检测系统参数而言，压力是一个十分重要的特征参数，因为压力检测系统总是通过液体压力传递能量而进行工作的，系统中各部分液体压力状态正常与否，将直接影响系统能否正常工作。因此，如何在不增加流体压力检测系统复杂的前提下，实现对压力系统工况无任何影响且易于获得多个临时部位的压力检测，这对于流体压力检测系统的状态监测和快速故障定

11、位具有十分重要的意义。此外，在某些特定的油田现场，在野外安装无人值守的测量设备也是不现实的，而且在某些特殊的情况下油管的完整性不允许破坏，不允许在管道上打孔来安装测量设备。因此给在役的石油管道压力检测带来了很大的困难。 本课题基于液体的声学特性，提出了一种流体压力系统的超声波检测技术，该技术在不破坏管道的完整性，不增加系统复杂性的前提下，方便地实现非接触式对系统的多个临时部位的压力检测。用这种技术可实现管道压力的无损测量，不破坏管道内流体流场、无压力损失、测量能力强等优点，而且可制作成便携式设备，在检测流体压力系统状况或查找系统故障时，无需将检查的流体压力系统拆卸，极大地方便操作人员的使用，具

12、有十分重要的应用价值和广阔的应用前景。流体压力检测技术的发展现状 传统的压力检测的方法按敏感元件和转换原理的特性不同一般可以分为类，液柱式压力检测方法、弹性式压力检测方法、电气式压力检测方法和活塞式压力检测方法；又按照与被测介质是否接触，可以分为接触式测量和非接触式测量方法”。 （）液柱式压力检测 液柱式压力检测方法是基于流体静力学原理，把被测压力或压力差转换成液体的高度或高度差，液柱的高度可以直接测量或通过计算等方法来获得。它们一般采用水银或水为工作介质，用型管或者单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的检测。这种检测方法不能用于静压较高的压差检测，而且只能进行现场指示，因此该方法常用于科学

13、研究和实验研究中。 （）弹性式压力检测 弹性式压力检测方法是采用弹性敏感元件（如弹簧管）的弹性变形来平衡被测压力，弹性元件之所以发生变形是压力作用的结果。一般弹性敏感兀件 两安工业大学硕士学位论文的弹性变形量很小，都需要经过放大机构和传动机构将变形量加以放大，并转换成被测量值的指针位移。形变的大小与被测压力成正比关系，根据变形的大小就可以换算出被测流体的压力。这种压力检测最常用的是弹簧管压力表。此类仪表对信号的响应速度是不高的，因此它只能用于静态测量和指示性测量】。 （）活塞式压力检测 这种检测方法是根据液压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成作用在已知活塞有效面积上的砝码质量，因为活塞的面

14、积和砝码的质量都可以精确地测量出来，所以它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行校验和刻度。 （）电气式压力检测 电气式压力检测方法一般采用压力敏感元件（主要是压电材料）直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。例如电阻式压力计是将高电阻的金属丝做成电阻应变片，在应用时，将应变片贴在一个金属薄壁圆筒上，当压力液体进入时，圆筒变形引起阻值的变化，从而测出液压。它有效地提高了检测的响应速度，解决了动态压力参数的测量。 以上压力检测方法大多属于接触式测压方法，其测量示意图均可用图来表示。无论是机械压力检测，还是非电量电气式压力检测，研究的重点均放在感压元件、传递元件和显示元件上【）。归纳起来，感压元件

15、有波登管、波纹管、膜片、膜盒等，传递（转换）元件的变换效应已达数十种、如应变效应、压阻效应，电容变换、电感变换、涡流效应、霍尔效应、谐振原理、力平衡原理、压电效应、激光干涉原理、光纤变换等，而指示环节则经历了机械式、数字化和智能化三个发展阶段。 图传统的接触式液压测量方法原理图 目前，人们对非接触式测量方法的研究进行了许多艰辛的探索，也推出了不少产品。如基于管路弹性变形的非接触式液压检测方法就是其中成果之一，它是利用液体介质对金属管壁产生压力，从而使管路径向产生弹性形变的基本原理，通过检测管路外径的微小变形量即可算出管路内部压力。这种方法无论是用位移传感器还是用电容式传感器都必须配有专用夹具来

16、固定。安装操作比较麻烦，而且夹具体积较大，当管路排列较密时其应用受到限制。 超声波检测在近几十年中得到了较大的进展，它已成为材料或结构的无损检测最常用的手段。超声波无损检测与其它常规技术相比，它具有被测对象范围广、检测深度大、 西安工业大学硕士学位论文缺陷定位准确，检测灵敏度高、成本低，使用方便、速度快、对人体无害及便于现场检测等优点【。几十年来，超声无损检测已得到了巨大发展和广泛应用，几乎应用到所有工业部门。如作为基础工业的钢铁工业，机器制造工业、锅炉压力容器有关工业部门、石油化工工业、铁路运输工业、造船工业、航空航天工业、高速发展中的新技术产业如集成电路工业、核电工业等重要工业部门。尤其对

17、裂缝自身高度的测量和高温条件下的非接触超声波检测等方面都有很大进展【”】。利用超声波测量流速、流量的技术在医疗、供水、捧水、废水处理、电力、石油、化工、冶金、矿山、环保、河流、海洋等计量检测中有着广泛的应用，不仅可用于流体，液固两相流的测量，还可用于气体流量测量，其研究已有数十年历史【。国内华中理工大学于年研制成功了超声波多普勒智能流量计；本溪无线电一厂生产的多普勒超声波流量计是年代定型的产品，用于供水和油田等场合；开封仪表厂能源部南京自动化研究所、长沙电子仪器二厂等生产厂家和研究单位均有相应的 产品。 随着工业的发展，人们要求可以有更多的非接触式压力测量方法来满足实际应用中的需要，在这种情况

18、下，近年来采用超声技术来检测压力的研究也有少量报道。随着超声波测量技术越来越成熟，这使得把超声波应用至【腋压的测量上将成为可能。现有流体压力检测技术存在的问题 传统的压力测量方法大部分属于接触式测量方法，这种方法在流体压力系统故障诊断中遇到严重挑战。这是因为用这种方法在故障定位过程中，临时需检测压力的部位较多，而在这些部位安装压力表或压力传感器是十分困难或不允许的，由此只能延误修复，造成更大的损失。虽然液体压力测量仪表在不断地改进，但有一根本点却一直没有得到改变，那就是所有的测量都是接触式测量，即压力敏感元件必须与被测介质接触，以便直接反映压力。通常情况下需要在被测压力管道上开孔，通过引压管将

19、被测介质引入压力检测仪表的敏感元件处，适用于测压点固定的场合。因此，引压系统的性能和可靠性左右着整个测量系统的性能，例如，引压管受堵将引起测压不准确【 】；引压管太长使测压系统的动态性能变差等。在管道的被测点开孔引压的方法产生的另一个问题是由于开孔而导致管道的强度大大降低，主要表现在： （）开孔破坏了管道原有的应力分布并引起应力集中； （）接管处管道与接管形成结构不连续应力； （）管道与接管连接的拐角处因不等截面过渡（即小圆角）而引起应力集中。 而应力集中是产生裂纹的主要原因之一。实践证明，压力管道的泄漏和爆炸事故绝大多数起源于裂纹或其它缺陷的扩展”卅】。此外，不管任何系统在使用过程中，如果要

20、求临时增加一个检测点，都非常的不方便。特别是在设备运行状态下检查时，需临时插接仪表是十分困难的，并且也存在一定的安全隐患。在测完压力后也有可能造成管道在高压下的泄露。因此，研究一种不用插入压力计而快速测定压力的非接触式检测方法是十分必要的， 两安工业大学硕十学位论文也是流体压力检测系统今后的发展方向，具有十分重大的现实意义和有广阔的应用前景。本课题的主要工作和采用的技术路线 本课题采用的方法是在管道外壁夹装超声波换能器，利用超声波在石油、天然气管道中传播时受压力的变化引起超声波速度的变化这一特性，通过测量超声波的声速从而实现对管内压力进行测量。在吸取成熟的超声波测量流量理论和仪器硬件的基础上，

21、研制一套以单片机为核心的便携式实验测试系统。本课题着重进行了以下几方面的研究工作： （）·提出了石油管道非接触式超声波压力测量的思想，并分析比较了各种声速的测量方法，采用了合理的“传播时间法”声速测量技术路线。 （）在硬件电路的设计上，重点解决了超声波驱动电路、脉冲产生电路、接收探头控制电路、信号放大电路等电路的设计。 （）研制出主板控制电路，包括单片机系统中断电路、液晶屏工作电路、键盘触发控制电路、电压转换电路等。全面考虑系统供电系统及工作电流、系统功耗、电路延时的处理、噪声处理等。 （）在接收信号的处理上，采用多级滤波电路、耦合剂、屏蔽盒、隔离驱动等抗干扰措施，从而大大增强了系统的抗干扰能力。本章小结 本章主要介绍了课题研究的背景和实际意义；介绍了流体压力检测技术的发展现状；分析了目前各种液体压力测量方法及其存在的不足；提出了本课题的主要工作和采用的技术路线。 超声波石油管道测压仪的理论研究 超声波石油管道测压仪的理论研究超声波检测技术 超声波检测（）可分为主动检测和被动检测两大类。在主动检测技术中，超声波是用超声探头发射的；而在被动检测技术中，超声