聲發射檢測氣液兩相段塞流特性

李曉磊，王鑫，汪太陽，張淦

?

聲發射檢測氣液兩相段塞流特性

李曉磊，王鑫，汪太陽，張淦

（中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東省油氣儲運安全省級重點實驗室，山東 青島 266580）

采用聲發射技術對水平管內氣液兩相段塞流聲信號進行非侵入式、實時檢測。通過設定時間窗和長氣泡定義時間計算聲發射信號參數，分析段塞單元聲信號特點，利用雙通道聲發射傳感器,根據同一液塞到達前后兩個傳感器的時間差來計算段塞速度，測試結果與雙平行電導探針、Nicklin經驗公式對比。結果表明,段塞單元信號特征明顯，液塞頭部、液塞體和長氣泡聲信號依次減弱，長氣泡區信號低于閾值。聲發射技術可以檢測液塞速度，具有油田現場工程應用價值。

運輸；石油；聲發射；兩相流；測量

段塞流是海洋石油行業長距離混輸管道中常見的現象，具有間歇性、強烈的波動性和不穩定的特點，目前缺乏實時、精確的檢測手段。因此,深入研究段塞流流動特性，尋求先進手段進行實時、精確檢測具有重要的意義。

傳統檢測技術存在一定的缺陷：伽瑪射線設備復雜，具有輻射性，危害操作人員健康，且反應較慢，管內液塞快速流動時，不能實時獲取管道內流動液塞參數；電導探針法、電容探針法會對相界面造成干擾破壞，降低檢測精確性，探針容易損壞，目前僅用于實驗室研究；超聲法需要同時具備發射和接收裝置，設備復雜，現場應用價值低。聲發射技術（Acoustic Emission）能夠檢測材料中局部區域自發釋放的瞬態彈性波[1]，具有檢測頻率范圍寬、靈敏性高、非侵入性、安裝操作靈活等特點，已經在化工[2?3]、機械[4?6]等領域廣泛應用。多相流管道中氣泡活動存在豐富的聲發射信號，利用聲發射技術能夠檢測到氣液流動自發產生的信號，使其應用于石油行業多相流系統檢測，具有廣泛的發展前景。J.W.R.Boyd等[7]研究表明,氣液兩相相互作用能夠產生聲發射信號，而信號的穩定性受到很多因素的影響，如泵機噪聲、環境噪聲等，為聲發射技術用于兩相流檢測奠定了基礎。A.Addali[8]通過水平管環形實驗裝置驗證了聲發射技術檢測多相流的可行性，分析了溫度、黏度和表面粗糙度對采集聲信號的影響。研究表明，主要的聲發射源來自于氣泡的行為，即氣泡的形成、聚結及破裂。H.Shuib[9]、王鑫等[10]利用聲發射檢測技術對氣泡活動產生聲發射信號的機理進行研究。方立德等[11]在垂直管氣液兩相流動實驗中的結果表明，利用聲發射檢測技術可以識別兩相流流型，但實驗采用的采樣率較低，并未對兩相流流動參數的定量檢測進行研究。M.A.Alssayh等[12?13]利用聲發射測量方法對水平管氣液兩相流流型進行識別，驗證了聲發射檢測技術測量兩相流的可行性。兩相流流型的研究表明，不同流型具有一定的特征，為聲發射檢測氣液兩相段塞流流動特性提供了依據。M.A.Alssayh等[14]采用距離為21 cm的雙通道聲發射傳感器，同步采集聲發射波形信號，利用速度、位移關系來計算液塞速度，該研究對聲發射技術檢測液塞速度的可行性進行驗證，但實驗沒有與其他測試方法進行對比，不能對測試精確度進行說明。目前，聲發射測量多相流的相關研究主要為定性研究，定量研究較少。

本文測試分析了典型段塞單元聲信號特點，通過時間窗法分析了液塞單元聲信號特性，通過雙通道聲發射傳感器測試液塞速度，將測試結果與電導探針測試結果對比，驗證了雙通道聲發射傳感器檢測液塞速度的可行性和精確性，為聲發射技術應用于油田現場檢測提供了參考。

1 實驗裝置及測試方法

1.1 實驗裝置

本實驗裝置包括氣液兩相流動管路、聲發射采集系統和電導探針采集系統3個部分，整個實驗流程如圖1所示。氣液兩相流動管路包括氣液輸送混合段、透明實驗測試觀察段、電導探針參比段。混合段長度0.5 m，經實驗證明，該混合段可以滿足起塞條件。實驗測試觀察段全長14 m，由內徑50 mm、壁厚5 mm的透明有機玻璃管組成，用于實驗過程中數據測量和管內流動現象觀察。

1氣液混合器；2有機玻璃管；3聲發射傳感器；4前置放大器；5聲發射采集卡；6電腦；7電導探針；8參比電導探針；9氣液分離器；10氣體流量計；11氣體緩沖罐；12空氣壓縮機；13液體流量計；14離心泵；15水罐

1.2 聲發射采集裝置

聲發射采集系統包括傳感器、前置放大器、采集卡及計算機。實驗采用北京聲華公司的SAEU2S型聲發射采集儀，采樣率最高可達40 MHz。采用WG50型聲發射傳感器，測試聲信號頻率靈敏度為100 ~1 000 kHz。

1.3 測試方法

實驗使用空氣?水兩相介質，氣體依次通過空氣壓縮機、緩沖罐和氣體流量計進入氣液混合器氣體注入管，壓縮機設定壓力為0.8 MPa，氣體流量通過大孔板流量計、小孔板流量計或渦街流量計進行計量。水通過離心泵增壓，液體流量計計量后進入氣液混合器液體注入管。氣液兩相在分層式氣液混合器內進行混合，經過發展段后進入測試段，最后經過氣液分離進入水箱完成一次循環。聲發射信號在液體中的傳播速度是1 200~1 400 m/s，為能夠區分到達同一傳感器的前后兩個液塞，設置兩個傳感器之間的距離為0.5 m。傳感器放置距測試段入口長徑比（/）248和258兩個位置處。L.E.Gomez等[15]認為水平管中穩定液塞長度是30倍管徑時段塞流充分發展。經實驗驗證，長徑比248和258兩個位置靠近氣液出口，液塞相對穩定。采用兩組雙平行電導探針同步測量段塞流液塞速度，探針分別置于傳感器鄰近位置，且兩組探針間距為0.5 m，檢測結果方便與聲發射測量結果對比。

實驗根據J.M.Mandhane[16]流型圖選取段塞流流型區實驗工況點，選取的15組工況點如表1所示。設置聲發射采樣頻率為2 MHz，對每個工況點連續采樣時間為100 s。

表1　實驗工況點

2 結果與討論

2.1 段塞流聲信號參數

通過實驗室自行開發的采集程序可以處理獲得的聲發射參數有：幅值（AMP）、絕對能量值(ABS)、振鈴計數(Count）、到達時間（Arrive Time）等[17?18]，各參數在原始波形圖中定義如圖2所示。

圖2聲發射信號參數圖

Fig.2Diagram of acoustic emission signal parameters

采用兩種聲信號參數處理方法：時間窗法和CBET法[19]（長氣泡定義時間，Critical Time of Elongated Bubble），通過實驗室開發采集處理程序進行聲信號采集和參數處理。時間窗法，設置時間常數為10 ms，即在100 s連續采集時間內，每隔10 ms計算一次聲發射參數，通過設置時間窗，研究聲信號參數隨時間變化規律，該方法對聲信號進行連續參數計算，計算結果與設定閾值無關。CBET法，根據測試聲信號特點，設置CBET時間為100 ms，即設定相鄰兩個液塞信號超過閾值部分的最小時間間隔為100 ms。比較CBET時間與相鄰兩個信號波包超過閾值部分實際時間間隔的大小關系，當大于CBET時間時，認為是兩個獨立的液塞聲信號波包，反之則為一個信號波包，從而判斷相鄰兩個信號波包能否是同一液塞產生，提取液塞超過閾值的完整信號波包，并計算每個波包的聲信號參數，該方法是對超過閾值的聲信號進行計算，計算結果與設定閾值相關。

2.2 液塞單元聲信號特征

圖3為表觀氣速4.0 m/s、表觀液速0.9 m/s時通道1采集原始聲信號的電壓波形圖和對應該時間段的能量值和振鈴計數隨時間變化經歷圖，其中每10 ms計算一次聲信號參數。由圖3可以觀察到，液塞頭部經過聲發射傳感器時，聲信號能量值迅速增大，液塞頭部的能量值最高。其次是液塞體，而長氣泡區的能量值最低，液塞頭、液塞體和長氣泡聲信號特征明顯。分析能量值變化是由于液塞局部含氣率不同及氣泡活動強弱不同造成的。

液塞頭、液塞體和長氣泡區依次經過聲發射傳感器，液塞頭部含氣率較高，頭部卷吸導致大量小氣泡彌散流動，液塞頭部氣泡間相互碰撞、氣泡聚并、氣泡破碎等活動劇烈，伴隨能量的快速釋放，因此聲信號急劇增強，該時間段內能量值最高。液塞體部分含氣率變低，氣泡數量明顯小于液塞頭部，屬于液塞頭部脫落氣泡，且氣泡呈泡狀流特點，氣泡活動性較弱，聲發射能量釋放較低，因此液塞體經過傳感器時產生的聲信號變弱，能量值逐漸降低。長氣泡區是流動狀態相對比較穩定的長氣泡，相當于一小段分層流，該段原始波形電壓信號接近背景噪聲，低于設定閾值，聲信號能量變化平穩且能量值極低。此外，振鈴計數具有類似的變化趨勢。

2.3 聲發射檢測液塞速度

2.3.1閾值設定為了排除環境噪聲的干擾，實驗開始前需要測試環境噪聲信號，設置合理的閾值。圖4為空管（表觀氣速、表觀液速均為0）時兩個通道采集的聲信號原始波形，聲信號來自于背景噪聲聲信號。由圖4可知，通道1和通道2在20 s內采集聲信號幅值不超過0.3 mV，因此設置閾值為0.3 mV。

圖4　環境噪聲信號

2.3.2液塞速度檢測原理圖5（a）為表觀氣速4.0 m/s、表觀液速0.9 m/s時采集的20 s聲發射原始波形圖，圖5（b）為提取部分聲信號放大圖。從圖5可以看出，同一個液塞經過前后兩個傳感器時存在時間延遲。

圖5　聲信號原始波形圖

實驗設置雙通道聲發射傳感器間距0.5 m。同一液塞在前后兩個傳感器的到達時間可通過采集程序直接獲得，兩者相減得到液塞信號到達兩個傳感器的時間差，利用距離、時間和速度的關系，計算液塞速度，如式（1）、（2）所示：

2.3.3液塞速度測量結果對比 D.J.Nicklin等[20]基于垂直管內長氣泡實驗提出的液塞速度關聯式是目前廣泛認可的液塞速度經驗關系式，后研究發現該式適用于所有的管傾角范圍。Nicklin公式如式（3）所示：

式中：t為長氣泡運動速度，m/s；0為系數，紊流時0取1.2，層流時取2.0；GS為表觀氣速，m/s；LS為表觀液速，m/s；0為氣泡在靜止液體中因浮力引起的漂移速度，m/s。一些學者提出0計算公式如式（4）所示：

式中，為管徑，m。

計算100 s采集時間內各工況點測量的液塞速度平均值，將聲發射測量結果與雙平行電導探針、Nicklin經驗公式計算結果對比（見圖6）。由圖6可知，液塞速度隨著混合速度的增大而增大，電導探針測量結果與Nicklin公式基本吻合，聲發射測量結果的離散程度較大。將聲發射測量值與電導探針測量結果進行對比，誤差平均為11.8%，誤差絕對值平均為20.1%。

圖6　測量結果對比

分析認為原因主要有三方面：段塞流流型具有間歇性、強烈的波動性和不穩定性的特點，相鄰液塞的時間間隔不固定，因此通過采集程序設置固定LSDT時間進行液塞聲信號提取時存在誤差；實驗過程中聲發射傳感器本身校核比較困難，目前還是儀表領域尚未解決的問題，因此校核過程存在一定誤差；檢測信號的隨機性及聲信號通過有機玻璃管傳播過程中信號衰減也會影響測量結果的精確度。實驗結果表明，雙通道聲發射傳感器可用于段塞流液塞速度的檢測，并能夠反映液塞速度隨混合速度的變化趨勢，但受限于聲發射傳感器性能，檢測精度有待提高，有效、智能識別液塞信號的新方法有待開發。

與其他檢測技術相比較，聲發射檢測技術安裝靈活，成本較低，并且在應用于油田現場管道內段塞流流動參數測量時，厚壁鋼管有利于聲發射信號的傳輸，且聲信號衰減小，聲發射測量誤差在工程接受范圍之內。因此，利用聲發射技術檢測氣液流動信號，應用于石油行業多相流系統檢測具有較大的發展潛力和廣闊的發展前景。

3 結論

通過時間窗法可以分析液塞單元聲信號特點，段塞單元不同部位的聲信號具有顯著的差別，液塞區聲發射信號特征明顯，其中，液塞頭部信號最強，液塞體次之，長氣泡區聲信號最低，且低于閾值。通過CBET法可以有效提取液塞波包信號，通過雙通道聲發射傳感器，利用同一液塞到達前后兩個傳感器的延遲時間，可以計算獲得液塞速度。實驗結果表明，聲發射技術可用于油田現場段塞流液塞速度的檢測。

[1] Grosse C U,Linzer L M.Signal?based AE analysis[M]//Narayanan T S N S.Acoustic Emission Testing.Berlin Heidelberg:Springer,2008:53?99.

[2] 曹翌佳,劉偉,姜曉靜,等.從噪聲到信息——聲發射技術在流程工業中的應用[J].化工進展,2007,26(12):1702?1707.

Cao Y J,Liu W,Jiang X J,et al.From noise to information?some applications of acoustic emission techniques in process industries[J].Chemical Industry and Engineering Progress,2007,26(12):1702?1707.

[3] 任聰靜,陳敏,曹翌佳,等.聲發射技術在化工過程中的應用[J].化工進展,2011,30(5):918?929.

Ren C J,Chen M,Cao Y J,et al.Application of passive acoustic emission measurement in chemical processes[J].Chemical Industry and Engineering Progress,2011,30(5):918?929.

[4] Toutountzakis T,Tan C K,Mba D.Application of acoustic emission to seeded gear fault detection[J].Ndt & E International,2005,38(1):27?36.

[5] Al?Dossary S,Hamzah R,Mba D.Observations of changes in acoustic emission waveform for varying seeded defect sizes in a rolling element bearing[J].Applied Acoustics,2009,70(1):58?81.

[6] Bruzelius K,Mba D.An initial investigation on the potential applicability of acoustic emission to rail track fault detection[J]. Ndt & E International,2004,37(7):507?516.

[7] Boyd J W R,Varley J.The uses of passive measurement of acoustic emissions from chemical engineering processes[J]. Chemical Engineering Science,2001,56(5):1749?1767.

[8] Addali A.Monitoring gas void fraction in two?phase flow with acoustic emission[D].England:Cranfield University,2010.

[9] Shuib H.An experimental investigation into the correlation between acoustic emission(AE) and bubble dynamics[D]. England:Cranfield University of Engineering,2011.

[10] 王鑫,李美慧,李曉磊,等.噴嘴釋放單氣泡的聲發射特性[J].化工學報,2017,68(5):1794?1802.

Wang X,Li M H,Li X L,et al.Acoustic mission characteristics of single nozzled bubble[J].CIESC Journal,2017,68(5):1794?1802.

[11] 方立德,張垚,張萬嶺,等.基于聲發射技術的垂直管氣液兩相流動檢測方法[J].化工學報,2014,65(4):1243?1250.

Fang L D,Zhang Y,Zhang W L,et al.Flow detection technology based on acoustic emission of gas?liquid two?phase flow in vertical pipe[J].CIESC Journal,2014,65(4):1243?1250.

[12] Alssayh M A,Addali A, Mba D,et al.Identification of two phase flow regime using acoustic emission technology[J]. International Journal of Mechanical and Production Engineering,2013,6(1): 20?25.

[13] Fang L,Liang Y,Lu Q,et al.Flow noise characterization of gas?liquid two?phase flow based on acoustic emission[J]. Measurement,2013,46(10):3887?3897

[14] Alssayh M A,Addali A,Mba D.Determining slug velocity in two phase flow with acoustic emission[C].Conference of the British Institute of Non?destructive Testing.Northamptonshire:[s.n.].2012.

[15] Gomez L E,Shoham O,Schmid T Z,et al.Unified mechanistic model for steady?state two?phase flow:Horizontal to vertical upward flow[M].[S.L.]:Society of Petroleum Engineers,2000.

[16] Mandhane J M,Gregory G A,Aziz K.A flow pattern map for gas?liquid flow in horizontal pipes[J].International Journal of Multiphase Flow,1974,1(4):537?553.

[17] 沈功田,耿榮生,劉時風.聲發射信號的參數分析方法[J].無損檢測,2002,24(2):72?77.

Shen G T,Geng R S,Liu S F.Parameter analysis of acoustic emission signals[J].Nonde Structive Testing,2002,24(2):72?77.

[18] 耿榮生,沈功田,劉時風.聲發射信號處理和分析技術[J].無損檢測,2002,24(1):23?28.

Geng R S,Shen G T,Liu S F.An overview on the development of acoustic emission signal processing and analysis technique[J].Nonde Structive Testing,2002,24(1):23?28.

[19] 岳曉慶.氣液兩相水平管流系統聲特性研究[D].青島:中國石油大學(華東),2016.

[20] Nicklin D J,Wilkes M A,Davison J F.Two?phase flow in vertical tubes[J].Transactions on Institute of Chemical Engineers,1962,40:61?68.

（編輯 王戩麗）

Monitoring Slug Characteristics in Gas?Liquid Two?Phase Flow with Accoustic Emission

Li Xiaolei， Wang Xin， Wang Taiyang， Zhang Gan

（（））

The acoustic emission(AE) technique was used to measure the AE signals of gas?liquid slug flow in horizontal pipes with non?intrusive and real?time monitoring features. Parameters of AE signals were calculated by setting window time and Critical Time of Elongated Bubble(CTEB). The characteristics of AE signal of slug unit were analyzed simultaneously. Based on the time delay of the same liquid slug arriving at two AE sensors, the AE method was used for detecting the translational velocity of liquid slug. Also, the measurement result of AE method was compared with the parallel conductivity method and Nicklin correlation. It is found that the AE signal of slug flow is very clear. The signals of liquid slug head, liquid slug body and elongated bubble decrease gradually and the signals of elongated bubble are below the threshold. The absolute energy and count of liquid slug increase with the superficial liquid and gas velocity respectively. AE technique could be used to monitor the frequency and translational velocity of liquid slug and it is a valuable method for application in the oil and gas field.

Transportation； Petroleum； Acoustic emission； Two?phase flow； Measure

TE832

A

10.3969/j.issn.1006?396X.2018.06.011

2018?03?23

2018?04?04

國家自然科學基金(51376197)。

李曉磊（1991?），女，研究生，從事多相流流動和測試等方面的研究；E?mail：tolixiaolei@163.com。

王鑫（1973?），男，博士，副教授，從事油氣田集輸、多相流動與傳熱、長距離輸氣管道等方面的研究；E?mail：wangxinmfnl@163.com。

1006396X（ 2018）06006706

http://journal.lnpu.edu.cn