一種可用于重油降粘的大功率超聲換能器設計

劉磊，徐德龍，楊巖，任波，曹暢，程仲富

一種可用于重油降粘的大功率超聲換能器設計

劉磊1，徐德龍2,3，楊巖2,3，任波1，曹暢1，程仲富1

(1. 中國石油化工股份有限公司西北油田分公司石油工程技術研究院，新疆烏魯木齊 830011；2. 中國科學院聲學研究所超聲技術中心，北京 100190；3. 北京市海洋深部鉆探測量工程技術研究中心，北京 100190)

基于夾心式壓電換能器基本原理，設計了一種可用于井口重油降粘和高凝油降凝的工業規模應用的大功率壓電超聲換能器，其工作頻率為16.86 kHz，輸入電功率為500 W，可在100℃高溫環境下長時間連續工作。首先根據工作環境需要設計了換能器模型，結合等效電路法和傳輸矩陣法，計算了換能器滿足諧振頻率條件的各部分參數；通過有限元仿真軟件ANSYS對換能器進行了模態分析和諧響應分析，確定了換能器的最佳工作模態和工作頻率。根據仿真模型，制作了工程樣機，通過阻抗分析儀測得其實際的工作頻率與仿真結果的誤差為0.5%。這種大功率壓電超聲換能器有望在重油降粘以及超聲處理工業中得到規模化應用。

重油降粘；夾心式壓電換能器；大功率換能器；工業規模；工程樣機

0 引言

隨著經濟的發展，人們對石油等能源的需求越來越大。特別近十年來，對石油天然氣的需求量每年以1.8%的速率增加。世界石油資源的日益緊缺，使得占可采儲量70%以上的重油、超重油和高凝油的開發利用越來越得到人們的重視[1-2]。但是，由于超重油和高凝油的高粘度、高密度、高凝點、流動性差等特點使得開采難度大，原油采收率較低，在工業生產期限內難以獲得更多的石油資源。因此，如何有效降低重油和超重油的粘度、降低高凝油的凝點，從而改善其在常溫下的流動性，對超重油和高凝油的開發、運輸具有重要意義。

超聲降粘就是利用聲空化產生的高溫、高壓和沖擊波等物理效應來加速或改變化學反應過程，即利用大功率超聲換能器產生的聲波能量(主要利用超聲波的空化作用、熱作用和力學作用)降低稠油粘度，從而提高原油的運輸能力。這種輸油技術的可行性在實驗方面已經得到驗證[3-5]，但是目前的研究大部分都局限在實驗室中，關于夾心式壓電陶瓷功率超聲換能器的理論計算和工程設計，換能器研究人員進行了大量的研究工作，提出了許多設計理論[6-11]。但截至目前，可應用于工業生產線的大功率變幅桿換能器還比較少，主要的原因是換能器不耐高溫、不能長時間連續工作及批量處理規模小等。

因試驗現場新疆油田稠油井口采出液的溫度較高(約70℃～90℃)、而且要求在線連續處理，因此對換能器的輻射頭的耐腐蝕要求較高，并且換能器需要固定在輸油管線上，因此為了增大輻射端位移量和固定換能器，采用了兩級變幅桿的設計，主要用以滿足換能器在線固定工作和耐腐蝕的需要。基于油田現場重油井口降粘的實際試驗需求，本文設計了一種由壓電陶瓷片、前后金屬蓋板、金屬變幅桿、預應力螺栓、金屬電極片、預應力螺栓絕緣套管以及風冷、水冷降溫外殼組成的變幅桿壓電換能器。

1 理論基礎

在全波長換能器基礎上，本文設計一種由一個半波長振子和兩個半波長三段式變幅桿組成的多級換能器，設計頻率為16.86 kHz。對于一個半波長的振子，振動時兩端振幅最大，中間存在一個振速為零的截面，稱為節面。由于整個換能器有三個節面，如圖1所示，結構比較復雜，在設計過程中分為三段來分析模擬。

1.1 基于等效電路法的壓電晶堆設計

圖1中，節面的位置隨前、后蓋板及晶片堆的密度、聲速和尺寸而改變。設計振子時，必須確定其節面位置，以便固定振子并整體考慮換能器的結構。為了設計時簡化，可由節面將它分為兩部分，前后兩部分分別單獨設計。

假定節面1為振子的振動節面，節面1將第一部分分為左右兩半，左(右)半部分的機電等效圖如圖2所示。假設工作介質為空氣，則左半部分等效機械阻抗[12]為

圖1 換能器簡化結構圖

圖2 換能器機電等效電路圖

即：

同理可得到右半部分的頻率方程，則左右兩部分的頻率方程為

根據方程(4)確定出換能器第Ⅰ部分的參數如表1所示。

表1 第Ⅰ部分參數表

1.2 基于傳輸矩陣法的半波長超聲變幅桿設計

本文采用具有圓弧過渡段的半波長階梯型變幅桿，以下通過傳輸矩陣法[13]計算各部分的諧振長度。變幅桿機械振動方程為

本文所設計變幅桿為三段式，如圖3所示，分別為圓柱部分、過渡段部分、圓柱部分。

圖3 一級變幅桿示意圖

三段式變幅桿的傳輸矩陣方程為

表2 第Ⅱ部分參數表

換能器第三部分(二級變幅桿)的設計原理跟第二部分相同，同理得出第三部分的參數如表3所示。

表3 第Ⅲ部分參數表

2 換能器設計與仿真

本文換能器設計的初衷是在大功率高溫環境下長時間工作，前蓋板為鋁材料，雖然利用鋁和鋼的密度的比值較大的特點能提高前蓋板的縱向振動位移，但是鋁的導熱性較好，在高溫條件下工作會導致換能器溫度過高而影響工作效率，尤其會增加壓電陶瓷斷裂的風險。為了提高整個換能器在高溫、耐腐蝕環境下的工作特性，本文設計了由鈦合金材料制作而成的二級變幅桿[14]，鈦的導熱系數小、彈性模量小，其導熱系數=15.24 W·(m·K)-1，為鋁的1/14，而各種鈦合金的導熱系數比鋁的導熱系數約下降50％，且具有強耐腐蝕性。鈦合金變幅桿三維模型如圖4所示。

將變幅桿中間部分設計為法蘭圓盤，主要是便于在輸油管線中進行固定安裝；圓盤與底部圓柱過渡部分設計為指數變化型結構，這樣設計是為了緩沖兩種結構過渡部分的應力分布，降低斷裂的風險。為了提高計算效率，根據模型的軸對稱特性，將三維模型簡化為圖5所示的1/2二維平面模型，

圖4 二級變幅桿三維模型

圖5 換能器的1/2二維模型

對于整個換能器，忽略預應力螺栓及電極片，用ANSYS進行模態分析，得出了它的前五階模態，如圖6所示。

圖6中的模態分析結果顯示，一階、二階模態節點位置（藍色區域）偏離了壓電陶瓷晶堆，這會降低機電轉換效率；四階、五階模態橫向的形變嚴重，說明此模態耦合振動強烈，振動的單一穩定性太差。三階模態節點分布從圖6(c)中難以辨別，為了更清楚地觀察三階模態的振動效果，繪制了縱向位移分布曲線圖，如圖7所示。從圖7中可以看出，3個節面分別在45、170、325 mm處，在變幅桿頂端處振動幅度達到最大。其中45 mm節面處于壓電陶瓷堆的中間電極面附近，從而可以激發出更大功率的聲波，有效提高換能器的機電轉換效率。170 mm和325 mm節面處均為指數型結構過渡部分，位移節點為應力波腹，局部應力達到峰值，容易發生斷裂的風險，故此處設計為指數型結構來緩沖應力分布符合實際情況。

在換能器整個結構中，壓電陶瓷晶堆是最核心的部件，也是最容易因受力引起斷裂的部件，因此，使壓電陶瓷晶堆處的應力始終保持在較小的狀態是換能器長時間工作的保證。此外根據經驗，變幅桿與換能器連接處也是比較容易斷裂的位置，所以要同時兼顧此處的應力狀態。根據Ansys諧響應分析得出的頻率與等效應力值的關系以及頻率與位移的關系，得出不同頻率下壓電陶瓷晶堆、變幅桿連接處的等效應力以及變幅桿頂端位移，統計結果如表4所示，并畫出壓電陶瓷晶堆處與變幅桿連接處等效應力頻響曲線，如圖8所示。

(a) 一階模態 (b) 二階模態

(c) 三階模態 (d) 四階模態

(e) 五階模態

圖7 換能器諧振頻率下振動位移曲線

表4 諧振頻率下不同位置處的等效應力與位移

圖8 不同頻率下壓電陶瓷晶堆與變幅桿連接處的等效應力頻響曲線

根據模態分析與諧響應分析，考慮上述的應力和位移等因素，綜合得出三階模態(16.76 kHz)是最理想的振動模態。

3 工程樣機測試

根據仿真計算，制作了換能器樣機，在理論仿真模型的基礎上加上了預應力螺栓和風冷、水冷降溫外殼，如圖9所示。

圖9 換能器樣機實物圖

用PV70A型阻抗分析儀測量樣機的導納曲線如圖10所示，實測換能器的導納曲線在16.86 kHz頻率處出現了明顯的峰值，與仿真結果吻合度較好，如表5所示。使用功率計對樣機正常運行時的輸入電功率功率進行了多次測量，根據測量結果和相應的誤差范圍，確定樣機輸入電功率為500 W以上。

由于理論計算的模型為簡化模型，忽略了預應力螺栓、金屬散熱外殼以及法蘭盤，因此與實際的測量結果有一定的偏差。有限元仿真結果則更接近于實際測量結果，這說明了在設計較為復雜結構的換能器時有限元法更為有效。

圖10 實測換能器導納曲線

表5 換能器共振頻率的實驗值、仿真值與理論值對比

4 結論

本文設計了一種新的壓電超聲換能器，其工作頻率為16.86 kHz，輸入電功率為500 W，能夠在高溫環境下長時間連續工作。通過理論仿真分析了它的壓電陶瓷晶堆以及整體換能器工作模態、諧振頻率和應力及位移情況，主要特點有：

(1) 仿真計算的最佳工作頻率為16.76 kHz，與實測樣機的工作頻率16.86 kHz存在0.5%的誤差，精度高于理論計算結果。選擇合適的工作頻率保證了易斷裂部位(如壓電晶堆處和變幅桿連接處)的應力分布較小，使得換能器可以長時間連續工作。

(2) 換能器壓電陶瓷堆和通過螺釘鏈接的變幅桿是整個結構中應力承受的極限最小處，本文選擇的工作頻率和結構設計，保證了此處的應力始終處于一個較小的水平，使得換能器可在大功率狀態下連續工作。

(3) 換能器采用耐高溫、耐腐蝕的鈦合金材料制作，同時為了避免陶瓷元件的過度發熱，采用強制風冷及水冷的方法，使得換能器可以在高溫環境下正常工作，有望在超重稠油降粘和超聲處理工業中得到大規模的應用。

致謝 感謝中國科學院聲學研究所王秀明教授的指導和何北星工程師的幫助。

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A high power ultrasonic transducer for viscosity reduction of heavy oil

LIU Lei1, XU De-long2,3, YANG Yan2,3, REN Bo1, CAO Chang1, CHENG Zhong-fu1

(1. Engineering Technology Research Institute, Northwest Branch Company, SINOPEC, Urumuqi 830011, Xinjiang, China; 2. Research Center for Ultrasonics and Technologies, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;3.Beijing Deep Sea Drilling Measurement Engineering Technology Research Center, Beijing 100190, China)

Based on the basic principle of the sandwich piezoelectric transducer, a high-power ultrasonic horn, which can be used for the viscosity reduction of heavy oil and the pour-point reduction of high pour-point oil, is proposed and designed. The basic frequency of the horn is 16.8 kHz, and the input electrical power is 1 kW. It can work continuously in an environment of 100℃ on the industrial scale. Firstly, according to the working environment, the model of the ultrasonic horn is designed, and based on the equivalent circuit method and the transfer matrix method, the parameters of the horn meeting the resonant frequency condition are calculated. Secondly, the best working mode and frequency are determined by modal analysis and harmonic response analysis of the finite element simulation software ANSYS. According to the simulation, a prototype is made and measured by an impedance analyzer. Its basic frequency is in good agreement with the simulation calculation. The result shows that this high-power ultrasonic horn is expected to be applied in heavy oil viscosity reduction and ultrasonic sludge disintegration on an industrial scale.

viscosity reduction of heavy oil; sandwich piezoelectric transducer; high power transducer; on the industrial scale; engineering prototype

TB552

A

1000-3630(2019)-04-0470-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.04.019

2018-03-20;

2018-04-23

國家自然科學基金項目(11474305)，中石化重大科技項目(ZDP17005)，國家科技重大專項課題(2011ZX05032-003)和國家重大科研裝備研制項目 (ZDYZ2012-1-07-01)資助。

劉磊(1984－), 男, 陜西西安人, 工程師, 研究方向為稠油開采工藝設計。

徐德龍, E-mail: xudelong@mail.ioa.ac.cn