CN108318578A - 基于声发射测量的气液段塞流液塞区判别及参数检测方法 - Google Patents

Abstract

基于声发射测量的气液段塞流液塞区判别及参数检测方法，包括根据环境噪音设定阈值、计算长气泡时长判据、对声发射信号进行采集、每个通道液塞区声信号判别、计算液塞区声信号、计算液塞区声信号参数、液塞频率的计算、液塞运动速度的计算、液塞长度的计算。本发明根据长气泡区声信号明显低于液塞区信号的特征，设定CTEB即长气泡时长判据，当两段连续信号之间低于阈值的时间间隔小于设定的CTEB时间判据时，这两段连续信号被划分为一个波包内，即判定为一个液塞信号；否则这两段信号则被分成两个独立的波包，即判定为两个液塞信号。本发明为海底管道运行人员提供了一种可靠快速的管内气液流动的监控方法，对于管道的流动安全保障具有重要意义。

Description

基于声发射测量的气液段塞流液塞区判别及参数检测方法

技术领域

本发明涉及基于声发射测量的气液段塞流液塞区判别及参数检测方法，主要对海洋油田混输管道气液两相段塞流液塞区的声信号进行判别，提取液塞区声信号波包，通过计算液塞区声信号参数，进一步处理获得段塞流动参数，如液塞频率、液塞速度和液塞长度等。

背景技术

段塞流是长距离陆上混输管道系统以及海洋油田混输生产系统中的一种常见的流动现象，管道中液塞与长气泡交替出现，具有间歇性、波动性以及不稳定性的特点。段塞流的流动检测和控制是深水油田开发流动安全保障技术的关键课题，而实时有效的检测技术是解决段塞流的关键性技术之一，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摄像法、电导电容法、超声法以及伽马射线法等。摄像技术受管道材料、气液透光性质影响，且高速摄像设备昂贵；电导电容方法侵入管道进行检测，对管内流动造成干扰，影响测量精确度；超声法需要超声波发射和接收装置同时工作，设备复杂。在上述方法中能够应用于油田现场的只有射线法，但由于伽马射线源的危险性，其应用环境受到较大限制，而且其检测频率较慢，对于快速瞬变的段塞流的测量误差较大，难以满足实际应用要求。因此，开发一种既能在实验室应用，具有较高的检测精度，又方便安装在油田现场钢质管道的段塞流检测方法具有重要意义。

声发射技术灵敏度高，检测信号频率范围广，采用非侵入式检测方法不会对相界面造成干扰，且设备简单，操作灵活，使得声发射检测技术用于段塞流检测具有可行性。US005353627A公布了一种采用非侵入式声发射检测技术检测多相流流型的装置和方法，该方法采用声发射技术采集声信号特征进行分析确定流型，但仅对多相流流型进行初步检测，没有针对段塞流型进行深入研究分析。US005148405A公布了一种对气液段塞流检测的方法，该方法将输出的模拟信号转化为数字信号，通过分析原始波形信号确定段塞流特征，能够区分段塞流和波浪流，人工计算获得了段塞频率、液塞速度和液塞长度。但该方法仅是针对段塞流宏观参数进行检测，没有对段塞流声发射特性进行深入分析，手工分析的方法也不能实现自动检测。

一方面，声发射技术采集频率较高，采集声信号丰富，人工判别信号波形较为困难，信号处理效率低；另一方面，段塞流液塞区与长气泡交替出现，液塞区气泡活动强，释放能量多，产生的声信号强，气泡区流动平稳，基本没有声信号发出，液塞区与长气泡区声信号区分明显。

硕士论文《气液两相水平管流系统声特性研究》和《单气泡与固定液塞声发射特征机理实验研究》中初步研究设定了合理的液塞定义时间LSDT(Liquid Slug DefinitionTime)，来判断两个相邻的声信号波包之间的独立性，然而该现有技术只是提出了一种初步设想，并未给出具体的可行性操作方案，有待进一步研究。

发明内容

本发明的目的是提供基于声发射测量的气液段塞流液塞区判别及参数检测方法，可根据液塞区与长气泡区的信号特征，实现对段塞流液塞区的实时、精确地检测和判别，从原始声信号中有效提取和计算声参数，从而实现对段塞流液塞频率、液塞长度、液塞速度、含气率等流动结构参数的计算。

因此，提出了基于声发射测量的气液段塞流液塞区判别及参数检测方法。根据长气泡区声信号明显低于液塞区信号的特征，设定CTEB(Critical Time of ElongatedBubble)即长气泡时长判据，并规定当两段连续信号之间低于阈值的时间间隔小于设定的CTEB时间判据时，这两段连续信号被划分为一个波包内，即判定为一个液塞信号；当相邻两段超过阈值的连续信号之间的时间间隔大于所设定的CTEB时间时，这两段信号则被分成两个独立的波包，即判定为两个液塞信号，中间存在独立的长气泡结构。通过编写采集分析程序，在声信号采集过程中实时判别段塞流液塞区的声信号的开始和终止时刻，并提取液塞区声信号波包，通过计算获得液塞体声信号参数，进一步处理获得段塞流动参数，如液塞频率、液塞速度和液塞长度等。该方法数据采集和处理同步实时进行，极大地提高了声信号分析速度和有效信息量，为油气混输管道的实时监测和运行控制提供了手段。

基于声发射测量的气液段塞流液塞区判别及参数检测方法，如图1所示，包括：

步骤1、根据环境噪音设定阈值

在油气输送管道上相布置两个声发射传感器，两个传感器间距为L(L不大于30D，D为管道内径)，当管道停运时，对两个传感器进行空管测试(所述空管即管内气速、液速均为零)，监测到传感器声信号幅值的波动范围，即环境噪声产生的声信号的幅值，将环境噪声的最大幅值设定为阈值电压，作为气液两相流动声信号判别的标准；

步骤2、计算长气泡时长判据

当油气混输管道的气液两相流动处于段塞流型时，段塞中长气泡和液塞交替出现，采集相邻两个声发射传感器的段塞流声信号，在绘制的原始波形图中，根据液塞在两个传感器的到达时间差值，结合两个传感器的间距L，分析各个液塞的运动速度，并取平均值ν_slug；规定长气泡的最小临界长度为2D，则各个长气泡时长为：

CTEB＝2D/ν_slug (1)

步骤3、对声发射信号进行采集

用相距L的两个传感器采集的管道内段塞流动的原始声信号电压，采集时间为T，上游传感器在前，下游传感器在后；

步骤4、每个通道液塞区声信号判别

定义相邻两段声信号之间低于上述阈值的部分的信号时长为时间间隔T；对声信号逐个判断，得到M段连续波形信号和M-1段时间间隔；判断每一段低于阈值的时间间隔T_i，i为1到M-1的自然数，若T_i小于设定的长气泡时长CTEB，则这两段信号被划分为一个波包，将这前后两段声发射信号连通，判定为一个液塞信号，同时M减一；若T_i大于或等于设定的CTEB，则认为长气泡存在，则判定为两个液塞信号；

步骤5、计算液塞区声信号

声信号到达时间(arrive time)定义为液塞首次超过阈值的时刻，声信号持续时间(duration time)定义为液塞持续高于阈值的时间；声信号结束时间(end time)定义为液塞最后一次低于阈值的时间；经过判别计算得到采集时间段内所有液塞的到达时间和持续时间，同时也得到该时间段内的液塞个数N和频率；通过采集程序提取液塞从声信号到达时间至声信号结束时间段内的数据点，即其中一个液塞的声信号，记为液塞区声信号；

步骤6、计算液塞区声信号参数

液塞区声信号参数计算函数和参数定义为：

其中，AMP为声信号幅值，单位dB；V_max为液塞区声信号中电压数据的最大值，单位V；

其中，ASL为声信号平均电压电平，单位dB；V_mean为液塞区声信号中电压数据的平均值，单位V；

其中，RMS为声信号均方根值，单位V；V为液塞区声信号中每个数据点电压信号，单位V；n为声信号数据点的个数；

其中，ABS为声信号绝对能量值，单位J；V为液塞区声信号中每个数据点电压信号，单位V；10KΩ为参考电阻；T为采样时间，单位s；

步骤7、液塞频率的计算

液塞波包个数N除以该段段塞流声信号时间长度T即为液塞频率；

步骤8、液塞运动速度的计算方法为：

Δt＝t₂-t₁(6)

其中，△t为同一液塞在前后两个传感器的到达时间延迟，单位s；t₂为液塞信号到达上游1通道传感器的时间，单位s；t₁为液塞信号到达下游2通道传感器的时间，单位s；

V_slug＝L/Δt(7)

其中，V_slug为液塞速度，单位m/s；L为两个传感器间距，单位m。

步骤9、液塞长度的计算方法为：

L_slug＝V_slug×T_durantio _n(8)

其中，L_slug为液塞长度，单位m；T_durantion为液塞持续时间，单位s。

发明优点

由于钢材是声发射信号的良好传播介质，因此声发射方法非常适合于高压钢质管道的多相流动信号检测。另外段塞流声发射信号是一种流体主动发出、仪器被动检测的信号，经过放大器对信号放大后可以长距离传输，因此非常方便在油田现场应用。本发明是基于声发射测量的气液段塞流液塞区判别及参数检测方法，提供了一种实时快速区分液塞区声信号和计算液塞声信号参数、流动参数的方法，为海底管道运行人员提供了一种可靠快速的管内气液流动的监控方法，对于管道的流动安全保障具有重要意义。

附图说明

图1本发明的流程图。

图2为段塞参数与声发射参数示意图；图中两个液塞波包时间间隔大于CTEB，因此划分为两个液塞。

图3为液塞单元声信号原始波形和10ms时间窗绝对能量值变化示例。

表1为段塞流液塞区判别及声发射参数计算方法实施举例；

图4为声发射方法判别的液塞和环形电导探针测量结果比较。

具体实施方式

以下结合附图对本发明方法作进一步的详细描述：

本发明的方法如图1所示。

图2为声发射参数与液塞参数定义图，通过参数示意图可以清晰地理解各个参数代表的含义。图中包括两个超过阈值的声信号波包，此时定义了相应的长气泡判据CTEB时间，而两个波包之间的时间间隔大于CTEB时间，所以此时这两个波包被划分为两个独立的声信号波包，从而计算各自持续时间内的声发射幅值、平均电压电平、均方根值、绝对能量值、到达时间、上升时间和持续时间等。

图3为液塞单元声信号波形图和10ms时间窗计算的绝对能量值随时间的变化的一组数据示例。由波形图可以清晰地看到很多超过阈值的电压波峰，液塞区和长气泡区声信号特征区别明显，液塞区声信号较强，长气泡区声信号较弱，低于阈值。绝对能量值信号中具有更明显的规律。可以根据长气泡区长度阈值来判定连续液塞信号，一般认为长气泡长度大于两倍管径，从而可以根据液塞平均运动速度来计算长气泡时长判据CTEB。只有大于此时间判据的长气泡长度被认为独立存在，小于该时间判据的长气泡认为只是液塞中的一部分大气泡信号，前后波形信号连通合并为一个液塞波包信号。

表1为另一组具体实施举例的通道1传感器计算结果。实验在内径60mm、管长55m的环道中采用空气-水两相段塞流进行声发射检测。流动状态为表观气速1.5m.s^-1、表观液速为0.15m.s^-1的段塞流。两个声发射传感器放置于接近管道出口处，段塞流充分发展。为验证声发射判别方法对液塞的判别能力，在声发射传感器上游布置环形电导探针C4.03和C4.04，在下游布置环形电导探针C4.05和C4.06。实验中设置声发射信号阈值为0.4mv，采样时间为40s。表中判断结果可见，在该测试时间段内，根据通道1声发射传感器判断出现了5个液塞，分别计算出了每个液塞的到达时间、持续时间、幅值、能量值、RMS、振铃计数等声发射参数。

图4(a)为根据声发射测试数据判断的液塞区分布和计算的每个液塞区持续时间参数，横轴为判断的液塞在该声发射传感器的到达时间。图4(b)为声发射传感器上下游两对环形电导探针同步测量的段塞流信号的比较。可见在22.3s和35s位置，本文提出基于声发射传感器信号的方法准确判断出了液塞的到达时间，都位于上下游两对电导探针信号之间。在大约10s位置，从电导探针信号可以看出此处的长液塞中含有一些大气泡，可能是两个液塞合并造成的长气泡逐渐破灭的过程，属于发展中液塞。从图4(a)和表1看出在该时刻前后判断出了3个紧密相邻的液塞，可见基于声发射的液塞区判别方法对于发展中液塞也有较好的判别能力。当然可以通过增大方程(1)中长气泡的最小临界长度的办法来调节对发展中液塞的判断，从而把前3个液塞判断为一个较长液塞。根据相邻通道判断计算的液塞到达时间的延迟，由方程(6)、(7)可计算液塞的运动速度；然后根据液塞的持续时间，由方程(8)可容易计算出液塞的长度。

表1 段塞流液塞区判别及声发射参数计算方法实施举例

Claims (1)

1.基于声发射测量的气液段塞流液塞区判别及参数检测方法，其特征在于包括：

步骤1、根据环境噪音设定阈值

在油气输送管道上布置两个声发射传感器，两个传感器间距为L(L不大于30D，D为管道内径)，当管道停运时，对两个传感器进行空管测试，监测到传感器声信号幅值的波动范围，即环境噪声产生的声信号的幅值，将环境噪声的最大幅值设定为阈值电压，作为气液两相流动声信号判别的标准；

步骤2、计算长气泡时长判据

当油气混输管道的气液两相流动处于段塞流型时，段塞中长气泡和液塞交替出现，采集相邻两个声发射传感器的段塞流声信号，在绘制的原始波形图中，根据液塞在两个传感器的到达时间差值，结合两个传感器的间距L，分析各个液塞的运动速度，并取平均值ν_slug；规定长气泡的最小临界长度为2D，则各个长气泡时长为：

CTEB＝2D/ν_slug (1)

步骤3、对声发射信号进行采集

用相距L的两个传感器采集的管道内段塞流动的原始声信号电压，采集时间为T，上游传感器在前，下游传感器在后；

步骤4、每个通道液塞区声信号判别

定义相邻两段声信号之间低于上述阈值的部分的信号时长为时间间隔T；对声信号逐个判断，得到M段连续波形信号和M-1段时间间隔；判断每一段低于阈值的时间间隔T_i，i为1到M-1的自然数，若T_i小于设定的长气泡时长CTEB，则这两段信号被划分为一个波包，将这前后两段声发射信号连通，判定为一个液塞信号，同时M减一；若T_i大于或等于设定的CTEB，则认为长气泡存在，则判定为两个液塞信号；

步骤5、计算液塞区声信号

声信号到达时间定义为液塞首次超过阈值的时刻，声信号持续时间定义为液塞持续高于阈值的时间；声信号结束时间定义为液塞最后一次低于阈值的时间；经过判别计算得到采集时间段内所有液塞的到达时间和持续时间，同时也得到该时间段内的液塞个数N和频率；通过采集程序提取液塞从声信号到达时间至声信号结束时间段内的数据点，即其中一个液塞的声信号，记为液塞区声信号；

步骤6、计算液塞区声信号参数

液塞区声信号参数计算函数和参数定义为：

其中，AMP为声信号幅值，单位dB；V_max为液塞区声信号中电压数据的最大值，单位V；

其中，ASL为声信号平均电压电平，单位dB；V_mean为液塞区声信号中电压数据的平均值，单位V；

其中，RMS为声信号均方根值，单位V；V为液塞区声信号中每个数据点电压信号，单位V；n为声信号数据点的个数；

其中，ABS为声信号绝对能量值，单位J；V为液塞区声信号中每个数据点电压信号，单位V；10KΩ为参考电阻；T为采样时间，单位s；

步骤7、液塞频率的计算

液塞波包个数N除以该段段塞流声信号时间长度T即为液塞频率；

步骤8、液塞运动速度的计算方法为：

Δt＝t₂-t₁ (6)

其中，△t为同一液塞在前后两个传感器的到达时间延迟，单位s；t₂为液塞信号到达上游1通道传感器的时间，单位s；t₁为液塞信号到达下游2通道传感器的时间，单位s；

V_slug＝L/Δt (7)

其中，V_slug为液塞速度，单位m/s；L为两个传感器间距，单位m。

步骤9、液塞长度的计算方法为：

L_slug＝V_slug×T_durantion (8)

其中，L_slug为液塞长度，单位m；T_durantion为液塞持续时间，单位s。