彭　飞，王　丹

(1.中海油田服务股份有限公司，天津　300452)(2.中海油能源发展采油服务公司，天津　300452)



超声波振子辅助固定装置设计

彭飞1，王丹2

(1.中海油田服务股份有限公司，天津300452)
(2.中海油能源发展采油服务公司，天津300452)

摘要:阐述了去除管道结垢所用的超声波技术，以及超声波装置的结构组成;超声波防除垢装置在管道上的安装形式可分为3类，根据卡箍原理设计的管道环抱式超声波辅助固定装置可在线操作、不影响生产、可连续进行、移动性好，具有实际应用价值。

关键词:超声波防除垢;安装形式;辅助固定装置

工业生产过程中，由于金属腐蚀、无机盐结晶、有机物质聚合、固体颗粒沉积等原因造成设备、管路内部结垢，采用超声波进行阻垢与除垢，是近年来发展迅速的一种技术。超声波通过空化作用、活化作用、剪切作用产生瞬间局部压力，改变了垢晶生成和沉积的条件，导致垢层疲劳、松动、脱落。相对于传统的除垢方法(如机械清洗、化学清洗等)，超声波除垢以其独特的优势，正逐步推广开来［1－3］。

超声波振子辅助固定装置用于实现管道的在线防除垢技术，将该辅助固定装置夹持于管道外壁，超声波装置安装于该辅助固定装置上，超声波通过该装置传导至管壁，引起管壁的机械振动，达到除垢、防垢的目的。

1　超声波防除垢装置

超声波防除垢装置主要由超声波发生器、传输电缆、超声波换能器组成。

1)超声波发生器。超声波发生器由电源单元、主控单元、参数调测单元、显示单元、功放单元、遥控单元组成。一台主机(超声波发生器)可配置多个超声波换能器头，主机是提供超音频脉冲功率电能的装置，使220 V交流电经滤波、整流、电源激励波形控制等，产生一定脉冲周期、脉冲宽度、频率的功率信号。

2)传输电缆。将功率信号传输到超声波换能器。

3)超声波换能器。超声波换能器是把电能转换成机械能(声能)的部件。换能器内采用换能效率高的压电材料，由换能器实现电、机、声的转换而发出超声波。换能器有2种类型，一种是压电式，另一种是磁致伸缩式［4］。

4)变幅杆。行业内将换能器与变幅杆连接后的整体叫做振动子。变幅杆是一个无源器件，本身不产生振动，只是将超声波换能器输入的振动改变振幅后再传递出去，实现振幅的放大作用。

2　超声波装置在管道上安装形式

超声波防除垢装置(主要是换能器)在管道上的安装形式可分为3种:一是管道内插入式;二是管道外壁焊接式;三是管道外壁环抱式。

1)插入式。

在管道内插入超声波防除垢装置，都需要在管壁开通孔，将超声波振子部分插入到管道内，与管道内输送介质直接接触，通过超声波的空化作用等，实现对垢的清除和防止垢的再次附着。国内此类防除垢装置已经有相关专利，形成了一定的技术能力，如图1所示［5－6］。

有了问题,学生自然就会去想办法,去设计实验。学生通过对轻重,大小这两个因素的其中一个进行控制后的实验发现∶体积大小相同时，重的容易沉,轻的容易浮;轻重相同时，体积大的容易浮,小的容易沉。学生将这两个结论进行综合归纳,就会知道∶大而轻的物体容易浮;小而重的物体容易沉。此节课，学生在愉悦的心情中主动的分析、联想、推理，进行了创造性学习。

图1中两种插入式的超声波防除垢装置，需要占用一定的空间，从而影响了流体通过的面积，因此在应用前需要进行计算以确保对管道流量无影响。为了增强防除垢能力，可以设置多个超声波换能器。

图1　插入式超声波防除垢装置

2)焊接式。

焊接式超声波防除垢装置是在管道外壁上，首先焊接上导波装置，然后换能器通过螺纹连接拧固在波导上，实现超声波对管壁的机械作用，达到防除垢效果。如图2所示［7］。

图2　焊接式超声波防除垢装置

焊接式超声波防除垢装置对焊缝有较高要求，焊缝不得有裂纹、咬边、夹渣、未焊透、气孔等缺陷。此外焊接式为永久性安装，波导与外壁焊接在一起，使用范围有一定限制。

3)环抱式。

环抱式超声波防除垢装置目前应用很少，换能器通过类似卡箍装置夹持固定在管道外壁上，超声波通过固定装置传导至管道内，因而会存在一定的能量衰减，强度会有所降低。图3所示为瑞士MPI公司的产品，其应用管道的尺寸较小，且目前还没有在超声波防垢除垢方面的应用案例。

3　辅助固定装置的设计

图3　环抱式超声波防除垢装置

图4　卡箍

卡箍是连接带沟槽的管件、阀门以及管路配件的一种连接装置，起紧箍作用。超声波振子辅助固定装置是借助卡箍的原理，通过在卡箍上焊接导波装置，将超声波振子以螺纹连接方式固定在卡箍上。超声波通过导波装置经卡箍传导至管壁上，实现超声波装置的在线防垢除垢功能。

超声波振子辅助固定装置的工程图如图5所示。本装置按照适用于外径400mm的管道设计，卡箍由螺栓将相同的两部分连接起来，螺栓应选择9.8级及以上的高强度螺栓。通过调节螺栓的预紧力，使装置固定于管道上，不发生轴向和周向的移动。最后，将超声波装置通过带M36螺纹的导波装置安装定位。本装置仅用于直管道，尺寸随管道外径变化而设计。

本装置在设计时仅需计算螺栓的强度即可，螺栓的设计直径如下:

式中: F0为螺栓总拉力，可按预紧力计算; dc为螺栓的计算直径。

图5　工程图

使用三维SolidWorks软件创建超声波振子辅助固定装置的三维模型，更加直观了解该装置的结构及工作原理。辅助固定装置的三维模型以及装配超声波振子的装配体如图6所示。

在卡箍上的导波装置共安装6个小功率的超声波振子，以环形方式分布，沿各个方向将超声波传导至管壁，作用于管壁上的垢，通过剪切、机械振动等作用实现除垢。该装置的优点是可在线操作，不影响生产，可连续进行，此外移动性好，可以用于同一直径管段的不同位置，实现多处重复作用。

4　结束语

超声波防除垢装置在管道上的安装有3种方式，管道内插入式要破坏管道壁，且无法在线安装，而管道外壁焊接式同样无法实现在线安装;本文中设计的超声波振子辅助固定装置则既能在线安装，又能不破坏管道，而且可重复使用，具有一定的应用价值。

图6　三维模型及装配体模型

参考文献:

［1］王常斌，符显峰，张强，等.大功率超声波处理技术的发展与展望［J］.大庆石油地质与开发，2009，28(6) :243－246.

［2］王兵，李长俊，廖柯熹，等.管道结垢原因分析及常用除垢方法［J］.油气储运，2008，27(2) :59－61.

［3］侯光祥.输油管道中防除垢技术的研究进展［J］.内蒙古石油化工，2008(21) :15－16.

［4］聂祜川，聂日丛.超声波防除垢技术在换热设备上的应用［J］.氯碱工业，2012，48(6) :34－38.

［5］陈磊.一种超声波除垢防垢管道:中国，202845373U［P］.2013－04－03.

［6］朱佳军，肖长锦.一种新型流体管道超声波阻除垢装置:中国，102615065 A［P］.2012－08－01.

［7］王庆华.超声波防除垢技术在环己酮装置的应用［J］.石油和化工节能，2012(4) :47－53.

The design of ultrasonic vibrator auxiliary fixture

PENG Fei1，WANG Dan2
(1.China Oilfield Services Co.，Ltd.，Tianjin Tanggu，300452，China) (2.CNOOC Energy Technology＆Services Ltd.，Tianjin Tanggu，300452，China)

Abstract:It introduces the ultrasonic technique in the pipeline cleaning，proposes the structure of the ultrasonic device.The ultrasonic device on the pipeline installation can be divided into three types.Aiming at ultrasonic auxiliary fixture surrounded pipe，it designs the clamp based on the principle of the fixture and requirement of online operations.This device can be continuous going without affecting production and have good mobility characteristics and practical application value.

Key words:ultrasonic cleaning; installation form; auxiliary fixture

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.014

作者简介:彭飞(1986—)，男，湖北潜江人，中海油田服务股份有限公司助理工程师，主要从事海洋石油装备研究。

收稿日期:2015－04－08

中图分类号:TB533

文献标志码:A

文章编号:2095－509X(2015) 06－0057－03