李晓磊，王鑫，汪太阳，张淦



声发射检测气液两相段塞流特性

李晓磊，王鑫，汪太阳，张淦

（中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东省油气储运安全省级重点实验室，山东 青岛 266580）

采用声发射技术对水平管内气液两相段塞流声信号进行非侵入式、实时检测。通过设定时间窗和长气泡定义时间计算声发射信号参数，分析段塞单元声信号特点，利用双通道声发射传感器,根据同一液塞到达前后两个传感器的时间差来计算段塞速度，测试结果与双平行电导探针、Nicklin经验公式对比。结果表明,段塞单元信号特征明显，液塞头部、液塞体和长气泡声信号依次减弱，长气泡区信号低于阈值。声发射技术可以检测液塞速度，具有油田现场工程应用价值。

运输；石油；声发射；两相流；测量

段塞流是海洋石油行业长距离混输管道中常见的现象，具有间歇性、强烈的波动性和不稳定的特点，目前缺乏实时、精确的检测手段。因此,深入研究段塞流流动特性，寻求先进手段进行实时、精确检测具有重要的意义。

传统检测技术存在一定的缺陷：伽玛射线设备复杂，具有辐射性，危害操作人员健康，且反应较慢，管内液塞快速流动时，不能实时获取管道内流动液塞参数；电导探针法、电容探针法会对相界面造成干扰破坏，降低检测精确性，探针容易损坏，目前仅用于实验室研究；超声法需要同时具备发射和接收装置，设备复杂，现场应用价值低。声发射技术（Acoustic Emission）能够检测材料中局部区域自发释放的瞬态弹性波[1]，具有检测频率范围宽、灵敏性高、非侵入性、安装操作灵活等特点，已经在化工[2⁃3]、机械[4⁃6]等领域广泛应用。多相流管道中气泡活动存在丰富的声发射信号，利用声发射技术能够检测到气液流动自发产生的信号，使其应用于石油行业多相流系统检测，具有广泛的发展前景。J.W.R.Boyd等[7]研究表明,气液两相相互作用能够产生声发射信号，而信号的稳定性受到很多因素的影响，如泵机噪声、环境噪声等，为声发射技术用于两相流检测奠定了基础。A.Addali[8]通过水平管环形实验装置验证了声发射技术检测多相流的可行性，分析了温度、黏度和表面粗糙度对采集声信号的影响。研究表明，主要的声发射源来自于气泡的行为，即气泡的形成、聚结及破裂。H.Shuib[9]、王鑫等[10]利用声发射检测技术对气泡活动产生声发射信号的机理进行研究。方立德等[11]在垂直管气液两相流动实验中的结果表明，利用声发射检测技术可以识别两相流流型，但实验采用的采样率较低，并未对两相流流动参数的定量检测进行研究。M.A.Alssayh等[12⁃13]利用声发射测量方法对水平管气液两相流流型进行识别，验证了声发射检测技术测量两相流的可行性。两相流流型的研究表明，不同流型具有一定的特征，为声发射检测气液两相段塞流流动特性提供了依据。M.A.Alssayh等[14]采用距离为21 cm的双通道声发射传感器，同步采集声发射波形信号，利用速度、位移关系来计算液塞速度，该研究对声发射技术检测液塞速度的可行性进行验证，但实验没有与其他测试方法进行对比，不能对测试精确度进行说明。目前，声发射测量多相流的相关研究主要为定性研究，定量研究较少。

本文测试分析了典型段塞单元声信号特点，通过时间窗法分析了液塞单元声信号特性，通过双通道声发射传感器测试液塞速度，将测试结果与电导探针测试结果对比，验证了双通道声发射传感器检测液塞速度的可行性和精确性，为声发射技术应用于油田现场检测提供了参考。

1 实验装置及测试方法

1.1 实验装置

本实验装置包括气液两相流动管路、声发射采集系统和电导探针采集系统3个部分，整个实验流程如图1所示。气液两相流动管路包括气液输送混合段、透明实验测试观察段、电导探针参比段。混合段长度0.5 m，经实验证明，该混合段可以满足起塞条件。实验测试观察段全长14 m，由内径50 mm、壁厚5 mm的透明有机玻璃管组成，用于实验过程中数据测量和管内流动现象观察。

1气液混合器；2有机玻璃管；3声发射传感器；4前置放大器；5声发射采集卡；6电脑；7电导探针；8参比电导探针；9气液分离器；10气体流量计；11气体缓冲罐；12空气压缩机；13液体流量计；14离心泵；15水罐

1.2 声发射采集装置

声发射采集系统包括传感器、前置放大器、采集卡及计算机。实验采用北京声华公司的SAEU2S型声发射采集仪，采样率最高可达40 MHz。采用WG50型声发射传感器，测试声信号频率灵敏度为100 ~1 000 kHz。

1.3 测试方法

实验使用空气⁃水两相介质，气体依次通过空气压缩机、缓冲罐和气体流量计进入气液混合器气体注入管，压缩机设定压力为0.8 MPa，气体流量通过大孔板流量计、小孔板流量计或涡街流量计进行计量。水通过离心泵增压，液体流量计计量后进入气液混合器液体注入管。气液两相在分层式气液混合器内进行混合，经过发展段后进入测试段，最后经过气液分离进入水箱完成一次循环。声发射信号在液体中的传播速度是1 200~1 400 m/s，为能够区分到达同一传感器的前后两个液塞，设置两个传感器之间的距离为0.5 m。传感器放置距测试段入口长径比（/）248和258两个位置处。L.E.Gomez等[15]认为水平管中稳定液塞长度是30倍管径时段塞流充分发展。经实验验证，长径比248和258两个位置靠近气液出口，液塞相对稳定。采用两组双平行电导探针同步测量段塞流液塞速度，探针分别置于传感器邻近位置，且两组探针间距为0.5 m，检测结果方便与声发射测量结果对比。

实验根据J.M.Mandhane[16]流型图选取段塞流流型区实验工况点，选取的15组工况点如表1所示。设置声发射采样频率为2 MHz，对每个工况点连续采样时间为100 s。

表1　实验工况点

2 结果与讨论

2.1 段塞流声信号参数

通过实验室自行开发的采集程序可以处理获得的声发射参数有：幅值（AMP）、绝对能量值(ABS)、振铃计数(Count）、到达时间（Arrive Time）等[17⁃18]，各参数在原始波形图中定义如图2所示。

图2声发射信号参数图

Fig.2Diagram of acoustic emission signal parameters

采用两种声信号参数处理方法：时间窗法和CBET法[19]（长气泡定义时间，Critical Time of Elongated Bubble），通过实验室开发采集处理程序进行声信号采集和参数处理。时间窗法，设置时间常数为10 ms，即在100 s连续采集时间内，每隔10 ms计算一次声发射参数，通过设置时间窗，研究声信号参数随时间变化规律，该方法对声信号进行连续参数计算，计算结果与设定阈值无关。CBET法，根据测试声信号特点，设置CBET时间为100 ms，即设定相邻两个液塞信号超过阈值部分的最小时间间隔为100 ms。比较CBET时间与相邻两个信号波包超过阈值部分实际时间间隔的大小关系，当大于CBET时间时，认为是两个独立的液塞声信号波包，反之则为一个信号波包，从而判断相邻两个信号波包能否是同一液塞产生，提取液塞超过阈值的完整信号波包，并计算每个波包的声信号参数，该方法是对超过阈值的声信号进行计算，计算结果与设定阈值相关。

2.2 液塞单元声信号特征

图3为表观气速4.0 m/s、表观液速0.9 m/s时通道1采集原始声信号的电压波形图和对应该时间段的能量值和振铃计数随时间变化经历图，其中每10 ms计算一次声信号参数。由图3可以观察到，液塞头部经过声发射传感器时，声信号能量值迅速增大，液塞头部的能量值最高。其次是液塞体，而长气泡区的能量值最低，液塞头、液塞体和长气泡声信号特征明显。分析能量值变化是由于液塞局部含气率不同及气泡活动强弱不同造成的。

液塞头、液塞体和长气泡区依次经过声发射传感器，液塞头部含气率较高，头部卷吸导致大量小气泡弥散流动，液塞头部气泡间相互碰撞、气泡聚并、气泡破碎等活动剧烈，伴随能量的快速释放，因此声信号急剧增强，该时间段内能量值最高。液塞体部分含气率变低，气泡数量明显小于液塞头部，属于液塞头部脱落气泡，且气泡呈泡状流特点，气泡活动性较弱，声发射能量释放较低，因此液塞体经过传感器时产生的声信号变弱，能量值逐渐降低。长气泡区是流动状态相对比较稳定的长气泡，相当于一小段分层流，该段原始波形电压信号接近背景噪声，低于设定阈值，声信号能量变化平稳且能量值极低。此外，振铃计数具有类似的变化趋势。

2.3 声发射检测液塞速度

2.3.1阈值设定为了排除环境噪声的干扰，实验开始前需要测试环境噪声信号，设置合理的阈值。图4为空管（表观气速、表观液速均为0）时两个通道采集的声信号原始波形，声信号来自于背景噪声声信号。由图4可知，通道1和通道2在20 s内采集声信号幅值不超过0.3 mV，因此设置阈值为0.3 mV。

图4　环境噪声信号

2.3.2液塞速度检测原理图5（a）为表观气速4.0 m/s、表观液速0.9 m/s时采集的20 s声发射原始波形图，图5（b）为提取部分声信号放大图。从图5可以看出，同一个液塞经过前后两个传感器时存在时间延迟。

图5　声信号原始波形图

实验设置双通道声发射传感器间距0.5 m。同一液塞在前后两个传感器的到达时间可通过采集程序直接获得，两者相减得到液塞信号到达两个传感器的时间差，利用距离、时间和速度的关系，计算液塞速度，如式（1）、（2）所示：

2.3.3液塞速度测量结果对比 D.J.Nicklin等[20]基于垂直管内长气泡实验提出的液塞速度关联式是目前广泛认可的液塞速度经验关系式，后研究发现该式适用于所有的管倾角范围。Nicklin公式如式（3）所示：

式中：t为长气泡运动速度，m/s；0为系数，紊流时0取1.2，层流时取2.0；GS为表观气速，m/s；LS为表观液速，m/s；0为气泡在静止液体中因浮力引起的漂移速度，m/s。一些学者提出0计算公式如式（4）所示：

式中，为管径，m。

计算100 s采集时间内各工况点测量的液塞速度平均值，将声发射测量结果与双平行电导探针、Nicklin经验公式计算结果对比（见图6）。由图6可知，液塞速度随着混合速度的增大而增大，电导探针测量结果与Nicklin公式基本吻合，声发射测量结果的离散程度较大。将声发射测量值与电导探针测量结果进行对比，误差平均为11.8%，误差绝对值平均为20.1%。

图6　测量结果对比

分析认为原因主要有三方面：段塞流流型具有间歇性、强烈的波动性和不稳定性的特点，相邻液塞的时间间隔不固定，因此通过采集程序设置固定LSDT时间进行液塞声信号提取时存在误差；实验过程中声发射传感器本身校核比较困难，目前还是仪表领域尚未解决的问题，因此校核过程存在一定误差；检测信号的随机性及声信号通过有机玻璃管传播过程中信号衰减也会影响测量结果的精确度。实验结果表明，双通道声发射传感器可用于段塞流液塞速度的检测，并能够反映液塞速度随混合速度的变化趋势，但受限于声发射传感器性能，检测精度有待提高，有效、智能识别液塞信号的新方法有待开发。

与其他检测技术相比较，声发射检测技术安装灵活，成本较低，并且在应用于油田现场管道内段塞流流动参数测量时，厚壁钢管有利于声发射信号的传输，且声信号衰减小，声发射测量误差在工程接受范围之内。因此，利用声发射技术检测气液流动信号，应用于石油行业多相流系统检测具有较大的发展潜力和广阔的发展前景。

3 结论

通过时间窗法可以分析液塞单元声信号特点，段塞单元不同部位的声信号具有显著的差别，液塞区声发射信号特征明显，其中，液塞头部信号最强，液塞体次之，长气泡区声信号最低，且低于阈值。通过CBET法可以有效提取液塞波包信号，通过双通道声发射传感器，利用同一液塞到达前后两个传感器的延迟时间，可以计算获得液塞速度。实验结果表明，声发射技术可用于油田现场段塞流液塞速度的检测。

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（编辑 王戬丽）

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

国家自然科学基金(51376197)。

李晓磊（1991⁃），女，研究生，从事多相流流动和测试等方面的研究；E⁃mail：tolixiaolei@163.com。

王鑫（1973⁃），男，博士，副教授，从事油气田集输、多相流动与传热、长距离输气管道等方面的研究；E⁃mail：wangxinmfnl@163.com。

1006396X（ 2018）06006706

http://journal.lnpu.edu.cn