采用超聲波技術(shù)進(jìn)行油井探頭檢測設(shè)計

引言

隨著國際原油價格的不斷飆升，車用天然氣量也猛增，由此帶動CNG加氣站大量建設(shè)和運(yùn)營。我國目前建有700座CNG加氣站，擁有40多萬倆CNG汽車。CNG地下儲氣井建造成本低，占地面積小，安全性能高，現(xiàn)已成為國內(nèi)CNG加氣站首選儲氣方式 壓縮天然氣（Compressed Natural Gas,簡稱CNG）是天然氣加壓（超過3,600磅/平方英寸）并以氣態(tài)儲存在容器中。它與管道天然氣的組分相同。CNG可作為車輛燃料利用。LNG可以用來制作CNG,這種以CNG為燃料的車輛叫做NGV（Natural Gas Vehicle）。與生產(chǎn)CNG的傳統(tǒng)方法相比，這套工藝要求的精密設(shè)備費(fèi)用更低，只需要約15%的運(yùn)作和維護(hù)費(fèi)用。

國內(nèi)外比較成熟的油氣井檢測已發(fā)展到超聲波成像檢測，但這種檢測技術(shù)只能對井中有油，水或泥漿介質(zhì)的油氣井進(jìn)行檢測，而不能直接應(yīng)用于CNG地下儲氣井的檢測。

1 探頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 探頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1是探頭系統(tǒng)俯視圖，圖2是探頭系統(tǒng)側(cè)視圖。

1.2 探頭系統(tǒng)工作原理

由結(jié)構(gòu)知：超聲波探頭固定于徑向?qū)к壍木?xì)絲桿上（對稱的兩只），圖中只畫出了一只。因前面有最大位置限制銷，只可沿導(dǎo)軌作徑向運(yùn)動。其運(yùn)動受徑向電機(jī)控制，當(dāng)旋轉(zhuǎn)開始時，徑向電機(jī)將探頭送出。設(shè)超聲波接收探頭接收到的波形如圖3所示，t=t0時，發(fā)射超聲波；t=t1時是遇到管內(nèi)壁時，由于潤滑液與鋼管的波阻抗不同而形成的反射回波；t=t2時，遇到管外壁的反射回波，對徑向電機(jī)的控制信號是t=t1的反射回波。設(shè)超聲波在潤滑液中速度為v,潤滑液厚為e,則：

探頭在超聲無損檢測領(lǐng)域中是非常重要的，常用于多種焊縫檢測應(yīng)用和金屬板、金屬管、金屬坯以及鍛件中垂直于表面的裂縫檢測，也可用于機(jī)械加工零件與結(jié)構(gòu)零件的檢測。 垂直于試件表面或與表面傾斜的裂紋和不連續(xù)性，因為它們關(guān)于聲束的傾斜性，采用直探頭檢測技術(shù)通常不能發(fā)現(xiàn)。垂直裂紋不能從直聲束反射任何大數(shù)量的聲波能量，因為聲束從比波長小得多的細(xì)小的尖端考察，而且傾斜的裂紋可能不能朝著探頭方向反射回任何能量。這種情況發(fā)生在多種裂縫、結(jié)構(gòu)金屬工件、以及許多其他關(guān)鍵部件中。一個斜探頭組件在一個選定的角度上可讓聲能直接指向試樣中。一個垂直的裂紋將沿著一般稱為U形轉(zhuǎn)彎的路徑反射一個成角度的聲能。

1. 3 供液系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)探頭未旋轉(zhuǎn)時，離心力潤滑液開關(guān)中的滑塊受彈簧力F2作用，方向指向圓心，如圖4所示，離心力開關(guān)關(guān)斷，無潤滑液輸出。設(shè)滑塊質(zhì)量為m,轉(zhuǎn)動半徑為R,當(dāng)探頭旋轉(zhuǎn)時，受慣性離心力F1作用。

當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，彈簧被壓縮x,此時彈力F2為：

設(shè)計中使F1=F2時，離心力潤滑液開關(guān)被完全打開，有最多的潤滑液流入探頭與管壁之間形成厚為e的簿膜，起到潤滑和超聲波的有效傳遞作用。

2 自動懸浮式超聲波探頭控制電路設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件組成

2.1.1 系統(tǒng)硬件組成的方案

系統(tǒng)硬件組成的方案如圖5所示。

2.1.2 各功能塊作用

取樣信號：工作頻率為12.5 kHz的方波信號，控制電子開關(guān)的工作。

超聲波振蕩器：由單片機(jī)輸出的具有一定幅度的，頻率為O.5 MHz的超聲波等幅信號。

電子開關(guān)：在1/10周期內(nèi)關(guān)閉回波通道，而將超聲波振蕩信號送入超聲波探頭（進(jìn)入探頭的是超聲波脈沖）；當(dāng)超聲波振蕩信號通道關(guān)閉時，將超聲波回波通道接通，將回波信號送入回波放大電路。

超聲波探頭：電聲轉(zhuǎn)換和聲電轉(zhuǎn)換器件。

回波放大器：將反射回的微弱回波信號進(jìn)行放大，使其具有一定幅度。

單片機(jī)接口：將回波放大器放大的模擬信號進(jìn)行模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換，使其符合單片機(jī)輸入的要求。

單片機(jī)：對輸入的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、計算、處理、控制等操作，輸出控制信號。

控制電路：對單片機(jī)輸出信號進(jìn)行處理。

步進(jìn)電機(jī)：帶動渦輪渦桿使探頭與管壁保持恒定距離。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.2.1 超聲波傳感器發(fā)射接收電路

超聲波傳感器發(fā)射接收電路原理圖如圖6所示，單片機(jī)采用ATM89S51,超聲波脈沖由單片機(jī)ATM89S51的P11口輸出，74HC04對超聲波脈沖進(jìn)行功率放大后推動超聲波傳感器發(fā)出脈沖超聲波。電子開關(guān)采用CD4066BE（是CMOS雙向模擬開關(guān)），脈沖超聲波遇到管壁產(chǎn)生的回波被超聲波傳感器接收轉(zhuǎn)換成電信號。這個很微弱的信號經(jīng)電子開關(guān)CD4066BE送到回波放大電路CX20106;CX20106是紅外接收專用集成電路，該集成電路有80 dB的增益。超聲頻率的聲能有很高的方向性，而且能明確定義用于探傷的聲束。當(dāng)聲波從邊界反射時，反射角度等于入射角度，以一個角度入射到表面的聲束將以相同角度反射回來。

2.2.2 控制信號處理模塊

采用環(huán)形脈沖分配器L297和雙H橋功率集成電路L298的典型控制方式。單片機(jī)的P1.6,P1.7,P2.3分別接L297的CW,Clock,enable控制端，分別控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、時鐘信號及啟停。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

單片機(jī)控制程序框圖主程序流程圖如圖7所示。系統(tǒng)加電啟動是由檢測筒底部碰觸開關(guān)執(zhí)行，當(dāng)檢測筒由牽引纜繩下放到井底，碰觸開關(guān)接通，系統(tǒng)檢測各組件正常，發(fā)出指令使?fàn)恳姍C(jī)勻速向上運(yùn)動，同時主軸電機(jī)工作使探頭筒勻速轉(zhuǎn)動，徑向電機(jī)工作將探頭推出，供液閥門打開，耦合液向探頭噴出，這就是系統(tǒng)組件準(zhǔn)備完備。這時單片機(jī)發(fā)出指令檢測的數(shù)據(jù)和內(nèi)部存儲器的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行比較，若相同，出口1和出口2都無信號輸出，徑向電機(jī)不動作，保持原有間距e.又進(jìn)行第二輪的檢測。

3 結(jié)語

該設(shè)計方案利用單片計算機(jī)控制徑向電機(jī)的運(yùn)動，使探頭與被檢測筒壁有一層均勻厚度的耦合液，較好地解決了低速采樣的超聲波無損檢測成像中的超聲波回波有效傳輸?shù)年P(guān)鍵問題。同時也使旋轉(zhuǎn)的探頭得到有效的保護(hù)。但只能用于超聲波頻率小于1 MHz的系統(tǒng)，對于超聲波頻率為2.5~5 MHz的系統(tǒng)，應(yīng)設(shè)計工作于更高頻率的超聲波發(fā)射和接收電路及電子開關(guān)電路。