基于CNG地下储气井检测用的自动悬浮式超声波探头设计
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摘 要:提出一种cng地下储气井检测成像用的自动悬浮式超声波探头系统,该系统利用闭环反馈控制方法,能自动保持超声波探头与管壁之间为较小的恒定距离,使转动的探头与壁之间有恒定厚度的一层耦合液,解决了空气与钢管的声阻抗相差太大,超声波不能进入钢管内部的难题,并保证旋转探头不被磨损。设计一种惯性离心力开关,能自动地提供所需的耦合液。这种自动悬浮式超声波探头系统在采样频率不太高时,能较准确地保持探头与壁之间有均匀的耦合液。使CNG地下储气井超声波检测成像的基本问题得到较好的解决。
关键词:CNG地下储气井; 超声波; 悬浮式; 反馈控制
中图分类号:TN919-34文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)21-0117-03
Self-Suspended Ultrasonic Probe for Detecting CNG Underground Gas Storage Well
WANG Ming-zhuo1, WANG Jing2
(1.School of Science, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China;
2.School of Automation and Electronic Information, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)
Abstract: A system based on self-suspended ultrasonic probe is put forward which is used for detecting and imaging of CNG underground gas storage well. The space between ultrasonic probe and pipe wall is maintained to a small constant by closed-loop feedback control method. Ultrasonic can not penetrate through the steel tube and rotating detector damages easily owing to the great difference of acoustic impedance between air and steel tube. The trouble is solved by invariable thicknesses of fluid couplant between detector and tube wall. An inertial centrifugal forces switch is designed to supply the fluid couplant automatically. The self-suspended ultrasonic probe system can keep fluid couplant evenly distributed by rule and line as sampling frequency is not too high. The fundamental problem about detecting and imaging of CNG underground gas storage well can be solved well.
Keywords: CNG underground gas storage well; ultrasonic; suspension; feedback control
0 引 言
随着国际原油价格的不断飙升,车用天然气量也猛增,由此带动CNG加气站大量建设和运营。我国目前建有700座CNG加气站,拥有40多万俩CNG汽车。CNG地下储气井建造成本低,占地面积小,安全性能高,现已成为国内CNG加气站首选储气方式。国外也有50多个国家使用天然气汽车。储气井是埋地压力容器,SY/T 6535-2002规定地下储气井使用寿命是25年。标准也规定储气井的全面检测周期为6年,必须定期进行井管的无损检测和测厚检测,但这方面尚无完善的检测手段。由于天然气中含有较多的硫,易形成对金属有很强腐蚀能力的腐蚀液,且长期运行于25 MPa的高压下,在这种恶劣条件下储气井难免会出现安全问题。
国内外比较成熟的油气井检测已发展到超声波成像检测,但这种检测技术只能对井中有油,水或泥浆介质的油气井进行检测,而不能直接应用于CNG地下储气井的检测[1-6]。这里设计的自动悬浮式超声波探头系统可直接用于CNG地下储气井的超声波探伤成像检测。
1 探头系统结构及工作原理
1.1 探头系统结构
图1是探头系统俯视图,图2是探头系统侧视图。
1.2 探头系统工作原理[4,7-8]]
由结构知:超声波探头固定于径向导轨的精细丝杆上(对称的两只),图中只画出了一只。因前面有最大位置限制销,只可沿导轨作径向运动。其运动受径向电机控制,当旋转开始时,径向电机将探头送出。设超声波接收探头接收到的波形如图3所示,t=t0时,发射超声波;t=t1时是遇到管内壁时,由于液与钢管的波阻抗不同而形成的反射回波;t=t2时,遇到管外壁的反射回波,对径向电机的控制信号是t=t1的反射回波。设超声波在液中速度为v, 液厚为e,则:
e=v(t1-t0)/2
接收探头将探头离管壁距离信息送入单片机处理后,控制径向电机的运动,У碧酵防牍鼙诰嗬胛e时(设计值),径向电机停止转动。只要探头离管壁距离偏离设计值e,径向电机都会运动,使探头离管壁距离保持设计值e不变。
图1 探头系统俯视图(左边部分)
图2 探头系统侧视图(左边部分)
图3 超声波发射波和回波示意图
1.3 供液系统结构及工作原理
当探头未旋转时,离心力液开关中的滑块受弹簧力F2作用,方向指向圆心,如图4所示,离心力开关关断,无液输出。设滑块质量为m,转动半径为R,当探头旋转时,受惯性离心力F1作用[5](分析中忽略了滑块所受摩擦力的影响)。
F1=mRω2
当达到额定转速时,弹簧被压缩x,此时弹力F2为:
F2=kx
设计中使F1=F2时,离心力液开关被完全打开,有最多的液流入探头与管壁之间形成厚为e的簿膜,起到和超声波的有效传递作用。
图4 滑块受力示意图
2 自动悬浮式超声波探头控制电路设计
2.1 控制系统硬件组成
2.1.1 系统硬件组成的方案
系统硬件组成的方案如图5所示。
图5 控制电路方框图
2.1.2 各功能块作用
取样信号:工作频率为12.5 kHz的方波信号,控制电子开关的工作。
超声波振荡器[2-5]:由单片机输出的具有一定幅度的,频率为0.5 MHz的超声波等幅信号。
电子开关:在1/10周期内关闭回波通道,而将超声波振荡信号送入超声波探头(进入探头的是超声波脉冲);当超声波振荡信号通道关闭时,将超声波回波通道接通,将回波信号送入回波放大电路。