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潜油电泵导叶轮流道 稳态微压信号的分析研究与处理 丛霄然( 无线电物理) 指导教师：沈跃副教授 摘要 随着全国大多数油田逐渐进入开发晚期，由于地层压力的降 低，使油井的出液量大幅度减少，为了弥补油井出液量的不足， 各油田相继采用潜油电泵用于油田的生产。潜油电泵由数百级离 心泵组成，如果个别离心泵的导叶轮流道存在阻碍流体流通的缺 陷，其级联的结果会使电泵的水力损失增大，泵效严重降低。 潜油电泵导叶轮的流道可看成是具有弯曲渐变口径的小口径 短管，导叶轮流道中凸起缺陷对流体参数( 特别是压力) 的影响 可以用来对其内部缺陷进行检测与识别，即利用流体动压所反映 的流道介质流通能力来检测导叶轮流道的凸起缺陷。设计开发了 多通道高精度数据采集系统，利用流道检测实验装置对导叶轮流 道缺陷进行大量的实验研究，通过实验数据分析得出导叶轮流道 缺陷与流道冲击压力之日j 的对应关系，验证了导叶轮流道检测系 统研究模型的合理性及运用流体力学理论所得出的理论分析结果 的正确性。研究中采用导叶轮各流道之间冲击压力差的最大值及 冲击压力平均值来判断导叶轮流道的流通能力，并对多通道传感 器之间测量灵敏度的离散性及导叶轮流道之间几何尺寸的离散性 进行了实验研究分析，合理确定了相关的报警阈值，为潜油电泵 导叶轮检测装置的智能化设计与实用化设计提供了必要的依据。 关键词：小e l 径管道：凸起缺陷：电潜泵；流道检测；数据采集 i s t u d y o nt h es i g n a lp r o c e s s i n go fi m p e l l e ro f e l e c t r i c - s u b m e r s i b l ep u m pi ns t e a d ya n d m i c r o p r e s s u r e s t a t e c o n g x i a o r a i l ( r a d i op h y s i t s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rs h e ny u e a b s t r a e t w i t ht h em o s to fo i lf i e l d si nc h i n ac o m i n gi n t ot h el a t es t a g eo f d e v e l o p m e n tt h ef o r m a t i o np r e s s u r eo fo i lf i e l d si sf a l l i n gd o w n t h e e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p ( e s p ) ，as o r to fa d v a n c e da r t i f i c i a ll i f t e q u i p m e n t ，i sa d a p t e dt oo i lw e l l sf o rt h es a k eo f t h ei n c r e a s i n gt h e p r o d u c t i o n t h ee s pi sc o n s i s t e do fh u n d r e d so fi m p e l l e r si ns e r i e s t h ec i r c u l a t i n gs i t u a t i o no ft h ei m p e l l e r so fe s ph a sg r e a te f f e c to i l t h en o r m a lo p e r a t i o no ft h ep u m p ，e s p e c i a l l ys o m ef l o w - p a t ho f i m p e l l e r s a r ed o g g e db ys o m ee o b v e xd e f e c t ，w h i c hm a k e st h e w a t e r p o w e rl o s si n c r e a s ea n dt h ee f f i c i e n c yo f t h ep u m p d e c r e a s e ， t h e f l o w p a t h o fi m p e l l e rc a nb er e g a r d e da sac u r v i n g s m a l l d i a m e t e rs h o r tp i p ew h i c hd i a m e t e rc h a n g e sg r a d u a l l y , a n dt h e i n f l u e n c eo f p a r a m e t e r so ff l u i d ( e s p e c i a lp r e s s u r e ) c a u s e db yc o n v e x d e f e c ti n s i d ec a nb eu s e dt 0i n s p e c tt h ei m p e l l e r w i t ht h eu s eo fa 1 l i g h r e s o l u t i o np o w e rm u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dt h e f l o w - p a t he x p e r i m e n t a ld e v i c eo f t h ei m p e l l e raf u n c t i o nr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ef l u i dp r e s s u r ea n dt h ec o n v e xd e f e c to fi m p e l l e ri s a c h i e v e df r o mt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h er o o me x p e r i m e n ts h o w s t h a tt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa c c o m sw i t ht h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s r e s u l td e r i v e df r o mt h ef l u i dd y n a m i c sa n dv e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so f t h er e s e a r c hm o d e la n dm e t h o d t h ep r e s s u r ee r r o r ：v a l u eb e t w e e nt h e f l o w - p a t h so ft h ei m p e l l e ra n dt h ea v e r a g ep r e s s u r ev a l u ea m o n gt h e f l o w - p a t h sa r eu s e dt oj u d g et h ef l u i df l o wa n dp a s sa b i l i t yi na i m p e l l e ra n dat h r e s h o l dp r e s s u r ee r r o rv a l u ea n dat h r e s h o l dp r e s s u r e v a l u ea r ed e f i n e dr e a s o n i n g l yf o r c h e c k i n gt h ei m p e l l e rb yt h e d i f f e r e n t i a la n a l y s i so fs e n s i t i v e n e s so ft h ep r e s s u r et r a n s d u c e r sa n d t h es i z eo ff l o w p a t ho ft h e i m p e l l e r t h i sr e s e a r c hb u i l d su da n e c e s s a r yb a s ef o rt h ed e s i g no ft h ep r a c t i c a li n t e l l i g e n ti m p e l l e r s d e t e c f i n ge q u i p m e n t k e yw o r d s ：s m a l l - d i a m e t e rp i p e l i n e ；c o n v e x d e f e c t ；e l e c t r i c s u b m e r s i b l ep u m p ；f l o w - p a t hi n s p e c t i o n ；d a t aa c q u i s i t i o n v 中国石油大学( 华东) 硕士论文 符号表 符号表 表示意义 角速度 沿程损失水头 局部损失水头 量化级数 满量程电压 采样频率 流道入口宽度 流道入口高度 流道长度 切应力 附面层厚度 局部压力损失 阻碍物形状系数 流量 阻碍物迎风面积 流道横截面积 重力加速度 流体速度 流道截面占用比 局部阻力系数 单位 r a d y 1 i j m ，m m 坍埘l m ，m m m m m m h ， ， 矿舻 舻 耐 觚 号 ； 符 m 一 l 口 6 ， 万 以 9 q q 4 g d z f 中国石油大学( 华东) 硕士论文符号表 a d c 的转换时间 孔径时问 压力比例系数 压力 半径， 半径 密度 冲击压力 a 类不确定度 b 类不确定度、 附面层流体速度 圆周速度 置信因子 合成不确定度 总不确定度 n 历小什l m ，m m 姆搠3 饥 m s 册j 白巧p r ， p p s “ c 盯u 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：年，月扣日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅 和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 知一年r 旯砷l a 渊年箩月跏日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 无损检测简介 无损检测是指在不损伤被检物体的前提下，检查物体内在或 表面缺陷，或测定其某些物理量、性能、组织状态等的材料试验 方法f l 】。 无损检测的目的一般包括【2 】：定量掌握缺陷与强度的关系， 评价构件的允许负荷以及寿命和剩余寿命：检测在制造过程中产 生的结构不完整性及缺陷等情况，以便改造制造工艺，它不仅涉 及对已制成部件作试验评价，也与设计制造工艺直接相关。在实 现质量控制、改进工艺、降低成本以提高产品市场竞争力，实现 设备的在役检测以预防事故的发生，确保设备运行安全可靠，提 高劳动生产率等方面具有重要意义。 无损检测技术已历经一个世纪【3 1 ，其重要性在全世界己得到 公认。无损检测一般有三种简称，即n d t ，n d i 和n d e 。它们 分别是无损检测( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 、无损检查 ( n o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n ) 及无损评价( n o n d e s t r u c t i v e e v a l u a t i o n ) 的英文缩写。 目前大都称无损检测为n d t ，实际上，近几年已逐步从n d i 和n d t 过渡到n d e ，也即用无损评价来代替无损检查和无损检 测。一方面n d e 包含了n d i 和n d t ；另一方面n d e 还具有更 加广泛的内容，一般来说n d t 仅仅是检测出缺陷，而n d i 则以 n d t 检测结果为判定基础1 4 】，对检测对象的使用可能性进行判定， 含有检查的意味。而n d e 则是指掌握使用材料的负载条件、环 境条件( 如断裂力学中预测材料的安全性及寿命等) 综合评价材 中国行油大学( 华尔) 硕十论文第1 章前言 料完整性、判断材料及构件的性能和可靠性的方法。就此而言， n d e 可说是材料评价的同义语。无损检测技术不但要在不损伤被 检对象使用性能的前提下，探测其内部或表面的各种宏观缺陷， 判断缺陷的位置、大小、形状和性质，还应能对被评价对象的固 有属性、功能、状态和发展趋势( 安全性和剩余寿命) 等进行分 析、预测，并做出综合评价p j 。 n d t 包含了许多种己可有效应用的方法，常用的无损检测方 法主要包括射线检测( r t ) 、磁粉检测( p t ) 、渗透检测( m t ) 、涡 流检测( e t ) 、超声检测( o t ) 等5 种。前三种方法主要是针对被 检物的表面及近表面的缺陷，后两种主要是针对被检物内部的缺 陷。由于各种n d t 方法，都各有其适用范围和局限性，因此新的 n d t 方法一直在不断地被开发和应用，包括红外、x 射线实时成像、 康普顿散射成像、导波、超声全息、太赫兹【6 】等。下面简要介绍 国内技术比较成熟的五种常规无损检测方法。 1 1 1 射线检测 原理：被检工件由于成分、密度、厚度等的不同，对射线( 即 电磁辐射或粒子辐射) 产生不同的吸收或散射的特性，对被检工件 的质量、尺寸、特性等作出判断。目前广泛应用的是采用适当检 测器拾取射线照射被检工件所形成的透射射线强度分布图像，依 据所得图像对被检工件的质量、尺寸、特性等进行评定。 当射线穿过物体时，射线与物质的原子将发生复杂的相互作 用，导致透射射线强度衰减【7 j ，而缺陷部位对射线的衰减不同于 无缺陷的部位，用胶片记录透射射线强度进行分析，即可检测出 物体内部的缺陷。但是该技术必须考虑辐射1 8 】防护问题。 特点：可以获得缺陷直观图像，定性准确，对长度、宽度尺 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 寸的定量也较准确；检测结果有直接记录，可以长期保存：适宜 检验厚度较薄的工件：对体积型缺陷( 气孔、夹渣类) 检出率高， 对面积性缺陷( 裂纹、未熔合类) 如果照相角度不适当容易漏检： 适宜检验对接焊缝，不适宜检验角焊缝以及板材、棒材和锻件等； 对缺陷在工件中厚度方向的位置、尺寸( 高度) 的确定较困难；检 测成本高、速度慢且射线对人体有害。 1 1 2 超声波检测 原理：超声检测利用的是超声波在介质中传播的特点。当超 声波在介质中传播时，在不同性质的介面将发生反射、折射和复 杂的波型转换【9 l ，使超声波被吸收和散射，检测、分析反射信号 或透射信号即可实现对缺陷的检测。目前使用最多的是脉冲反射 超声探伤技术。当缺陷的延伸面垂直于超声波束时，最利于超声 检验，因此检验结果与检验时的操作密切相关。为适应不同类型 试件及不同质量要求，选用不同的波型。 特点：对面积性缺陷的检出率较高，而对体积型缺陷检出率 较低：适宜检验厚度较大的工件；适用于检测各种试件，包括检测 对接焊缝、角焊缝，板材、管材、棒材、及复合材料等；检验成 本低、速度快，检测仪器体积小、重量轻，现场使用方便；检测 结果无直接见证记录：对缺陷在工件厚度方向上定位较准确：一 般需用耦合剂，对形状复杂试件检测有限制，材质、晶粒度对检 测有影响。 1 1 3 磁粉检测 原理：铁磁性材料被磁化后，其内部产生很强的磁感应强度， 磁力线密度增大几百倍到几千倍，如果材料中存在不连续，磁力 线会发生畸变，部分磁力线有可能逸出材料表面，从空间穿过， 中国 i 油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 形成漏磁场。因空气的磁导率远低于零件的磁导率，使磁力线受 阻，一部分磁力线挤到缺陷的底部，一部分穿过裂纹，一部分排 挤出工件的表面后再进入工件。这后两部分磁力线形成磁性较强 的漏磁场。如果这时在工件上撒上磁粉，漏磁场就会吸附磁粉， 形成与缺陷形状相近的磁粉堆积( 称这种堆积为磁痕) ，从而显示 缺陷。 特点：适宜铁磁材料探伤，不能用于非铁磁材料；可以检出 表面和近表面( 表面未开1 ：3 但深度很浅的裂纹) 缺陷，不能用于检 测内部( 距表面大于1 2 唧) 缺陷；检测灵敏度很高，可以发现极细 小的裂纹以及其他缺陷：检测成本很低，速度快；工件的形状和 尺寸有时因难以磁化而对检测有影响。 1 1 4 渗透检测 原理：渗透检测采用渗透剂渗入工件表面开口缺陷，在清除 工件表面的渗透剂后，从缺陷回渗的渗透剂可显示缺陷的位置、 形状和大小。渗透剂【j 0 1 有荧光渗透剂和着色渗透剂两种。 零件表面被施涂含有荧光染料或着色染料的渗透液后，在毛 细管作用下，经过一定的时间，渗透液可以渗进表面丌口的缺陷 中：除去零件表面多余渗透液后，再在零件表面旋涂显像剂，同样 在毛细管的作用下，显像剂将吸引缺陷中保留的渗透液，渗透液 渗到显像剂中，在一定的光源下，缺陷中的渗透液痕迹被显示， 从而探出缺陷的形貌及分布状态。 特点：除了疏松多孔性材料外任何种类的材料，如钢铁材料、 有色金属、陶瓷材料和塑料等材料的表面丌口缺陷都可用渗透检 测：形状复杂的部件也可用渗透检测，并一次操作就可大致做到全 面检测：同时存在几个方向的缺陷时，用一次操作就可完成检测； 6 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 携带式喷灌着色渗透检测不需水、电，十分方便现场检测；试件 表面粗糙度对检测结果影响大，探伤结果易受操作人员技术水平 影响：对埋藏缺陷或闭口型的表面缺陷无法检出；检测程序多， 速度慢，检测灵敏度较磁粉低：渗透液材料较贵，成本高，有些 材料易燃、有毒。 1 1 5 涡流检测 原理：涡流检测是根据电磁感应原理1 ，导电材料在交变磁 场作用下将产生涡流，导电材料的表面层和近表面层的缺陷影响 所产生涡流的大小和分布，因此，根据涡流的大小和分布可检验 存在的缺陷。 在工件中的涡流方向与给试件加交流电磁场的线圈( 称为初 级线圈或激励线圈) 的电流方向相反；而涡流产生的交流磁场又使 得激励线圈中的电流增加，若涡流变化，这个增加的部分( 反作用 电流) 也变化，测定这个变化，可得到工件表面的信息。 特点：检测时与工件不接触，所以检测速度很快，易于实现 自动化检测：涡流检测不仅可以探伤，而且可以揭示工件尺寸变化 和材料特性，例如电导率和磁导率的变化，利用这个特点可综合 评价容器消除应力热处理的效果，检测材料的质量以及测量尺寸； 受集肤效应的限制，很难发现工件深处的缺陷；缺陷的类型、位 置、形状不易估计；不能用于绝缘材料的检测。 f 2 电潜泵及导叶轮流道缺陷 潜油电泵全称是电动潜油离心泵，也简称电潜泵或电泵，其 内部结构如图卜1 所示。目前，潜油电泵以其效率高( 最高可以达 到7 0 ) 、排量大( 1 6 - - 4 1 0 0 m 3 d ) 、下泵深( 最大下泵深度为 中国f i 油人学( 华东) 硕士论文第l 章前言 4 5 7 2 m ) 、寿命长( 平均免修期为3 9 3 天，一般为1 和1 8 个月，最长 可达1 4 年) 、耐高温( 耐温达1 4 9 ，最高可达2 3 2 。c ) ，维护保养 简单、容易实现自动控制等特点1 1 2 】成为油阳稳产、高产的较好采 油装备。 图卜l 潜油电泵内部结构 潜油电动离心泵本质上是一种离心泵，与地面离心泵所不同 的是，由于潜油离心泵要下入井下工作，受套管内径尺寸的限制， 且因泵在电机的上方，电缆还要从泵外的套管环形空间通过，所 以泵的外径很小。如油田上较多的用于1 4 0 m m 套管的潜油离心泵 种类中，森垂利夫特泵外径1 0 1 6 m m ，雷达泵9 8 4 m m ，天津泵9 3 m m 。 由于泵外径较小，因此，单级泵功率、扬程等均极其有限。为了 满足高扬程举升的需要，将其结构设计为多级叶轮与导轮串联的 方式。 潜油电泵的井下部分自下而上依次为潜油电机、保护器、分 离器和潜油离心泵( 多级离心泵) 四个部件( 参见图i - 2 ) ，潜油电 泵系统的地面设备包括：变压器、控制柜、接线盒等，井下的潜油 电泵由地面设备通过动力电缆和引接电缆( 小扁电缆) 供给电力。 潜油电泵采出液由油管经井口装置与地面输送管线相连接。与潜 油电泵机组配套的部件还包括单流阀、泄油阀、扶正器、井下传 感器等。 潜油离心泵为多级串接式离心泵，是潜油电泵系统的主要 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 工作部件，它的主要功能是将电机输出的机械能转换为液体的动 能和位能。 量 1 阀 2 油管 3 电缆 4 潜油泵 5 ：卡子 6 分离器 7 保护器 8 电机 图卜2 电潜泵采油系统 潜油离心泵为细长结构( 参见图卜3 ) ，由叶轮、导壳、泵轴、 泵筒及上、下接头等组成。离心泵的每级叶导轮由一个旋转的叶 轮和一个固定的导壳组成。泵潜没在井液中液体受到高速旋转 的叶轮上的叶片作用获得势能，经逐极叠加将液体举升到地面。 9 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 图卜3 潜油离心泵结构示意图 分离器全称为油气分离器，是泵的附属部件。主要功能是将 井液中的气体从油、气、水混合物中分离出来，减少气体对离心 泵的影响，保证潜油离心泵正常运行。 分离器主要由吸入口、诱导轮、分离轮、分离头等部分组成( 参 见图卜4 ) 。井液由吸入口进入分离器，经诱导轮和一级叶导轮进 入分离轮，因高速旋转，在离心力作用下，井液向外侧运动，由 分离轮外侧通道进入分离头内侧进一步向上输送，气体靠近轴侧 经分离轮内侧通道和分离头进入套管环空。分离轮和分离头的主 要作用就是对井液进行气液分离。 双级分离器就是在上述原理的基础上，由两级分离结构串接 在一起，实现双级分离，提高分离器的气液分离效果。 图卜4 分离器结构示意图 保护器的主要作用是：密封电机的动力输出端，平衡电机内外 腔压力，承担泵的剩余轴向力，连接并传递动力。 潜油电机为三相鼠笼式异步感应电动机，它由定子、转子、 上接头、下接头、止推轴承等组成，工作原理与普通异步电动机 基本相同。电机按耐温等级分为9 0 ，1 2 0 ，1 5 0 三种。 0 中国石油大学( 华东) 硕七论文第1 章前言 电潜泵是由多级叶导轮串接起来的电动离心泵，除了其直径 小长度长外，工作原理与普通的离心泵没有多大区别。其工作原 理是：当潜油电机带动泵轴上的叶导轮高速旋转时，处于叶轮 内的液体在离心泵力作用下。从叶轮中心沿叶片间的流道甩向四 周，由于液体受到叶片的作用，其压力和速度同时增加，在导轮 的进一步作用下速度能又转变成压能，同时流向下一级叶轮入口， 如此逐次地通过多级叶导轮的作用，直到从泵的最上部的叶轮流 出后达到足够的压头。而泵的最下一级叶轮对井液的吸入则是由 于油套环空间沉没压力使液体源源不断地驱入泵中。流体压能逐 次增高获得足够的克服泵出口管路阻力的能量从而流至地面，达 到开采石油的目的。潜油泵把井液举出地面，就是把泵的机械能 转换成流体的动能和压能。 图1 - 5 将液体在叶轮内的运动表示在轴向和径向投影图上， 轴面投影图将叶轮的流道用旋转( 圆柱) 投影法，投影到通过轴 线的平面上，轴向投影图将时轮的流道投影在垂直于旋转轴线的 平面上。 图1 5 液体在叶轮中的流动 离心泵工作时，液体在叶轮中作复合运动：一方面，在叶轮的 驱动下，随叶轮作圆周运动，圆周速度记为“，同一半径r 上的 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 圆周速度值为 u = 胄 ( 卜1 ) 珊为叶轮旋转角速度：另一方面，液体由叶轮进口流向出口， 沿着叶片作相对运动，相对速度记为w 。因此，液流相对于泵的 壳体的绝对速度c 是上述两种速度的合成，即： ( 1 - 2 ) 从目前国内外潜油电泵的生产规模和制造技术来看，主要以 美国、独联体国家、中国为主。美国在电泵制造工艺、应用技术 研究等方面都处于世界领先地位。其主要的潜油电泵公司有：r e d a 公司、c e n t r i l i f t 公司、o d i 公司以及k o b e 公司等。 我国自八十年代初引进潜油电泵技术以来，7 潜油电泵作为一 种重要的机械采油方式在全国各油田获得广泛的应用。二十年来， 通过各潜油电泵制造厂及使用单位的共同努力，全国在潜油电泵 的应用、检修、设计开发及制造技术等方面都得到了飞速的发展。 1 9 9 0 年，我国使用电潜泵油井数已达到3 6 0 0 口 r t l 。利用电 潜泵采油可以实现石油高产，例如大庆油田，到1 9 8 8 年底为止， 电潜泵采油井数占总井数的1 6 ，而采油量占总数的3 7 2 。胜利 油田电潜泵采油井数占7 ，而采油量占总数的2 0 9 。1 9 8 9 年， 我国电潜泵采油井数占全国总油井数的1 0 ，但是采油量占全国 石油总产量的2 5 以上。这说明尽管我国电潜泵并不多，但是石 油产量占全国的四分之一。可见，电潜泵是增产石油，提高产量 的较好采油设备。 目前，我国有许多油田已经进入中、后期丌采阶段，需要进 行注水强采。电潜泵是一种较好的强采抽油设备，所以应用前景 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 相当可观。此外，电潜泵除可用于陆地采油之外，还可用于海洋 油田、沙漠油田、极地油田进行采油，具有同样好的使用效果和 经济效益。 随着电潜泵应用数量的增多，由于电潜泵自身的质量等原因 导致的采油系统故障时有发生，这不仅影响了电潜泵高效率的发 挥，降低了原油产量，同时也造成作业成本的大幅度上升。电潜 泵通常的能量损失由机械损失、水力损失和容积损失三部分组成， 其中水力损失和容积损失占主要比例，泵效一般为5 5 “2 1 s l 。 电潜泵离心叶轮材料为高镍铸铁，叶轮流道弯曲狭窄并沿叶轮径 向渐扩，如果在铸造过程中流道口附近存在铸渣等阻碍物，会使 叶轮流阻增大，排液量减小，泵效降低，尤其高粘度的油水混合 物影响更大“9 1 。目前主要采用人工目测结合手工疏通凭感觉检测 叶轮的质量，具有较大的盲目性。由于电潜泵叶轮结构的复杂性， 常规无损检测( n d t ) 的口射线三维透视技术虽然理论上可以发 现叶轮内部的阻碍物或水力结构的变化，但难以实施快速、安全 有效地检测。 1 3 小口径管道内部凸起缺陷的检测 管道的无损检测可分为【2 0 】，j 、口径管无损检测、中口径管无损 检测和大口径管无损检测。其中大口径管和中口径管无损检测已 有相当成熟的技术和设备。而小e l 径管因其管径小、曲率大等特 点，具有特殊性，相应地无损检测技术和设备还很不成熟。 小径管一般是指外径8 9 m m 的管道，此类管道在国内电 力、石油化工等行业应用十分广泛。目前，小径管内部缺陷的检 测方法，主要有超声波检测和射线检测，见表1 1 。 中国石油人学( 华东) 硕士论文第1 章前言 表1 - 1 超声波检测和射线检测两种方法的对比 检测方法超声波检测射线检测 检测方法的原理脉冲反射法穿透法 在完好部位没有：完好部位与 缺陷的表现形式反射波，在缺陷缺陷部位的穿 原 部位发生反射波透剂量有差异 显示器材示波管射线胶片 易于检测 理 的缺陷方向 与超声波垂直的方向与射线平行的方向 易于检测与超声波垂直在射线方向上 的缺陷形状方向扩展的缺陷有深度的缺陷 被铸件合适很合适 锻件很合适不合适 检 压延件很合适不合适 物 焊缝合适很合适 分层裂缝很合适 不合适 密集气孔合适很合适 铸件缩孔合适很合适 缺 气孔有附加条件时合适很合适 焊缝缩孔有附加条件时合适很合适 未焊透合适合适 未熔合合适不合适 陷 裂纹 垂直入射时合适垂直入射时不合 平行入射时不合适适平行入射时合适 夹渣合适很合适 缺陷种类的判别有附加条件时合适很合适 缺陷形状的判别有附加条件时合适 ： 很合适 检 缺陷尺寸的判别有附加条件时合适合适 测缺陷在厚度方向 很合适有附加条件时合适 上的部位判别 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 记录探伤结果有附加条件时合适很合适 特 能从单面探伤很合适不合适 装置的小型轻便很合适不合适 征 检测速度很合适不合适 消耗品费用很合适 ； 不合适 总费用很合适不合适 从以上对比中可以看出，超声波检测和射线检测在小径管内 部缺陷检测方面各有其优点和缺点并且都有其局限性。当小径管 的形状复杂且不规则，尺寸很小的情况下，这两种常规的检测方 法很难检测到小径管内部的缺陷。 潜油电泵导叶轮的流道可看成是具有弯曲渐变口径的小口径 短管，在常规无损检测方法无法有效实施的情况下可以采用工况 模拟方法进行流道缺陷的检测。在模拟工况下，以空气作为流通 介质，采用流体压力损失法，通过检测叶轮流道出口压力来反 映流道水力结构的异常变化，可以达到快速有效判断离心叶轮是 否存在缺陷的目的。 1 4 流体的能量损失 实际流体具有粘性，在流动时呈现阻力。对于不可压缩流体 来说，这种阻力使流体的一部分机械能不可逆地转化为热能而散 失到周围空间。这部分能量便不再参加流体的动力学过程，在流 体力学中称为能量损失【2 l 】。 流体运动时，由于外部条件不同，其流动阻力通常分为沿程 阻力和局部阻力两种形式，相应的对应着沿程损失和局部损失两 种能量损失形式。 1 4 1 沿程阻力与沿程损失 中国f i 油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 实际流体运动时，由于流体与壁面以及流体之间存在摩擦力， 所以沿着流动路程，流体运动总是受到摩擦力的阻碍。这种沿流 程的摩擦阻力，称为沿程阻力。流体运动克服沿程阻力而损失的 能量，成为沿程损失。也就是说，沿程损失是发生在流体运动的 一段路程上，其数值大小与流动路程成j 下比【2 2 1 。造成沿程损失的 物理原因是由于流体的粘性、壁面的粗糙度使流体运动过程产生 摩擦。单位体积流体的沿程损失以h ，表示：单位重量流体的沿程 损失为卸，= y ，( 式中y 为流体重度) 。 1 4 2 局部阻力与局部损失 产生局部阻力的条件： 管道断面发生变化； 流动方向有改变； 管道中有局部装置。 当流体遇到上述条件之一时，会受到阻碍和影响，流体克服 局部阻力所损失的能量称为局部损失。产生局部损失的物理原因 有： 任何断面形状的改变，都必将引起流速的重新分布，因而 附加了流体间的相对运动和流体质点的急剧变形，结果导致质点 间附加摩擦和相互撞击，使流体能量受到损失； 流速的重新分布，总是伴随有流动分离和旋涡1 2 3 的形成， 在旋涡区由于粘性的存在，便有摩擦能量损失： 在旋涡区中，质点被主流带走，即有动量交换，因而消耗 运动流体的能量。 单位体积流体的局部损失以 ，表示：单位重量流体的局部损 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 失为印，= 加，。 导叶轮流道中，沿程压力损失与流道表面平均粗糙度及流道 的流通尺寸有关，由于铸造工艺的限制，通常铸造完好的导叶轮 各流道的流通尺寸均存在一定的差异，造成导叶轮各流道产生的 沿程压力损失的离散性【川。而局部损失的差异与流道中的阻碍物 有关，流体经过阻碍物时，由于流动的分离和旋涡的产生，造成 附面层的分离，形成涡流压差阻力【2 5 i ，产生局部压力损失。 1 5 数据采集与数据采集系统 1 5 1 数据采集 数据采集是将随h f 自j 连续变化的信号转换为时问离散信号【2 6 1 的过程，在该过程中同时完成信号幅度的量化与编码。图卜6 表 示了一个完整的模数转换过程：连续的模拟输入信号x ( t ) ，按一 定时间间隔t 采样保持后得到离散时间信号x 。( n t ) ，再把离散的 信号经过量化变为量化信号x 。( n t 3 ，最后将量化后的数据通过编 码转化为二进制的数字信号x ( n ) 。 中国石油人学( 华东) 硕十论文第1 章前言 埘 瑚l 么3 撕坐! 砷珠畦 j 一 】吒哼 i 晷虽暑兰吾暑 1 + 图卜6 数据采集过程 1 5 1 1 采样 采样可以看作是一个脉冲调幅的过程，如图卜7 所示。设一 带限信号x ( t ) ，其频谱为x ( o ) ：抽样脉冲序列为一周期信号冲击 串6 t ( t ) ，频谱为a t ( ) ：抽样后得到的抽样信号为y 。( t ) ，频谱为 ) 。 抽样的数学描述为：y 。= x ( t ) a 。( t ) ( 卜3 ) 由频率卷积性质可得：y ( t ) 2 去【x ) a t ( ( o ) 】( 1 - 4 ) 而6 “t ) 的频谱为“呦2 等互6 ( 1 0 - - n o ) s ) ( 1 - 5 ) 1 开忡 所蝻驰，= 水咖薹s c 蚶 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 = x ( 自0 - n o 。) ( 1 - 6 ) n 喊t ) pf 删 0 呲吣一0 i 哂 f 7 蚀q似q 二11j1j ： 二： 2 蛳吨0 吣2 吣u- 2 u s 吣0 吨2 吨 图卜7 采样过程示意图 由图卜7 知，只( ，) 的频谱，：( 国) 是对工( f ) 的频谱x ( ) 以蛾为 周期的周期延拓当。2 ( o 一时，输出样值信号的频谱r ( 国) 不会 发生混叠现象，理论上可以通过截止频率为。的理想滤波器从 e ( 国) 中滤除( ) ，从而恢复原信号x ( ，) 。如果。 2 ( o 。，r ( ) 会发生混叠现象，如所图卜8 示，无法从r ( m ) 中无失真的恢复原 信号x ( t ) 。因此，信号基带的最高频率f m 。f | 2 将发生频谱混 叠，造成使信号不能恢复。根据奈奎斯特采样定理【”i ，要求采样 频率c 2 a 9 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 爪忖蚴。 图卜8 频谱混叠示意图 在实际工程中一般通过一个d a 变换器和低通滤波器来恢复 原来的信息如图卜9 所示。 图卜9 采样信号的恢复 1 5 1 2 量化与编码 量化就是把一个连续函数的无限个数值的集合映射为一个离 散函数的有限个数值的集合。模拟信号x ( ，) 经理想抽样后变成离 散时间序歹j j x ( n r ) ，而x ( n r ) 的值是原模拟信号在各采样点的精 确值，其取值是连续分布的，但是a d 变换中表示工m z ) 用的是 有限字长的二迸制数，所谓量化【2 8 】就是指用一些不连续的数来逼 近精确采样值的过程。在数学上，量化过程可以表示为： 儿= q ( x ) = q 坼 。及壁面处考i 删 。，迫使近壁处流体反方向逆流 形成旋涡，引起附面层的分离，旋涡的动能在尾流区与周围流体 摩擦变为热能耗散，使流体压力低于阻碍物前部，从而形成涡流 压差阻力。根据流体动量方程和能量方程，在涡流压差阻力区( 雷 诺数：5 0 0 r e 2 1 0 5 ) ，气流经过阻碍物产生的局部压力损失 为：以= 六等= 伊象= 伊警 p q 2 q 2 = = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 2 9 ( a + 2 k l x ) 4 ( b + 2 k 2 x ) 4 ( 2 - 4 ) 式( 2 4 ) 中，瞳为局部压力损失( 空气柱高度历) ；六为阻 碍物局部阻力系数；妒1 为无量纲的阻碍物形状系数：a 为流量 ( m 3 s ) ；口i 为阻碍物迎风面积( 研2 ) ；4 为阻碍物处流道横截 面积( m 2 ) ：z = 吒4 为阻碍物迎风面积占用流道截面的比例 p 为阻碍物处流速( m l s ) ；g 为重力加速度。压差阻力的大小与 阻碍物的形状关系很大，因此用阻碍物的形状系数p 来反映其对 局部压力损失的影响。由于叶轮流道呈渐扩状，其横截面积随x 逐 渐增大，根据流体的连续性定理，流速随x 逐渐下降，因此，相 同迎风面积阻碍物产生的压力损失垃沿石方向急剧降低。由于流 道入口处狭窄，相同迎风面积阻碍物产生的压力损失要远大于流 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章流体压力损，大法测苗电 许泵 导n i 轮的缺陷 道出口，阻碍物对流体的影响主要集中在流道的入口至中部。 2 3 流体压力损失的测量 流道中流动阻力的增加，必然导致导叶轮多个流道流量的重 新分配，其中流动阻力大的流道相对分配的流量必然减小，通过 测量流量或流速的变化可以反映流道中是否存在阻碍物1 3 i j ，测量 原理图见图2 3 。 流体入口 - - - - - p _ -l - 。 i i l 流体h ；u 图2 - 3 压力测量原理 力探头 流体自入1 3 流入，在撞击压力传感探头后自出口流出，设流 量为q ，气体密度为p ，管道截面积为4 ，由 动量方程得到压力传感探头受到的冲击压力为：； p = 加2 彳( 2 - 5 ) 2 4 流体压差的测量 流量为q 的流体进入导叶轮中心腔后，从各流道辐射排出， 导叶轮各流道组成分叉管路。设导叶轮流道总数为，其中任一 个有阻碍物的流道流量为q ，流道压力损失为瞳；其余一1 个 完好流道均分剩余流量，分配额均为q o ，相应的压力损失均为， 即q = q + ( - 1 ) q o ；根据分叉管路的特点，对于稳定流有： 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章流体压力损火法测鹫电潜泵 导f 轮的缺陷 琏= 氏，且瓦= 研，嚆= 岛簖，其中s = l ( 毒群) i 2 9 i - 为管 月 lj = l j 路阻抗，毒为管路中各项阻力系数( 包括局部阻力和沿程阻力) ， 4 为管路等效截面积，因此有： 蠹2 = 毒s 。 设导叶轮完好流道的管路阻抗为常数s o = ，有阻碍物流道 中阻碍物产生的局部阻力系数为点2 妒( 考) 2 ，流道管路阻抗为 墨= 疋+ 去，由式( 2 5 ) 得到管路的冲击压力比： 去= 志 倍e ， p os 。+ 毽。 2 9 ) 一 式( 2 6 ) 中，见为有阻碍物流道组成的管路冲击压力( p a ) ； p 0 为完好流道组成的管路冲击压力( p a ) 。将式( 6 ) 展丌得 址p o1 - ( 半) + ( 学) 2 - 、 s c 。、s 。1 考虑到( 舭鲥) 最，忽略掉高次项，并且吲考) 2 当阻碍物形状一定及在流道中位置固定情况下，伊、4 为常数， 肌i p s 小表( 考灶l 嘞2 ( 2 - 7 ) 流道之间的冲击压力差为： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章流体压力损失法测量电满泵 导叶轮的缺陷 风一n l = l 船i = 风k z 2 ( 置= 2 9 j s 生, a 一2 , ) ( 2 8 ) 结合式( 2 5 ) 和( 2 8 ) 可以看出，压力差i 船i 与流道流量骁、 阻碍物处流道横截面积4 、无阻碍物流道的管路阻抗墨、阻碍物 的形状系数伊和阻碍物迎风面积占用流道截面的比例z 有关。在 其它参数固定情况下，增加输气流量可以提高压力差的测量灵敏 度。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验测苗系统 第3 章实验测量系统 3 1 测量装置 实验测量装置由空气源、叶轮检测座、输气管道、气体导引 管、压力传感器组和多通道智能检测仪表等组成，测量装置示意 图见图3 1 t 3 2 1 ，结构框图见图3 2 。 l 一驱动手轮2 一输气管道3 一气源4 一仲缩支架5 一微压砾力传感器 6 一导引管7 一密封器8 一叶轮检测座9 一多通道智能齄测仪表l o 一叶轮定位销 图3 一l 实验测量装置示意图 叶轮 图3 - 2 实验测量装置结构框图 其中，测量装置的机械运动部分通过金属精密加工，叶轮检 测座根据叶轮尺寸由硅橡胶精密铸造形成，内置与叶轮流道相等 数量的钢制气体导引管，保证气密性。 通过大量实验证明，叶轮流道气体流速在5 5 0 m s 之自j 时， 雷诺数处于压差阻力区，可以获得稳定的测量数据。由气源产生 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章实验测肇系统 的气流通过输气管进入叶轮，从叶轮流道流出的气体被引入到对 应的气体导引管排出，导引管结构与图2 - 3 相似。 叶轮流道与气体导引管组成测量管路，当叶轮流道和导引管 尺寸固定后，各流道对应的测量管路固有阻抗s 为常数。 压力传感器采用h o n e y w e l1 公司的2 4 p c e ，量程3 5 k p a 。压 力传感器信号通过电缆送入多通道智能检测仪表进行数据处理。 3 2 微压信号的测量与数据采集 3 2 1 信号的测量 信号测量电路由整流滤波、稳压电路和测量电桥组成( 见图 3 3 ) ，测量电桥的输出接数据采集系统。其中：r 1 、r 2 、r 3 、r 4 组成测量电桥，压力传感器2 4 p c e 的4 个应变电阻分别与r 1 一r 4 并联，调节r 4 使电桥在大气压力下平衡 3 3 】，c 1 、c 2 起高频滤波 作用，当压力传感器测量的压力值偏离大气压力时，测量电桥有 线性电压信号输出。 图3 - 3 微压信号测量电路 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验测苗系统 3 2 2 数据采集与串行传输 在被采集的多个模拟信号中，如果它们之i 日j 没有严格的时间 关系，可以逐个地分别采集；如果它们之间在时问和相位上有严 格要求，则要同步( 同时) 地采集。此外，被采集信号的变化速率 不同。对输入通道的要求也不相同。因此，系统的信号通道方案 是多种多样的，应根据被采集的对象的具体要求而定。 3 2 2 1 每个通道分别采用一个放大器的方案 模 拟 信 号 输 入 图3 - 4 每个通道有一个放大器的方案 当各路模拟输入信号幅度相差悬殊，该方案能消除