劉磊，徐德龍，楊巖，任波，曹暢，程仲富

一種可用于重油降粘的大功率超聲換能器設(shè)計(jì)

劉磊1，徐德龍2,3，楊巖2,3，任波1，曹暢1，程仲富1

(1. 中國石油化工股份有限公司西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 830011；2. 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所超聲技術(shù)中心，北京 100190；3. 北京市海洋深部鉆探測量工程技術(shù)研究中心，北京 100190)

基于夾心式壓電換能器基本原理，設(shè)計(jì)了一種可用于井口重油降粘和高凝油降凝的工業(yè)規(guī)模應(yīng)用的大功率壓電超聲換能器，其工作頻率為16.86 kHz，輸入電功率為500 W，可在100℃高溫環(huán)境下長時(shí)間連續(xù)工作。首先根據(jù)工作環(huán)境需要設(shè)計(jì)了換能器模型，結(jié)合等效電路法和傳輸矩陣法，計(jì)算了換能器滿足諧振頻率條件的各部分參數(shù)；通過有限元仿真軟件ANSYS對換能器進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，確定了換能器的最佳工作模態(tài)和工作頻率。根據(jù)仿真模型，制作了工程樣機(jī)，通過阻抗分析儀測得其實(shí)際的工作頻率與仿真結(jié)果的誤差為0.5%。這種大功率壓電超聲換能器有望在重油降粘以及超聲處理工業(yè)中得到規(guī)模化應(yīng)用。

重油降粘；夾心式壓電換能器；大功率換能器；工業(yè)規(guī)模；工程樣機(jī)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對石油等能源的需求越來越大。特別近十年來，對石油天然氣的需求量每年以1.8%的速率增加。世界石油資源的日益緊缺，使得占可采儲量70%以上的重油、超重油和高凝油的開發(fā)利用越來越得到人們的重視[1-2]。但是，由于超重油和高凝油的高粘度、高密度、高凝點(diǎn)、流動性差等特點(diǎn)使得開采難度大，原油采收率較低，在工業(yè)生產(chǎn)期限內(nèi)難以獲得更多的石油資源。因此，如何有效降低重油和超重油的粘度、降低高凝油的凝點(diǎn)，從而改善其在常溫下的流動性，對超重油和高凝油的開發(fā)、運(yùn)輸具有重要意義。

超聲降粘就是利用聲空化產(chǎn)生的高溫、高壓和沖擊波等物理效應(yīng)來加速或改變化學(xué)反應(yīng)過程，即利用大功率超聲換能器產(chǎn)生的聲波能量(主要利用超聲波的空化作用、熱作用和力學(xué)作用)降低稠油粘度，從而提高原油的運(yùn)輸能力。這種輸油技術(shù)的可行性在實(shí)驗(yàn)方面已經(jīng)得到驗(yàn)證[3-5]，但是目前的研究大部分都局限在實(shí)驗(yàn)室中，關(guān)于夾心式壓電陶瓷功率超聲換能器的理論計(jì)算和工程設(shè)計(jì)，換能器研究人員進(jìn)行了大量的研究工作，提出了許多設(shè)計(jì)理論[6-11]。但截至目前，可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線的大功率變幅桿換能器還比較少，主要的原因是換能器不耐高溫、不能長時(shí)間連續(xù)工作及批量處理規(guī)模小等。

因試驗(yàn)現(xiàn)場新疆油田稠油井口采出液的溫度較高(約70℃～90℃)、而且要求在線連續(xù)處理，因此對換能器的輻射頭的耐腐蝕要求較高，并且換能器需要固定在輸油管線上，因此為了增大輻射端位移量和固定換能器，采用了兩級變幅桿的設(shè)計(jì)，主要用以滿足換能器在線固定工作和耐腐蝕的需要。基于油田現(xiàn)場重油井口降粘的實(shí)際試驗(yàn)需求，本文設(shè)計(jì)了一種由壓電陶瓷片、前后金屬蓋板、金屬變幅桿、預(yù)應(yīng)力螺栓、金屬電極片、預(yù)應(yīng)力螺栓絕緣套管以及風(fēng)冷、水冷降溫外殼組成的變幅桿壓電換能器。

1 理論基礎(chǔ)

在全波長換能器基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)一種由一個(gè)半波長振子和兩個(gè)半波長三段式變幅桿組成的多級換能器，設(shè)計(jì)頻率為16.86 kHz。對于一個(gè)半波長的振子，振動時(shí)兩端振幅最大，中間存在一個(gè)振速為零的截面，稱為節(jié)面。由于整個(gè)換能器有三個(gè)節(jié)面，如圖1所示，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過程中分為三段來分析模擬。

1.1 基于等效電路法的壓電晶堆設(shè)計(jì)

圖1中，節(jié)面的位置隨前、后蓋板及晶片堆的密度、聲速和尺寸而改變。設(shè)計(jì)振子時(shí)，必須確定其節(jié)面位置，以便固定振子并整體考慮換能器的結(jié)構(gòu)。為了設(shè)計(jì)時(shí)簡化，可由節(jié)面將它分為兩部分，前后兩部分分別單獨(dú)設(shè)計(jì)。

假定節(jié)面1為振子的振動節(jié)面，節(jié)面1將第一部分分為左右兩半，左(右)半部分的機(jī)電等效圖如圖2所示。假設(shè)工作介質(zhì)為空氣，則左半部分等效機(jī)械阻抗[12]為

圖1 換能器簡化結(jié)構(gòu)圖

圖2 換能器機(jī)電等效電路圖

即：

同理可得到右半部分的頻率方程，則左右兩部分的頻率方程為

根據(jù)方程(4)確定出換能器第Ⅰ部分的參數(shù)如表1所示。

表1 第Ⅰ部分參數(shù)表

1.2 基于傳輸矩陣法的半波長超聲變幅桿設(shè)計(jì)

本文采用具有圓弧過渡段的半波長階梯型變幅桿，以下通過傳輸矩陣法[13]計(jì)算各部分的諧振長度。變幅桿機(jī)械振動方程為

本文所設(shè)計(jì)變幅桿為三段式，如圖3所示，分別為圓柱部分、過渡段部分、圓柱部分。

圖3 一級變幅桿示意圖

三段式變幅桿的傳輸矩陣方程為

表2 第Ⅱ部分參數(shù)表

換能器第三部分(二級變幅桿)的設(shè)計(jì)原理跟第二部分相同，同理得出第三部分的參數(shù)如表3所示。

表3 第Ⅲ部分參數(shù)表

2 換能器設(shè)計(jì)與仿真

本文換能器設(shè)計(jì)的初衷是在大功率高溫環(huán)境下長時(shí)間工作，前蓋板為鋁材料，雖然利用鋁和鋼的密度的比值較大的特點(diǎn)能提高前蓋板的縱向振動位移，但是鋁的導(dǎo)熱性較好，在高溫條件下工作會導(dǎo)致?lián)Q能器溫度過高而影響工作效率，尤其會增加壓電陶瓷斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。為了提高整個(gè)換能器在高溫、耐腐蝕環(huán)境下的工作特性，本文設(shè)計(jì)了由鈦合金材料制作而成的二級變幅桿[14]，鈦的導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小，其導(dǎo)熱系數(shù)=15.24 W·(m·K)-1，為鋁的1/14，而各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鋁的導(dǎo)熱系數(shù)約下降50％，且具有強(qiáng)耐腐蝕性。鈦合金變幅桿三維模型如圖4所示。

將變幅桿中間部分設(shè)計(jì)為法蘭圓盤，主要是便于在輸油管線中進(jìn)行固定安裝；圓盤與底部圓柱過渡部分設(shè)計(jì)為指數(shù)變化型結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計(jì)是為了緩沖兩種結(jié)構(gòu)過渡部分的應(yīng)力分布，降低斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。為了提高計(jì)算效率，根據(jù)模型的軸對稱特性，將三維模型簡化為圖5所示的1/2二維平面模型，

圖4 二級變幅桿三維模型

圖5 換能器的1/2二維模型

對于整個(gè)換能器，忽略預(yù)應(yīng)力螺栓及電極片，用ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析，得出了它的前五階模態(tài)，如圖6所示。

圖6中的模態(tài)分析結(jié)果顯示，一階、二階模態(tài)節(jié)點(diǎn)位置（藍(lán)色區(qū)域）偏離了壓電陶瓷晶堆，這會降低機(jī)電轉(zhuǎn)換效率；四階、五階模態(tài)橫向的形變嚴(yán)重，說明此模態(tài)耦合振動強(qiáng)烈，振動的單一穩(wěn)定性太差。三階模態(tài)節(jié)點(diǎn)分布從圖6(c)中難以辨別，為了更清楚地觀察三階模態(tài)的振動效果，繪制了縱向位移分布曲線圖，如圖7所示。從圖7中可以看出，3個(gè)節(jié)面分別在45、170、325 mm處，在變幅桿頂端處振動幅度達(dá)到最大。其中45 mm節(jié)面處于壓電陶瓷堆的中間電極面附近，從而可以激發(fā)出更大功率的聲波，有效提高換能器的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率。170 mm和325 mm節(jié)面處均為指數(shù)型結(jié)構(gòu)過渡部分，位移節(jié)點(diǎn)為應(yīng)力波腹，局部應(yīng)力達(dá)到峰值，容易發(fā)生斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，故此處設(shè)計(jì)為指數(shù)型結(jié)構(gòu)來緩沖應(yīng)力分布符合實(shí)際情況。

在換能器整個(gè)結(jié)構(gòu)中，壓電陶瓷晶堆是最核心的部件，也是最容易因受力引起斷裂的部件，因此，使壓電陶瓷晶堆處的應(yīng)力始終保持在較小的狀態(tài)是換能器長時(shí)間工作的保證。此外根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，變幅桿與換能器連接處也是比較容易斷裂的位置，所以要同時(shí)兼顧此處的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)Ansys諧響應(yīng)分析得出的頻率與等效應(yīng)力值的關(guān)系以及頻率與位移的關(guān)系，得出不同頻率下壓電陶瓷晶堆、變幅桿連接處的等效應(yīng)力以及變幅桿頂端位移，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示，并畫出壓電陶瓷晶堆處與變幅桿連接處等效應(yīng)力頻響曲線，如圖8所示。

(a) 一階模態(tài) (b) 二階模態(tài)

(c) 三階模態(tài) (d) 四階模態(tài)

(e) 五階模態(tài)

圖7 換能器諧振頻率下振動位移曲線

表4 諧振頻率下不同位置處的等效應(yīng)力與位移

圖8 不同頻率下壓電陶瓷晶堆與變幅桿連接處的等效應(yīng)力頻響曲線

根據(jù)模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析，考慮上述的應(yīng)力和位移等因素，綜合得出三階模態(tài)(16.76 kHz)是最理想的振動模態(tài)。

3 工程樣機(jī)測試

根據(jù)仿真計(jì)算，制作了換能器樣機(jī)，在理論仿真模型的基礎(chǔ)上加上了預(yù)應(yīng)力螺栓和風(fēng)冷、水冷降溫外殼，如圖9所示。

圖9 換能器樣機(jī)實(shí)物圖

用PV70A型阻抗分析儀測量樣機(jī)的導(dǎo)納曲線如圖10所示，實(shí)測換能器的導(dǎo)納曲線在16.86 kHz頻率處出現(xiàn)了明顯的峰值，與仿真結(jié)果吻合度較好，如表5所示。使用功率計(jì)對樣機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的輸入電功率功率進(jìn)行了多次測量，根據(jù)測量結(jié)果和相應(yīng)的誤差范圍，確定樣機(jī)輸入電功率為500 W以上。

由于理論計(jì)算的模型為簡化模型，忽略了預(yù)應(yīng)力螺栓、金屬散熱外殼以及法蘭盤，因此與實(shí)際的測量結(jié)果有一定的偏差。有限元仿真結(jié)果則更接近于實(shí)際測量結(jié)果，這說明了在設(shè)計(jì)較為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的換能器時(shí)有限元法更為有效。

圖10 實(shí)測換能器導(dǎo)納曲線

表5 換能器共振頻率的實(shí)驗(yàn)值、仿真值與理論值對比

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新的壓電超聲換能器，其工作頻率為16.86 kHz，輸入電功率為500 W，能夠在高溫環(huán)境下長時(shí)間連續(xù)工作。通過理論仿真分析了它的壓電陶瓷晶堆以及整體換能器工作模態(tài)、諧振頻率和應(yīng)力及位移情況，主要特點(diǎn)有：

(1) 仿真計(jì)算的最佳工作頻率為16.76 kHz，與實(shí)測樣機(jī)的工作頻率16.86 kHz存在0.5%的誤差，精度高于理論計(jì)算結(jié)果。選擇合適的工作頻率保證了易斷裂部位(如壓電晶堆處和變幅桿連接處)的應(yīng)力分布較小，使得換能器可以長時(shí)間連續(xù)工作。

(2) 換能器壓電陶瓷堆和通過螺釘鏈接的變幅桿是整個(gè)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力承受的極限最小處，本文選擇的工作頻率和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了此處的應(yīng)力始終處于一個(gè)較小的水平，使得換能器可在大功率狀態(tài)下連續(xù)工作。

(3) 換能器采用耐高溫、耐腐蝕的鈦合金材料制作，同時(shí)為了避免陶瓷元件的過度發(fā)熱，采用強(qiáng)制風(fēng)冷及水冷的方法，使得換能器可以在高溫環(huán)境下正常工作，有望在超重稠油降粘和超聲處理工業(yè)中得到大規(guī)模的應(yīng)用。

致謝 感謝中國科學(xué)院聲學(xué)研究所王秀明教授的指導(dǎo)和何北星工程師的幫助。

[1] ALBOUDWAREJ H, FELIX J, TAYLOR S, et al. Highlighting heavy oil[J]. Oilfield Rev, 2006, 18(2): 34-53.

[2] 于連東. 世界稠油資源分布及其開采技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J]. 特種油氣藏, 2001, 8(2): 98-103.

YU Liandong. Status and prospect of heavy oil resources distribution and mining technology in the world[J]. Special Oil and Gas Reservoirs, 2001, 8(2): 98-103.

[3] MICHAEL P J. Velocity control and the mechanical impedance of single degree of freedom electromechanical vibrators[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1988, 84(6): 1994-2001.

[4] 徐德龍, 鄧京軍, 李超, 等. 超重油降粘中超聲波作用的研究[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2014, 33(6): 517-521.

XU Delong, DENG Jingjun, LI Chao, et al. Effects of ultrasonic wave on viscosity reduction for Venezuela and Fengcheng ultra heavy oil[J]. Technical Acoustics, 2014, 33(6): 517-521.

[5] XU D L, DENG J J, LI C, et al. Research on viscosity reduction of oil in water for utra heavy oil by using of ultrasonic wave[C]//Proceedings of the 21st International Congress on Sound and Vibration, Interanational Institute of Acoustics and Vibration (IIAV) , 2014: SS24-26.

[6] XU D L, DENG J J, LI C, et al , Effects of ultrasonic wave on the pour point and properties of Sudan high pour point crude oil[C]//The 14th Meeting of the European Society of Sonochemistry (ESS14), 2-6th, June, Avignon University, France.

[7] COATES R, MATHAMS R F. Design of matching networks for acoustic transducers[J]. Ultrasonics, 1988, 26(1): 59-64.

[8] DUBUS B, DEBUS J C. Analysis of mechanical limitations of high power piezoelectric transducers using finite element modeling[J]. Ultrasonics, 1991, 29(3): 201-207.

[9] GOUGH P T, KNIGHT J S. Wide bandwidth, constant beam width acoustic projectors: a simplified design procedure[J]. Ultrasonics, 1989, 27(3): 234-238.

[10] ATHIKOM B, HARIK P, ROBERT D F. Optimizing the performance of piezoelectric drivers that use stepped horns[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1991, 90(3): 1223-1229.

[11] 林書玉. 夾心式功率超聲壓電陶瓷換能器的工程設(shè)計(jì)[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2006, 25(2): 160-163.

LIN Shuyu. Design of sandwich piezoelectric ceramic ultrasonic transducer[J]. Technical Acoustics, 2006, 25(2): 160-163.

[12] 欒桂冬. 壓電換能器和換能器陣[M]. 北京: 北京大學(xué)出版社, 2005.

LUAN Guidong. Piezoelectric transducer and array[M]. Beijing: Peking University Press, 2005.

[13] 余劍武, 柳波, 羅紅, 等. 玻璃振動模壓中變幅桿高溫模態(tài)分析及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2018, 37(1): 51-56.

YU Jianwu, LIU Bo, LUO Hong, et al. High temperature modal analysis and experimental study of the ultrasonic horn for glass vibration molding[J]. Technical Acoustics, 2018, 37(1): 51-56.

[14] 趙仲茂. 超聲變幅桿的原理和設(shè)計(jì)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1987.

ZHAO Zhongmao. Principle and design of ultrasonic horn[M]. Beijing: Science Press, 1987.

A high power ultrasonic transducer for viscosity reduction of heavy oil

LIU Lei1, XU De-long2,3, YANG Yan2,3, REN Bo1, CAO Chang1, CHENG Zhong-fu1

(1. Engineering Technology Research Institute, Northwest Branch Company, SINOPEC, Urumuqi 830011, Xinjiang, China; 2. Research Center for Ultrasonics and Technologies, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;3.Beijing Deep Sea Drilling Measurement Engineering Technology Research Center, Beijing 100190, China)

Based on the basic principle of the sandwich piezoelectric transducer, a high-power ultrasonic horn, which can be used for the viscosity reduction of heavy oil and the pour-point reduction of high pour-point oil, is proposed and designed. The basic frequency of the horn is 16.8 kHz, and the input electrical power is 1 kW. It can work continuously in an environment of 100℃ on the industrial scale. Firstly, according to the working environment, the model of the ultrasonic horn is designed, and based on the equivalent circuit method and the transfer matrix method, the parameters of the horn meeting the resonant frequency condition are calculated. Secondly, the best working mode and frequency are determined by modal analysis and harmonic response analysis of the finite element simulation software ANSYS. According to the simulation, a prototype is made and measured by an impedance analyzer. Its basic frequency is in good agreement with the simulation calculation. The result shows that this high-power ultrasonic horn is expected to be applied in heavy oil viscosity reduction and ultrasonic sludge disintegration on an industrial scale.

viscosity reduction of heavy oil; sandwich piezoelectric transducer; high power transducer; on the industrial scale; engineering prototype

TB552

A

1000-3630(2019)-04-0470-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.04.019

2018-03-20;

2018-04-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11474305)，中石化重大科技項(xiàng)目(ZDP17005)，國家科技重大專項(xiàng)課題(2011ZX05032-003)和國家重大科研裝備研制項(xiàng)目 (ZDYZ2012-1-07-01)資助。

劉磊(1984－), 男, 陜西西安人, 工程師, 研究方向?yàn)槌碛烷_采工藝設(shè)計(jì)。

徐德龍, E-mail: xudelong@mail.ioa.ac.cn