管道口徑對(duì)快中子檢測(cè)油垢厚度響應(yīng)的影響

買買提江·米吉提，艾爾肯·阿不列木，馬小強(qiáng)

（新疆大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊830046）

埋地輸油管道是油田的主要設(shè)施之一，原油會(huì)在輸油管道內(nèi)壁形成油垢，γ射線（或中子）透射法和散射法測(cè)量油垢厚度已經(jīng)有了較好的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬［1－10］。輸油管道口徑大小不同，從70 mm（油井抽油機(jī)處）到1 016 mm（西氣東輸管道）不等，用快中子檢測(cè)不同的輸油管道響應(yīng)不同，本工作選取62 mm到126.5 mm不同口徑的管道，討論透射和散射法中子計(jì)數(shù)響應(yīng)與聚乙烯（模擬油垢）厚度的關(guān)系。以及管道口徑對(duì)測(cè)量精度的影響。為進(jìn)一步開展中子檢測(cè)輸油管道油垢厚度的儀器研究提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 透射原理［8］

快中子有很強(qiáng)的穿透能力，當(dāng)快中子通過(guò)被檢測(cè)樣品時(shí)，由于被原子核散射或吸收?？熘凶油干鋾r(shí)滿足指數(shù)衰減規(guī)律［11］：

用y表示透射率倒數(shù)的對(duì)數(shù)ln（T－1），則有：

其中N為衰減后快中子數(shù)，N0為衰減前快中子數(shù)，T為透射率，A＝－l nβ，B＝Σt為擬合常數(shù)（實(shí)際為總的宏觀截面），已知A，B，測(cè)量N和N0確定樣品的厚度X，實(shí)際計(jì)算時(shí)使用的是透射率，由于透射率是兩次計(jì)數(shù)率之比，不需探測(cè)器的效率。β為樣品較大時(shí)的修正因子，與樣品的成份、密度、厚度和大小等均有關(guān)，也與實(shí)驗(yàn)裝置有關(guān)，但測(cè)量中只要設(shè)計(jì)合理，并保持測(cè)量過(guò)程中樣品各參數(shù)不變，則β可以視為常數(shù)。

1.2 散射原理［7］

準(zhǔn)直中子束通過(guò)樣品后向前方向呈現(xiàn)中子衰減現(xiàn)象，其他方向呈現(xiàn)出中子的散射現(xiàn)象。強(qiáng)度為I0的快中子入射到樣品上，快中子強(qiáng)度隨入射到樣品內(nèi)深度增加而減小，滿足指數(shù)衰減規(guī)律，在深度為y處的中子束強(qiáng)度為：I0（y）＝I0（0）e－Σt y，實(shí)際應(yīng)用中使用中子束在樣品中的平均入射強(qiáng)度：

對(duì)于厚度為X樣品，在散射角為θ時(shí)探測(cè)到被散射的中子計(jì)數(shù)Is為

Σs為中子宏觀散射截面，Ω為探測(cè)器在散射角為θ方向上對(duì)樣品所張立體角，ε為探測(cè)器探測(cè)效率，tm為測(cè)量時(shí)間。把（4）式代入（5）式，化簡(jiǎn)可得：

對(duì)于確定的探測(cè)器，確定的距離，確定樣品和固定的測(cè)量時(shí)間，對(duì)某一個(gè)θ而言為確定的常數(shù)，設(shè)散射中子計(jì)數(shù)與樣品厚度之間有關(guān)系：

即：

在實(shí)際測(cè)量之前用實(shí)際油垢和輸油管道標(biāo)定θ方向散射中子計(jì)數(shù)和油垢樣品的關(guān)系，確定常數(shù)Y0、A、t，測(cè)出輸油管道的油垢厚度。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

測(cè)量模擬油垢厚度實(shí)驗(yàn)裝置示意圖示于圖1。實(shí)驗(yàn)中使用241Am-Be［11］中子源（活度為3.7×109Bq），置于外徑為 180.0 mm，高度為170.0 mm的圓柱體石蠟－硼酸中子屏蔽體內(nèi)（壁厚75.0 mm），準(zhǔn)直孔直徑 30.0 mm，深度為90.0 mm。透射法探測(cè)器為Zn S，散射法探測(cè)器為鋰玻璃。ZnS探測(cè)器由ST-207花卷型ZnS（Ag）快中子屏配GDB-44型光電倍增管組成，置于中子源對(duì)側(cè)。鋰玻璃探測(cè)器由直徑為40 mm，厚度為5 mm鋰玻璃配GDB-44型光電倍增管組成，置于中子源同側(cè)。由高壓電源提供可調(diào)高壓，由放大器調(diào)整信號(hào)的放大倍數(shù)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用北京核儀器廠生產(chǎn)的BH1224型微機(jī)多道譜儀系統(tǒng)和UMS軟件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

用長(zhǎng)300.0 mm，外徑不等的鋼管模擬輸油管道。管道參數(shù)列于表1。由于聚乙烯與油垢有相似的化學(xué)成分，在實(shí)驗(yàn)中用聚乙烯模擬油垢，通過(guò)在鋼管內(nèi)壁疊加聚乙烯的層數(shù)使其的厚度從0～20 mm以2 mm均勻增加。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1Sketch of experi mental assembly

表1 管道參數(shù)Table 1Parametrs of pipe

在透射實(shí)驗(yàn)中探測(cè)器的工作高壓870 V，放大倍數(shù)為10倍。中子源到保溫層的距離為3 c m，探測(cè)器到保溫層的距離為3 c m，選取多道譜儀0～1 023道在600 s時(shí)間內(nèi)的總計(jì)數(shù)為透射中子計(jì)數(shù)。散射中子探測(cè)器與中子源間距離為15 c m，探測(cè)器到保溫層的距離為5 mm，中子源到保溫層的距離為3 c m。散射中子探測(cè)器記錄的幅度譜結(jié)果示于圖2，由圖2可見(jiàn)，散射譜分成兩部分，低幅度部分為γ射線幅度譜，高幅度部分為熱中子峰幅度譜。由于高壓和放大倍數(shù)的選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)有重要影響，在放有聚乙烯的情況下，調(diào)節(jié)高壓和放大倍數(shù)，選取峰谷比（即熱中子峰值和谷值的比）最大時(shí)的高壓和放大值，選擇谷道道址。本實(shí)驗(yàn)中高壓取685 V，放大為4.0倍，谷道選為210道。設(shè)定600 s測(cè)量時(shí)間，熱中子峰的總計(jì)數(shù)作為中子散射計(jì)數(shù)。用yt（X）表示保溫層厚度為t，聚乙烯厚度為X時(shí)的中子散射計(jì)數(shù)。

圖2 散射幅度譜Fig.2Scattering pulse amplitude spectrum

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

選擇高壓，放大倍數(shù)；調(diào)節(jié)探測(cè)器和中子源與管道的距離以及中子源到探測(cè)器的距離，固定；改變聚乙烯的厚度（分別從0塊、1塊、2塊……逐次增加）記錄每次從多道得到的中子計(jì)數(shù)值；換用不同口徑的管道，重復(fù)改變聚乙烯的厚度，記錄中子計(jì)數(shù)值。

3 結(jié)果與討論

3.1 保溫層的影響

不同保溫層厚度時(shí)透射法和散射法的計(jì)數(shù)對(duì)聚乙烯厚度的響應(yīng)示于圖3。由圖3可見(jiàn)，管道口徑（D）分別為126.5、114.5、108.0、89.5、73.0、62.0 mm時(shí)，聚乙烯厚度X變化范圍為0～20.0 mm的透射和散射中子計(jì)數(shù)。透射中子計(jì)數(shù)和聚乙烯厚度之間存在良好的指數(shù)衰減關(guān)系，而散射中子計(jì)數(shù)隨聚乙烯厚度增加呈現(xiàn)出指數(shù)增加關(guān)系。

圖3 不同保溫層厚度時(shí)透射法和散射法的計(jì)數(shù)對(duì)聚乙烯厚度的響應(yīng)Fig.3Tr ansmission method and scattering method of different thickness of insulation layer thickness of count of polyethylene response

3.2 透射法

對(duì)透射法中的中子計(jì)數(shù)采用最小二乘法用（3）式進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果列于表2，其中R2為線性相關(guān)系數(shù)的平方，S為標(biāo)準(zhǔn)偏差，B為靈敏度，ΔD＝S／B表征石蠟厚度測(cè)量的精度。由表2可見(jiàn)，線性相關(guān)系數(shù)的平均值為0.993 0，平均測(cè)量精度為0.698 4 mm。滿足實(shí)際測(cè)量的要求。隨著管道口徑增加，檢測(cè)靈敏度減小。透射法中管道口徑對(duì)測(cè)量精度的響應(yīng)不大。

表2 透射法中不同口徑管道時(shí)聚乙烯厚度擬合結(jié)果Table 2Transmission method of different diameter pipe when the thickness of the polyethylene fitting results

3.3 散射法

在散射實(shí)驗(yàn)中，相對(duì)散射中子計(jì)數(shù)為以聚乙烯厚度為0時(shí)的計(jì)數(shù)，其他厚度計(jì)數(shù)均減去該值，用yret（X）表示，即

對(duì)相對(duì)散射中子計(jì)數(shù)用（9）式進(jìn)行處理，其結(jié)果示于圖4。由圖3和圖4可見(jiàn)，在散射法中，散射中子計(jì)數(shù)以及相對(duì)散射中子計(jì)數(shù)與聚乙烯厚度之間存在較好的指數(shù)關(guān)系，應(yīng)用（8）式，采用最小二乘法進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果列于表3。

在散射法中，隨著聚乙烯厚度的增加，曲線前半段有較好的線性關(guān)系而后半段趨向于飽和，聚乙烯厚度的改變將無(wú)法體現(xiàn)在計(jì)數(shù)的變化上，為此定義一個(gè)物理量L，稱為線性區(qū)間，為中子計(jì)數(shù)值在0～0.9Ym之間的聚乙烯厚度，而0.9Ym～Ym為計(jì)數(shù)飽和區(qū)。對(duì)（8）式取極限可得：

圖4 不同管道口徑的相對(duì)散射中子計(jì)數(shù)對(duì)聚乙烯厚度的響應(yīng)Fig.4Different pipe size of the relative scattering neutron counting on the response of the thickness of the polyethylene

將0.9Y0代入（8）式求得線性區(qū)間為：

表3 散射法中不同口徑管道時(shí)聚乙烯厚度指數(shù)擬合結(jié)果Table 3Scattering method of different diameter pipe when the thickness of the PE index fitting results

散射法不同管道口徑的線性區(qū)間結(jié)果示于圖5，由圖5可見(jiàn)，線性區(qū)間隨管道口徑增大而增大，即可探測(cè)的最大聚乙烯厚度線性響應(yīng)區(qū)間隨管道口徑增加而增大。

對(duì)線性區(qū)間的厚度采用直線擬合，擬合結(jié)果列于表4。

圖5 散射法不同管道口徑的線性區(qū)間Fig.5The liner range of the different pipe size for scattering method

表4 散射法中不同口徑管道時(shí)聚乙烯厚度線性擬合結(jié)果Table 4Scattering method of different diameter pipe thickness of the polyethylene linear fitting results

由表4可以看出，線性相關(guān)系數(shù)的平均值為0.958 3，平均測(cè)量精度為0.625 7 mm。對(duì)精度要求不高時(shí)較大管道口徑可以使用直線擬合，而對(duì)于小管道口徑則對(duì)散射中子計(jì)數(shù)的線性區(qū)間較小，應(yīng)用線性擬合對(duì)較大厚度的油垢厚度測(cè)量會(huì)帶來(lái)較大的誤差。

4 小結(jié)

（1）透射中子計(jì)數(shù)隨聚油垢厚度增加呈現(xiàn)指數(shù)衰減關(guān)系，而散射中子計(jì)數(shù)隨聚乙烯厚度增加呈現(xiàn)出指數(shù)增加關(guān)系。

（2）對(duì)透射法，采用式（3）擬合可以滿足實(shí)際測(cè)量的要求。

（3）散射法中應(yīng)采用相對(duì)中子計(jì)數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)擬合，可以得到較好的函數(shù)關(guān)系。

（4）散射法中不同口徑的管道所得到的線性區(qū)間不同，隨著管道口徑的增大線性區(qū)間增加。

本工作針對(duì)輸油管道測(cè)垢儀進(jìn)行了原理性實(shí)驗(yàn)。對(duì)進(jìn)一步開展快中子檢測(cè)輸油管道油垢厚度的研究有一定的指導(dǎo)作用。

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