海底管道微小泄漏球形內檢測器結構設計

崔堯堯，陳世利，趙吉波，郭世旭，黃新敬

1.天津市計量監(jiān)督檢測科學研究院，天津 300192 2.天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津 300072

0 引言

海底管道被譽為海上油氣田開發(fā)的生命線，是一種高效、經濟可靠的油氣輸送方式。實踐已經證明，管道輸送是海洋油氣輸送的最有效和最安全的方式。為盡早采取補救措施以清除管道運行的潛在安全隱患，必須定期對管道進行檢查和安全評估，及時發(fā)現(xiàn)因腐蝕、老化、裂紋、變形引起的微小泄漏。

針對海底管道微小泄漏檢測，本文提出了球形內檢測器（智能球）方案：法蘭式密封球殼內裝載水聽器、慣導模塊和磁傳感器、電路板、電源模塊等。智能球隨管內液體一起流動，沿途采集管內泄漏聲音信息、自身運動信息和管內磁場信息。球形內檢測器運行至出口處被取出，將其自身的USB接口連接至PC上位機，經過上位機信號處理后，確定泄漏量和泄漏位置。同時，為了適應不同尺寸（內徑203～711mm，即8～28 in）的管道，需要設計不同的智能球。不同的智能球，其內部核心部分不變，變化的是球的壁厚和外徑。球在管道中靠液體介質的推力前進，為了得到球受到的推力與球的外徑、密度等的關系，用FLUENT進行仿真，從而確定了能使球順利通過管道時球的外徑應滿足的條件。接著用Solid Works和ANSYSWorkbench對球的壁厚與承壓之間的關系進行了仿真，從而確定了在不同外徑下球的壁厚。最后設計出所有工況下球的機械結構。

1 總體設計

球殼內部需放置水聽器、慣導模塊和磁傳感器、電路板、電源模塊等部件，為了使小空間內能容納下這些部件，必須對其進行規(guī)劃布局，使得空間利用率盡量高，同時保證其性能不受影響。

為了保證智能球在管內運動狀態(tài)穩(wěn)定，球的重心應盡量與球心重合，所以球殼內部部件的擺放應盡量對稱（如電路板設計成對稱結構，電池盒、電池應對稱擺放等）。此外，內部質量較大的是電池、電池盒與磁傳感器，它們對重心位置的影響較大，布局時在保證它們左右對稱的同時，上下重量應盡量平分。電路板一共有四塊，所以上下半球各放兩塊。最終的布局如圖1所示。

圖1 內徑203mm（8 in）管道的智能球整體布局（截面）

圖1中1與2是鋁合金球殼；3是堵頭，傳感器采集的信息從此處傳出來，送至上位機；4是電池盒，內部裝了10個電池用于供電（兩邊各5個）；5是慣導模塊；6是磁傳感器；7是水聽器；8是水聽器調理電路板；9是ARM核心板；10是接口電路板；11是電源電路板；12是聚氨酯外殼；13是O型圈，起密封作用。

為了降低檢測器的成本與質量，當管道內徑大于305 mm（12 in）時，采用了另一套方案，如圖2所示。

圖2中，1是內徑203mm（8 in）管道的智能球核心部分（除去聚氨酯外殼）；2是聚氨酯外殼，外殼上開有很多孔，從而使外殼不承壓；3是起支撐固定作用的法蘭片。當管道尺寸變化時，只需改變2和3即可，核心部分1不用改變，從而大大降低了研發(fā)成本。

2 各部件選材

智能球作為壓力容器，壓力、溫度和工作時介質特性是需要重點考慮的三大環(huán)境要素。

圖2 內徑大于305mm（12 in）管道的智能球布局

管道壓力在10MPa以內，這是智能球運行時的主要外力，會在殼體中產生一次應力；如果球殼材料的屈服極限過小，那么一次應力很可能超過殼體材料的承載能力，導致容器裂損或變形，造成事故，所以應選擇屈服極限大的材料。容器的設計溫度是指在正常操作情況時，在相應的設計壓力條件下，殼壁或受壓元件能達到的最高或最低溫度。管道內介質溫度在30～80℃之間，所以選擇的材料應在此溫度范圍內性質穩(wěn)定，不會發(fā)生力學變化。實際投入使用時，介質為原油，所選材料應具有較好的耐原油腐蝕性能，在原油中長期浸泡，性質不會發(fā)生改變。另外，因為智能球要采集管道內的聲音信號，所以外殼應有比較好的減振效果，以降低噪聲，提高信噪比。考慮了上述這些因素，最終選擇了鋁合金作為外殼，外面包裹一層聚氨酯材料。

3 密封設計

智能球在管道中運行時，密封是一個很重要的條件。

若密封不好，石油將滲入智能球內部，引起電路短路，

導致器件無法使用等嚴重后果，從而使得檢測失敗。主要有三個部位需要密封：上下半球連接處、堵頭處、水聽器處。

3.1 法蘭式密封

上下半球的連接采用法蘭式密封連接，如圖3所示。法蘭盤上均勻分布了8個孔，用來緊固上下半球。

常見的法蘭密封面有平面、凹凸面、榫槽面及特殊面。幾種密封形式各自有優(yōu)缺點，適用于不同的場合，對比見表1。從表1中可以看出，第四類中的矩形槽并配用O型圈方式適合高壓管道內密封，它和智能球的密封要求最為相近，因此選用此密封形式。

法蘭密封面的表面粗糙度是影響密封性能的重要因素之一。在法蘭面密封性試驗中，同樣壓力條件（空氣壓力0.49 MPa），同樣墊圈條件下（金屬包石棉墊），法蘭密封面的表面粗糙度為3.2μm時，發(fā)生微漏現(xiàn)象；當把表面粗糙度減到1.6μm時，就達到了較好的密封效果。

圖3 法蘭式密封

表1 法蘭面密封形式對比

聚四氟乙烯O型圈具有耐高溫，耐低溫，耐腐蝕，耐氣候，高潤滑，不黏附，無毒害等優(yōu)點，對法蘭粗糙度的要求為6.3μm，能達到較好的密封效果。所以選用的是聚四氟乙烯O型圈。

3.2 堵頭密封

為了能與上位機進行通信，將智能球采集到的信號傳輸給上位機，就要在智能球一端開一個孔，并把接口電路板放置于此。此處的密封就是一個需要解決的問題。

如圖4所示，堵頭為T型，T型上面部分是螺紋，用來連接固定；下面部分開有一個槽，將O型圈放入其中用于密封。

3.3 水聽器密封

為了使水聽器能更好地采集到聲音信號，需要將水聽器裸露在外面。所以在小球的另一端開一個孔，用來安裝水聽器，此處也需要進行密封。如圖5所示，水聽器上有一個凹槽，里面放入O型圈，用于密封。

4 球殼壁厚設計

分別用Solid Works和ANSYSWorkbench兩種軟件對不同壁厚下的承壓情況進行仿真，以確定最終壁厚。

圖4 堵頭

圖5 水聽器

在Solid Works中，設置好材料屬性、所承受的壓力P等參數，最終仿真得出一個安全系數A。A×P就是智能球能承受的壓力值，這是球在一次循環(huán)載荷下所能承受的壓力值。

在ANSYS Workbench中，設置好材料屬性（包括S-N曲線）、所承受的壓力P、循環(huán)次數n等參數，最終仿真得出一個安全系數A。A×P就是智能球能承受的壓力值，這是球在n次循環(huán)載荷下所能承受的壓力值。

4.1 內徑203mm（8 in）管道的仿真結果

（1）8mm壁厚。圖6是Solid Works的仿真結果；圖7是Workbench仿真結果，其中n值為1；圖8是Workbench仿真結果，其中n值為105。

從圖6可以看出，在Solid Works仿真下，8mm壁厚的球殼能承壓25.7 MPa（壓力10 MPa乘以安全系數2.57），這是1次載荷的結果。由圖7可以看出，在Workbench仿真下，8mm壁厚球殼在1次載荷下，能承壓27.6 MPa（10 MPa乘以安全系數2.76），與Solidworks的仿真結果基本一致。由圖8可以看出，在105次循環(huán)載荷下，能承壓18.1 MPa（10 MPa乘以安全系數1.81）。從不同的循環(huán)載荷次數的仿真結果中可以知道，8mm壁厚球殼在15MPa壓力下能運行幾十萬次。

圖6 Solid Works仿真結果

圖7 Workbench仿真結果（1次循環(huán)）

圖8 Workbench仿真結果（105次循環(huán)）

（2）6mm壁厚。經過仿真得到：在Solid Works仿真下，6mm壁厚球殼能承壓20.6MPa，這是1次載荷的結果。在Workbench仿真下，8mm壁厚球殼在1次載荷下，能承壓22.9 MPa，與Solid Works的仿真結果基本一致。在105次循環(huán)載荷下，能承壓15MPa。從不同的循環(huán)載荷次數的仿真結果中可以知道，6mm壁厚在15MPa壓力下能運行十萬次左右。

（3）5mm壁厚。同以上分析可得：5mm壁厚在15MPa壓力下能運行幾千次。

（4）壁厚選擇。考慮到實際管道中承受的壓力大小最高不超過10MPa，同時，可能還有一些其他因素的影響，為了安全起見，選擇能夠在15 MPa壓力下運行幾萬次到幾十萬次的壁厚，所以選擇8mm壁厚（若質量太大，可以選擇6mm壁厚）。

4.2 內徑254mm（10 in）管道的仿真結果

同以上分析步驟，8 mm壁厚球殼在15 MPa壓力下能用超過10萬次，6mm壁厚球殼在15 MPa壓力下能用1萬次左右，所以最終選擇8mm壁厚。

4.3 內徑305mm（12 in）管道的仿真結果

同以上分析步驟，6mm壁厚球殼在15MPa壓力下一次也用不了；8 mm壁厚球殼在15 MPa下能用幾千次；10mm壁厚球殼在15MPa下能用幾萬次。所以最終選擇10mm壁厚。

4.4 內徑356mm（14 in）及以上管道的仿真結果

當管道內徑≥356mm時，基于對研發(fā)成本的考慮，改變一種結構：選擇內徑203mm（8 in）管道采用的智能球去掉聚氨酯外殼后作為核心部分，外面再套一層外殼，外殼尺寸應使得球能通過豎立管道。外殼上開有孔，所以不承壓，由于核心部分未變，所以承壓仍滿足條件。

5 結束語

本文首先對球形內檢測器的總體布局進行了設計，再對外殼的選材進行了分析，最終確定了采用鋁合金材料外殼和聚氨酯材料外殼，接著對幾個關鍵部位的密封進行了闡述。然后分析了不同內徑的管道中智能球壁厚需要滿足的條件，最終確定了內徑203mm（8 in）管道智能球壁厚為8mm，內徑254mm（10 in）管道智能球壁厚為8mm，內徑305mm（12 in）管道智能球壁厚為10mm。

[1]吳光中，宋婷婷，張毅.FLUENT基礎入門與案例精通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2]張忠將，李敏.Solid Works 2010機械設計從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[3]陳艷霞.ANSYS Workbench工程應用案例精通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.