長輸送油氣管道內自行走檢測器皮碗力學特性的研究

傅　裕，歐陽熙，胡鐵華，汪華軍（機械科學研究總院，北京　100044）

長輸送油氣管道內自行走檢測器皮碗力學特性的研究

傅裕，歐陽熙，胡鐵華，汪華軍
（機械科學研究總院，北京100044）

長輸送油氣管道運輸介質為石油或者天然氣，管道在服役期內，需定期利用檢測器來檢測管道使用情況。檢測器中，皮碗作為驅動部件和支撐部件，對檢測器尤為重要。依據皮碗結構特點，簡化皮碗為厚壁筒模型和懸臂梁模型，利用ANSYS對厚壁筒模型進行有限元分析，對懸臂梁模型以及皮碗總摩擦力進行數值仿真，得出結論，為檢測器皮碗的設計提供了理論依據。

長輸送油氣管道；皮碗；力學特性

0　引言

長輸送油氣管道，運輸介質為石油或者天然氣，自行走檢測器前進的動力來自于檢測器前后端流體介質的壓差，皮碗需要均有良好的密封性能，才能保證整個運行過程中壓縮流體不會隨意從檢測器后端流到前端，造成壓差太小檢測器卡堵在管道中；檢測器單次運行距離最長達上百公里，故皮碗也要有良好的耐磨性能。此外，在檢測器檢測運行過程中，需保持檢測器中心一直處于管道中心軸上，皮碗提供整個骨架所需的支撐力，保持檢測器平衡。因此，皮碗在整個檢測器運行過程中尤為重要。

在長輸送油氣管道自行走檢測器設計過程中，選擇深錐型皮碗作為自行走檢測器的支撐皮碗，本文對深錐型皮碗的支撐力和摩擦力方面等力學特性方面做相關分析。

圖1　皮碗受力示意圖

1　深錐型皮碗的力學模型簡化及分析

由于皮碗的對稱性，取皮碗一半為研究對象，如圖1所示。檢測器在管道中運行，主要受到管內流體介質作用推動檢測器前進，同時受到管道內壁對皮碗的作用力和自身重力影響。管道與皮碗相互作用，一方面是由于皮碗存在過盈量，管道為剛性體，皮碗受管道束縛產生的反彈力FN，沿徑向指向圓心，即管壁法向方向，皮碗受管道內壁反彈力FN分布對稱于皮碗軸向中心，壓強為pN；另一方面，由于皮碗和管道發生相對運動，管道內壁比較粗糙，產生很大的動摩擦力，方向與皮碗運動方向相反。

圖中，FN—管道內壁對皮碗正壓力；F摩—皮碗所受摩擦力；α—皮碗本體傾斜角度；a—唇邊等效長度。

皮碗受力模型可以簡化為一個錐形圓筒受壓變形的模型。FN由兩部分產生，一是唇邊受管道內壁擠壓整體向圓心方向收縮，記力為FN1，壓強pN1，簡化為求解厚壁圓筒問題的彈性解；另一方面是本體錐形部分受管壁壓力產生的反作用力FN2，壓強pN2，對皮碗作沿管道徑向方向剖面做微元處理，簡化問題為求解懸臂梁受力問題的解，如圖2所示。

圖2　厚壁圓筒模型及懸臂梁模型

2　皮碗厚壁筒數學模型及其求解

對于厚壁圓筒，為圓類問題，采用極坐標方法求解。皮碗外徑位移uD和壓強pN1：

由上式知，pN1＜0，故pN1總是為壓應力。由數學模型推導出來的壓強表達式，聯合皮碗摩擦力等于摩擦系數、接觸面積以及法向壓強的乘積，可知道影響皮碗和管道內壁作用的因素有皮碗材料屬性、皮碗唇邊過盈量、唇邊厚度和皮碗唇邊長度。

2.1皮碗厚壁筒ANSYS仿真

基于彈性力學相關理論，通過ANSYS對過盈狀態下的皮碗唇邊進行模擬仿真，可以得到皮碗應力沿徑向方向的分布情況以及皮碗變形情況，并且通過云圖的方式直觀地描述出來。

仿真主要目的為求解皮碗唇邊部位的相關尺寸對皮碗與管內壁正壓力，因此，在仿真過程中忽略了皮碗唇邊以下其余部位，因此，簡化厚壁筒模型是這里采用的物理模型。

仿真參數選擇依據氣管線管道各項指標：口徑Φ1016mm，內壁帶內涂層，常規直管壁厚是14.6mm，計算得管內徑為Φ986.8mm，在仿真時取值 Φ986mm。厚壁筒外徑為皮碗外徑Φ992mm，唇邊厚度為 45mm，唇邊長度70mm。選擇ANSYS Workbench軟件的結構靜力學分析模塊Static Structure來進行靜力仿真，仿真得出皮碗過盈量和唇邊厚度與變形及應力的關系圖如圖3～圖5所示。

作皮碗外徑和壓應力曲線圖，如圖6所示。

圖3　過盈量3mm唇邊厚度45mm時變形及沿徑向方向應力云圖

圖4　過盈量3mm唇邊厚度50mm時變形及沿徑向方向應力云圖

圖5　過盈量6mm唇邊厚度50mm時變形及沿徑向方向應力云圖

圖6　皮碗外徑、壓應力曲線圖

由ANSYS仿真結果可知，在管道內徑不變的情況下：①唇邊厚度不變，皮碗過盈量越大，壓應力越大；②過盈量不變，唇邊厚度越大，壓應力越大（壓應力與內壁對皮碗的壓強相等），這與表達式推導結論是一致的，見圖6。厚壁筒模型只是反映了皮碗唇邊尺寸過盈方面與管道之間的作用力，在實際應用中，根據具體需要，結合設備其他方面因素設計皮碗。

2.2皮碗懸臂梁模型求解

皮碗懸臂梁模型見，微元皮碗可以看成一端受力的懸臂梁，皮碗在管道內，懸臂梁模型部分受剛性管道擠壓產生的反彈力FN2，壓強pN1的求解可先不考慮摩擦力，從梁的撓度計算公式：

式中，w—懸臂自由端撓度（m）；M（x）=FN2（L-x）—彎矩（Nm）；E—彈性模量（N/m2）；IZ—慣性矩（m4）。推得由變形w所產生的壓強p'N2：

對上式作傾斜角度和壓應力曲線圖，如圖7所示。

圖7　傾斜角度和壓應力曲線圖

3　皮碗摩擦力的求解

皮碗支撐力方面，主要由皮碗懸臂模型部分決定，壓應力越大，相應的反彈力越大，則說明支撐力越強，由圖7可知，當α增大，反彈力會迅速減小，支撐能力也迅速減小。所以α角越大，皮碗支撐力越弱。

由圖2所示兩個模型，可知整個皮碗由形變量所產生的壓強為pN：

皮碗所受摩擦力方面，如果不考慮速度對摩擦力F摩= μπDIapN的影響，則有：

圖8　皮碗外徑D和摩擦力的關系曲線

圖9　皮碗內徑d和摩擦力的關系曲線

圖10　傾斜角度α和摩擦力的關系曲線

對上式進行數值仿真，采用單一變量法作出皮碗外徑D、皮碗內徑d和傾斜角α與摩擦力的關系曲線。

4　結論

本文選擇深錐型皮碗進行研究，針對深錐型皮碗結構形式，把皮碗視為厚壁圓筒模型與懸臂梁模型的組合體，在此基礎上，分別對皮碗厚壁圓筒模型、皮碗懸臂梁模型進行分析求解，得到皮碗特征參數對皮碗性能的影響結果為：①皮碗唇邊厚度越大，壓應力越大，摩擦力越大；②唇邊過盈量越大，壓應力越大，摩擦力越大；③皮碗本體傾斜角度越大，皮碗越深，壓應力越小，支撐能力越弱；④懸臂部分厚度越大，壓應力越大，摩擦力越大。設計時，應綜合考慮檢測器整體運行狀態，合理選擇皮碗特征參數，本章內容為自行走檢測器皮碗的設計研究奠定了理論基礎，對常規在役檢測器皮碗設計也具有指導意義。

［1］胡鐵華，劉紅旗，汪華軍，張永江.管道內檢測設備結構建模及實現［J］.機電產品開發與創新，2009，5.

［2］歐陽熙，胡鐵華，邸強華.新建油氣管道變形內檢測器機械系統的研制［J］.機電產品開發與創新，2014，3.

［3］李同林.彈塑性力學［M］.武漢：中國地質大學出版社，2009.

The Research on the Mechanical Characteristics of the Self-propelled and Internal Inspection Tools for Oil and Gas Pipeline

FU Yu，OUYANG Xi，HU Tie-Hua，WANG Hua-Jun
（China Academy of Machinery Science and Technology，Beijing 100044，China）

The transport medium of long-transport oil and gas pipeline is oil or gas.It requires regular detection for pipeline during its service period.Cups as the drive and the support component，is particularly important for the detector.Based on the structural characteristics of the cup，the cup is simplified as thick-walled cylinder model and cantilever model.The finite element analysis of thick-walled cylinder model with ANSYS and the numerical simulation of Cantilever model and total friction of the cup were done.It provides a theoretical basis and technical guidance for the cup design.

long-transport oil and gas pipeline；cup；mechanical characteristics

TP27

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.035

1002-6673（2015）05-094-03

2015-06-25

北京市科技計劃課題（長輸送油氣管道內自行走檢測設備研制-Z151100002815031）

傅裕（1979-），男，工程師，從事機械電子工程技術方面的研究。