速度自控式輸氣管道內(nèi)檢測器移動載體的研究

摘 要：文章圍繞長距離天然氣輸送管道的在線內(nèi)檢測器速度控制方面開展相關(guān)的技術(shù)研究，課題組在大量研究基礎(chǔ)上提出一種具有調(diào)速響應(yīng)迅速、無能耗、可靠性高、速度波動范圍小等特點的機(jī)器人，具有很好的實用推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：速度自控；輸氣管道內(nèi)檢測器；移動載體

前言

目前，世界上針對管道檢測的方法主要有管道外檢測和管道內(nèi)檢測兩類，管道外檢測只能通過對管道外部防腐層損傷、人為破壞、管道埋深等相關(guān)數(shù)據(jù)分析評價管道的狀況，無法檢測管道自身的腐蝕狀況；管道內(nèi)檢測是通過將管道內(nèi)檢測器放置在管道內(nèi)部，同時檢測器隨著輸送介質(zhì)在管道內(nèi)運(yùn)動，通過相關(guān)技術(shù)采集管道內(nèi)部的有效信息并存儲，通過后期對檢測器所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來確定管道內(nèi)、外的缺陷部位進(jìn)行定位，從而有效保障了管道的使用安全。

1 管道內(nèi)檢測器實施檢測影響因素

管道內(nèi)檢測器在實施檢測作業(yè)時，由于受到輸送介質(zhì)速度變化、埋地管道隨地勢高低起伏變化、管道內(nèi)部光潔度的變化、焊縫等因素的影響，檢測器在管道內(nèi)的行進(jìn)速度波動性較大，因此，必須對內(nèi)檢測器的移動速度進(jìn)行控制，目前，常采用節(jié)流裝置通過旁通方式實現(xiàn)速度控制。此方法已被很多國家成功應(yīng)用于原油管道工程的檢測，并且取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和成果。由于輸油管道中的油液可近似歸為不可壓縮一類形態(tài)，其在管道內(nèi)部的輸送速度較緩慢（一般不大于3m/s），且其速度變化比較小，因此可通過改變旁通閥門的開度從而實現(xiàn)對液體的輸送速度。而另一方面，由于氣體具有高壓縮比這一特性，其壓力升降較快，且其輸送速度遠(yuǎn)快于液體的輸送速度，因此在氣體輸送管道內(nèi)，很難單純通過改變旁通閥門的開度來實現(xiàn)對內(nèi)檢測器運(yùn)行速度的控制。與此同時，在針對氣體輸送管道方面，國內(nèi)外更是朝著大口徑、高壓力以及高流速方向在大力發(fā)展氣體輸送，以西氣東送管道工程為例，管道直徑為1016mm、設(shè)計壓力10MPa，氣體流速達(dá)到20m/s，實施檢測作業(yè)的內(nèi)檢測器重量達(dá)1t左右，都給管道檢測器的速度控制增加了難度。

2 國外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

目前，在國外比較成熟的在線測試管道實驗和理論研究的控制主要有：（1）韓國學(xué)者Nguyen T T，他假設(shè)了一種不可壓縮氣體——天然氣，推導(dǎo)出的計算公式關(guān)于帶旁通閥的旁通孔局部流體阻力的，采用了數(shù)值分析的理論研究了清管器前后壓差與動力學(xué)方程關(guān)于帶清管器旁通孔的，應(yīng)用速度、清管器位置和旁通孔流速3個參數(shù)推導(dǎo)了速度控制的方法；（2）伊朗學(xué)者Hosseinalipour SM等研究了一種動力學(xué)方程動力學(xué)方程關(guān)于帶旁通孔清管器的天然氣管道的，并研究氣體輸送速度機(jī)器人運(yùn)行和距離，結(jié)果壓力變化之間的關(guān)系相比運(yùn)行9兆帕測量數(shù)據(jù)管道的壓力數(shù)值模擬；（3）巴西學(xué)者Nieckele A O以及Tolmasquim S T利用有限差分方程推導(dǎo)清管器的運(yùn)行方程，以收發(fā)球站場閥門的PID控制器調(diào)整清管器的運(yùn)行速度，以適于兩相流管道；（4）俄羅斯學(xué)者Podgorbunskikh A M等研究了內(nèi)檢測器調(diào)速技術(shù)的進(jìn)展、設(shè)計方法、旁通閥調(diào)速機(jī)理和旁通閥控制電路等，以提高內(nèi)檢測設(shè)備的精度和可靠性；德國ROSEN公司的Rahe F博士為優(yōu)化內(nèi)檢測器的速度控制效果、降低其耗電量，簡化了內(nèi)檢測器的動力學(xué)方程，用優(yōu)化控制策略進(jìn)行速度控制數(shù)值模擬，ROSEN公司研制的內(nèi)檢測器要運(yùn)行50m才能調(diào)速至穩(wěn)定值，這將導(dǎo)致肘部檢測精度下降，完全打開旁通閥需要13秒，在檢測數(shù)據(jù)中存在相當(dāng)大的誤差。

3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

上個世界80年代末，由于我國不斷發(fā)生燃?xì)夂推托故录斐闪朔浅?yán)重的后果。也因此讓我國相應(yīng)的研究機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)了問題的嚴(yán)重性，也有一些機(jī)構(gòu)開始研究了，其中沈陽工業(yè)大學(xué)楊理踐課題組在國家4項自然基金的支持下研發(fā)的在線內(nèi)檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了管道特征辨別、管道腐蝕及管道缺陷的在線內(nèi)檢測，已經(jīng)完成2000多公里的輸油管道檢測，取得檢測成果非常顯著，但未見國內(nèi)輸氣管道內(nèi)檢測器進(jìn)行工業(yè)檢測的報導(dǎo)。國內(nèi)針對于輸氣管道內(nèi)檢測器泄流調(diào)速理論方面均有比較典型的研究，如楊理踐等利用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計構(gòu)造出內(nèi)檢測器泄流孔模型，通過流體流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)孔板時的流場對管道內(nèi)檢測器的泄流狀態(tài)進(jìn)行了流場模擬，從而得到前后壓力場和速度場的數(shù)值。

孟浩龍等人分析了不同介質(zhì)對機(jī)器人運(yùn)動產(chǎn)生的各種影響并對此進(jìn)行了理論分析和仿真實驗，采用了以牛頓第一力學(xué)為基礎(chǔ)，借助于CFD軟件的方法對流場的數(shù)值計算進(jìn)行了詳細(xì)計算，對水平直管內(nèi)的內(nèi)檢測器周圍的流場進(jìn)行了相關(guān)分析，得到了內(nèi)檢測器受到的驅(qū)動力，流體的摩擦力和周圍流場的基本情況。

現(xiàn)如今，國內(nèi)各高校以及科研機(jī)構(gòu)等針對油氣管道內(nèi)清管設(shè)備的調(diào)速裝置方面都進(jìn)行了大量的研究，如廣州工業(yè)大學(xué)楊宜民等在國家自然基金（項目批準(zhǔn)號：60375035）的支持下設(shè)計的傘狀調(diào)速翼，根據(jù)行進(jìn)速度的要求，在電機(jī)的驅(qū)動下，實時調(diào)整驅(qū)動皮碗與管壁的環(huán)形縫隙來調(diào)節(jié)泄流量與摩擦負(fù)載，該方法只適用于液體低壓小管道的調(diào)速控制；中國石油大學(xué)張仕民在綜述了天然氣管道清管器的動力學(xué)問題、旁通調(diào)速裝置的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，設(shè)計了加裝在清管器的泄流通由直流電機(jī)驅(qū)動的旁通轉(zhuǎn)閥和旁通蝶閥調(diào)速裝置，通過改變泄流孔泄流的有效開度改變清管器前后壓差，進(jìn)而實現(xiàn)對清管器速度的調(diào)控，由于長距離管道檢測器每次行進(jìn)距離一般在350km左右，需要單獨(dú)攜帶大量的蓄電池為電機(jī)提供電能，且當(dāng)電能不足時，需要及時關(guān)閉轉(zhuǎn)閥，以防止檢測器因過量泄流而失去前進(jìn)動力出現(xiàn)堵管的事故；限于檢測器功耗要求，清華大學(xué)黃松嶺在國家自然基金（項目批準(zhǔn)號：10974115）的支持下，研究設(shè)計了天然氣管道缺陷內(nèi)檢測器泄流裝置，該裝置利用管道內(nèi)檢測器前后天然氣的壓力差作為驅(qū)動力，根據(jù)檢測器速度要求，用一個3位2通電磁閥實現(xiàn)了氣缸前后腔與檢測器前后端天然氣管路的通斷，并對決定瀉流量大小的關(guān)鍵影響尺寸進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實驗室條件下的性能測試表明該裝置驅(qū)動電磁閥所需功耗為10W，泄流閥門啟動的最小壓力0.04MPa，瀉流通道開關(guān)時間為3-6秒，由于該裝置采用間歇泄流方式，勢必導(dǎo)致檢測器運(yùn)行速度波動，而運(yùn)行在高壓大口徑天然氣管道檢測器本體質(zhì)量就在1t左右，要想控制如此大的質(zhì)量塊在管道內(nèi)有限速度區(qū)間內(nèi)（0.5m/s-4m/s）低速運(yùn)行，還存在著很多未解決的問題。

4 結(jié)束語

綜上所述，對輸氣管道內(nèi)檢測器的速度控制是該領(lǐng)域的研究熱點和難點，還未見有實際應(yīng)用的相關(guān)實例報道。國內(nèi)外圍繞檢測器的速度控制問題進(jìn)行了大量的理論分析與實驗驗證，探索了管道內(nèi)檢測器的動力學(xué)模型和管道內(nèi)流場的分布規(guī)律，在理論上探討其可能性與可行性，清管作業(yè)實踐經(jīng)驗也證明了旁通泄流降速的可行性。但對管道內(nèi)檢測器在速度失穩(wěn)后至重新恢復(fù)穩(wěn)速行進(jìn)的流場變化規(guī)律、調(diào)節(jié)泄流量對恢復(fù)穩(wěn)速行進(jìn)作用機(jī)理缺少系統(tǒng)的研究與分析；國內(nèi)部分學(xué)者設(shè)計并研制出以電機(jī)或電磁換向閥控制壓差氣缸為動力元件，以管道內(nèi)檢測器運(yùn)行速度檢測為目標(biāo)，采用智能控制系統(tǒng)對泄流口的開度大小或通斷時間實現(xiàn)對泄流量的調(diào)節(jié)與控制，并在實驗室條件下進(jìn)行了測試，取得了階段性研究成果，但受到電能供給、開啟響應(yīng)速度、高壓密封、系統(tǒng)可靠性等因素的制約，還未達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用階段。

因此，研制出一種具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，并且具有速度調(diào)控功能的管道在線內(nèi)檢測器是當(dāng)下的研究重點，為我國輸氣管道內(nèi)檢測器的產(chǎn)業(yè)化和能源輸送提供安全保障。

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作者簡介：李海連（1982，05-），女，朝鮮，吉林省吉林市，講師，北華大學(xué)（機(jī)械工程學(xué)院），碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計與制造。