管道內封堵導流機器人結構設計及流場分析*

韓傳軍 費一栗 張芹芹 蔡文博

(西南石油大學機電工程學院)

0 引 言

管道運輸作為石油和天然氣快捷、經濟和可靠的運輸方式，被稱為油氣田生命線工程，其穩定和高效安全的運輸狀態是保證國民經濟良好運行的重要保障[1]，也是國家的戰略性重大工程。因此，國務院在2019年專門成立了國家石油天然氣管網集團有限公司，主要從事油氣干線管網及出氣調峰等基礎設施的投資建設和運營[2-3]。

由于長達十幾萬千米的輸油氣管網大多數布局在野外和不易經常監測的地區，管道的破壞和非正常情況損壞產生了巨大的經濟損失。目前，管網的快速維修和及時更換還不能在大范圍內得到很好的處理，尤其在野外情況下，想要及時更換則變得更加艱難[4-8]。因此，對能夠快速解決管道泄漏并能保證管道不中斷運輸的快速封堵和導流類設備的研發需求就顯得十分緊迫[9]。

國內外相關學者對管道的快速封堵和導流設備進行了相關研究。日本的HI-ROSE等[10]開發了Thes系列輪式管道機器人；韓國的H.R.CHOI等[11]研制了多關節管道機器人，此類機器人采用差動驅動方式；國內的劉清友[12]在螺旋驅動式管道機器人的開發和研究上做了大量工作。但是，關于在管道內進行快速封堵和導流，保障管道不停工的管道機器人的開發及流場分析的研究還較少[13-14]。

針對所述的特殊工況和使用需求，本文設計了一種可進行快速封堵和導流的輪式機器人，并對其工作中的流體域進行了流場分析，找到了中間導通管最優的管徑和形狀組合，該組合既可以保證機器人在流體環境中穩定運行，又能最大限度地導流。所得結論可為后續封堵導流機器人的設計和應用提供參考。

1 封堵導流機器人總體設計

1.1 總體結構

設計的管道內封堵導流機器人總體結構由3部分構成，結構如圖1所示，其大致由牽引裝置、支撐單元以及封堵導流裝置構成。機器人牽引裝置和封堵導流裝置以及支撐單元用萬向聯軸器連接，可實現彎道自適應，靈活工作于多種不同曲率半徑和直徑的管道。牽引裝置前、后各安裝1組，既能滿足快速行進，又可以保證快速退出，同時給整個機構提供充足動力。當機器人快速到達裂縫位置后，氣囊與管道緊密接觸，液體從中間導通管排走，工人便可以在管道外進行焊接修復作業，保證管道不停運，同時施工不受液體影響。

1—牽引裝置；2—支撐單元；3—焊槍；4—管道焊縫；5—封堵導流裝置。

1.2 牽引裝置

機器人牽引裝置主要由連桿支撐變徑骨架和驅動系統構成，主要包括活塞桿架、微型液壓缸、車輪支撐架、調節推桿及電機等部件，結構如圖2所示。由于機器人在管道內的流體中運動，所以結構設計既要考慮密封又要簡單可靠。牽引裝置可由活塞桿的伸縮帶動連桿和搖桿的擺動，進而帶動車輪支撐架做一定角度的轉動，使牽引裝置的徑向大小得以改變，以此來適應不同的管徑。活塞桿由尾部的小型密封液壓泵作為動力源帶動活塞伸縮。

1—活塞桿頭架；2—連桿；3—搖桿；4—車輪支撐架；5—驅動輪；6—傳動齒輪；7—錐齒輪軸；8—轉向錐齒輪；9—電機；10—電機電源及控制箱；11—液壓導流管；12—微型液壓泵；13—電機電源及控制線；14—活塞桿。

驅動輪由活塞桿尾部的電源箱和控制電路輸出3根控制線，同步控制車輪支撐架里面安裝的3個相同的電機，為電機提供電源和控制信號。

由于驅動輪在液體環境中工作，所以要盡可能地簡化機構，增強結構在工作中的穩定性，故將驅動輪電機安裝在車輪支撐架內側以減輕使用過程中流體對機構的沖刷，保證其受到的流體阻力最小。驅動輪結構如圖3所示。

1—傳動齒輪1；2—驅動輪固定支架；3—傳動齒輪2；4—電機電源及控制線；5—電機；6—錐齒輪2；7—錐齒輪1。

為簡化機構，設計了以錐齒輪和普通圓柱齒輪組合結構，以達到轉向和運動傳遞的目的。將錐齒輪1和電機的輸出軸相連接，另一個錐齒輪和固定驅動輪的螺桿相連接，嚙合運動后實現運動的90°轉向，然后通過傳動齒輪將運動傳遞到驅動輪軸上，從而帶動驅動輪軸運動。按照設計要求，機器人的主要技術參數如表1所示。

表1 機器人主要設計參數

1.3 支撐單元

萬向聯軸器與活塞桿上端的聯軸器接頭連接。萬向聯軸器周邊設有支撐輪，將彈簧裝置固定在萬向聯軸器支撐部分的套筒內部，另一端與支撐輪相連接，通過彈簧和套筒的共同作用使支撐輪只能沿套筒軸上下移動，實現被動變徑調節，以滿足不同管道直徑的需要，同時又能保證其可以穩定支撐封堵裝置。支撐單元結構如圖4所示。

1—萬向聯軸器接頭；2—套筒；3—支撐架；4—支撐輪；5—支撐彈簧。

1.4 封堵導流裝置

封堵導流裝置的主要功能是在管道破裂的位置實施動態封堵，發現裂縫后，機器人行進到此處，封堵系統的氣囊通過充氣泵充氣，密封氣囊鼓起與管道緊密接觸，在破裂處形成密封區，此時管道中的液體將通過中間的導通管排走。裝置由導通管、充氣泵、封堵氣囊、充氣管以及固定支座等構成，結構如圖5所示。

1—封堵氣囊；2—氣囊固定底座；3—充氣管；4—充氣泵；5—導通管。

2 流體域模型

2.1 流場分析理論

機器人在管道內工作時，流體從中間的導通管排走，因此要探究流體在通過橫截面積突變的導通管時流場的變化情況。流體流動過程計算區域模型簡化圖如圖6所示。

實際工作時，流體從封堵區域中間的導通管流走，由于導通管的直徑小于管道直徑，流體從橫截面大的管道流入中間直徑較小的導通管，在流入和流出的瞬間橫截面發生突變，勢必會對旁通內的流體流動產生較大影響，因此需要對其流場進行分析。為了簡化計算同時又能達到計算仿真的目的，將封堵裝置的模型略去對流體流動影響不大的區域，設計了2種結構的對比模型：一種導通管入口為直角，另一種導通管入口為圓角。計算區域模型簡化圖如圖6所示。

圖6 計算區域模型簡化圖

封堵導流裝置的導通管內徑d=55 mm，入口圓角半徑R=5 mm，管道直徑D=280 mm。在實際工作中，導通管對流場產生的影響較大。由于封堵器在管道內，所以選擇封堵器的最大直徑為管道直徑280 mm，管道長度為2 000 mm。流體入口距離封堵器左端500 mm。

在建立管道機器人充液流體計算區域模型時，做以下假設：

(1)流體介質為液體，采用密度為890 kg/m3、動力黏度為9.8×10-3Pa·s的原油，屬于不可壓縮流體，并滿足牛頓內摩擦定律；

(2)在流體運動過程中溫度不發生變化；

(3)流體介質充滿管道。

流體在管道內流動還必須滿足質量守恒定律、能量守恒定律、動量守恒定律和牛頓第二定律。由于標準k-ε模型能夠更好地預測管道內復雜的流動，所以選擇標準k-ε湍流模型進行模擬計算。近壁區流體由于壁面的剪切作用，湍流發展不充分，所以采用標準壁面函數對近壁區流動進行求解。

2.2 網格劃分與計算條件

由于流體域結構簡單，為對稱結構，所以選擇Fluent自帶的mesh劃分網格，將結構做對稱處理，這樣可將網格數量減少，整體用四面體網格，采用局部加密網格處理，如圖7所示。圖7中左端面為入口，右端面為出口，中間為導通管內的流體域，整個流體域以管道加導通管內流體為模擬區域。

圖7 流體計算區域網格

封堵裝置流場區域的邊界條件為速度入口，初始速度為4 m/s，設置邊界湍流條件為湍流強度和水力直徑，水力直徑為280 mm。湍流強度計算公式如下：

I=0.16Re

(1)

Re=ρuL/μ0

(2)

式中：ρ為流體密度，取890 kg/m3；u為流體流速，取4 m/s；L為特征長度，取280 mm；μ0為動力黏度，取9.8×10-3Pa·s。

代入式中計算得到流體的雷諾數Re=101 714，進而得到I=3.79。

出口設置為自由流出，管道表面及旁通內表面均為無滑移固壁條件。為了得到較高的計算精度，并使計算快速收斂，選擇基于壓力穩態求解器，利用二階迎風格式進行離散，并采用SIMPLEC算法進行求解。

3 流場分析

為得到流體域的流場分布，選取2種不同的導通管入口形狀：一種入口為直角，導通道直徑d=55 mm；另一種入口為圓角，圓角半徑R=5 mm，導通管直徑不變，仍為55 mm。 選取不同的進口初始速度對2種不同形狀的入口導通管進行流場分析，查看其壓力和速度在導通管及管道內的分布，分析在不同的入口速度情況下，導通管入口形狀對流場的影響和流體對封堵導流裝置的沖擊。

3.1 速度場分析

在Fluent軟件中提取2種結構對稱面速度云圖，如圖8所示。由圖8可以看到：由于在導通管入口處橫截面瞬間減小，所以流速急速上升到最大速度，直角式最大速度離入口的距離非常小；圓角式由于入口形狀沒有直角式變化劇烈，所以最大速度沒有在入口處產生，同時圓角式導通管內速度較為均勻，無有較大的速度梯度變化。

圖8 三維流場對稱面速度云圖

3.2 壓力場分析

機器人的結構設計和強度校核主要的參考依據就是壓力，因此提取了2種結構的壓力分布云圖，如圖9所示。

圖9 2種結構的壓力場云圖

由圖9可以看到，圓角式的導通管壓力比直角式明顯減小。由于結構突變，會在直角式導通管入口的兩邊產生高壓和漩渦。在入口外面的區域為高壓區，在導通管內為中壓區，出口為低壓區。因此，需要進一步研究導通管的流場特性隨入口形狀的改變而產生的變化，進而為設計出合理的導通管直徑和形狀提供依據。

4 流體對導通管的沖擊分析

由于管道直徑和實際工作狀況不同，導通管的直徑不能太大。但在實際工作中，導通管的形狀和直徑又會對流體的流動產生影響，從而影響機器人的工作性能。筆者選取不同的直徑和不同的圓角半徑，以相同的入口速度作為參考，分別探究在速度為4 m/s的情況下，直角式導通管直徑為55～85 mm和圓角式導通管直徑為55 mm、入口圓角半徑為5～35 mm時流場的分布情況。

4.1 不同直徑導通管對流場分布的影響

在入口速度為4 m/s時，提取不同直徑導通管的流場數據，如圖10所示。

由圖10可以看到，流體最大壓力和最大速度分布在同一位置，但是下降速度由快到慢，尤其是最大壓力隨著直徑的均勻增加下降的速度越來越慢，不再劇烈下降。所以可以得出：在導通管均勻增大的情況下，流體壓力和速度先是快速下降再緩慢下降；在導通管直徑由55 mm變為60 mm時，壓力減小了32%，但是導通管直徑由80 mm變為85 mm時只下降了22%。由此可見，導通管直徑對流場的壓降有較大的影響，但不是線性規律的下降，當導通管直徑增加到85 mm時對壓力的影響已經明顯減弱。而在實際工作中，導通管直徑不能無限增大，因此選擇直徑85 mm時的導通管較為合理，最大壓力由55 mm時的8.231 MPa下降到85 mm時的1.358 MPa，壓力下降了83%。

圖10 不同直徑導通管流場分布

4.2 不同圓角半徑的導通管對流場分布的影響

由前文可知，在導通管入口形狀不同時也會對流場的分布產生較大影響，提取出7組圓角半徑導通管的流場數據，如圖11所示。

由圖11可知，隨著導通管入口圓角半徑的增大，流體的最大壓力和速度呈現總體下降的趨勢，但是下降的幅度并不大，在圓角半徑變為20 mm以后只是緩慢的下降，且是非線性的。在圓角半徑由10 mm變為15 mm時甚至出現上升。導通管半徑為5～35 mm時，壓力的最大值由7.695 MPa減小到7.449 MPa，減小了2.7%。因此可以得出結論：將導通管的入口形狀由直角變為圓角時，可以使管道的流體壓力和速度下降，但效果不是特別明顯，入口形狀不是影響壓降的主要因素。

圖11 不同圓角半徑導通管流場分布

4.3 流體對封堵導流裝置的沖擊力分析

當封堵導流裝置在管道內工作時，由于流體對封堵導流裝置的端面產生沖擊力，這個沖擊力是保證封堵導流裝置在管道內部不發生滑動的主要因素。封堵導流裝置的受力分析如圖12所示。

圖12 封堵導流裝置在管道內受力分析

由圖12可知，裝置兩個端面受液體的壓力差(F1-F2)可使裝置發生滑動。裝置主要依靠氣囊充氣后與管道形成的摩擦力來與管道固定，由受力分析有以下方程：

FN=F1-F2

(3)

Ff=pAμ

(4)

式中：FN為流體對封堵導流裝置產生的力，N；Ff為氣囊與管道產生的摩擦力，N；p為氣囊產生的壓力，Pa；A為氣囊與管道接觸面積，m2；μ為氣囊與管道的摩擦因數，由于氣囊為聚氨酯橡膠且在原油中，查閱文獻[15]可知，μ=0.24。

由于設計的氣囊最大充氣壓力為1.455 MPa，氣囊與管道的接觸面積A=0.141 m2，代入式(4)中得到Ff=49.35 kN。

取導通管直徑為85 mm,入口圓角半徑為35 mm，選取入口速度為4～8 m/s進行流場分析，探究其對流場的影響規律，流場分布數據如圖13所示。從圖13可以看到：在導通管直徑為85 mm、入口圓角半徑為35 mm的情況下，在入口速度均勻減小的過程中，管道內的速度出現均勻下降，在4 m/s的初始速度時，流體的最大速度(46.0 m/s)比入口為直角式最大速度(70.8 m/s)下降35%左右，下降效果非常明顯；且當初始速度為8 m/s時，管道內的最大速度(90.2 m/s)仍然小于初始速度為4 m/s時的入口為直角式的最大速度(138.7 m/s)。

圖13 圓角半徑35 mm、直徑85 mm導通管的流場數據

在壓降方面效果更為明顯，隨著入口初始速度的下降呈現較為均勻的下降。比同為直角入口式的情況壓力減小了約45%，且下降的規律接近線性，比單獨增大圓角半徑和單獨增大直徑呈現出更為規律的下降。因此選擇導通管入口圓角半徑R=35 mm、直徑d=85 mm時，對管道機器人的流場壓降和最大速度的下降，減小導通管道內的渦流，提高流體流動的穩定性具有重要作用。

提取不同初始速度下封堵裝置的壓力數據，如表2所示。

表2 封堵導流裝置導通管左右端面壓力

由表2可以得到：當流速等于9 m/s時，流體沖擊力FN=64.387 kN，大于Ff；當初始速度等于8 m/s時，FN=47.234 kN，小于Ff。由此可以得到，當流速小于等于8 m/s時，機器人可以在管道內穩定工作，達到密封封堵和導流的要求。

5 結 論

(1)管道機器人內流場的特性受封堵裝置的導通管結構和形狀變化的影響非常大，隨著流體速度的增加，流體流經封堵裝置中間導通管時，由于管道橫截面積的突變會在導通管的前部、中部和尾部形成高、中、低壓區域，并且產生渦流，影響流體的穩定流動，進而影響機器人在管內的作業。

(2)當導通管結構為直角式入口時，隨著導通管直徑的增加，流場的壓降和最大速度的下降較為明顯，先呈現較為規律的線性下降，后下降速度逐漸減慢，流體最大速度的位置不變。當導通管不增加直徑只改變入口圓角半徑時，流體的壓降和速度會下降，但是下降程度不明顯。入口形狀并不是影響壓降的主要因素，但是可以改變流體的流速分布，最大流速的位置發生改變且流速的分布較為均勻，不會出現較大的分層梯度。

(3)選擇導流管的入口形狀為圓角，半徑R為35 mm，導流管直徑d為85 mm時，流體的壓降和最大速度的下降效果最為明顯。

(4)當流速小于等于8 m/s時，機器人可以在管道內穩定工作，達到密封封堵和導流的要求。