直徑168 mm管道被動噴射式皮碗結構設計及清洗性能仿真

付雙成，戴朝磊，張慶保，陳金忠，辛佳興

(1.常州大學機械與軌道交通學院，常州 213164；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029；3.中國石油大學(北京)機械儲運工程學院,北京 102249)

管道運輸是隨著石油工業的發展而產生的一種特殊的油氣資源的運輸方式，目前管道運輸已在世界各國發展中占有重要的戰略和經濟地位。中國油氣需求日益提高，根據《中長期油氣管網規劃》，到2020年全國長輸油氣管網規模將達到16.9×104km，到2025年，管網規模將達到24×104km。因油氣管道在服役過程中易出現安全隱患，為提高油氣管道的使用壽命及安全可靠性，國內外采用管道內檢測的方式對管道進行安全檢查，管道內檢測器利用壓差在管道中與管道內介質在管道中運動，在運行途中進行實時檢測并記錄，在檢測完成后處理可得出相應數據并分析管道內缺陷。國內外常采用漏磁檢測、超聲波檢測及渦流檢測等檢測方法[1-2]，可全面準確地了解管道內部缺陷[3]。

“黑色粉末”是對從天然氣管線內收集到的一種磨損物質的統稱，在早期投入使用的油氣管道中大量堆積，其產生的原因較多，干燥劑粉塵、鋼材的腐蝕物、鐵的氧化物、潤滑液等有機物都會造成黑色粉末的產生[4]，經過對其材料的化學分析可得它由不同形式的硫化鐵或氧化鐵組成。黑色粉末基本形態為固態，在油氣管道中運行時夾雜油泥會產生油狀物并粘附在管道中[5]。黑色粉末對管道內檢測器的影響較大，具體表現如下：①黑色粉末堆積在管道中至一定體積后會導致固化，天然氣產品被污染，管道內流體介質可運送的流體流量減少，輸送效率降低；②黑色粉末流動性差，易在三通、彎頭等處積聚，較易發生卡堵[6]，引起管道堵塞，對設備造成破壞；③管道破裂后黑色粉末中的氧化鐵易與空氣發生氧化反應發生自燃爆炸，造成嚴重的財產損失并威脅人身安全；④黑色粉末在管道中分布不均，在管道表面厚度及硬度各不相同[7]，易影響管道內檢測器的運動狀態穩定性并影響檢測效率。

黑色粉末的問題在管道工業發展以來就已存在，因中國管道發展較晚，相關研究較少，尤其是理論研究方面。國外針對黑色粉末的研究主要針對于黑色粉末影響及危害研究與黑色粉末運行規律研究。Perez[8]發現黑色粉末對管道內檢測器檢測精度有一定的影響，黑色粉末會改變管道內部的空間，無法保證清潔光整的管道內環境，在檢測過程中管道無法充分磁化，故檢測數據的準確性降低。秦云松等[9]采用常見的粒度分布(particle size distribution,PSD)模型對天然氣管道黑色粉末粒度分布模型進行評價，可對管道內黑色粉末進行有效預測。羅繼曼等[10]通過流固耦合方法得到了清淤裝置與流體相互作用后的流體運動狀態，驗證了清淤機器人的清淤能力。代佳赟等[11]對黑色粉末中的硫化物產生的關鍵點段進行判定并制定相應防護計劃。韓彬等[12]分析了黑色粉末對內檢測的影響并提出了相應建議。德國ROSEN公司研制了通過旁路流中從噴嘴噴出的渦流對黑色粉末進行沖刷的清洗工具。中國目前關于相關主動清洗設備的研究較少。Guo等[13]設計了一款金屬頭皮碗結構去除硬蠟沉積層，并研究了蠟質沉積層去除過程中的摩擦學行為。上述研究主要集中于油氣管道內產生的黑色粉末自身特性，而關于管道內對黑色粉末進行清洗的研究較淺。

為合理清除管道產生的黑色粉末，提高管道內檢測器運行穩定性，減少對檢測精度的干擾。現提出一種被動噴射式皮碗結構，通過對管道內檢測器動力節皮碗開孔的方式，依靠上游流體介質的壓差驅動，在下游產生負壓并使流體介質通過噴射孔產生較大的噴射速度對管道內黑色粉末進行沖刷清洗，以達到使管道壁面平整光潔的目標，使管道內檢測器運動穩定，提高檢測效率和精度。

1 被動噴射式皮碗結構設計

針對管道中黑色粉末對檢測精度及介質輸送的危害分析，為實現在內檢測器運行過程中有效清除黑色粉末的目標，提出一種針對外徑168 mm油氣管道的被動噴射型皮碗結構設計方案。該被動噴射型皮碗結構在直徑168 mm管道內檢測器動力節皮碗的基礎上，創新性地在皮碗內表面均勻開若干通孔，如圖1(a)所示，動力節示意圖如圖1(b)所示。采用該新型皮碗結構設計后，在流體介質對皮碗背部提供壓差驅動動，力節帶動管道內檢測器運行的同時，使流體介質在管道下游負壓的驅動下從開孔中噴射至下游管道壁面處，在管道內壁處達到較大的噴射速度，可對管道中存在的黑色粉末及粉末固化產生的黑色油泥進行沖擊，使其漂浮在管道介質內被動力節推動并隨管道內檢測器離開管道，從而達到清洗管道內壁黑色粉末的目的。

圖1 新型被動噴射式皮碗結構模型圖Fig.1 Structure model diagram of new passive jet leather cup

φ168 mm油氣管道內檢測器采用萬向節連接各節，可在較小的徑向空間內實現穩定運動并對管道缺陷進行檢測以及記錄。動力節通過芯軸安裝4個聚氨酯皮碗，依靠皮碗與管道內壁的密封使動力節前后產生壓差，為管道內檢測器提供動力。萬向節依次連接磁化節以及電池節，實現φ168 mm管道內的檢測任務。因管道采用螺旋焊縫焊接，管道內檢測器在管道內運行時在運行中保持穩定速度的自轉，故本方案設計通孔數目為6個，且動力節上4個皮碗均更換為新型主動噴射型皮碗，可均勻穩定地對管道內黑色粉末進行沖洗。有效清潔黑色粉末可提高清管與檢測的運行效率，降低因管道內黑色粉末積聚固化造成的檢測精度被干擾風險，保證管道內檢測任務的順利進行。

如圖2所示，在管道內檢測器運動的過程中，流體通過噴射孔噴射至管道壁面對黑色粉末進行沖刷清洗。該噴射清洗可起到對黑色粉末的有效清除并保障管道內檢測器的穩定運行。

圖2 噴射清洗示意圖Fig.2 Schematic of jet cleaning

O’Donoghue[14]提出了“連續性定理”，該定理認為較慢的清管器運行速度及較大的射流速度可對管道內壁黑色粉末起到有效沖洗作用，清管器運行速度公式為

(1)

式(1)中：vpig為清管器速度，m/s;vjet為噴射清洗速度，m/s；Sjet為噴射孔面積，m2；Spig為清管器截面積，m2；Qoil為管道內原油流量，m3/s。

由式(1)可得噴射速度公式為

(2)

式(2)中：Cd為流量系數；ΔP為清管器上下游壓力差，Pa；ρoil為原油密度，kg/m3。為評估φ168 mm油氣管道新型主動噴射式皮碗結構設計方案的可行性，可通過試驗研究和有限元仿真的方法進行驗證，但聚氨酯皮碗加工需加工專用模具，加工時間較長且成本昂貴，故本文中采用有限元仿真方法驗證該方案的可行性。

2 流場仿真

2.1 流場仿真基礎

為便于分析新型主動噴射式皮碗對黑色粉末的清潔效果，做出以下假設。

(1)所研究流體為不可壓縮牛頓流體。

(2)忽略溫度和壓力變化對流體的黏度影響。

(5)流體為連續穩態。

流體仿真采用標準k-ε(k為湍動能，ε為湍動能耗散率)方程計算，其控制方程為

Gk+Gb-ρε-Ym+Sk

(3)

(4)

(5)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；xi、xj為坐標位置，表示x、y方向，m；ui為xi方向的速度，m/s；μ為黏性系數；μt為湍流黏性系數，Pa·s；Gk為由層流速度梯度而產生的湍流動能；Gb為由浮力產生的湍流動能；Ym為可壓縮湍流中過度擴散產生的波動；ε為變形速度張量；k為湍流脈動動能，J；Cμ為湍動能在平均運動軌跡上的增長率，Cμ=0.09；Sk與Sε為用戶自定義源值；σk為k的湍流普朗特數，取σk=1.0；σε為ε的湍流普朗特數，取σε=1.3；Cε1、Cε2和Cε3為常數，Cε1=1.44,Cε2=1.92，Cε3為可壓流計算中與浮力相關的系數，當主流與重力方向平行時，該值為1，當主流與重力方向垂直時，Cε3取為0，本文中取0。

式(3)和式(4)分別為湍流動能方程k和擴散方程ε，湍流速度由式(5)確定。

2.2 邊界條件及仿真參數

所有模型中均采用相同的邊界條件，進出口設置為壓力出入口，具體參數設置如表1所示。物理模型的確定以實際工況為參考，準確地表達求解域的物理性能和幾何區域。為合理比較不同噴射孔的清洗性能區別，本文中簡化了管道流體域模型。因清洗效果相同，仿真模型采用直皮碗開孔代替，仿真管道模型內徑160 mm，皮碗厚度15 mm，前端管道長度150 mm，管道總長300 mm。采用ICEM(the integrated computer engineering and manufacturing code)進行非結構網格劃分，經網格無關性驗證后，管道流場模型的網格數為25 094個，管道模型如圖3(a)所示。驅動直徑168 mm管道內檢測器在管道中運動的壓差為0.4 MPa，故入口壓力設置為4.4 MPa，出口壓力設置為4 MPa，數據來源于中國特種設備檢測研究院現場工程實驗。

表1 邊界條件設置Table 1 Boundary condition parameters

采用開孔角度φ、開孔高度H和開孔尺寸D作為變量分析開槽孔的噴射性能，如圖3(b)所示，角度φ的變化范圍是0°～60°，中間間隔為10°；開孔高度H的變化范圍是15～60 mm，中間間隔為5 mm；開孔尺寸D的變化范圍是2～20 mm，中間間隔為2 mm；通過分析皮碗背部所受平均壓強和管道下游底部平均速度評價開孔的合理性,第一個參數決定了皮碗背部是否提供足夠的推動力足夠使動力節在管道中帶動內檢測器運動；第二個參數可評價噴射孔對管道內壁黑色粉末的清潔能力。

圖3 管道流場仿真模型及變量示意圖Fig.3 Pipeline flow field simulation model and variable diagram

2.3 結果及討論

2.3.1 開孔角度對清洗性能的影響

如圖4所示為不同角度下流體介質在經過噴射孔后的速度云圖，當開孔角度為0°～20°時，管道底部速度整體介質速度偏低，流體直接從出口流出即從管道中心線方向往下游流動。當開孔角度大于30°時，流體可順利通過噴射孔到達管道底部，隨著角度增加，管道底部速度明顯降低。由圖5中0°和30°流線圖的比較可以得出，當開孔角度為30°時，因管道底部速度較大，流場在管道底部產生較明顯的渦，有助于黑色粉末的清除及漂浮，反觀開孔角度為0°的流線圖則未形成明顯和速度較大的渦。如圖6(a)所示，管道底部平均速度隨開孔角度的增加而先增加后減小。0°～20°區間平均速度未明顯變化，在該區間內從開孔中噴射出的流體介質因角度較平緩未完全流動至管道底部，故20°以下開孔對黑色粉末的清洗效果有限。管道底部平均速度在開孔角度為30°時達到最大值5 m/s，比開孔角度為0°的速度增加了138%，在該速度下可有效對管道底部的黑色粉末起到清洗效果。當開孔角度大于30°時，管道底部平均速度出現衰弱，分析原因，開孔角度過大將導致速度過于集中且射入底部速度過大，在較短距離內出現反射，故清潔距離較小，無法起到均勻清洗黑色粉末的效果。如圖6(b)所示，可以看出角度從0°增長至60°的過程中，皮碗背部壓差整體呈增大的趨勢，在10°位置出現了極小值點。在開孔角度從10°增加至60°時，皮碗背部平均壓差增大了1.4%。分析原因，角度增大后，可通過開孔的流體流量減小，皮碗背部推動的流體流量增加，故皮碗背部所受平均壓差增大。

圖4 不同開孔角度下流場速度云圖Fig.4 Velocity nephogram of flow field at different opening angles

圖5 開孔角度為0°與30°時流場速度流線圖Fig.5 Flow field velocity streamline diagram when opening angle is 0 ° and 30 °

圖6 管道底部平均速度及皮碗背部平均壓差隨角度變化圖Fig.6 The average velocity at the bottom of the pipe and the average pressure difference at the back of the cup as a function of angle

2.3.2 開孔高度對清洗性能的影響

如圖7所示，開孔高度小于45 mm時，流體經噴射孔均可在管道底部形成較大的速度對黑色粉末進行清洗，開孔高度大于45 mm后，管道底部速度開始發生衰減。如圖8所示，開孔高度為15 mm時，管道下游流場較穩定，流體經由噴射孔后不僅在管道底部具有較大的清洗速度，還可以產生明顯且穩定的渦，持續穩定的沖擊黑色粉末，增強清洗效果，開孔高度為60 mm的流場則較為雜亂，未能起到清洗效果。如圖9(a)所示管道底部平均速度隨開孔高度的增大而減小，當開孔高度為15 mm，管道底部平均速度達到13.9 m/s，較開孔高度為60 mm的1.4 m/s增大了893%。分析可得，當開孔高度靠近管道底部時，大量流體介質通過開孔噴射至管道底部，對管道底部的黑色粉末進行沖刷清洗。故在設計該開孔高度時，可使其盡量靠近管道底部，但需注意皮碗背部壓差的降低程度，勿因開孔影響皮碗內部的壓差從而影響管道內檢測器在管道內的正常運動。

圖7 不同開孔高度下流場速度云圖Fig.7 Velocity nephogram of flow field at different opening heights

圖8 開孔位置為15 mm與60 mm流場速度流線圖Fig.8 Flow field velocity streamline diagram with opening positions of 15 mm and 60 mm

由圖9(b)可得當開孔徑向高度從15 mm增加至60 mm的過程中，皮碗背部平均壓差呈現曲折向上的趨勢，分析原因，當開孔位置半徑較小時，不同噴射孔之間間距較大，故流量隨之增大。反之，開孔位置半徑較大時，開孔之間間距小，故流量減小。噴射孔中通過的流量多少決定了管道上游流體介質的速度大小，并影響壓差大小。

圖9 管道底部平均速度及皮碗背部平均壓差隨開孔位置變化圖Fig.9 The average velocity at the bottom of the pipe and the average pressure difference at the back of the cup with the position of the opening

2.3.3 開孔尺寸對清洗性能的影響

如圖10所示，當開孔尺寸小于4 mm時，因孔徑較小，流體介質無法順利以較高的速度通過噴射孔沖刷管道；當開孔孔徑為4～12 mm時，流體介質可順利對黑色粉末進行沖洗；當開孔孔徑為12～20 mm時，流體介質通過噴射孔后直接從出口流出。圖11可看出不同尺寸的噴射孔對管道壁面黑色粉末的清洗效果與速度云圖結果一致。如圖12(a)所示，管道清洗速度隨開槽尺寸增大整體出現兩次后先增后減的波動趨勢，在開孔尺寸為12 mm時達到管道底面平均速度的最大值6.38 m/s，較開孔尺寸20 mm的1.53 m/s增加了317%。當開孔尺寸小于12 mm時，雖經開孔噴射出的流體介質在剛噴射出時速度較大，但壓力較低，具有較大的衰弱性，無法起到預期中的清洗作用，流體未到管道底部即衰減混入管道內流體流向出口。當開孔尺寸大于12 mm時，因開孔尺寸較大，故流體介質經開孔后速度較低，較粗的噴射水柱沖擊動力達不到清洗管壁上黑色粉末的目的。

圖10 不同開孔尺寸下流場速度云圖Fig.10 Velocity nephogram of flow field at different opening siz

圖11 開孔尺寸為2、12、20 mm時流場速度流線圖Fig.11 Flow field velocity streamline diagram when opening size is 2,12，20 mm

如圖12(b)所示，當開孔尺寸為2～10 mm時，皮碗背部平均壓差基本維持在0.44～0.46 MPa區間，在該尺寸區間皮碗背部壓差基本可保障管道內檢測器順利運行。在開孔尺寸增加至12 mm后，平均壓差降低至0.43 MPa并直至開孔尺寸為20 mm時仍維持在此壓差附近。分析原因可知，開孔尺寸大于10 mm后，較多的流體介質從開孔中噴射至管道壁面進行清洗，整體平均壓差降低。故在選擇開孔尺寸時盡量避免大于10 mm，以免影響內檢測器穩定運動。

圖12 管道底部平均速度及皮碗背部平均壓差隨開孔尺寸變化圖Fig.12 The average velocity at the bottom of the pipe and the average pressure difference at the back of the leather cup vary with the size of the opening

3 結論

通過CFD(computational fluid dynamics)數值計算，對優化后3種不同結構參數的φ168 mm管道內流場及檢測器動力節皮碗清洗性能進行仿真，可得出以下結論。

(1)與原結構相比，優化后被動噴射式動力節可起到清洗黑色粉末、提高管道內檢測器運動穩定性和減小檢測精度干擾的作用。

(2)開孔角度為30°時清洗能力最好，清潔效果與開孔角度為0°相比較提升了138%。

(3)在保證驅動動力節穩定運行即壓差大于臨界值的基礎上，可減小開孔位置半徑，開孔高度為15 mm時的清洗效果可達到開孔高度為60 mm的893%。

(4)開孔直徑為12 mm時噴射孔對管道壁面黑色粉末的清洗效果較好，開孔直徑小于10 mm時底部平均速度小于4 m/s，沖刷能力不足，開孔直徑大于14 mm時噴射水柱速度較小，未運動至管道壁面已衰減為零。