速度自控式輸氣管道內(nèi)檢測(cè)器移動(dòng)載體的研究

摘 要：文章圍繞長(zhǎng)距離天然氣輸送管道的在線內(nèi)檢測(cè)器速度控制方面開(kāi)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(wú)能耗、可靠性高、速度波動(dòng)范圍小等特點(diǎn)的機(jī)器人，具有很好的實(shí)用推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：速度自控；輸氣管道內(nèi)檢測(cè)器；移動(dòng)載體

前言

目前，世界上針對(duì)管道檢測(cè)的方法主要有管道外檢測(cè)和管道內(nèi)檢測(cè)兩類，管道外檢測(cè)只能通過(guò)對(duì)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(píng)價(jià)管道的狀況，無(wú)法檢測(cè)管道自身的腐蝕狀況；管道內(nèi)檢測(cè)是通過(guò)將管道內(nèi)檢測(cè)器放置在管道內(nèi)部，同時(shí)檢測(cè)器隨著輸送介質(zhì)在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)相關(guān)技術(shù)采集管道內(nèi)部的有效信息并存儲(chǔ)，通過(guò)后期對(duì)檢測(cè)器所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來(lái)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(cè)器實(shí)施檢測(cè)影響因素

管道內(nèi)檢測(cè)器在實(shí)施檢測(cè)作業(yè)時(shí)，由于受到輸送介質(zhì)速度變化、埋地管道隨地勢(shì)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(cè)器在管道內(nèi)的行進(jìn)速度波動(dòng)性較大，因此，必須對(duì)內(nèi)檢測(cè)器的移動(dòng)速度進(jìn)行控制，目前，常采用節(jié)流裝置通過(guò)旁通方式實(shí)現(xiàn)速度控制。此方法已被很多國(guó)家成功應(yīng)用于原油管道工程的檢測(cè)，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(guò)改變旁通閥門的開(kāi)度從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)改變旁通閥門的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)行速度的控制。與此同時(shí)，在針對(duì)氣體輸送管道方面，國(guó)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(jì)壓力10MPa，氣體流速達(dá)到20m/s，實(shí)施檢測(cè)作業(yè)的內(nèi)檢測(cè)器重量達(dá)1t左右，都給管道檢測(cè)器的速度控制增加了難度。

2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

目前，在國(guó)外比較成熟的在線測(cè)試管道實(shí)驗(yàn)和理論研究的控制主要有：（1）韓國(guó)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(jì)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(dòng)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(gè)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(dòng)力學(xué)方程動(dòng)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(cè)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(chǎng)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(cè)器調(diào)速技術(shù)的進(jìn)展、設(shè)計(jì)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(cè)設(shè)備的精度和可靠性；德國(guó)ROSEN公司的Rahe F博士為優(yōu)化內(nèi)檢測(cè)器的速度控制效果、降低其耗電量，簡(jiǎn)化了內(nèi)檢測(cè)器的動(dòng)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(cè)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(cè)精度下降，完全打開(kāi)旁通閥需要13秒，在檢測(cè)數(shù)據(jù)中存在相當(dāng)大的誤差。

3 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

上個(gè)世界80年代末，由于我國(guó)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(guó)相應(yīng)的研究機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題的嚴(yán)重性，也有一些機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究了，其中沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)楊理踐課題組在國(guó)家4項(xiàng)自然基金的支持下研發(fā)的在線內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)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(cè)，已經(jīng)完成2000多公里的輸油管道檢測(cè)，取得檢測(cè)成果非常顯著，但未見(jiàn)國(guó)內(nèi)輸氣管道內(nèi)檢測(cè)器進(jìn)行工業(yè)檢測(cè)的報(bào)導(dǎo)。國(guó)內(nèi)針對(duì)于輸氣管道內(nèi)檢測(cè)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(jì)構(gòu)造出內(nèi)檢測(cè)器泄流孔模型，通過(guò)流體流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)孔板時(shí)的流場(chǎng)對(duì)管道內(nèi)檢測(cè)器的泄流狀態(tài)進(jìn)行了流場(chǎng)模擬，從而得到前后壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的數(shù)值。

孟浩龍等人分析了不同介質(zhì)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的各種影響并對(duì)此進(jìn)行了理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，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(duì)流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，對(duì)水平直管內(nèi)的內(nèi)檢測(cè)器周圍的流場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)分析，得到了內(nèi)檢測(cè)器受到的驅(qū)動(dòng)力，流體的摩擦力和周圍流場(chǎng)的基本情況。

現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)各高校以及科研機(jī)構(gòu)等針對(duì)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(guó)家自然基金（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：60375035）的支持下設(shè)計(jì)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(dòng)下，實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)皮碗與管壁的環(huán)形縫隙來(lái)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(guó)石油大學(xué)張仕民在綜述了天然氣管道清管器的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題、旁通調(diào)速裝置的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了加裝在清管器的泄流通由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旁通轉(zhuǎn)閥和旁通蝶閥調(diào)速裝置，通過(guò)改變泄流孔泄流的有效開(kāi)度改變清管器前后壓差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)清管器速度的調(diào)控，由于長(zhǎng)距離管道檢測(cè)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(shí)，需要及時(shí)關(guān)閉轉(zhuǎn)閥，以防止檢測(cè)器因過(guò)量泄流而失去前進(jìn)動(dòng)力出現(xiàn)堵管的事故；限于檢測(cè)器功耗要求，清華大學(xué)黃松嶺在國(guó)家自然基金（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：10974115）的支持下，研究設(shè)計(jì)了天然氣管道缺陷內(nèi)檢測(cè)器泄流裝置，該裝置利用管道內(nèi)檢測(cè)器前后天然氣的壓力差作為驅(qū)動(dòng)力，根據(jù)檢測(cè)器速度要求，用一個(gè)3位2通電磁閥實(shí)現(xiàn)了氣缸前后腔與檢測(cè)器前后端天然氣管路的通斷，并對(duì)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(shí)驗(yàn)室條件下的性能測(cè)試表明該裝置驅(qū)動(dòng)電磁閥所需功耗為10W，泄流閥門啟動(dòng)的最小壓力0.04MPa，瀉流通道開(kāi)關(guān)時(shí)間為3-6秒，由于該裝置采用間歇泄流方式，勢(shì)必導(dǎo)致檢測(cè)器運(yùn)行速度波動(dòng)，而運(yùn)行在高壓大口徑天然氣管道檢測(cè)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(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)輸氣管道內(nèi)檢測(cè)器的速度控制是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，還未見(jiàn)有實(shí)際應(yīng)用的相關(guān)實(shí)例報(bào)道。國(guó)內(nèi)外圍繞檢測(cè)器的速度控制問(wèn)題進(jìn)行了大量的理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，探索了管道內(nèi)檢測(cè)器的動(dòng)力學(xué)模型和管道內(nèi)流場(chǎng)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也證明了旁通泄流降速的可行性。但對(duì)管道內(nèi)檢測(cè)器在速度失穩(wěn)后至重新恢復(fù)穩(wěn)速行進(jìn)的流場(chǎng)變化規(guī)律、調(diào)節(jié)泄流量對(duì)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(guó)內(nèi)部分學(xué)者設(shè)計(jì)并研制出以電機(jī)或電磁換向閥控制壓差氣缸為動(dòng)力元件，以管道內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)行速度檢測(cè)為目標(biāo)，采用智能控制系統(tǒng)對(duì)泄流口的開(kāi)度大小或通斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)泄流量的調(diào)節(jié)與控制，并在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了測(cè)試，取得了階段性研究成果，但受到電能供給、開(kāi)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(shí)產(chǎn)權(quán)，并且具有速度調(diào)控功能的管道在線內(nèi)檢測(cè)器是當(dāng)下的研究重點(diǎn)，為我國(guó)輸氣管道內(nèi)檢測(cè)器的產(chǎn)業(yè)化和能源輸送提供安全保障。

參考文獻(xiàn)

[1]李楊，曹建樹(shù)，廖建泉，等.支撐輪式管道機(jī)器人牽引機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，01.

[2]張培，李著信，蘇毅，等.差壓式管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力與速度分析[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，04.

[3]劉保余.輸氣管道內(nèi)檢測(cè)器設(shè)計(jì)及理論研究[D].中國(guó)石油大學(xué)，2010.

[4]唐德威，李慶凱，姜生元，等.三軸差速式管道機(jī)器人過(guò)彎管時(shí)的差速特性及拖動(dòng)力分[J].機(jī)器人，2010，01.

作者簡(jiǎn)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(jì)與制造。