趙 宣

中國(guó)石油管道局工程有限公司技術(shù)服務(wù)中心，河北 廊坊

1. 引言

目前國(guó)內(nèi)普遍利用埋地管道輸送天然氣、成品油和原油等產(chǎn)品，埋地管道為金屬管道，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的輸送，受腐蝕性環(huán)境、輸送介質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害、機(jī)械外力等因素的影響，管道可能會(huì)出現(xiàn)腐蝕、變形等缺陷，因此，需要定期對(duì)管道進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)作業(yè)，及時(shí)的檢測(cè)出管道存在的各類(lèi)缺陷，為油氣管道安全運(yùn)行提供保障。

目前常利用管道內(nèi)檢測(cè)器對(duì)管道進(jìn)行定期檢測(cè)，適用于油氣介質(zhì)的管道內(nèi)檢測(cè)器多是基于漏磁原理研制的。進(jìn)行管道內(nèi)檢測(cè)時(shí)，管道內(nèi)檢測(cè)器利用自身攜帶的磁化裝置將管道磁化至近飽和狀態(tài)，如果管道存在腐蝕性缺陷，在缺陷處將會(huì)產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，檢測(cè)器攜帶的探頭拾取漏磁信號(hào)來(lái)判斷缺陷的類(lèi)型和具體的缺陷尺寸。探頭利用機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐，為保證探頭有效、精確的拾取漏磁信號(hào)，要求探頭與管道內(nèi)壁緊密貼合，并且要求探頭在通過(guò)管道內(nèi)部的焊縫和三通等附件時(shí)，探頭能及時(shí)復(fù)位，與管內(nèi)壁仍保持緊密貼合。因此，姿態(tài)穩(wěn)定的探頭機(jī)構(gòu)對(duì)于漏磁信號(hào)的拾取至關(guān)重要[1] [2] [3] [4]。

為保證探頭的姿態(tài)，一般將探頭支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為平行四邊形機(jī)構(gòu)，同時(shí)為了保證探頭機(jī)構(gòu)能通過(guò)一定的管道變形缺陷，要求探頭機(jī)構(gòu)具備一定的壓縮量，所以平行四邊形的探頭機(jī)構(gòu)利用拉伸或者扭轉(zhuǎn)彈簧進(jìn)行支撐，有效的保證了在一定壓縮量下探頭與管內(nèi)壁的貼合姿態(tài)。但這種探頭結(jié)構(gòu)對(duì)支撐零件加工精度提出較高要求，否則可能無(wú)法完成裝配或者造成探頭與管壁貼合的不緊密。再者，平行四邊形的探頭機(jī)構(gòu)其支撐零件的尺寸一般較大，造成探頭機(jī)構(gòu)整體質(zhì)量較大，由于探頭安裝在探頭環(huán)座上，造成后期探頭及環(huán)座的安裝、拆卸不便。另外一種常用結(jié)構(gòu)是利用薄的板材作為支撐簧，可有效減小單個(gè)探頭支撐機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，板材可以利用模具沖壓成型，批量生產(chǎn)時(shí)，經(jīng)濟(jì)性更佳，同時(shí)薄板支撐機(jī)構(gòu)安裝后姿態(tài)容易保證，所以，薄板支撐結(jié)構(gòu)的探頭在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的范圍較廣[5] [6] [7]。

但薄板支撐的探頭機(jī)構(gòu)僅通過(guò)理論計(jì)算，較難獲得壓縮量與支撐力間的關(guān)系，壓縮后的姿態(tài)更是無(wú)法進(jìn)行理論計(jì)算，所以通常采用加工試制的方法，加工出幾個(gè)結(jié)構(gòu)的板式支撐簧，在進(jìn)行壓縮測(cè)試。反復(fù)的試制和測(cè)試過(guò)程會(huì)增加制作成本和時(shí)間成本。有限元方法可有效解決上面的不利問(wèn)題。因此，利用ANSYS Workbench 對(duì)探頭機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。

2. 薄板支撐探頭機(jī)構(gòu)的有限元分析

2.1. 薄板支撐探頭機(jī)構(gòu)介紹及有限元模型的建立

圖1 為常用的薄板支撐探頭機(jī)構(gòu)，該探頭機(jī)構(gòu)由連接合頁(yè)，探頭臂，檢測(cè)探頭和薄板支撐彈簧等零件組成，零件利用螺釘和鎖緊螺母進(jìn)行連接。探頭臂和連接合頁(yè)等零件材料為不銹鋼，支撐彈簧采用銅合金。

Figure 1. Photo of thin plate supporting probe mechanism圖1. 薄板支撐探頭機(jī)構(gòu)照片

圖2 為有限元分析模型，模型中忽略了螺釘?shù)冗B接件，并將連接臂和支撐彈簧處的螺紋連接孔去除，保留了探頭機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵零部件如合頁(yè)、連接臂、探頭和支撐彈簧的外形結(jié)構(gòu)及尺寸。采用ANSYS Workbench (版本2020 R1)材料庫(kù)中自帶的結(jié)構(gòu)鋼(Structure Steel)和銅合金(Copper Alloy)材料進(jìn)行分析(不同版本仿真軟件中材料屬性可能稍有差異)。

Figure 2. Probe mechanism model of finite element analysis圖2. 有限元分析的探頭機(jī)構(gòu)模型

2.2. 相關(guān)設(shè)置及載荷加載

利用ANSYS Workbench 自帶的轉(zhuǎn)動(dòng)副設(shè)置在探頭臂上下合頁(yè)處(忽略轉(zhuǎn)動(dòng)阻力)，支撐彈簧與探頭間采用結(jié)合連接方式，探頭連接臂下部合頁(yè)和支撐彈簧底部進(jìn)行固定設(shè)置。

對(duì)檢測(cè)探頭上表面施加向下的載荷，分析受力后支撐彈簧的變形情況及檢測(cè)探頭的位移情況。圖3為建立的探頭機(jī)構(gòu)模型加載及固定方式的示意圖。

Figure 3. Schematic diagram of the loading and fixing method of the probe mechanism圖3. 探頭機(jī)構(gòu)加載及固定方式示意圖

3. 仿真分析結(jié)果

3.1. 薄板支撐探頭機(jī)構(gòu)受力后姿態(tài)情況

圖4(a)為探頭機(jī)構(gòu)表面在不同壓力條件下支撐彈簧的變形狀態(tài)圖，從圖中可見(jiàn)，隨著探頭表面施加載荷的增加，薄板彈簧出現(xiàn)明顯的彎曲變形，并且隨著壓縮量的增加，檢測(cè)探頭后部出現(xiàn)明顯的“載頭”，探頭表面不在保持水平狀態(tài)。預(yù)示著探頭壓縮量超過(guò)一定范圍時(shí)，支撐彈簧的大幅彎曲變形會(huì)導(dǎo)致探頭姿態(tài)失去平行四邊形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖4(b)為支撐彈簧壓縮過(guò)程中存在的應(yīng)力集中區(qū)，在支撐彈簧的兩個(gè)預(yù)制折彎處均存在明顯的應(yīng)力集中區(qū)，后期彈簧通過(guò)焊縫或三通等管道附件時(shí)勢(shì)必會(huì)發(fā)生彈跳，反復(fù)的受力會(huì)增加彈簧發(fā)生疲勞折斷的風(fēng)險(xiǎn)。

Figure 4. Forced compression simulation diagram of the probe mechanism. (a) Simulation diagram of compression posture;(b) Compressive stress concentration area圖4. 探頭機(jī)構(gòu)受力壓縮仿真圖。(a) 壓縮姿態(tài)仿真圖；(b) 壓縮應(yīng)力集中區(qū)

表1 為從仿真結(jié)果中提取的檢測(cè)探頭達(dá)到一定壓縮量時(shí)施加的載荷值，隨著壓縮量的增加，加載力增加，但檢測(cè)探頭每向下壓縮10 mm 的位移，所需的加載力增幅有變小的趨勢(shì)。

3.2. 力-位移加載實(shí)驗(yàn)

對(duì)薄板支撐探頭機(jī)構(gòu)進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中觀察探頭姿態(tài)的變化，同時(shí)記錄不同壓縮量時(shí)施加的載荷值。加載試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示，在壓縮量較大時(shí)，檢測(cè)探頭后端明顯傾斜，與測(cè)試裝置表面不在貼合，證明壓縮量超過(guò)一定范圍時(shí)，支撐彈簧的大幅彎曲變形導(dǎo)致了探頭姿態(tài)不穩(wěn)定。

Figure 5. Photo of compression posture of thin plate supporting probe mechanism圖5. 薄板支撐探頭機(jī)構(gòu)壓縮姿態(tài)照片

試驗(yàn)過(guò)程中記錄的不同壓縮量時(shí)施加的載荷值如圖6 所示，圖中圓點(diǎn)線表示試驗(yàn)測(cè)試值，方形線表示有限元分析值。除初始?jí)嚎s階段(壓縮量約10 mm)，仿真曲線與試驗(yàn)曲線基本平行，且力-位移曲線基本滿(mǎn)足線性關(guān)系，仿真值與試驗(yàn)值差距不大，可以指導(dǎo)支撐彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的差值可能與彈簧材料屬性相關(guān)(仿真時(shí)用軟件自帶材料，與彈簧真實(shí)材料的屬性不同)。

Figure 6. Forced compression simulation diagram of the probe mechanism圖6. 探頭機(jī)構(gòu)受力壓縮仿真圖

4. 改進(jìn)的彈簧支撐結(jié)構(gòu)及仿真分析

4.1. 改進(jìn)的彈簧結(jié)構(gòu)

圖4(a)和圖4(b)所示仿真結(jié)果表明，薄板支撐探頭機(jī)構(gòu)的支撐彈簧預(yù)制兩個(gè)折彎后，能有效的支撐檢測(cè)探頭，并且在一定壓縮量范圍內(nèi)(壓縮量較小)探頭姿態(tài)基本不變，且彈簧兩個(gè)預(yù)制折彎處應(yīng)力較小。但對(duì)于較大壓縮量，探頭姿態(tài)明確不穩(wěn)，而且兩個(gè)預(yù)制折彎處存在較大的應(yīng)力，后期有疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)支撐彈簧的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的彈簧支撐機(jī)構(gòu)模型如圖7 所示，將檢測(cè)探頭后端增加轉(zhuǎn)動(dòng)合頁(yè)，將支撐彈簧改進(jìn)成僅有一個(gè)預(yù)制折彎的結(jié)構(gòu)。

Figure 7. Schematic diagram of the improved spring support structure圖7. 改進(jìn)后的彈簧支撐結(jié)構(gòu)示意圖

4.2. 改進(jìn)的彈簧支撐結(jié)構(gòu)姿態(tài)仿真

Figure 8. Simulation diagram of improved probe structure under stress and compression圖8. 改進(jìn)的探頭結(jié)構(gòu)受力壓縮仿真圖

Figure 9. Forced compression simulation diagram of improved probe structure with auxiliary spring added圖9. 增加輔助彈簧的改進(jìn)探頭結(jié)構(gòu)受力壓縮仿真圖

圖9 所示，由于增加了前后兩處輔助支撐彈簧，隨著壓縮量的增加，檢測(cè)探頭前端姿態(tài)不穩(wěn)問(wèn)題得到解決，但由于前端連接臂長(zhǎng)度不能調(diào)節(jié)，后端支撐彈簧在壓縮過(guò)程中存在彎曲變形，勢(shì)必造成后端支撐有效長(zhǎng)度減小，從而造成探頭后端再次出現(xiàn)“栽頭”現(xiàn)象。但與圖4 相比，一個(gè)預(yù)制折彎的彈簧比兩個(gè)與預(yù)制折彎的彈簧變形量要小，所以“栽頭”程度降低。

5. 結(jié)論

利用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對(duì)薄板支撐探頭機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，有限元分析結(jié)果與測(cè)試結(jié)果一致，有限元分析結(jié)果正確，可以用于指導(dǎo)薄板支撐彈簧的設(shè)計(jì)。同時(shí)針對(duì)檢測(cè)探頭在較大壓縮量時(shí)存在的“栽頭”問(wèn)題，提出了兩種改進(jìn)方案，經(jīng)過(guò)仿真分析可知：

1) 將支撐彈簧與檢測(cè)探頭連接方式由螺釘緊固方式改為轉(zhuǎn)動(dòng)合頁(yè)連接，且彈簧預(yù)制折彎改為一個(gè)，探頭機(jī)構(gòu)能適應(yīng)較大的壓縮量，且在此壓縮過(guò)程中探頭姿態(tài)穩(wěn)定性較好，有效解決了壓縮量較大時(shí)探頭后端脫離管壁的姿態(tài)問(wèn)題。

2) 將彈簧連接方式與預(yù)制折彎數(shù)量改進(jìn)后，雖然壓縮量更大，姿態(tài)更穩(wěn)，但進(jìn)一步壓縮時(shí)，由于探頭前端缺乏有效支撐，會(huì)出現(xiàn)前“栽頭”現(xiàn)象，因此該改進(jìn)方案比較適用于支撐彈簧長(zhǎng)度較短且壓縮量不大的工況。

3) 當(dāng)需要增加支撐彈簧長(zhǎng)度且需要增加探頭壓縮量時(shí)，可增加輔助支撐彈簧，能有效支撐檢測(cè)探頭，防止前“栽頭”問(wèn)題發(fā)生，雖然后“栽頭”現(xiàn)象無(wú)法消除，但與兩個(gè)預(yù)制折彎的支撐彈簧相比，探頭姿態(tài)明顯得到改善。后續(xù)可通過(guò)調(diào)整探頭初始姿態(tài)(支撐臂稍短，探頭自由狀態(tài)時(shí)前端稍低)的方法，改善在較大探頭壓縮時(shí)的后“栽頭”量值。