李海連，羅春陽，田陽，賈誠心

(北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林吉林 132021)

0 前言

管道運(yùn)輸因其獨特的運(yùn)輸方式被廣泛應(yīng)用于原油及天然氣的輸送中，已成為世界上五大運(yùn)輸方式之一。由于管道運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜，隨著服役年限的增加，管道不可避免地會受到腐蝕、外力作用及管材自身缺陷等因素的影響，出現(xiàn)裂紋、凹陷等事故，需要對事故管道進(jìn)行搶修作業(yè)。管道內(nèi)輸送的介質(zhì)大部分為易燃易爆的液體或氣體，管道內(nèi)介質(zhì)的封堵與隔離是管道搶修的首要任務(wù)，實現(xiàn)高效、可靠的管道封堵在管道搶修作業(yè)中顯得尤為重要。

目前國內(nèi)外常用的管道封堵方法有：冷凍封堵、開孔封堵及智能封堵。冷凍封堵開始于20世紀(jì)80年代，具有施工工藝簡單、安全可靠、成本低等優(yōu)點；但其封堵壓力低，不適于較大管徑的封堵等問題，限制了其應(yīng)用范圍。開孔封堵技術(shù)具有封堵壓力大、不受管徑限制等優(yōu)點，是現(xiàn)役比較成熟的封堵技術(shù)。但其施工工藝復(fù)雜，封堵周期長，后續(xù)正常運(yùn)行存在安全隱患。智能封堵技術(shù)是一種新興的管道封堵技術(shù)，其施工工藝簡單、工作效率高、施工成本低，成為目前管道封堵技術(shù)研究與應(yīng)用的熱點。管內(nèi)智能封堵技術(shù)是挪威PSI公司開發(fā)的一種用于管道內(nèi)的智能封堵技術(shù)。美國TWD公司是管內(nèi)封堵的領(lǐng)導(dǎo)者，其研發(fā)的SmartPlug管內(nèi)封堵器在技術(shù)上趨于成熟，已在世界范圍內(nèi)成功完成封堵作業(yè)百余次。英國STATS Goup公司已成功研制出世界一流的管內(nèi)封堵產(chǎn)品。Tecno Plug及BISEP產(chǎn)品在封堵作業(yè)安全性、跟蹤定位準(zhǔn)確性等方面取得了重大突破。國內(nèi)在智能封堵技術(shù)方面的研究起步較晚，張仕民、趙宏林、楊朝鋒等分別針對管內(nèi)智能封堵器的結(jié)構(gòu)及通信系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，但也僅處于實驗研究階段。為了適應(yīng)我國油氣工程的發(fā)展，提高管道運(yùn)輸維搶修技術(shù)水平，打破國外在管內(nèi)智能封堵方面的技術(shù)壁壘，應(yīng)盡早研制出可應(yīng)用于實際維搶修作業(yè)的管道智能封堵裝置。

管內(nèi)智能封堵機(jī)器人總體方案如圖1所示，主要由封堵調(diào)速裝置和駐錨鎖定裝置構(gòu)成。封堵調(diào)速裝置可以調(diào)整機(jī)器人在管道內(nèi)的移動速度，同時可以進(jìn)行管道封堵作業(yè)；駐錨鎖定裝置可實現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)的可靠停駐，為封堵作業(yè)提供一個穩(wěn)定的狀態(tài)。封堵調(diào)速裝置關(guān)系到管道封堵的可靠性及作業(yè)的效率，因此是該裝備的核心技術(shù)之一。

圖1 管內(nèi)智能封堵機(jī)器人總體方案

1 封堵及調(diào)速裝置設(shè)計

管內(nèi)智能封堵機(jī)器人借助管道內(nèi)流體介質(zhì)的壓差驅(qū)動前進(jìn)，行進(jìn)過程中通過驅(qū)動裝置控制調(diào)速裝置中的環(huán)形縫隙及節(jié)流口的大小，以調(diào)節(jié)機(jī)器人兩端壓差的形式，實現(xiàn)行進(jìn)速度的控制；當(dāng)運(yùn)行到指定封堵位置時，由驅(qū)動裝置控制封堵裝置實現(xiàn)管內(nèi)介質(zhì)的封堵。

1.1 封堵裝置設(shè)計

針對工作壓力在1 MPa以下的DN200油氣運(yùn)輸管道，設(shè)計了一種封堵裝置。該封堵裝置由定筒、定筒端蓋組件、定筒透蓋組件、動筒組件、錐環(huán)及密封橡膠構(gòu)成，其中定筒、定筒端蓋組件及定筒透蓋組件構(gòu)成一個封閉的腔體，內(nèi)部安裝驅(qū)動裝置，可控制動筒組件通過錐環(huán)擠壓密封橡膠，迫使密封橡膠產(chǎn)生徑向膨脹，當(dāng)密封橡膠膨脹至與管道內(nèi)壁緊密接觸時，實現(xiàn)管道介質(zhì)的封堵。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 封堵裝置結(jié)構(gòu)

常用的密封材料有橡膠、聚四氟乙烯、石墨、聚氨酯彈性材料等?？紤]到最大封堵壓力為1 MPa，屬于低壓靜密封，選用低模量硅橡膠作為密封橡膠材料。密封橡膠在進(jìn)行封堵作業(yè)時分為自由變形和穩(wěn)定工作兩個階段，其可靠密封所需要的總壓力為

=+Δ

(1)

式中：為密封橡膠被壓縮至管道內(nèi)壁所需的壓力，N；Δ為密封橡膠與管道內(nèi)壁由初步接觸到可靠密封所需的壓力，N。

密封橡膠在自由變形階段，由初始狀態(tài)被壓縮至接觸管道內(nèi)壁所需的力為

(2)

式中：為密封橡膠外徑，mm；為管道內(nèi)徑，mm；為彈性模量，MPa；為泊松比。

在穩(wěn)定工作階段，需要進(jìn)一步壓迫密封橡膠產(chǎn)生彈性變形，與管道內(nèi)壁產(chǎn)生足夠的摩擦力，以達(dá)到力平衡效果，此時密封橡膠與管道內(nèi)壁的接觸應(yīng)力為

(3)

式中：為可靠密封時的接觸應(yīng)力，Pa；Δ為管道內(nèi)的工作壓差，Pa；為管道內(nèi)徑與密封橡膠內(nèi)徑之間的環(huán)形面積，m；為密封橡膠壓塑變形后與管道接觸的側(cè)面積，m。

密封橡膠在穩(wěn)定工作階段所需要的壓縮力為

(4)

式中：為密封橡膠內(nèi)徑，m；與同前。

經(jīng)計算，密封橡膠實現(xiàn)可靠密封所需要的總壓力為24.6 kN。

1.2 驅(qū)動裝置設(shè)計

驅(qū)動裝置的主要作用是為封堵及調(diào)速提供動力，考慮到低壓密封需求及管道內(nèi)徑尺寸限制，選擇了電機(jī)驅(qū)動的方式，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)通過電機(jī)座安裝在機(jī)器人定筒內(nèi)部，電機(jī)經(jīng)過減速器及齒輪組降速增矩后將動力傳遞給絲杠;絲杠一端通過一對角接觸球軸承固定在定筒端蓋組件上，另一端與螺母配合，通過螺母座驅(qū)動與之相連的動筒組件及錐環(huán)產(chǎn)生軸向移動。

驅(qū)動裝置中主要負(fù)載源于實現(xiàn)可靠密封所需的壓力，根據(jù)絲杠扭矩與推力計算公式：

(5)

式中：為驅(qū)動扭矩，N·mm；為軸向推力，N；為絲杠導(dǎo)程，mm；為絲杠的正效率。

驅(qū)動封堵裝置實現(xiàn)可靠密封，絲杠在勻速狀態(tài)下需要7 570 N·mm的扭矩，該扭矩由驅(qū)動電機(jī)通過一對直齒輪傳遞給絲杠，則驅(qū)動電機(jī)的輸入扭矩為

(6)

式中：為驅(qū)動電機(jī)的輸入扭矩，N·mm；為圓柱齒輪減速比；、、分別為圓柱齒輪、滾動軸承、絲杠的傳動效率。

經(jīng)計算驅(qū)動電機(jī)的輸出扭矩應(yīng)為7.38 N·m，故選擇775行星減速電機(jī)，該電機(jī)輸出扭矩為11.2 N·m，留有51.8%的裕度，可滿足密封工作需求。

1.3 調(diào)速裝置設(shè)計

調(diào)速裝置主要作用是控制機(jī)器人在管道內(nèi)的行進(jìn)速度：遠(yuǎn)離目標(biāo)點時能全速前進(jìn)，以縮短封堵準(zhǔn)備時間；接近目標(biāo)點時能降低行進(jìn)速度，以提高定位的準(zhǔn)確性和駐錨可靠性。該封堵機(jī)器人是利用管道內(nèi)流體介質(zhì)來驅(qū)動的，調(diào)整流體通過機(jī)器人與管道間隙的通流量，即可實現(xiàn)對機(jī)器人行進(jìn)速度的控制。

將管道看成一個液壓缸，封堵機(jī)器人看成活塞，機(jī)器人與管壁的摩擦力為，看成液壓缸的負(fù)載，調(diào)速裝置看成與液壓缸并聯(lián)的節(jié)流調(diào)速閥。調(diào)速原理模型如圖4所示。

圖4 調(diào)速原理模型

分析該節(jié)流回路模型，可得到活塞的移動速度與節(jié)流閥通流面積之間的關(guān)系：

(7)

式中：為活塞移動的速度；為泵輸入流量；為活塞截面積；為節(jié)流閥的通流面積；為介質(zhì)黏度相關(guān)的常數(shù)；為指數(shù)；為作用于活塞的摩擦負(fù)載。

分析式(7)可知:在機(jī)器人與管道摩擦力、管道輸入流量一定的情況下，機(jī)器人的移動速度只與本體最大橫截面積及節(jié)流口通流面積相關(guān)。通過控制機(jī)器人本體最大橫截面積的方式，調(diào)整節(jié)流口的通流面積，即機(jī)器人橫截面積縮小，它與管道內(nèi)壁之間的環(huán)形縫隙增大，相當(dāng)于增大了節(jié)流口的通流面積，則機(jī)器人的移動速度隨之降低，反之移動速度提高。

根據(jù)上述分析，設(shè)計了基于節(jié)流調(diào)速原理的調(diào)速裝置，利用加載裝置控制密封橡膠的徑向漲縮，實現(xiàn)機(jī)器人本體橫截面積的變化，從而調(diào)節(jié)通流量實現(xiàn)行進(jìn)速度控制?？紤]到封堵橡膠的作用是以封堵為主，其壓縮量應(yīng)主要應(yīng)用于密封作業(yè)，與管道間的環(huán)形縫隙不易設(shè)置太大，因此調(diào)速范圍受到限制。為了解決這一問題，采用了環(huán)形縫隙及節(jié)流閥相結(jié)合的調(diào)速方法，結(jié)構(gòu)如圖5所示。驅(qū)動裝置可控制動筒及錐環(huán)擠壓密封橡膠，從而控制密封橡膠與管道內(nèi)壁之間的環(huán)形縫隙大小，同時固定在動筒端面上的節(jié)流閥芯可控制節(jié)流口的開口大小，從而實現(xiàn)環(huán)形縫隙與節(jié)流閥雙作用的調(diào)速方式。

圖5 調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)

2 封堵及調(diào)速裝置仿真分析

2.1 封堵可靠性仿真分析

為驗證驅(qū)動裝置設(shè)計的合理性及封堵可靠性，利用ANSYS軟件進(jìn)行了仿真分析。橡膠的彈性模量2.5 MPa，橡膠與管道內(nèi)壁間初始距離為5 mm，向錐環(huán)端面施加25 kN的推力，該錐環(huán)與密封橡膠的作用面為25°的錐面。

由圖6可知：錐環(huán)沿軸向壓縮密封橡膠，密封橡膠與管道內(nèi)壁產(chǎn)生1.535 5 MPa接觸應(yīng)力，該值與通過式(3)計算的可靠密封接觸應(yīng)力值基本一致。理論上密封橡膠與管壁之間形成的接觸壓力等于密封橡膠在管道內(nèi)可以封堵的管內(nèi)壓力差。該值為封堵機(jī)器人兩端最大壓差的1.5倍，故認(rèn)為該機(jī)器人滿足封堵作業(yè)需求，可實現(xiàn)可靠封堵。

圖6 密封橡膠封堵性能分析

2.2 速度調(diào)節(jié)仿真分析

為驗證調(diào)速裝置設(shè)計的合理性及速度調(diào)控性能，利用ANSYS軟件針對不同環(huán)形縫隙及節(jié)流口開度下的介質(zhì)通流情況進(jìn)行仿真分析。

密封橡膠與管道內(nèi)壁之間的環(huán)形縫隙尺寸不宜過大，根據(jù)橡膠壓縮率選擇5 mm最大環(huán)形縫隙。又考慮密封性能要求，機(jī)器人行進(jìn)時密封橡膠不應(yīng)與管壁發(fā)生摩擦，因此確定最小環(huán)形縫隙尺寸為0.5 mm。

邊界條件設(shè)置如下：管道長度2 000 mm，外徑216 mm，內(nèi)徑200 mm，入口端流體壓力為1 000 Pa。采用Simple算法，密封橡膠與管道內(nèi)壁之間環(huán)形縫隙尺寸分別為0.5、2.5、5 mm，并且將節(jié)流閥狀態(tài)分別設(shè)置為關(guān)閉、打開兩種狀態(tài)，仿真模型采用四面體網(wǎng)格離散，每個模型約350萬網(wǎng)格數(shù)量，網(wǎng)格質(zhì)量不小于0.4，可滿足計算精度要求。機(jī)器人及管道有限元模型如圖7所示。

圖7 仿真分析初始模型

仿真結(jié)果如圖8所示，對比圖(a)(c)(e)3個狀態(tài)，可以看出隨著環(huán)形縫隙增大，通過縫隙的介質(zhì)也逐漸增多，從而使機(jī)器人移動速度逐漸降低。對比圖(b)(d)(f)3個狀態(tài)，可以看出節(jié)流孔的打開改變了介質(zhì)的通流量，但在不同狀態(tài)下對整體通流量的影響有明顯區(qū)別。在圖(b)(d)狀態(tài)時，環(huán)形縫隙的通流面積小于節(jié)流孔，所以節(jié)流孔對介質(zhì)通流量的影響較為顯著,因仿真參數(shù)設(shè)置及環(huán)形縫隙與節(jié)流口大小匹配的原因，造成該階段仿真區(qū)分不明顯；在圖(f)狀態(tài)時，環(huán)形縫隙的截面積已經(jīng)遠(yuǎn)大于節(jié)流孔，此時環(huán)形縫隙調(diào)速將起到主導(dǎo)作用。

圖8 仿真分析結(jié)果對比

3 管內(nèi)智能封堵機(jī)器人實驗研究

為了驗證封堵機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性及封堵、調(diào)速可靠性，利用所研制的封堵及駐錨裝置在北華大學(xué)國家級管道機(jī)器人實驗平臺上進(jìn)行了封堵性能及速度調(diào)控實驗研究，實驗測試平臺如圖9所示，測試管道規(guī)格為DN200，采用S形布置，總長500 m，工作介質(zhì)為水或氣，最大工作壓力為2.5 MPa。

圖9 管道機(jī)器人測試環(huán)境

3.1 封堵性能實驗

如圖10所示，將封堵機(jī)器人從入口端送入測試管道中，通過機(jī)器人的駐錨裝置將機(jī)器人停駐于管道端口處，啟動封堵裝置將管道端口封閉，在管道的另一端注入水，使水壓作用于封堵裝置，端口下方放置一個集水器，收集滲漏出來的液體。每隔2 h改變一次管道內(nèi)壓力，并測量該壓力作用下的泄漏量。

圖10 封堵性能實驗

分析表2中實驗數(shù)據(jù)可知:封堵裝置在壓力1.2 MPa以下可實現(xiàn)無泄漏封堵，超過該壓力時，泄漏量逐漸增加，因此該封堵裝置滿足1.0 MPa以下工作壓力的管道維搶修作業(yè)需求。

表2 封堵性能實驗數(shù)據(jù)

3.2 速度調(diào)節(jié)實驗

該測試平臺管道外壁設(shè)有等距均布的傳感器，可以對管道內(nèi)機(jī)器人的移動速度進(jìn)行監(jiān)控。將封堵機(jī)器人送入實驗環(huán)境的主管道中，啟動駐錨裝置使機(jī)器人停駐在管道內(nèi)，關(guān)閉端蓋。從旁通管一端向主管道內(nèi)注入水介質(zhì)，流量200 m/h，待管道內(nèi)充滿水后，解鎖駐錨裝置，使機(jī)器人在管道內(nèi)水壓作用下移動。遠(yuǎn)程控制環(huán)形縫隙及節(jié)流口的大小，通過上位機(jī)實時監(jiān)測機(jī)器人在不同狀態(tài)下移動至指定檢測點所需時間，通過測試距離及時間計算出機(jī)器人在該狀態(tài)的平均速度，如表3所示。

表3 調(diào)速性能實驗數(shù)據(jù)

分析表3數(shù)據(jù)可知，當(dāng)環(huán)形縫隙最小且節(jié)流口關(guān)閉時，機(jī)器人主要靠靜壓力驅(qū)動，機(jī)器人的移動速度接近管道內(nèi)流體的速度;隨著環(huán)形縫隙增大，機(jī)器人的移動速度明顯降低。對比節(jié)流口狀態(tài)可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)環(huán)形縫隙不大于2.5 mm時，開關(guān)節(jié)流口對速度的影響在7.5%以上；而當(dāng)環(huán)形縫隙大于2.5 mm時，開關(guān)節(jié)流口對速度的影響降到4.4%以下。這與仿真分析的結(jié)論相符，說明利用環(huán)形縫隙及節(jié)流口可以有效地調(diào)整機(jī)器人的移動速度，在環(huán)形縫隙較小時，合理地配合節(jié)流口可以得到更快的速度響應(yīng)。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計一種適用于小管徑管道的電機(jī)驅(qū)動封堵及調(diào)速裝置，該裝置將環(huán)形縫隙與節(jié)流調(diào)速相結(jié)合實現(xiàn)了對機(jī)器人行走速度的控制，同時利用封堵橡膠實現(xiàn)了對管道內(nèi)介質(zhì)封堵。

(2)對機(jī)器人的封堵性能、不同環(huán)形縫隙及節(jié)流口開度下的介質(zhì)通流情況進(jìn)行了仿真分析，驗證了理論封堵壓力的正確性與調(diào)速方案的可行性。

(3)完成了實物樣機(jī)的制作，在實驗環(huán)境下進(jìn)行了封堵性能與速度調(diào)節(jié)測試研究，結(jié)果表明機(jī)器人在1 MPa工作壓力下，可在管道內(nèi)實現(xiàn)可靠封堵，機(jī)器人的行進(jìn)速度可以在1.8～0.7 m/s 之間連續(xù)可調(diào)。