歐陽熙，胡鐵華，邸強(qiáng)華

（1.機(jī)械科學(xué)研究總院，北京 100044；2.中油管道檢測技術(shù)有限責(zé)任公司，河北 廊坊 065000 ）

0 引言

油氣管道是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要 “生命線”?！笆濉?期間，全國新增油氣管道將達(dá)到7.4 萬公里，預(yù)計(jì)到2016年底管道總里程將突破17 萬公里。管道建設(shè)過程中產(chǎn)生管道傷害有： ①吊鉤磕碰造成的凹陷；②對口卡鉗卡痕造成的凹陷；③回填石塊砸陷；④地基下沉孤石外凸造成管道凹陷；⑤鋪設(shè)過程雜物丟棄頂入造成管道凹陷等等。所有建造過程缺陷均為凹陷。以往的管道驗(yàn)收均采用測徑板檢測，即采用95%[1]的測徑板來測試管道的通過性，5%的漏檢，恰恰是5%的管道凹陷（管道新產(chǎn)生的陷缺往往不會(huì)太明顯） 投產(chǎn)后缺陷迅速增長，以至于未到檢測周期的新管道爆裂。故此，本文提出新建管道智能檢測勢在必行。

1 新建管道智能驗(yàn)收檢測器功能的構(gòu)成

新型智能驗(yàn)收檢測器由下列部分組成，如圖1 所示：①機(jī)械載體；②智能檢測系統(tǒng)；③信號存儲(chǔ)系統(tǒng)；④跟蹤定位系統(tǒng)；⑤數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)[2]。各部分作用為： 機(jī)械載體是管道內(nèi)檢測設(shè)備主體，所有檢測系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)等都置于設(shè)備主體之上，主體起到支撐、驅(qū)動(dòng)作用，且直接探測觸及被測管壁；智能檢測系統(tǒng)采集機(jī)械手臂信息；信號存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)探測系統(tǒng)所采集的信息；機(jī)載發(fā)射機(jī)發(fā)射信號，地面接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)信號，實(shí)現(xiàn)管外跟蹤定位；數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)接收存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)且進(jìn)行分析、量化，給出管道缺陷大小、位置，指導(dǎo)現(xiàn)場開挖。

圖1 驗(yàn)收檢測器功能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The functional structure model of inspection tools

機(jī)械載能從管道中完整收回，標(biāo)志著發(fā)球成功了一半，原因是： 機(jī)械載體出問題，如設(shè)備肢解于管道中、設(shè)備卡堵于管道中，都必須采取急救措施，比如重新發(fā)清管設(shè)備或動(dòng)火封堵管道，都會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。機(jī)械載體是管道驗(yàn)收檢測器關(guān)鍵部件。

2 驗(yàn)收檢測器機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 驗(yàn)收檢測器機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)成及作用

驗(yàn)收檢測器機(jī)械系統(tǒng)包括： ①防撞牽拉裝置；②驅(qū)動(dòng)密封裝置；③骨架支撐裝置；④探測機(jī)械手臂裝置；⑤電子密封裝置；⑥發(fā)射頂球裝置等，其構(gòu)成如圖2 所示。

圖2 驗(yàn)收檢測器機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.2 Mechanical system of the inspection tools

其作用為： 防撞牽拉裝置起到防撞設(shè)備本體與管壁或收球盲板碰撞及導(dǎo)引設(shè)備牽拉出管；驅(qū)動(dòng)密封支撐裝置起到封閉驅(qū)動(dòng)源建立壓差、驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行及兼顧設(shè)備支撐居中作用；骨架支撐裝置起到設(shè)備連接成體系且具有強(qiáng)度、剛度；探測機(jī)械手臂裝置起到與被測管壁直接觸及，感應(yīng)管壁變化情況，經(jīng)磁敏感傳感器檢測到此種變化；輔助密封支撐裝置起到過三通、彎頭設(shè)備仍能建立有效壓差驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行、且起到支撐設(shè)備居中之作用；電子密封裝置起到所有電子存儲(chǔ)及供電系統(tǒng)在高壓狀態(tài)能安全工作之用；發(fā)射頂球裝置起到設(shè)備發(fā)射頂入管道之作用。其中關(guān)鍵部件有驅(qū)動(dòng)密封皮碗、骨架及探測機(jī)械手臂裝置。

2.2 驗(yàn)收檢測器機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念

（1）輕量化設(shè)計(jì)理念。骨架是設(shè)備的基礎(chǔ)，所有系統(tǒng)及裝置都搭載其上，也是設(shè)備重量中心。為使驗(yàn)收檢測器運(yùn)行阻力小，在確保安全的情況下，須盡量減輕設(shè)備重量，即進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化及選材優(yōu)化盡量減輕設(shè)備重量。

選材優(yōu)化時(shí)須重點(diǎn)考量以下材料性能： 耐蝕性、耐溫性、高強(qiáng)度及耐沖擊等性能。經(jīng)過試驗(yàn)測試，鈦合金為理想材料。

（2）穩(wěn)定檢測設(shè)計(jì)理念。新建管道現(xiàn)場條件比較差，空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)及氣體壓縮、膨脹性，檢測器運(yùn)行中為走走停停狀態(tài)，即空氣壓縮所建立的壓差推動(dòng)設(shè)備運(yùn)行，而后壓縮空氣膨脹，設(shè)備減速運(yùn)行直至設(shè)備停止運(yùn)行，空氣繼續(xù)壓縮達(dá)到推動(dòng)設(shè)備運(yùn)行壓差，設(shè)備再次起運(yùn)，往復(fù)于此運(yùn)行模式。設(shè)備運(yùn)行速度雖不勻速，但檢測數(shù)據(jù)要求平穩(wěn)，即要求設(shè)備不抖動(dòng)、不振動(dòng)、支撐剛度好、居中性能好。

基于上述思考，支撐密封裝置及檢測機(jī)械手臂裝置應(yīng)該有優(yōu)良的密封性能、彈性性能、可壓縮性能、支撐性能及耐磨性能。采用聚氨酯材料作為驅(qū)動(dòng)及檢測部件，即密封支撐皮碗及檢測皮碗，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其具備良好的支撐性能、密封性能、耐磨性能，達(dá)到檢測信號穩(wěn)定性能要求。

2.3 驗(yàn)收檢測器機(jī)械系統(tǒng)關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)

（1）支撐密封皮碗設(shè)計(jì)。檢測器在輸氣管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，壓差驅(qū)動(dòng)皮碗與管道內(nèi)壁壓緊，管道的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)皮碗的剛度，管道變形及管道焊縫等變化均會(huì)引起驅(qū)動(dòng)皮碗變形，但因皮碗及壓縮空氣都具有良好的壓縮彈性，故檢測器須有良好的防抖性能及自動(dòng)居中性能。但皮碗的結(jié)構(gòu)形式、材料、性能很大程度上影響了檢測器在管道中運(yùn)行的姿態(tài)與受力狀況。對以往在役油氣管線所用皮碗結(jié)構(gòu)性分析如下： ①油管線皮碗結(jié)構(gòu)及其性能。油線管道采用碟皮碗結(jié)構(gòu)，如圖3（a）所示。由于液體（尤其是原油）具有潤滑作用，輸油管道中檢測器的啟動(dòng)壓差和滑動(dòng)摩擦系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸氣管道[3]。使用時(shí)，皮碗整個(gè)唇邊與管內(nèi)壁接觸，與管道接觸面較大，這種結(jié)構(gòu)的皮碗應(yīng)用在氣管道時(shí)，摩擦力將成倍增加，消耗更多的驅(qū)動(dòng)能量，且會(huì)造成設(shè)備運(yùn)行過程中頻繁啟停及瞬時(shí)速度過大等現(xiàn)象；②氣管線皮碗結(jié)構(gòu)形式及性能。氣線管道，為了減小摩擦力，將蝶形皮碗加工成半球形，抗沖擊減振性能好，如圖3 （b）所示。密封皮碗與管道內(nèi)壁的接觸形式由面接觸改為類似線接觸，此時(shí)皮碗的主要作用為密封，支撐力相對蝶形皮碗而言有所不足，在長距離運(yùn)行易造成皮碗偏磨，導(dǎo)致密封支撐失效，發(fā)生卡堵球事故；③驗(yàn)收檢測器皮碗結(jié)構(gòu)形式及性能。對上述兩種皮碗分析可知，現(xiàn)有在役氣線皮碗及油線皮碗的結(jié)構(gòu)形式均不適應(yīng)新建管線驗(yàn)收檢測器。

圖3 三種類型皮碗結(jié)構(gòu)Fig.3 Three types of cup structure

結(jié)合油、氣線皮碗的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)根部類似油線皮碗，充分利用它的支撐能力，把油線皮碗的腰線第一道角度稍增大一點(diǎn)，支撐能力減弱不大，而在腰部，仿氣線皮碗的圓弧，再設(shè)計(jì)一條腰線；再者，由于管道驗(yàn)收采用空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)，環(huán)境類似氣線管道檢驗(yàn)，設(shè)計(jì)時(shí)唇邊應(yīng)短一些，但是前端無備壓，檢測器在管道如果姿態(tài)不正，后端壓力持續(xù)升高，唇邊過短則摩擦阻力小，會(huì)發(fā)生檢測器由靜止到運(yùn)動(dòng)時(shí)，瞬時(shí)推力極大，檢測器加速度和速度過大，檢測器和管道之間的沖擊力過大，造成檢測器和管道雙重傷害，所以，驗(yàn)收檢測器皮碗唇邊需要一定的長度，增加檢測器運(yùn)行的摩擦力，如圖3（c）所示。

（2）檢測機(jī)械手臂裝置的設(shè)計(jì)。驗(yàn)收檢測器檢測采用空氣壓縮機(jī)打壓，檢測器前端無備壓，檢測器運(yùn)行模式為加速、減速、停止等反復(fù)過程，瞬時(shí)速度大（30～50m/s），速度波動(dòng)范圍大（0～50m/s），探頭直接跟管壁接觸時(shí)探頭受沖擊力較大，探頭信號不穩(wěn)，容易發(fā)生跳動(dòng)，信號質(zhì)量差，可靠性下降；為減小探頭所受沖擊，減小振動(dòng)，同時(shí)防止破壞管道內(nèi)涂層，考慮給探頭增加緩沖，采用了一種新的方式，主探頭置于皮碗下面，探頭皮碗采用分瓣式，分瓣數(shù)量主要考慮單瓣皮碗有效作用范圍及整體上保證周向全覆蓋。

（3）驗(yàn)收檢測器三維實(shí)體模型。經(jīng)對驗(yàn)收檢測器關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)后，整機(jī)采用三維設(shè)計(jì)，一次完成驗(yàn)收檢測器機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、干涉檢查及力學(xué)計(jì)算，驗(yàn)收檢測器三維實(shí)體模型如圖4 所示。

圖4 Φ1016 驗(yàn)收檢測器實(shí)體模型Fig.4 Φ1016 inspection tools' 3D model

3 驗(yàn)收檢測器牽拉實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過設(shè)計(jì)、加工、裝配、調(diào)試及關(guān)鍵部件試驗(yàn)，完成了新建管道驗(yàn)收檢測器開發(fā)，通過整機(jī)性能試驗(yàn)，采集了人工缺陷數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析軟件分析，驗(yàn)證了檢測信號良好，檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。牽拉數(shù)據(jù)分析截圖如圖5 所示。

圖5 驗(yàn)收檢測器牽拉數(shù)據(jù)分析圖Fig.5 Data analysis of inspection tools' pull test

4 工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用

管道驗(yàn)收檢測器由中油管道檢測技術(shù)責(zé)任有限公司應(yīng)用，用于中緬管道投產(chǎn)前檢測工業(yè)現(xiàn)場。進(jìn)行了一千多公里檢測作業(yè)，成功地采集了管道相關(guān)特征信息，指導(dǎo)了大變形部位開挖換管作業(yè)等整改措施，確保了中緬管線安全投產(chǎn)。

5 結(jié)論

管道驗(yàn)收檢測器為新型管道內(nèi)檢測器分型設(shè)備，其產(chǎn)生于新建管道智能檢測需要，且現(xiàn)有在役管道檢測設(shè)備無法應(yīng)用于新建管線檢測，傳統(tǒng)的驗(yàn)收方法不能滿足管道運(yùn)行安全要求，故此形成新的分支形式。本文分析了新建油氣管道的缺陷成因、缺陷特征及缺陷潛在危害性，提出了預(yù)投產(chǎn)管道智能驗(yàn)收檢測必要性及裝備實(shí)施可行性。依據(jù)新建管道環(huán)境特點(diǎn)及工業(yè)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)條件，建立了管道驗(yàn)收檢測器功能結(jié)構(gòu)模型，提出了驗(yàn)收檢測器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新思想，采用三維設(shè)計(jì)及整機(jī)牽拉測試，取得了首次發(fā)球成功及完成了中緬管道全線驗(yàn)收檢測任務(wù)。工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用，表明本文設(shè)計(jì)理念正確，驗(yàn)證手段科學(xué)。新型驗(yàn)收檢測器研制成功為新建管道及預(yù)建管道科學(xué)驗(yàn)收及完整性管理奠定了技術(shù)基礎(chǔ)及設(shè)備保障。

[1] 黃春芳，等.油氣管道設(shè)計(jì)與施工[M].北京：中國石化出版社，2008.

[2] 胡鐵華，劉紅旗，汪華軍，張永江.管道內(nèi)檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)建模及實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，5.

[3] 洪險(xiǎn)峰，嚴(yán)舒.管道通徑檢測技術(shù)及其在新線上的應(yīng)用[J].石油科技論壇，2008，1.