崔堯堯，陳世利，趙吉波，郭世旭，黃新敬

1.天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院，天津 300192 2.天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072

0 引言

海底管道被譽(yù)為海上油氣田開(kāi)發(fā)的生命線，是一種高效、經(jīng)濟(jì)可靠的油氣輸送方式。實(shí)踐已經(jīng)證明，管道輸送是海洋油氣輸送的最有效和最安全的方式。為盡早采取補(bǔ)救措施以清除管道運(yùn)行的潛在安全隱患，必須定期對(duì)管道進(jìn)行檢查和安全評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)因腐蝕、老化、裂紋、變形引起的微小泄漏。

針對(duì)海底管道微小泄漏檢測(cè)，本文提出了球形內(nèi)檢測(cè)器（智能球）方案：法蘭式密封球殼內(nèi)裝載水聽(tīng)器、慣導(dǎo)模塊和磁傳感器、電路板、電源模塊等。智能球隨管內(nèi)液體一起流動(dòng)，沿途采集管內(nèi)泄漏聲音信息、自身運(yùn)動(dòng)信息和管內(nèi)磁場(chǎng)信息。球形內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)行至出口處被取出，將其自身的USB接口連接至PC上位機(jī)，經(jīng)過(guò)上位機(jī)信號(hào)處理后，確定泄漏量和泄漏位置。同時(shí)，為了適應(yīng)不同尺寸（內(nèi)徑203～711mm，即8～28 in）的管道，需要設(shè)計(jì)不同的智能球。不同的智能球，其內(nèi)部核心部分不變，變化的是球的壁厚和外徑。球在管道中靠液體介質(zhì)的推力前進(jìn)，為了得到球受到的推力與球的外徑、密度等的關(guān)系，用FLUENT進(jìn)行仿真，從而確定了能使球順利通過(guò)管道時(shí)球的外徑應(yīng)滿足的條件。接著用Solid Works和ANSYSWorkbench對(duì)球的壁厚與承壓之間的關(guān)系進(jìn)行了仿真，從而確定了在不同外徑下球的壁厚。最后設(shè)計(jì)出所有工況下球的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

1 總體設(shè)計(jì)

球殼內(nèi)部需放置水聽(tīng)器、慣導(dǎo)模塊和磁傳感器、電路板、電源模塊等部件，為了使小空間內(nèi)能容納下這些部件，必須對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃布局，使得空間利用率盡量高，同時(shí)保證其性能不受影響。

為了保證智能球在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，球的重心應(yīng)盡量與球心重合，所以球殼內(nèi)部部件的擺放應(yīng)盡量對(duì)稱(chēng)（如電路板設(shè)計(jì)成對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，電池盒、電池應(yīng)對(duì)稱(chēng)擺放等）。此外，內(nèi)部質(zhì)量較大的是電池、電池盒與磁傳感器，它們對(duì)重心位置的影響較大，布局時(shí)在保證它們左右對(duì)稱(chēng)的同時(shí)，上下重量應(yīng)盡量平分。電路板一共有四塊，所以上下半球各放兩塊。最終的布局如圖1所示。

圖1 內(nèi)徑203mm（8 in）管道的智能球整體布局（截面）

圖1中1與2是鋁合金球殼；3是堵頭，傳感器采集的信息從此處傳出來(lái)，送至上位機(jī)；4是電池盒，內(nèi)部裝了10個(gè)電池用于供電（兩邊各5個(gè)）；5是慣導(dǎo)模塊；6是磁傳感器；7是水聽(tīng)器；8是水聽(tīng)器調(diào)理電路板；9是ARM核心板；10是接口電路板；11是電源電路板；12是聚氨酯外殼；13是O型圈，起密封作用。

為了降低檢測(cè)器的成本與質(zhì)量，當(dāng)管道內(nèi)徑大于305 mm（12 in）時(shí)，采用了另一套方案，如圖2所示。

圖2中，1是內(nèi)徑203mm（8 in）管道的智能球核心部分（除去聚氨酯外殼）；2是聚氨酯外殼，外殼上開(kāi)有很多孔，從而使外殼不承壓；3是起支撐固定作用的法蘭片。當(dāng)管道尺寸變化時(shí)，只需改變2和3即可，核心部分1不用改變，從而大大降低了研發(fā)成本。

2 各部件選材

智能球作為壓力容器，壓力、溫度和工作時(shí)介質(zhì)特性是需要重點(diǎn)考慮的三大環(huán)境要素。

圖2 內(nèi)徑大于305mm（12 in）管道的智能球布局

管道壓力在10MPa以內(nèi)，這是智能球運(yùn)行時(shí)的主要外力，會(huì)在殼體中產(chǎn)生一次應(yīng)力；如果球殼材料的屈服極限過(guò)小，那么一次應(yīng)力很可能超過(guò)殼體材料的承載能力，導(dǎo)致容器裂損或變形，造成事故，所以應(yīng)選擇屈服極限大的材料。容器的設(shè)計(jì)溫度是指在正常操作情況時(shí)，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力條件下，殼壁或受壓元件能達(dá)到的最高或最低溫度。管道內(nèi)介質(zhì)溫度在30～80℃之間，所以選擇的材料應(yīng)在此溫度范圍內(nèi)性質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生力學(xué)變化。實(shí)際投入使用時(shí)，介質(zhì)為原油，所選材料應(yīng)具有較好的耐原油腐蝕性能，在原油中長(zhǎng)期浸泡，性質(zhì)不會(huì)發(fā)生改變。另外，因?yàn)橹悄芮蛞杉艿纼?nèi)的聲音信號(hào)，所以外殼應(yīng)有比較好的減振效果，以降低噪聲，提高信噪比?？紤]了上述這些因素，最終選擇了鋁合金作為外殼，外面包裹一層聚氨酯材料。

3 密封設(shè)計(jì)

智能球在管道中運(yùn)行時(shí)，密封是一個(gè)很重要的條件。

若密封不好，石油將滲入智能球內(nèi)部，引起電路短路，

導(dǎo)致器件無(wú)法使用等嚴(yán)重后果，從而使得檢測(cè)失敗。主要有三個(gè)部位需要密封：上下半球連接處、堵頭處、水聽(tīng)器處。

3.1 法蘭式密封

上下半球的連接采用法蘭式密封連接，如圖3所示。法蘭盤(pán)上均勻分布了8個(gè)孔，用來(lái)緊固上下半球。

常見(jiàn)的法蘭密封面有平面、凹凸面、榫槽面及特殊面。幾種密封形式各自有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的場(chǎng)合，對(duì)比見(jiàn)表1。從表1中可以看出，第四類(lèi)中的矩形槽并配用O型圈方式適合高壓管道內(nèi)密封，它和智能球的密封要求最為相近，因此選用此密封形式。

法蘭密封面的表面粗糙度是影響密封性能的重要因素之一。在法蘭面密封性試驗(yàn)中，同樣壓力條件（空氣壓力0.49 MPa），同樣墊圈條件下（金屬包石棉墊），法蘭密封面的表面粗糙度為3.2μm時(shí)，發(fā)生微漏現(xiàn)象；當(dāng)把表面粗糙度減到1.6μm時(shí)，就達(dá)到了較好的密封效果。

圖3 法蘭式密封

表1 法蘭面密封形式對(duì)比

聚四氟乙烯O型圈具有耐高溫，耐低溫，耐腐蝕，耐氣候，高潤(rùn)滑，不黏附，無(wú)毒害等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)法蘭粗糙度的要求為6.3μm，能達(dá)到較好的密封效果。所以選用的是聚四氟乙烯O型圈。

3.2 堵頭密封

為了能與上位機(jī)進(jìn)行通信，將智能球采集到的信號(hào)傳輸給上位機(jī)，就要在智能球一端開(kāi)一個(gè)孔，并把接口電路板放置于此。此處的密封就是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

如圖4所示，堵頭為T(mén)型，T型上面部分是螺紋，用來(lái)連接固定；下面部分開(kāi)有一個(gè)槽，將O型圈放入其中用于密封。

3.3 水聽(tīng)器密封

為了使水聽(tīng)器能更好地采集到聲音信號(hào)，需要將水聽(tīng)器裸露在外面。所以在小球的另一端開(kāi)一個(gè)孔，用來(lái)安裝水聽(tīng)器，此處也需要進(jìn)行密封。如圖5所示，水聽(tīng)器上有一個(gè)凹槽，里面放入O型圈，用于密封。

4 球殼壁厚設(shè)計(jì)

分別用Solid Works和ANSYSWorkbench兩種軟件對(duì)不同壁厚下的承壓情況進(jìn)行仿真，以確定最終壁厚。

圖4 堵頭

圖5 水聽(tīng)器

在Solid Works中，設(shè)置好材料屬性、所承受的壓力P等參數(shù)，最終仿真得出一個(gè)安全系數(shù)A。A×P就是智能球能承受的壓力值，這是球在一次循環(huán)載荷下所能承受的壓力值。

在ANSYS Workbench中，設(shè)置好材料屬性（包括S-N曲線）、所承受的壓力P、循環(huán)次數(shù)n等參數(shù)，最終仿真得出一個(gè)安全系數(shù)A。A×P就是智能球能承受的壓力值，這是球在n次循環(huán)載荷下所能承受的壓力值。

4.1 內(nèi)徑203mm（8 in）管道的仿真結(jié)果

（1）8mm壁厚。圖6是Solid Works的仿真結(jié)果；圖7是Workbench仿真結(jié)果，其中n值為1；圖8是Workbench仿真結(jié)果，其中n值為105。

從圖6可以看出，在Solid Works仿真下，8mm壁厚的球殼能承壓25.7 MPa（壓力10 MPa乘以安全系數(shù)2.57），這是1次載荷的結(jié)果。由圖7可以看出，在Workbench仿真下，8mm壁厚球殼在1次載荷下，能承壓27.6 MPa（10 MPa乘以安全系數(shù)2.76），與Solidworks的仿真結(jié)果基本一致。由圖8可以看出，在105次循環(huán)載荷下，能承壓18.1 MPa（10 MPa乘以安全系數(shù)1.81）。從不同的循環(huán)載荷次數(shù)的仿真結(jié)果中可以知道，8mm壁厚球殼在15MPa壓力下能運(yùn)行幾十萬(wàn)次。

圖6 Solid Works仿真結(jié)果

圖7 Workbench仿真結(jié)果（1次循環(huán)）

圖8 Workbench仿真結(jié)果（105次循環(huán)）

（2）6mm壁厚。經(jīng)過(guò)仿真得到：在Solid Works仿真下，6mm壁厚球殼能承壓20.6MPa，這是1次載荷的結(jié)果。在Workbench仿真下，8mm壁厚球殼在1次載荷下，能承壓22.9 MPa，與Solid Works的仿真結(jié)果基本一致。在105次循環(huán)載荷下，能承壓15MPa。從不同的循環(huán)載荷次數(shù)的仿真結(jié)果中可以知道，6mm壁厚在15MPa壓力下能運(yùn)行十萬(wàn)次左右。

（3）5mm壁厚。同以上分析可得：5mm壁厚在15MPa壓力下能運(yùn)行幾千次。

（4）壁厚選擇。考慮到實(shí)際管道中承受的壓力大小最高不超過(guò)10MPa，同時(shí)，可能還有一些其他因素的影響，為了安全起見(jiàn)，選擇能夠在15 MPa壓力下運(yùn)行幾萬(wàn)次到幾十萬(wàn)次的壁厚，所以選擇8mm壁厚（若質(zhì)量太大，可以選擇6mm壁厚）。

4.2 內(nèi)徑254mm（10 in）管道的仿真結(jié)果

同以上分析步驟，8 mm壁厚球殼在15 MPa壓力下能用超過(guò)10萬(wàn)次，6mm壁厚球殼在15 MPa壓力下能用1萬(wàn)次左右，所以最終選擇8mm壁厚。

4.3 內(nèi)徑305mm（12 in）管道的仿真結(jié)果

同以上分析步驟，6mm壁厚球殼在15MPa壓力下一次也用不了；8 mm壁厚球殼在15 MPa下能用幾千次；10mm壁厚球殼在15MPa下能用幾萬(wàn)次。所以最終選擇10mm壁厚。

4.4 內(nèi)徑356mm（14 in）及以上管道的仿真結(jié)果

當(dāng)管道內(nèi)徑≥356mm時(shí)，基于對(duì)研發(fā)成本的考慮，改變一種結(jié)構(gòu)：選擇內(nèi)徑203mm（8 in）管道采用的智能球去掉聚氨酯外殼后作為核心部分，外面再套一層外殼，外殼尺寸應(yīng)使得球能通過(guò)豎立管道。外殼上開(kāi)有孔，所以不承壓，由于核心部分未變，所以承壓仍滿足條件。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)球形內(nèi)檢測(cè)器的總體布局進(jìn)行了設(shè)計(jì)，再對(duì)外殼的選材進(jìn)行了分析，最終確定了采用鋁合金材料外殼和聚氨酯材料外殼，接著對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵部位的密封進(jìn)行了闡述。然后分析了不同內(nèi)徑的管道中智能球壁厚需要滿足的條件，最終確定了內(nèi)徑203mm（8 in）管道智能球壁厚為8mm，內(nèi)徑254mm（10 in）管道智能球壁厚為8mm，內(nèi)徑305mm（12 in）管道智能球壁厚為10mm。

[1]吳光中，宋婷婷，張毅.FLUENT基礎(chǔ)入門(mén)與案例精通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

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