戴 波,李雁飛,楊 光,周澤彧,3,盧 浩,3

(1.北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院，北京 102617；2.中國自動化控制系統(tǒng)總公司，北京 100026; 3.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

差壓式管道內(nèi)檢測器自平衡泄流調(diào)速裝置研究

戴 波1,李雁飛1,楊 光2,周澤彧1,3,盧 浩1,3

(1.北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院，北京 102617；2.中國自動化控制系統(tǒng)總公司，北京 100026; 3.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

管道內(nèi)檢測器的運行速度對于其缺陷檢測精度有著重要的影響?，F(xiàn)有泄流調(diào)速裝置大多采用電機驅(qū)動閥門的方式來實現(xiàn)對內(nèi)檢測器速度的精確控制，但由于內(nèi)檢測器在線檢測作業(yè)時受距離以及電池容量等問題的制約，在現(xiàn)有技術(shù)條件下這種方法難以實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。為解決這個問題，建立了一種泄流狀態(tài)下內(nèi)檢測器的流場數(shù)值模型。針對該模型進行了數(shù)值模擬和受力分析，設(shè)計了一種由弧三角形調(diào)節(jié)片作為調(diào)節(jié)單元、結(jié)構(gòu)簡單實用的無源自平衡式泄流調(diào)速裝置，并針對該泄流裝置進行了速度控制試驗。試驗結(jié)果表明，該自平衡式泄流調(diào)速裝置能對內(nèi)檢測器的驅(qū)動力進行有效調(diào)節(jié)，控制其速度在短時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。該泄流裝置無需考慮裝配電子器件和密封問題，具有很強的實用性和重要的工程應(yīng)用價值。

石油； 天然氣； 檢測； 差壓； 調(diào)速裝置； 流量； 自平衡

0 引言

隨著石油及天然氣管道事業(yè)的迅猛發(fā)展，在役油氣管道質(zhì)量問題越來越受到人們的關(guān)注。工業(yè)園區(qū)內(nèi)危險化學(xué)品及油氣的輸送管道問題頻出。目前，管道內(nèi)檢測技術(shù)是保證管道安全運行的有效方法之一[1-3]。管道內(nèi)檢測的檢測精度與檢測效率均受運行速度的影響，所以只有使其運行速度保持在合適的范圍內(nèi)，才能保證檢測精度及效率[4-6]。國內(nèi)外眾多的研究機構(gòu)設(shè)計了多種類型的泄流調(diào)速裝置。由于前人設(shè)計的調(diào)速裝置均采用調(diào)速電機來驅(qū)動閥門，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、長距離調(diào)速過程中電機耗電量較大[7-8]等特點，因而難以實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

為解決這個問題，本文在對泄流裝置流場進行數(shù)值模擬和受力分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種自動調(diào)節(jié)的泄流調(diào)速裝置，使內(nèi)檢測器的速度在短時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。試驗結(jié)果表明，該自平衡式泄流調(diào)速裝置可以克服復(fù)雜多變的流場帶來的壓力波動干擾，能有效調(diào)節(jié)內(nèi)檢測器在管道內(nèi)的運動速度。

1 泄流調(diào)速裝置的數(shù)值模擬

1.1 建立流場數(shù)值模型

計算流體力學(xué)的主要研究內(nèi)容是通過計算機和數(shù)值方法來求解流體力學(xué)的控制方程，主要包括連續(xù)性方程、能量守恒方程和動量守恒方程等，從而對流體力學(xué)問題進行模擬和分析[9-11]。對泄流調(diào)速裝置進行數(shù)值模擬，研究泄流面積與周圍流場之間的關(guān)系，需要將泄流面積不同的內(nèi)檢測器作為研究對象，建立其在管道內(nèi)的數(shù)值模型并展開數(shù)值計算，從而為泄流裝置的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

管道內(nèi)流體運動控制方程的顯著特點是自變量多且方程大多為非線性，采用解析方法很難獲得理想的計算結(jié)果，而通過計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)方法則可以找出滿足實際工程需要的數(shù)值解[12]。從數(shù)值模擬角度來說，泄流調(diào)速裝置的復(fù)雜結(jié)構(gòu)也給幾何模型的計算帶來了一定難度。通過查閱資料，當(dāng)管道內(nèi)檢測器中的泄流孔采用單孔漸擴型結(jié)構(gòu)時，其下游流場的運動狀態(tài)比其他結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，更有利于實現(xiàn)檢測器在管道中的穩(wěn)定運行[13]。因此，本文采用4副弧三角形調(diào)節(jié)片構(gòu)建了一個簡易的泄流調(diào)速裝置幾何模型，并對該模型建立數(shù)值模型。對數(shù)值模型進行仿真分析，所獲得的計算結(jié)果能較真實地反映調(diào)節(jié)片展開度與流場內(nèi)壓力分布之間的關(guān)系。

本文利用AutoCAD軟件繪制了一根水平直管道，將其作為帶有泄流調(diào)速裝置的管道內(nèi)檢測器在管道內(nèi)的流場區(qū)域。管道水平長度為2 336 mm，管徑為100 mm。試驗?zāi)Ｐ烷L146 mm，啟動位置位于離管道進口730 mm處。設(shè)置調(diào)節(jié)片展開度為5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°的泄流調(diào)速裝置作為研究對象，進行數(shù)值模擬計算[14-17]。以泄流調(diào)速裝置中的調(diào)節(jié)片展開35°時的流場為模型，進行三角形網(wǎng)格劃分。泄流調(diào)速裝置所在流場網(wǎng)格劃分局部放大圖如圖1所示。

圖1 流場網(wǎng)格劃分局部放大圖

網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響模型數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在完成流場模型的網(wǎng)格劃分后，通過對網(wǎng)格質(zhì)量進行檢驗以判斷是否達(dá)到數(shù)值計算的要求。流場模型的網(wǎng)格質(zhì)量匯總?cè)绫?所示。

表1 流場模型的網(wǎng)格質(zhì)量匯總

網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣以0～1之間的實數(shù)表示，其中0表示網(wǎng)格質(zhì)量最優(yōu)，1表示網(wǎng)格質(zhì)量最差。從表1可知，[0,0.01)的網(wǎng)格數(shù)量為793 476，占總量的99.29%；[0.4,0.5)的網(wǎng)格質(zhì)量最差，數(shù)量為68，占總量的0.01%。由此可見，上述流場模型的網(wǎng)格質(zhì)量良好，滿足管道內(nèi)檢測器周圍流場數(shù)值模擬的要求。

1.2 不同展開度條件下流場壓力分布

通過模擬泄流調(diào)速裝置調(diào)節(jié)片展開度分別為5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°時,管道內(nèi)檢測器泄流調(diào)速裝置所處流場的狀態(tài)，觀察在相同工況條件下調(diào)節(jié)片不同展開度時內(nèi)檢測器所處流場壓力分布情況。

當(dāng)展開度為15°時，泄流裝置前端壓力近似為5.53e+4，尾端壓力近似為6.02e+4；當(dāng)展開度為25°時，泄流裝置前端壓力近似為5.22e+4，尾端壓力近似為5.26e+4；當(dāng)展開度為35°時，泄流裝置前端壓力近似為5.08e+4，尾端壓力近似為5.11e+4；當(dāng)展開度為45°時，泄流裝置前端壓力近似為5.03e+4，尾端壓力近似為5.05e+4。在管道入口和出口邊界條件一樣的情況下，泄流裝置中調(diào)節(jié)片的展開度決定了泄流面積的大小，進而直接影響管道內(nèi)水流的壓力分布。調(diào)節(jié)片的展開度越大，管道內(nèi)檢測器在接近管道出口邊界端流場的壓力值越小，接近入口邊界端流場的壓力值越大，進而內(nèi)檢測器前后端壓力差隨調(diào)節(jié)片展開度的增大而不斷增小。因此，通過改變調(diào)節(jié)片的展開度，可以有效調(diào)節(jié)管道內(nèi)檢測器的驅(qū)動壓差，進而調(diào)節(jié)其運行速度。

2 泄流調(diào)速裝置調(diào)節(jié)單元的受力分析

基于前述泄流調(diào)速裝置模型，在獲得泄流調(diào)速裝置周圍流場壓力分布的情況下，結(jié)合不同展開度時調(diào)節(jié)片的軸向有效受力面積，可計算出調(diào)節(jié)片所受水流沖擊力和內(nèi)檢測器所受驅(qū)動力的大小。調(diào)節(jié)片展開度、所受沖擊力和試驗?zāi)Ｐ退茯?qū)動力關(guān)系結(jié)果如表2所示。

表2 展開度、沖擊力及驅(qū)動力的關(guān)系

調(diào)節(jié)片所受水流驅(qū)動力與調(diào)節(jié)片展開度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 驅(qū)動力與調(diào)節(jié)片展開度的關(guān)系示意圖

由圖2可以看出：在調(diào)節(jié)片展開度為5°～10°的范圍內(nèi)，內(nèi)檢測器所受驅(qū)動力變化曲線斜率較大，從管道內(nèi)檢測器速度控制穩(wěn)定性角度考慮，應(yīng)該盡量避免此類情況發(fā)生；而展開度在30°～45°的范圍內(nèi)，檢測器所受驅(qū)動力基本沒有變化，對其速度控制的影響可忽略不計。

3 自平衡式泄流調(diào)速裝置設(shè)計

3.1 泄流調(diào)速原理

傳統(tǒng)無泄流調(diào)速裝置的內(nèi)檢測器通過調(diào)節(jié)管道輸送流量進而控制管道內(nèi)檢測器運動速度。該方法存在調(diào)速誤差大、滯后等缺點。通過在內(nèi)檢測器內(nèi)安裝泄流裝置，改變其前后兩端壓差進而改變其驅(qū)動力大小，可以靈活調(diào)節(jié)內(nèi)檢測器速度，并使其運動在穩(wěn)定的速度范圍內(nèi)。

在流體速度相對管道內(nèi)檢測器運動速度發(fā)生一定變化的情況下，泄流面積大小隨之改變，進而改變內(nèi)檢測器前后兩端的壓力差，并調(diào)節(jié)管道內(nèi)檢測器驅(qū)動力的大小。若流場的流速相對管道內(nèi)檢測器的運動速度不斷增大，則管道內(nèi)檢測器運動速度因首尾兩端壓差增大而呈增速的趨勢，此時需要增大管道內(nèi)檢測器的泄流面積，其前后壓差和驅(qū)動力隨之減?。蝗袅鲌龅牧魉傧鄬艿纼?nèi)檢測器的運動速度不斷減小，管道內(nèi)檢測器運動速度因首尾兩端壓差減小而呈減速的趨勢，此時需要減小管道內(nèi)檢測器的泄流面積，使其前后壓差和驅(qū)動力隨之增大，最終實現(xiàn)管道內(nèi)檢測器運動速度的調(diào)節(jié)。

3.2 泄流調(diào)速裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)泄流調(diào)速的原理及泄流裝置流場的數(shù)值模擬和受力分析，本文設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單的泄流調(diào)速裝置。裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 泄流調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)示意圖

以4副弧三角形薄片作為調(diào)節(jié)片，組合4副拉伸彈簧作為泄流面積的調(diào)節(jié)單元。其中，調(diào)節(jié)片一端連接鉸鏈，另一端連接拉伸彈簧，拉伸彈簧另一端固定在定位板上，定位板與側(cè)板間采用調(diào)距端蓋隔離。鉸鏈一端固定在側(cè)板上、另一端固定在調(diào)節(jié)片上，泄流面積調(diào)節(jié)單元中調(diào)節(jié)片的運動可簡化為繞固定鉸鏈的轉(zhuǎn)動，采用拉伸彈簧提供平衡力。

在該泄流調(diào)速裝置作用下，若流場的流速相對管道內(nèi)檢測器的運動速度不斷增大，則管道內(nèi)檢測器運動速度因首尾兩端壓差增大而呈增速趨勢；流體對調(diào)節(jié)片的沖擊力大于拉伸彈簧的拉力，調(diào)節(jié)片的轉(zhuǎn)動角度受其合力的作用而增大；管道內(nèi)檢測器的泄流面積增大，其前后壓差和驅(qū)動力隨之減小，管道內(nèi)檢測器運動速度的增速趨勢則得到有效地控制。同理，若流場的流速相對管道內(nèi)檢測器的運動速度不斷減小，管道內(nèi)檢測器運動速度因首尾兩端壓差減小而呈減速趨勢；拉伸彈簧的拉力大于流體對調(diào)節(jié)片的沖擊力，調(diào)節(jié)片的轉(zhuǎn)動角度受其合力的作用而減?。还艿纼?nèi)檢測器的泄流面積減小，其前后壓差和驅(qū)動力隨之增大，管道內(nèi)檢測器運動速度的減小趨勢也得到了有效的控制。

3.3 泄流調(diào)速裝置速度控制試驗

基于本文設(shè)計制作的自平衡式泄流調(diào)速裝置，在管內(nèi)流體介質(zhì)和流速相同的試驗條件下，分別對泄流面積一定的試驗?zāi)Ｐ秃脱b有自平衡式泄流裝置的試驗?zāi)Ｐ瓦M行速度控制試驗，以驗證自平衡式泄流調(diào)速裝置的泄流調(diào)速功能。

在進行泄流調(diào)速裝置調(diào)速性能驗證試驗前，結(jié)合前文對泄流調(diào)速裝置模型的受力分析，調(diào)節(jié)片正常工作時展開度應(yīng)為10°～30°，結(jié)合裝置的實際尺寸結(jié)構(gòu)，可計算得出所設(shè)計制作的泄流調(diào)速裝置在正常工作狀態(tài)下，泄流面積約為管道橫截面面積的1.9%～6.5%。為增強試驗的對比性，本文選擇泄流面積恒為管道橫截面面積4%的試驗?zāi)Ｐ团c帶有自平衡式泄流調(diào)速裝置的試驗?zāi)Ｐ瓦M行速度控制對比試驗。

在試驗過程中，通過手動閥門控制測試段內(nèi)水流流量的不斷上升。當(dāng)試驗?zāi)Ｐ瓦\行到測試段出口處時，管內(nèi)水流量升至13.5 m3/h。在此過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別采集測試段內(nèi)水流流量的變化及兩個試驗?zāi)Ｐ驮诟鞫蝺?nèi)的平均運動速度。

通過對比試驗結(jié)果可知，兩組試驗過程中測試段內(nèi)水流流量的變化趨勢及其參數(shù)值基本相同。通過試驗?zāi)Ｐ驮诟鏖L度相等管段內(nèi)的平均運動速度分布，運用Matlab工具將試驗?zāi)Ｐ驮诟鞴芏蝺?nèi)的平均運動速度進行曲線擬合，以近似獲得試驗?zāi)Ｐ驮跍y試段內(nèi)的速度隨時間的分布曲線，如圖4所示。

圖4 試驗?zāi)Ｐ瓦\動速度-時間變化曲線對比圖

通過對比分析以上兩組試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果及試驗?zāi)Ｐ偷倪\動狀態(tài)可知，泄流調(diào)速裝置在試驗過程中能有效、自動地實現(xiàn)對試驗?zāi)Ｐ偷乃俣瓤刂?，顯示出其較強的泄流調(diào)速功能。

4 結(jié)束語

本文通過對泄流調(diào)速裝置的流場進行數(shù)值模擬和受力分析，設(shè)計并制作了一種自平衡式泄流調(diào)速裝置，介紹了其工作原理及主要結(jié)構(gòu)，并針對固定泄流面積的試驗?zāi)Ｐ秃图友b有自平衡式泄流調(diào)速裝置的試驗?zāi)Ｐ瓦M行速度控制對比試驗。試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的自平衡式泄流調(diào)速裝置具有較強的泄流調(diào)速功能，能緩解復(fù)雜多變的流場帶來的壓力波動干擾，可有效控制管道內(nèi)檢測器試驗?zāi)Ｐ驮跍y試段內(nèi)的運行速度，使之運行在穩(wěn)定的速度范圍內(nèi)。

本文設(shè)計的自平衡式泄流調(diào)速裝置無需裝配任何電子元器件、電源，結(jié)構(gòu)簡易，應(yīng)用靈活，調(diào)節(jié)效果顯著，具有很強的實用性和重要的工程應(yīng)用價值。

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Research on the Self-Balancing Discharge Speed Regulating Device for Differential Pressure Inner Pipeline Detector

DAI Bo1,LI Yanfei1,YANG Guang2,ZHOU Zeyu1,3,LU Hao1,3

(1.College of Information Engineering,Beijing Institute of Petrochemical Technology,Beijing 102617,China； 2.China National Automation Control System Corporation,Beijing 100026,China; 3.College of Information Science & Technology,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)

The running speed of the inner pipeline detector greatly affects the detection accuracy of defects,most of existing discharge control device adopt the motor driven valve to realize accurate control of the speed of the detector,but the online detection of the inner detector is restricted by the distance and the battery capacity and other factors,this method is difficult to be widely used in existing technical conditions.In order to solve this problem,the flow field numerical model is established,and aiming at this model,the numerical simulation and force analysis are conducted,thus the simple structural passive self-balancing discharge speed regulating device is designed on the basis of analysis,in this device,anarc triangle adjustment sheet is used as the regulation unit,the speed control tests are conducted for this device.The test results show that this self-balancing discharge speed regulation device can effectively adjust the driving force of the inner detector,and control its speed to achieve a stable state in a short period of time.Besides,there is no need to consider the assembly of electronic components,and the sealing issue,it has strong practicability and important engineering application value.

Petroleum; Natural gas; Detection; Differential pressure; Speed regulation device; Flow； Self balance

科技部國家重點研發(fā)計劃基金資助項目(2016YFC0801502)、北京市教育委員會科技能力提升計劃基金資助項目(PXM2016_014222_000041)

戴波(1962—)，男，碩士，教授，主要從事現(xiàn)代檢測技術(shù)、長輸管道檢測、信號處理等方向的研究。E-mail：daibo@bipt.edu.cn。

TH7;TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705017

修改稿收到日期：2016-12-25