岳春梅 劉書海 肖華平

(中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院)

0 引 言

管道作為運輸油氣資源的主要方式之一，已被大規(guī)模建設[1-2]。隨著管道服役時間的延長，管道內(nèi)外會出現(xiàn)不同程度的損耗與缺陷，管道變形問題在管道服役期間屢有發(fā)生。管道的變形缺陷會影響運輸?shù)姆€(wěn)定性，降低運輸效率，嚴重的變形還會降低管道運輸?shù)目煽啃?，增加泄漏風險，造成安全隱患[3-5]。管道通徑檢測器是一種以測量管道內(nèi)部變形缺陷為主的幾何檢測儀表，目前其檢測方法主要分為接觸式檢測(Contact Testing，CT)和無損檢測(Non-Destructive Testing，NDT)2種。無損檢測技術涉及超聲波檢測(Ultrasonic Testing，UT)、漏磁檢測(Magnetic Flux Leakage，MFL)和渦流檢測(Eddy Current，EC)等[6-15]技術，其發(fā)展尚處于起步階段。由于無損檢測技術檢測成本高，且設備結構復雜、精密，易損壞[16]，管內(nèi)實際工況隨管道建設結構及管內(nèi)流體環(huán)境變化呈多樣性，精密儀器的應用存在局限性，所以該類檢測器尚未廣泛應用于管道變形檢測中。傳統(tǒng)的通徑檢測器采用機械接觸式檢測技術，具有結構簡單、通過性好、成本低、信號特征明顯、穩(wěn)定性高等特點，廣泛應用于管道通徑檢測中[17]。機械接觸式通徑檢測器隨著時代的進步而不斷革新，其檢測臂按檢測性質(zhì)可分為剛性檢測臂和柔性檢測臂2大類。剛性檢測臂又分為輪式、桿式和探針式3種[18]。由于剛性臂一般由鋼等常用金屬材料制成，其表面易被管內(nèi)流體環(huán)境腐蝕。工作過程中，剛性檢測臂的探頭還會對管道內(nèi)壁造成劃痕，破壞內(nèi)壁涂層。

柔性檢測是接觸式通徑檢測領域內(nèi)近年來新興的檢測技術。目前，柔性檢測按檢測臂的材質(zhì)可分為剛性臂的柔性檢測和柔性臂的柔性檢測2種。G.CANAVESE等[19]設計了一種彈片式泡沫球測徑清管器，其結構為在泡沫清管器尾部增加若干載有應力傳感器的剛性彈片檢測臂，集清管與變形檢測于一體，并在輸油管道中進行了現(xiàn)場測試，驗證了彈片式測徑清管器的實際檢測效果，但沒有研究影響檢測精度的因素。WANG H.等[20]研究了影響彈片式測徑清管器檢測臂檢測精度的因素，并開發(fā)了一種高度校正算法，以增加檢測的可靠性。由于制作彈片式檢測臂的材料是鋼等常見金屬，依然存在腐蝕與磨損管道內(nèi)壁等問題。熊毅等[21]提出將力傳感器搭載在泡沫清管器上，量化泡沫清管器的變形與應力之間的關系，得到管道內(nèi)部的變形信息。張行等[22]對柔性測徑技術進行了進一步探索，提出了一種新型柔性測徑清管器，其測徑盤由超彈性的聚氨酯材料制成，通過測量其遇阻時的應變變化，得到管道變形信息。然而目前對于柔性測徑清管器的研究很少，該技術仍然處于探索階段。

針對剛性檢測臂易被腐蝕和損傷管道內(nèi)壁的現(xiàn)象，以及柔性通徑檢測技術研究處于空白的現(xiàn)狀，筆者提出了一種基于柔性傳感技術的管道柔性通徑檢測器。其檢測臂由耐腐蝕的聚氨酯橡膠制成，測量面置入柔性彎度傳感器，通過檢測臂變形產(chǎn)生的彎曲角度量化管道的變形程度。本文以柔性檢測臂為研究對象，采用ABAQUS 2020有限元仿真軟件對檢測臂經(jīng)過管道內(nèi)凹陷缺陷的過程進行分析，并以橫截面邊長比為結構參數(shù)進行了結構優(yōu)化，確定了收集彎度的最佳位置。采用 3D 打印和鑄模技術制造了柔性檢測臂，進行管內(nèi)陷缺測量試驗并評估了柔性檢測臂的測量性能。

1 通徑檢測器結構設計及檢測原理

1.1 基于彎度測量的新型管通徑檢測器結構設計

與傳統(tǒng)的剛性管道變形檢測器相比，本研究提出了一種新型柔性通徑檢測器，如圖1所示。

1—碟式密封盤；2—柔性檢測臂；3—里程倉；4—里程輪；5—萬向節(jié)；6—電池倉7—電子倉。

它由密封盤、柔性檢測臂、電子倉、電池倉、萬向節(jié)、里程倉和里程輪組成。本結構中的密封盤選擇碟式密封盤，該種密封盤具有良好的密封性和較強的變形能力，可通過直徑為其自身直徑70%的管道[20]。密封盤的作用是支撐整個結構，并與管道形成密封，裝置由管內(nèi)輸送流體時產(chǎn)生的壓差驅(qū)動運行。柔性檢測臂均勻安裝在環(huán)形安裝座上組成檢測單元，每一節(jié)檢測單元以交叉排布的方式固定在檢測器骨架上，以提高周向檢測分辨率。電子倉用于置放測量元件等電子元件，收集并儲存運行過程中采集的信號。電池倉用于存放電池，以保證測量元件的供電。萬向節(jié)用于連接多節(jié)檢測器單元，并提供良好的轉向能力。里程輪用于記錄裝置的里程，里程信息被收集在里程倉中。

1.2 檢測原理

本研究設計的檢測臂是由超彈性的聚氨酯材料制成的長方體橡膠棒，具有一定的柔度，工作原理如圖 2a所示。

其中，定義管道內(nèi)半徑為Rp，Δp為壓差方向，即為柔性通徑檢測器的運動方向。柔性檢測臂在測量過程中，與被測缺陷接觸的一面定義為測量面(前面)，其表面置有彎度傳感器；與之對應面為后面。柔性檢測臂在接觸變形缺陷時，定義測量部分的整體長度為Lc，測量時測量部分的相對長度為Lr，測量部分相對于初始狀態(tài)的徑向減少長度為絕對變形長度La(即為變形缺陷的徑向尺寸)，其中：

Lr+La=Lc

(1)

管道凹陷缺陷如圖2b所示。設凹陷缺陷的徑向高度為Ha，A、B、C和D分別代表柔性檢測臂測量凹陷缺陷時的4個典型位置。當柔性檢測臂經(jīng)過缺陷時，檢測臂隨之變形并產(chǎn)生彎曲角度α，角度數(shù)值信號由置于測量面的彎度傳感器實時測量并記錄。管道的變形情況可以通過彎曲傳感器采集的彎曲角度α與檢測臂的絕對變形長度La之間的關系獲得。

圖2 測量過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring process

2 柔性檢測臂

2.1 柔性檢測臂結構

本研究設計的柔性檢測臂結構如圖3所示。長寬高分別為L、H1、H2。檢測臂由3部分組成：安裝部分(L1)、模塊部分(L2)和測量部分(L3)。安裝部分用于固定檢測臂；模塊部分用于放置傳感器信號采集模塊；測量部分作為檢測臂的主要部分，其測量面置有用于測量彎曲角度的彎度傳感器。本研究中，檢測臂總長度L為165 mm，安裝底座直徑為100 mm，新型通徑檢測器適用于直徑為DN400(Dp=426 mm)的管道。

圖3 柔性檢測臂結構示意圖Fig.3 Schematic diagram for structure of flexible detection arm

2.2 結構優(yōu)化

2.2.1 有限元模型及網(wǎng)格無關性

為研究檢測臂結構尺寸對檢測缺陷過程的影響，在ABAQUS 2020中建立柔性檢測臂與管道內(nèi)部凹陷缺陷的有限元模型。

柔性檢測臂采用Reoflex 30材料，以雙參數(shù)Arruda-Boyce為本構模型，其名義應力為45.56 MPa，名義應變?yōu)?0。管道凹陷大小通常由深度、長度和寬度決定[20]，因此將管道凹陷缺陷模型設計為半圓形凸面，尺寸為高10 mm，長100 mm，寬40 mm。

為提高運算速率，將凹陷處簡化為剛體，檢測臂與缺陷之間的摩擦因數(shù)定義為 0.4[23]。以表1中模擬案例3為例，檢測臂經(jīng)過凹陷缺陷的過程如圖4所示。表1中，i為邊長比，i=H1/H2。圖4表明，在通過缺陷的過程中，檢測臂的測量面和背面均出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，并且檢測臂與缺陷接觸處存在接觸壓力。在典型位置C處及缺陷頂點處，檢測臂所受應力達到最大值，并且應力集中在彎曲變形部分的頂部。

表1 不同模擬情況下柔性檢測臂參數(shù)Table 1 Flexible detection arm parameters under different simulation conditions

圖4 4個典型位置的模擬仿真結果Fig.4 Simulation results of four typical positions

為了驗證網(wǎng)格獨立性并確保網(wǎng)格元素質(zhì)量，柔性檢測臂使用六邊形網(wǎng)格劃分，凹陷缺陷為剛體使用三角形網(wǎng)格劃分。表1中的案例 3 用于網(wǎng)格獨立性分析。當網(wǎng)格密度為3.0、2.5，2.0和1.8 mm時，檢測臂在C點的最大應力分別為1.069、1.344、1.279和1.296 MPa。當單元密度為 3.0和 2.5 mm時，最大應力值相差25.72%；當網(wǎng)格密度為2.0和1.8 mm時，最大應力值相差 1.31%。結果表明，2.0和1.8 mm的網(wǎng)格密度具有良好的一致性，因此，構建的網(wǎng)格具有獨立性。為了縮短計算時間，最終選擇2.0 mm網(wǎng)格密度進行后續(xù)模擬。柔性檢測臂分為6 640個元素，缺陷分為2 402個元素。

2.2.2 基于橫截面邊長比的結構優(yōu)化

由圖3可知，檢測臂測量部分的頂部為彎度傳感器與模塊的銜接部位，此部位較為精密且容易被損壞，應力集中現(xiàn)象會影響彎度傳感器的測量性能，大面積的應力集中還會增加傳感器過度變形甚至失效的風險，因此需要對檢測臂受力進行分析。檢測臂的薄厚對應力集中位置、最大應力及最大接觸壓力產(chǎn)生一定的影響。

選取5種不同的邊長比結構，每組結構的詳細參數(shù)如表1所示，模擬不同邊長比的檢測臂經(jīng)過缺陷的過程。由于檢測臂在缺陷的典型位置C處具有最大的應力，所以選取每種結構在缺陷模型頂點處的仿真結果進行對比，如圖5所示。

圖5 不同邊長比結構的柔性檢測臂在典型位置C處的仿真結果及應力云圖(前、后面)Fig.5 Simulation results and stress cloud chart of flexible detection arms with different side ratio structures at typical position C (front and back)

由圖5可知，5種邊長比的結構應力集中位置均在測量部分的頂部。圖6為不同邊長比結構下檢測臂位于典型位置C處的最大應力與最大接觸應力變化情況。由圖6可知，最大應力與最大接觸應力均與i成正相關，且二者具有相似的變化趨勢。

圖6 不同邊長比結構的柔性檢測臂在典型位置C處的最大應力及最大接觸應力Fig.6 Maximum stress and maximum contact stress of flexible detection arms with different side ratio structures at typical position C

定義Y方向為U2，圖7為模擬過程中檢測臂接觸端隨時間在U2方向上的位移曲線。由圖7可知，在案例1～4中，檢測臂在下落過程中存在輕微的“彈跳”現(xiàn)象，邊長比為1時，幾乎不存在“彈跳”現(xiàn)象。仿真結果表明，在邊長比為1時，檢測臂在經(jīng)過缺陷過程中具有更好的穩(wěn)定性。

圖7 不同邊長比結構的柔性檢測臂接觸端在U2方向的位移Fig.7 Displacement of the contact end of flexible detection arms with different side ratio structures in the U2 direction

2.2.3 確定彎度采集處

在柔性檢測臂經(jīng)過凹陷過程中，其測量面受到拉應力并產(chǎn)生應變，不同位置因變形產(chǎn)生的彎曲角度不同，應以彎曲角度變化明顯且穩(wěn)定的位置為優(yōu)選。以案例5為例，沿檢測臂測量面中軸線方向上等距選取10個位置節(jié)點，如圖8a所示。10個位置節(jié)點處應變隨時間變化情況如圖8b所示。由圖8b可知，檢測臂測量面靠近頂端的節(jié)點1 與節(jié)點2在10個節(jié)點中應變變化比其他節(jié)點顯著，其中1節(jié)點在檢測臂到達缺陷最高處時，應變達到最大。在檢測臂測量面靠近接觸端的節(jié)點8～10中，出現(xiàn)應力波動情況，節(jié)點1～7應力變化在測量過程中趨勢穩(wěn)定，幾乎不出現(xiàn)波動。綜上所述，彎曲角度應在檢測臂測量部分軸線方向靠近頂部位置，有利于提升檢測系統(tǒng)的靈敏度與穩(wěn)定性。

圖8 測量面不同位置節(jié)點及節(jié)點的應變-時間曲線Fig.8 Nodes at different positions of measuring face and strain-time curves of the nodes

3 測量性能分析

3.1 制造工藝

本文采用基于軟體機器人技術與3D打印技術相結合的方法制造新型柔性檢測臂，制造流程如圖9所示。聚氨酯橡膠材料Reoflex 30常用于軟體機器人的制造，具有優(yōu)秀的柔韌度、拉伸強度與恢復能力，適用于本研究。制造過程分為模具打印和多步澆筑，具體步驟如下：

圖9 柔性檢測臂的制造過程及實物Fig.9 Manufacturing process and physical object of flexible detection arm

(1)用3D打印機(Stratasys Objet J750)以0.05 mm的打印精度使用感光樹脂(VeroWhite Plus FullCure 835)制成3D打印模具。

(2) 第一層澆筑：將Reoflex 30 (Smooto-on Inc.，USA)材料的A瓶和B瓶液體按質(zhì)量比1∶1配置混合溶液，攪拌均勻后抽出氣泡，倒入模具中，靜置15 min。

(3)第二層澆筑：將彎曲傳感器(Spectra Symbol.，美國，4.5 in標準)放置于第一層澆筑的材料中，再澆筑一層材料，然后將其熱塑成型(置于烤箱中65°C固化2 h)。

(4)脫模。

檢測臂實物如圖9所示。多層澆筑為彎曲傳感器提供橡膠保護層，這種內(nèi)置傳感器的設計可以避免檢測臂在工作過程中被管道中的環(huán)境腐蝕。另一方面，它增強了傳感器與檢測臂之間的固著能力，提高測量的可靠性。柔性檢測臂實際制造尺寸為：L1=105 mm，L2=45 mm，L3=15 mm，H1=20 mm，H2=20 mm。

本研究使用的彎度傳感器，其表面由特殊的電阻材料制成，電阻會隨著傳感器的彎曲而變化。彎曲程度越大，電阻值越大，工作原理與可變電阻類似。傳感器置于柔性檢測臂的測量面上(見圖9)，在檢測臂的制作過程中，傳感器被同質(zhì)材料厚度不超過3 mm的薄膜包裹，以達到保護檢測臂的目的。從彎曲傳感器的工作原理可知，其電阻變化僅與彎曲變形程度有關，并只取決于表面的線性度，與其所受壓力無關。

利用升降試驗臺測量柔性檢測臂的彎曲角度與剩余相對長度Lr之間的關系，測量過程如圖10所示。初始時檢測臂為垂直狀態(tài)，彎曲角度為0°，夾具到升降板之間的距離為120 mm。移動升降板的位置，將升降板與夾具之間的距離以5 mm為收縮單位從120 mm調(diào)整至90 mm，并收集每次調(diào)整位置之后的彎曲角度信號。

圖10 測量過程Fig.10 Measuring process

由式(1)可得與每個剩余相對長度Lr對應的絕對彎曲長度La，由此得到彎曲角度值(α)和絕對彎曲部分長度(La)之間的關系，擬合曲線如圖11所示。

圖11 理論預測曲線Fig.11 Theoretical prediction curve

3.2 柔性檢測臂測量性能探究

3.2.1 試驗條件

為了驗證柔性檢測臂的測量性能，使用檢測臂運動試驗臺探究檢測臂的測量性能。

試驗臺由支撐架、電機、支撐橫梁、缺陷、可旋轉的圓盤等組成，結構示意圖如圖12所示。

1—檢測臂；2—支撐架；3—電動機；4—支撐橫梁；5—缺陷；6—旋轉盤。

檢測臂安裝在支撐橫梁上，缺陷由半圓形鋼板制成，形狀為半圓形凸起。試驗中選取4種長寬相等、高度不同的缺陷，其長和寬分別為100和40 mm，高度分別為8、10、20和30 mm。測量時，檢測臂固定不動，電機帶動載有缺陷的旋轉盤旋轉至缺陷經(jīng)過檢測臂，即模擬了檢測臂在管道中測量變形過程。此過程所產(chǎn)生的彎曲角度信號由信號收集系統(tǒng)收集并記錄。

圖13記錄了柔性檢測臂經(jīng)過 10 mm 缺陷的過程。由圖13可知，該過程可分為3個部分：上升階段(見圖13a)、下降階段(見圖 13 c)和恢復階段(見圖13d)。

圖13 柔性檢測臂經(jīng)過10 mm缺陷的過程Fig.13 Process of flexible detection arm passing through 10 mm defect

3.2.2 測量性能評價

試驗中采集的信號數(shù)據(jù)曲線如圖14所示。圖14中每個數(shù)據(jù)都是10次重復試驗的平均值。檢測結果表明，檢測臂通過不同缺陷時彎曲角度信號有明顯的峰值，且隨著缺陷高度的增加而增加。如圖14a和圖14b所示，檢測臂在測量8和10 mm高度缺陷時的彎曲角度峰值分別為34.2°和34.6°。該結果表明，在測量較小且高度尺寸接近的缺陷時，檢測臂的精度較低。由14c和圖14d可知：對于20 mm缺陷高度，檢測臂彎曲角度峰值為49.8°；對于30 mm缺陷的高度，峰值為74.9°；10、20和30 mm缺陷的峰值有明顯的區(qū)分度。在8、10和20 mm缺陷的測量過程中，檢測臂彎度信號的變化趨勢保持較高的一致性；當測量30 mm缺陷時，下落至恢復階段的角度測量值較其他3種缺陷更高?？赡艿脑蚴?，當檢測缺陷的長高比達到3∶1時，凸面的切向斜率較大，檢測臂在下降過程中不完全貼合凸面。這個過程隨著檢測臂的彈性恢復而完成，缺陷高度越高，檢測臂下落段的振動現(xiàn)象就越明顯。

圖14 柔性檢測臂通過8、10、20和30 mm缺陷的彎度信號角度數(shù)據(jù)Fig.14 Curvature signal angle data of flexible detection arm passing through 8 mm，10 mm，20 mm and 30 mm defects

此外，為了評估柔性檢測臂的測量精度，進行了誤差分析。使用理論預測曲線(圖11)分別將8、10、20和30 mm的高度值轉換為相應的角度值，結果如圖15所示。4個高度缺陷的理論預測值分別為32°、38°、56°和82°。將理論預測值與試驗測量值進行比較發(fā)現(xiàn)，柔性檢測臂測量8和10 mm高度缺陷時誤差小于測量20和30 mm的誤差。 該結果表明，柔性檢測臂的測量誤差隨著缺陷高度的增加而增加。檢測臂的長方體結構在彎度測量方面存在局限性，檢測臂的外形對檢測精度的影響將在進一步的研究中探索。

圖15 試驗值與理論預測值對比圖Fig.15 Comparison of experimental and theoretical prediction values

4 結 論

(1)由聚氨酯橡膠材料制成的柔性檢測臂可以有效避免傳統(tǒng)檢測臂在管道環(huán)境中存在的腐蝕問題，且由于檢測臂與管道內(nèi)壁的接觸方式為柔性接觸，不會在工作過程中對管道內(nèi)壁造成二次損傷。

(2)在柔性檢測臂越過凹陷過程中，檢測臂在典型位置C處的最大應力和最大接觸應力與橫截面邊長比i呈正相關，且i=1時，檢測臂在下落段幾乎不出現(xiàn)“彈跳”現(xiàn)象。為了提升檢測系統(tǒng)的靈敏度與穩(wěn)定性，通過比較檢測臂測量面不同位置隨時間的應變變化，確定了彎度采集的最佳位置為檢測臂測量部分軸線方向靠近頂部位置。

(3)采用3D打印技術和多步鑄模技術制作了柔性檢測臂，通過柔性檢測臂的彎曲特性試驗得到彎曲角度α與被測變形垂直高度的理論預測曲線。

(4)評價了檢測臂的測量性能，其中測量尺寸相近的8和10 mm高度缺陷時，檢測臂彎度信號呈現(xiàn)相近的峰值；測量10 、20和30 mm高度缺陷時測量曲線峰值具有良好的區(qū)分度。隨著測量缺陷高度的增加，測量值與預測值的誤差變大。為了進一步提高檢測穩(wěn)定性與檢測精度，接下來的工作將對柔性檢測臂的材料、結構做進一步探究。本研究提出的柔性檢測臂為管道柔性通徑檢測技術提供了選擇，為接觸式通徑檢測技術提供了新思路。