王紫涵 曲杰 趙可天 王天一 劉宏偉

1.國機(jī)傳感科技有限公司 遼寧 沈陽 110043

2.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司 天津 300450

3.沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 遼寧 沈陽 110043

管道作為石油、天然氣運(yùn)輸?shù)闹匾緩街?，現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的命脈。長時(shí)間的運(yùn)輸工作導(dǎo)致管道損傷、泄露問題不可避免，為了更高效的完成管道的維修搶修工作，提出一種可以在管道內(nèi)部進(jìn)行封堵、換管的設(shè)備設(shè)計(jì)方法與研究，并對該方法進(jìn)行了仿真分析。

1 石油管道封堵技術(shù)現(xiàn)狀

1927年美國FURMANITE公司成立，主要從事管道封堵器（傳統(tǒng)的開口封堵）的研發(fā)、銷售和維修，是第一家成功帶壓封堵管道的公司。隨著管道運(yùn)營商碰到的新問題不斷出現(xiàn)，特別是海底管道封堵和大口徑管道封堵的迫切需求，美國TD Williamson公司、挪威Oil-States HydroTech公司、英國Stats Group公司、意大利Saipem公司、和墨西哥的MEXSSU International公司等都相繼開發(fā)了管道內(nèi)封堵技術(shù)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)開口封堵的技術(shù)缺陷。

我國管道內(nèi)封堵器的研究起步較晚，近年來，國內(nèi)許多高校和研究院所在內(nèi)封堵器的原理及相關(guān)理論分析方面做了大量研究，但現(xiàn)階段大多仍處于實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)階段，如中國石油大學(xué)張仕民、趙宏林等教授對管道內(nèi)封堵器本體結(jié)構(gòu)方面做了大量工作，哈爾濱工程大學(xué)的王茁教授在海底管道通信方面做出了一些研究成果，中北大學(xué)閆宏偉副教授在管道內(nèi)封堵機(jī)器人運(yùn)動特性及仿真分析方面做了一些研究。

2 石油管道內(nèi)封堵設(shè)備設(shè)計(jì)及研究

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

石油管道內(nèi)封堵設(shè)備共有三節(jié)，前后節(jié)為驅(qū)動節(jié)，主要實(shí)現(xiàn)借助流體介質(zhì)在管道內(nèi)向前運(yùn)動，與地面進(jìn)行通訊，向功能節(jié)提供電源。中間節(jié)為功能節(jié)，借助內(nèi)腔的液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)剎車與密封功能?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮眾多邊界條件的綜合影響，如流體速度、管內(nèi)壓力、通過性、內(nèi)壁平整度等因素，使封堵器在復(fù)雜管道工作環(huán)境中具有較好的冗余性。整體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

智能封堵器比傳統(tǒng)對管道開孔式的封堵器在結(jié)構(gòu)上和功能上有更大的優(yōu)勢，它體積小、重量輕、自動化程度高、靈活性好。智能封堵器的整體結(jié)構(gòu)采用了模塊化設(shè)計(jì)，整機(jī)結(jié)構(gòu)通常是由“監(jiān)測追蹤控制模塊—錨定封堵模塊—錨定封堵模塊—監(jiān)測追蹤控制模塊”四部分串聯(lián)組成，每個(gè)模塊之間用萬向節(jié)連接。

兩個(gè)錨定封堵模塊中的錨定單元考慮了冗余設(shè)計(jì)，即當(dāng)一組錨定單元失效時(shí)，另一組錨定單元正常工作仍可保證整機(jī)錨定功能的正常實(shí)現(xiàn)，提高了這一功能的可靠性；兩個(gè)封堵模塊中的封堵單元，一方面與錨定單元類似，冗余設(shè)計(jì)可以提高密封功能的可靠性，另一方面可以用來監(jiān)測密封效果：先利用管道高壓側(cè)的封堵單元密封管道，形成高壓區(qū)域和中壓區(qū)域，再利用管道低壓側(cè)封堵單元密封管道，形成中壓區(qū)域和低壓區(qū)域。通過時(shí)時(shí)監(jiān)測中間環(huán)形區(qū)域的壓力是否變化，來判斷兩道封堵單元的密封效果。同時(shí)，錨定封堵模塊尾部帶有里程輪模塊，在一定誤差范圍內(nèi)，可以記錄封堵器行駛的里程，可以用于對封堵器的粗略定位。

2.2 關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)

錨定（剎車）是內(nèi)封堵的前提，采用楔塊增力機(jī)構(gòu)，通過主液壓缸液壓桿推進(jìn)時(shí)，推動楔塊，使帶有溝槽的硬質(zhì)合金鋼制成的卡瓦和管壁慢慢接觸，液壓缸推動到指定行程后，即可完成楔塊與管壁的夾緊動作，從而將封堵器鎖定于某一管段之上。錨定單元的核心部件是卡瓦，單個(gè)錨定單元采用多個(gè)鑲嵌卡瓦圓周陣列的設(shè)計(jì)以提高錨定單元的功能可靠性?？ㄍ呒庸び蓄愃坡菁y的卡齒，集成于楔塊上表面，材料為硬質(zhì)合金鋼，內(nèi)表面帶有不大于摩擦角的斜面，且斜面處銑有一燕尾槽，錐體斜面上的燕尾楔子與卡瓦上的燕尾槽完全配合，使得卡瓦能沿徑向移動。由于整個(gè)鑲嵌卡瓦接觸時(shí)間不同，則其受力存在先后性，則整個(gè)鑲嵌卡瓦上的受力不均，容易造成應(yīng)力集中，同時(shí)管道內(nèi)的嵌入深度也存在不均勻現(xiàn)象，造成管道的破壞。為此設(shè)計(jì)鑲嵌卡瓦平面接觸為空間接觸，牙尖圓設(shè)置為相貫線型，從而使牙尖圓與管道能夠完全貼合，更好地實(shí)現(xiàn)與管道的錨定。同時(shí)，可以通過改變鑲嵌卡瓦與管道的貼合程度，來適應(yīng)不同厚度的管道內(nèi)徑，從而將封堵器鎖定于某一管段之上。錨定結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 錨定結(jié)構(gòu)

2.3 液壓、電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)是封堵器的動力裝置，在工作過程中為封堵器錨定、密封、解封等作業(yè)提供動力。封堵器液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件為液壓缸，包括錨定液壓缸和密封液壓缸。研究封堵器錨定模塊的力學(xué)模型，獲得錨定液壓缸推力；根據(jù)液壓缸推力數(shù)值，以及錨定模塊內(nèi)部容積，合理確定液壓缸的工作壓力、缸桿徑、行程、速度和安裝方式，進(jìn)而確定液壓動力單元的技術(shù)參數(shù)。若采用封、堵液壓系統(tǒng)獨(dú)立控制方案，則還需要解決液壓缸同步問題。

液壓系統(tǒng)由微型液壓動力單元、控制閥組(溢流閥、單向閥、比例閥電磁換向閥)、執(zhí)行元件(液壓缸)、附件(過濾器、空濾、管接頭、壓力表等)組成。液壓系統(tǒng)需采用閉環(huán)控制，按照通信系統(tǒng)解調(diào)后的信號指令，控制電機(jī)、電磁閥等工作。電磁閥具有自鎖功能，通過調(diào)整電磁鐵電流信號可以調(diào)節(jié)比例閥的閥口開度，進(jìn)而調(diào)節(jié)液壓缸的速度；清管模塊內(nèi)部空間狹小，研究選用集成化程度高、體積小、重量輕的液壓動力單元，同時(shí)滿足液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件壓力和流量的要求，電機(jī)采用24V直流電池驅(qū)動；錨定和密封用液壓缸位于錨定模塊內(nèi)，液壓動力單元等位于清管模塊內(nèi)，且錨定模塊和清管模塊有相對旋轉(zhuǎn)，研究液壓缸和液壓動力單元間管路的連接方式。電控系統(tǒng)均采用雙系統(tǒng)硬冗余設(shè)計(jì)，其冗余結(jié)構(gòu)確保了任何時(shí)候的系統(tǒng)可靠性，例如所有的重要部件都是冗余配置。這包括了冗余的控制器、控制電源、勵(lì)磁單元、選頻放大單元、收發(fā)一體式天線單元。當(dāng)主配系統(tǒng)失效時(shí)，故障碼可由冗余系統(tǒng)通訊單元傳到管外系統(tǒng)。

針對傳統(tǒng)可靠性理論的不足，采用共載冗余系統(tǒng)可靠性理論提供了很好的解決思路。共載冗余系統(tǒng)可靠性理論能夠準(zhǔn)確地定義單元依賴于其他單元的失效過程，透徹地分析各單元的相互影響，從而更好地分析系統(tǒng)的失效過程和系統(tǒng)壽命周期中的可靠性。

3 石油管道內(nèi)封堵設(shè)備仿真分析及研究

密封是內(nèi)封堵的最關(guān)鍵功能，封堵單元利用特殊制作的雙密封圈來實(shí)現(xiàn)密封功能，在封堵器封堵的過程中，雙密封圈受液壓缸帶動的滑塊機(jī)構(gòu)軸向擠壓，產(chǎn)生徑向形變后，與管道內(nèi)壁接觸并產(chǎn)生接觸壓力，從而可以實(shí)現(xiàn)密封作用，密封壓力最高可達(dá)20MPa靜壓。

封堵器的密封結(jié)構(gòu)見圖3，起主要密封作用的是密封圈，密封圈材料是橡膠，橡膠密封圈在封堵工作中受壓會產(chǎn)生較大變形量，其載荷伸展曲線見圖4。

圖3 密封結(jié)構(gòu)

圖4 密封圈橡膠超彈體材料的載荷-變形特性

智能管內(nèi)封堵器的密封圈決定了其密封性能，密封圈和管道內(nèi)壁之間接觸應(yīng)力的大小決定了封堵器的封堵可靠性。當(dāng)密封圈與管壁的接觸應(yīng)力大于管內(nèi)壓力時(shí)，密封即可建立，即能夠密封管內(nèi)介質(zhì)。封堵器密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，密封圈外徑，有效密封長度，徑向厚度，擠壓楔形角和封堵端圓角等幾個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)對密封效果起到了關(guān)鍵作用。在結(jié)構(gòu)、材料以及載荷、尺寸等諸多條件限制下，如何選取合適的組合方式以達(dá)到理想的密封效果也是本項(xiàng)目需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一。密封圈橡膠材料屬于超彈體，即可視為不可壓縮材料。在仿真系統(tǒng)中，采用Mooney-Rivlin力學(xué)模型進(jìn)行研究計(jì)算，此模型中的C10，C01參數(shù)需通過進(jìn)行材料的單軸向拉伸試驗(yàn)、平面剪切、簡單剪切和雙軸拉伸試驗(yàn)確定。根據(jù)管內(nèi)條件，選1,4-聚丁二烯密封圈材質(zhì)后，對密封圈橡膠材料接觸變形仿真分析，滿足要求。仿真分析見圖5。

圖5 密封圈橡膠材料接觸變形仿真分析

4 結(jié)束語

石油管道內(nèi)封堵設(shè)備設(shè)計(jì)方法，通過三維建模及Mooney-Rivlin力學(xué)模型仿真分析，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)。封堵器的成功研制可使管道的維修搶修工作更高效的完成，為今后管道內(nèi)封堵的研究提供重要參考。