基金項(xiàng)目：國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局科技計(jì)劃項(xiàng)目“管道內(nèi)檢測(cè)器通過性關(guān)鍵力學(xué)問題及評(píng)價(jià)體系研究”（2023MK210）；國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局科技創(chuàng)新人才計(jì)劃項(xiàng)目“面向復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的油氣管道高端智能檢測(cè)技術(shù)裝備”（KJLJ202320）。

針對(duì)清管器在經(jīng)過含凹陷管段時(shí)的通過性研究鮮有涉及。為此，以?168管道清管器為研究對(duì)象，分別建立其翻越凹陷管道的三維準(zhǔn)靜態(tài)和流固耦合仿真模型并進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步再分別基于驅(qū)動(dòng)皮碗接觸摩擦力學(xué)和清管器動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)清管器翻越管道凹陷過程的通過性進(jìn)行定量分析。研究結(jié)果表明：清管器驅(qū)動(dòng)皮碗在通過管道凹陷段時(shí)，運(yùn)行速度不穩(wěn)定可能會(huì)降低相應(yīng)管段檢測(cè)的準(zhǔn)確率；清管器翻越凹陷過程的速度變化敏感性隨過盈量的增加而增大；為提高清管器對(duì)于含凹陷管道的通過性能，?168清管器皮碗過盈量應(yīng)小于4%，密封皮碗夾持率應(yīng)在55%～65%之間，皮碗結(jié)構(gòu)分界面相對(duì)位置應(yīng)不小于2%。研究結(jié)論可為清管器優(yōu)化設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

清管器；管道凹陷；三維流固耦合；通過性；動(dòng)力學(xué)特性；接觸摩擦

TE973

A

017

Study on Passing Performance of a Pig Crossing Pipeline

Dent Considering the Fluid Pressure

Wang Qiang¹ Wang Anquan¹ Han Qing¹ Liu Jin¹ Yang Chao¹ Li Qiang¹ Liu Chang²

（1.Technical Detection Center of Sinopec Shengli Oilfield Company；2.China Special Equipment Inspection and Research Institute）

The passing performance of pig when crossing dented pipeline sections has rarely been studied.Taking the ?168 pipeline pig as an example，3D quasi-static and fluid-solid coupling simulation models of the pig crossing the dented pipeline were built respectively and compared.Then，based on the changes in the contact friction mechanics of the driving cup and the dynamic characteristic parameters of the pig，the passing performance of the pig crossing the pipeline dent was quantitatively analyzed.The results show that when the driving cup of the pig passes through the dented pipeline section，the unstable moving speed may reduce the inspection accuracy of the corresponding pipeline section.The speed change sensitivity of the pig crossing the dent increases with the increase of the wring.In order to improve the passing performance of the pig crossing the dented pipeline，the cup wring of the ?168 pig should be less than 4%，the holding rate of the seating cup should be between 55% and 65%，and the interface of the cup structure should not be less than 2%.The study conclusions provide theoretical guidance for the optimization design and engineering application of pigs.

pig；pipeline dent；3D fluid-solid coupling；passing performance；dynamic characteristics；contact friction

0 引 言

清管器依靠聚氨酯驅(qū)動(dòng)皮碗與管道內(nèi)壁形成密封，其運(yùn)行動(dòng)力主要來自前后方的流體壓差。當(dāng)通過含凹陷管道時(shí)，密封皮碗由于受到凹陷的擠壓作用而發(fā)生嚴(yán)重變形，進(jìn)而引起清管器的密封性和姿態(tài)發(fā)生變化。由于皮碗具有一定剛性，其與管壁之間的接觸狀態(tài)將會(huì)發(fā)生改變。皮碗邊緣產(chǎn)生的局部泄流會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力下降進(jìn)而發(fā)生卡堵。

李娜^［1］根據(jù)彈性力學(xué)和材料力學(xué)基本原理建立了輸氣管道清管器的驅(qū)動(dòng)力預(yù)測(cè)模型及運(yùn)動(dòng)方程并討論了結(jié)構(gòu)尺寸和管道粗糙度等因素的影響；ZHANG H.等^［2］建立了直板型密封皮碗在水平管道內(nèi)運(yùn)行的二維有限元模型，分析了密封皮碗過盈量、厚度及夾持率等對(duì)其接觸狀態(tài)和彎曲變形的影響；劉小明^［3］對(duì)不同類型皮碗的芯軸清管器進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，研究了在不同焊縫余高條件下皮碗的動(dòng)力學(xué)特性及其變化規(guī)律；吳旭等^［4］和陳浩等^［5］通過建立理論模型，研究了蝶形皮碗唇部彎曲角度、皮碗唇長(zhǎng)和工作壓差對(duì)其接觸摩擦性能的影響；魏云港等^［6］、劉暢等^［7］及CAO Y.G.等^［8］基于三維準(zhǔn)靜態(tài)模型分析了清管器的接觸摩擦特性并建立了驅(qū)動(dòng)力預(yù)測(cè)模型；孫其海^［9］、江旭東等^［10］、任宏喜^［11］借助CEL方法建立了三維流固耦合模型，研究了多艙段清管器通過焊點(diǎn)時(shí)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)性能，分析了皮碗過盈量和芯軸長(zhǎng)度對(duì)密封皮碗應(yīng)力場(chǎng)、表面摩擦力和流體驅(qū)動(dòng)壓差的影響。綜上，現(xiàn)有研究均重點(diǎn)關(guān)注清管器在普通直管段和彎管段的各種力學(xué)行為，而對(duì)清管器在通過含凹陷管段時(shí)的通過性分析鮮有涉及。

本文以?168管道清管器為研究對(duì)象，分別建立其翻越凹陷管道的三維準(zhǔn)靜態(tài)和流固耦合仿真模型并進(jìn)行對(duì)比，論證了后者的優(yōu)越性。進(jìn)一步再分別基于驅(qū)動(dòng)皮碗接觸摩擦力學(xué)和清管器動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)清管器翻越管道凹陷過程的通過性進(jìn)行了定量分析。以期為清管器優(yōu)化設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 清管器翻越凹陷過程的仿真模型

1.1 三維準(zhǔn)靜態(tài)建模

清管器翻越管道凹陷的過程如圖1所示。該模型由發(fā)球筒、水平直管段及管道凹陷段構(gòu)成。模型相關(guān)尺寸參數(shù)如表1所示。清管器由驅(qū)動(dòng)皮碗、固定法蘭及心軸組成。管道及心軸采用Q345鋼，密度為7.85 g/cm³，彈性模量為2.01×10⁵ MPa，泊松比為0.3。聚氨酯皮碗材料屬性選用二參數(shù)的Mooney-Rivlin超彈性本構(gòu)模型，其中C₁₀為1.049，C₀₁為0.532^［12］。含凹陷管道有限元模型如圖2所示。其中管道內(nèi)壁為主面（Master surface），清管器4個(gè)皮碗外表面為副面（Slave surface），接觸類型選擇面-面接觸以模擬皮碗進(jìn)入管道后兩者之間的過盈裝配狀態(tài)，法蘭與皮碗設(shè)置為綁定約束。在沿管道軸向采用罰函數(shù)作為接觸算法，摩擦因數(shù)定義為0.4；徑向采用硬接觸算法，將管道兩端設(shè)置為全約束以避免發(fā)生剛體位移^［13］。運(yùn)行過程分為3個(gè)階段：①清管器由發(fā)球筒進(jìn)入水平直管段;②清管器行駛經(jīng)過含凹陷管段;③清管器越過凹陷段，重新進(jìn)入水平直管段。為了模擬清管器通過凹陷段及整體運(yùn)行過程，設(shè)置位移約束為僅沿著管道軸線。選用六面體網(wǎng)格劃分該模型，網(wǎng)格的單元屬性選擇C3D8H混合型單元。管道整體采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。管道凹陷處因結(jié)構(gòu)形狀特殊無法進(jìn)行結(jié)構(gòu)化劃分，故利用分塊網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)管道模型網(wǎng)格單獨(dú)進(jìn)行劃分，即選用四面體網(wǎng)格劃分凹陷塊，該網(wǎng)格劃分方法可在保證網(wǎng)格質(zhì)量良好的情況下提高計(jì)算速度。

用結(jié)構(gòu)分界面位置來描述驅(qū)動(dòng)皮碗結(jié)構(gòu)，為便于理解，結(jié)構(gòu)分界面相對(duì)位置以等效過盈量ζ定義，分界面直徑D_p與管道內(nèi)徑D之間的相對(duì)關(guān)系如下式所示：

ζ=D_p-DD×100%（1）

1.2 三維流固耦合建模

利用有限元分析軟件ABAQUS，基于CEL方法建立流-固耦合模型對(duì)清管器翻越管道凹陷過程的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析。在清管器后方施加了流場(chǎng)入口速度以模擬其真實(shí)受載情況。拉格朗日網(wǎng)格方法適用于模擬固體的小變形行為，當(dāng)物體發(fā)生宏觀變形時(shí)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生位移，較大的位移會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格發(fā)生畸變并使計(jì)算無法收斂。歐拉算法允許材料在固定的歐拉域內(nèi)自由流動(dòng)，但無法獲取接觸對(duì)之間的傳遞信息。鑒于此，為解決流-固耦合問題，耦合拉格朗日-歐拉算法（CEL）被提出。在該算法中，歐拉網(wǎng)格的材料狀態(tài)和位置通過拉氏體積分?jǐn)?shù)（Eulerian Volume Fraction，EVF）進(jìn)行描述^［14］。CEL方法中采用體積分?jǐn)?shù)EVF定義歐拉材料在空間中的體積比，按照材料所充滿歐拉網(wǎng)格的比例來計(jì)算EVF的值，即EVF=1時(shí)，材料充滿網(wǎng)格；EVF=0時(shí)，網(wǎng)格內(nèi)為空氣。流固耦合問題中的邊界是通過歐拉-拉格朗日重構(gòu)技術(shù)來確定的，拉格朗日區(qū)域的方向也通過重構(gòu)確定，具體的重構(gòu)過程如圖3所示。為了解決拉格朗日域與歐拉域之間的接觸問題，采用了基于罰函數(shù)算法的通用接觸分析方法^［15］。

采用線性Us-Up Hugoniot形式的Mie-Grineisen狀態(tài)方程來描述流體介質(zhì)的狀態(tài)。該方法假設(shè)壓力p是密度ρ的函數(shù)，并通過求解連續(xù)性方程和動(dòng)量方程來確定能量方程。

在CEL方法中的連續(xù)方程和動(dòng)力方程為^［16］：

dρdt+ρv=0（2）

ρdvdt+ρg-ρv²+p=0（3）

式中：ρ為密度，kg/m³，t為時(shí)間，s；v為速度，m/s；g為重力加速度，m/s²；p為壓力，Pa。

新建油氣管道投產(chǎn)前需要對(duì)其進(jìn)行清管作業(yè)以優(yōu)化內(nèi)部環(huán)境，作業(yè)中通常采用水作為流動(dòng)介質(zhì)。本文建立的CEL模型中，以水作為流體介質(zhì)材料，詳細(xì)的材料參數(shù)如表2所示。

管道和清管器建模信息與準(zhǔn)靜態(tài)模型一致，流體域有限元模型如圖4所示。采用拉格朗日網(wǎng)格對(duì)清管器和管道進(jìn)行劃分，采用歐拉網(wǎng)格對(duì)流體域進(jìn)行劃分，拉格朗日網(wǎng)格選用減縮積分單元C3D8R，歐拉網(wǎng)格選用EC3D8R單元。為了使流體域包含管道，流體域的整體尺寸需大于清管器運(yùn)動(dòng)的區(qū)域。流體域的速度出入口分別為發(fā)球筒入口和直管道出口，對(duì)流體域入口界面設(shè)置流速1 m/s，在出口處設(shè)置0壓面以保證介質(zhì)自由流動(dòng)。對(duì)管道施加全約束防止其出現(xiàn)剛體位移。

2 三維流固耦合模型的優(yōu)越性論證

流固耦合與三維準(zhǔn)靜態(tài)模型過彎摩擦力變化如圖5所示。

從圖5可見，三維準(zhǔn)靜態(tài)模型計(jì)算的運(yùn)行摩擦力整體變化較平緩。其中，0～0.1 s對(duì)應(yīng)清管器驅(qū)動(dòng)單元的發(fā)球過程，在此階段內(nèi)，4個(gè)密封皮碗依次由發(fā)球筒進(jìn)入水平直管道，整體摩擦阻力逐級(jí)上升，直至4個(gè)皮碗完全進(jìn)入直管道后趨于穩(wěn)定，在0.1 s時(shí)達(dá)到273 N。最大摩擦阻力出現(xiàn)在清管器翻越凹陷的過程中，在0.147 s時(shí)達(dá)到575 N，隨后在翻越過程中持續(xù)波動(dòng)，但始終高于其在直管段內(nèi)運(yùn)行時(shí)的水平。這是因?yàn)楫?dāng)密封皮碗與凹陷開始接觸后，接觸部分局部過盈量增大導(dǎo)致皮碗變形量增加，尤其在爬升階段，凹陷主要與密封皮碗根部發(fā)生接觸，由于皮碗根部厚度較大，其變形產(chǎn)生的接觸壓力和摩擦阻力也較高。與此同時(shí)，皮碗材料具有一定剛度，在翻越凹陷時(shí)其沿環(huán)向邊緣局部位置處會(huì)與管壁分離而發(fā)生泄流，導(dǎo)致接觸壓力和摩擦阻力下降。因此清管器整體摩擦阻力持續(xù)波動(dòng)，直至完全翻越過凹陷后趨于穩(wěn)定。流固耦合模型的計(jì)算結(jié)果與準(zhǔn)靜態(tài)模型相比有較大差別。發(fā)球階段，驅(qū)動(dòng)皮碗受到流體介質(zhì)沖擊后與變徑管內(nèi)壁發(fā)生碰撞，由于瞬時(shí)速度較高，導(dǎo)致接觸壓力和摩擦力劇烈增加，最大時(shí)刻達(dá)到3 500 N，隨后，待4個(gè)皮碗完全進(jìn)入直管道，摩擦力下降至與準(zhǔn)靜態(tài)模型相似的水平。同理，當(dāng)密封皮碗與凹陷發(fā)生碰撞時(shí)，驅(qū)動(dòng)皮碗在流體的沖擊作用下，再次產(chǎn)生瞬時(shí)的高摩擦力，達(dá)到5 400 N，隨后摩擦力下降并持續(xù)波動(dòng)。由于流體壓力會(huì)導(dǎo)致接觸壓力和摩擦力升高，相較于準(zhǔn)靜態(tài)模型，流固耦合的摩擦力計(jì)算結(jié)果波動(dòng)幅度更大且平均值遠(yuǎn)高于準(zhǔn)靜態(tài)模型，約為750 N。綜上所述，準(zhǔn)靜態(tài)模型會(huì)低估清管器在翻越凹陷過程中的摩擦力，流固耦合模型更貼合實(shí)際，故選用三維流固耦合模型進(jìn)行后續(xù)分析，運(yùn)行過程的模擬結(jié)果如圖6所示。

3 翻越管道凹陷過程中的通過性分析

基于三維流固耦合仿真結(jié)果，從接觸摩擦特性和動(dòng)力學(xué)特性2種角度出發(fā)，對(duì)清管器特征參數(shù)進(jìn)行分析，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)行通過性的定量描述，進(jìn)而對(duì)其通過性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 接觸摩擦特性分析

關(guān)于清管器接觸摩擦特性的分析，國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)形成相關(guān)結(jié)論。以往文獻(xiàn)大多采用純固體仿真模型進(jìn)行分析，基于三維流固耦合仿真的研究結(jié)果相對(duì)缺乏。因此，這里首先開展特定工況的三維流固耦合仿真研究，獲取接觸摩擦特性結(jié)果并分析其與純固體模型計(jì)算結(jié)果的差異性。

3.1.1 Mises應(yīng)力

Mises應(yīng)力是衡量其發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)。驅(qū)動(dòng)皮碗Mises應(yīng)力如圖7所示。當(dāng)皮碗上最大Mises應(yīng)力超過其極限拉斷強(qiáng)度時(shí)，則會(huì)面臨較大的結(jié)構(gòu)破壞風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)皮碗自凹陷底部運(yùn)行至最高處時(shí)，其所受最大Mises應(yīng)力位置位于皮碗底部與芯軸連接處，高達(dá)2.89 MPa且發(fā)生在第1個(gè)皮碗位于凹陷最高處位置，如圖7b所示。該時(shí)刻受凹陷影響，清管器整體向上偏移，但后3個(gè)皮碗仍在直管中運(yùn)行且密封穩(wěn)定。

由于偏移程度有限，皮碗底部與鋼軸連接位置壓縮嚴(yán)重，該處Mises應(yīng)力最大，其他3個(gè)皮碗跨越凹陷時(shí)皮碗變形空間相對(duì)較大，Mises應(yīng)力增長(zhǎng)幅度減小。

3.1.2 接觸應(yīng)力

驅(qū)動(dòng)皮碗表面的接觸應(yīng)力水平是衡量其所受摩擦阻力和密封性的重要指標(biāo)。清管器翻越管道凹陷過程中6個(gè)特征時(shí)刻皮碗外緣所受接觸應(yīng)力示意圖如圖8所示。驅(qū)動(dòng)皮碗在圖8a中開始跨越凹陷，在180°方向上第1個(gè)皮碗受到擠壓后皮碗外緣已有與管壁脫離的趨勢(shì)，該位置接觸應(yīng)力降至0.3 MPa，驅(qū)動(dòng)皮碗運(yùn)行姿態(tài)向下偏移，該時(shí)刻第1個(gè)和第2個(gè)皮碗在0°方向接觸應(yīng)力產(chǎn)生趨于0的趨勢(shì)；第3個(gè)和第4個(gè)皮碗運(yùn)行姿態(tài)較為穩(wěn)定，接觸應(yīng)力分布呈中心對(duì)稱狀態(tài)。在圖8b中第1個(gè)皮碗移動(dòng)至凹陷最高處，該皮碗邊緣所受接觸應(yīng)力分布趨勢(shì)與圖8c、圖8d、圖8e及圖8f中第2個(gè)、第3個(gè)和第4個(gè)皮碗相似，呈現(xiàn)“倒爪形”分布。因凹陷與皮碗呈現(xiàn)點(diǎn)-面接觸，故在180°位置附近皮碗表面受力狀態(tài)沿180°對(duì)稱分布，接觸應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在圖8d中時(shí)第2個(gè)皮碗的180°位置，大小為1.37MPa，該位置第2個(gè)皮碗處于即將離開管道凹陷狀態(tài)，受摩擦力與擠壓力共同作用導(dǎo)致接觸應(yīng)力變大。

通過上述分析可知，在清管器翻越凹陷過程中，各驅(qū)動(dòng)皮碗沿環(huán)向均存在接觸應(yīng)力為0的時(shí)刻。當(dāng)接觸應(yīng)力為0時(shí)，說明皮碗表面與管道內(nèi)壁脫離，此時(shí)局部失去密封性，可能會(huì)產(chǎn)生泄流而導(dǎo)致停球。因此該工況下通過性會(huì)受到一定程度的影響。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，由于流體三維流固耦合模型考慮了流體壓力作用，所以Mises應(yīng)力和接觸壓力水平相比于純固體模型結(jié)構(gòu)明顯較高，但整體分布規(guī)律一致，沿管道截面軸線對(duì)稱分布^［17］。對(duì)接觸摩擦特性的研究可以看出，雖然三維流固耦合和純固體模擬能夠得到相同的定性結(jié)論，采用純固體模型能夠節(jié)約一定的計(jì)算成本，但是流固耦合模型納入了流體壓力的邊界條件，因此能獲得更準(zhǔn)確的定量分析數(shù)據(jù)。

綜上所述，對(duì)于6%的管道凹陷，清管器翻越途中的最大Mise應(yīng)力為2.89 MPa，相較于常見聚氨酯橡膠材料的斷裂拉伸強(qiáng)度（15～50 MPa）而言，仍有較大余量。由此表明，在該工況下發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞概率較小，不會(huì)影響其通過性。

3.2 動(dòng)力學(xué)特性分析

前文中采用2種模型對(duì)清管器驅(qū)動(dòng)皮碗接觸摩擦特性開展了研究，所得結(jié)論為清管器的結(jié)構(gòu)安全性和運(yùn)行安全性定量分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。對(duì)于動(dòng)力學(xué)特性的分析，純固體模型則不再適用。本節(jié)將基于三維流固耦合模型，從清管器運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)特性入手，通過探究驅(qū)動(dòng)皮碗過盈量、夾持率及結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)的影響規(guī)律，對(duì)其運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行定量描述。這里對(duì)過盈量1%～6%、夾持率50%～70%，結(jié)構(gòu)分界面相對(duì)位置42%～50%的驅(qū)動(dòng)皮碗進(jìn)行三維流固耦合仿真計(jì)算。

3.2.1 運(yùn)行速度

關(guān)于清管器通過性的分析，以往研究通常假設(shè)以勻速運(yùn)動(dòng)條件對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化。實(shí)際上，由于管內(nèi)流場(chǎng)和接觸狀態(tài)復(fù)雜多變，清管器自身結(jié)構(gòu)對(duì)其運(yùn)行速度影響顯著且使之并非勻速。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，由于聚氨酯材料具有黏彈特性，較大的運(yùn)行速度會(huì)導(dǎo)致更大的摩擦阻力，從而影響其通過性。

圖9為驅(qū)動(dòng)皮碗在不同過盈量下通過管道凹陷運(yùn)行速度變化情況。從圖9可見：驅(qū)動(dòng)皮碗在運(yùn)行初期速度提升明顯，跨越管道凹陷時(shí)速度略有下降，通過凹陷后速度出現(xiàn)小幅度提升；過盈量為1%時(shí)，驅(qū)動(dòng)皮碗的密封效果不好，導(dǎo)致皮碗出現(xiàn)泄流，故此時(shí)驅(qū)動(dòng)皮碗速度未出現(xiàn)明顯加速，運(yùn)行速度呈現(xiàn)穩(wěn)步提升趨勢(shì)，運(yùn)行平均速度v—為2.66 m/s；過盈量處于2%～4%范圍時(shí)，驅(qū)動(dòng)皮碗出現(xiàn)急加速狀態(tài)，最高加速至4.2 m/s，跨越管道凹陷時(shí)運(yùn)行速度出現(xiàn)小幅波動(dòng)；當(dāng)過盈量大于4%時(shí)，驅(qū)動(dòng)皮碗跨越凹陷時(shí)需克服較大阻力，故跨越前后速度出現(xiàn)明顯上升和下降的變化過程。

在不同夾持率下，清管器運(yùn)行速度變化情況如圖10所示。從圖10可見，當(dāng)夾持率為60%和65%時(shí)，清管器進(jìn)入管道后速度穩(wěn)步提升，其余工況速度均出現(xiàn)急加速情況。由此可知，當(dāng)皮碗自由端較長(zhǎng)或較短時(shí)均會(huì)對(duì)運(yùn)行速度穩(wěn)定性造成影響，夾持率為65%時(shí)翻越凹陷時(shí)間為0.3 s。

驅(qū)動(dòng)皮碗結(jié)構(gòu)對(duì)清管器速度變化情況如圖11所示。從圖11可見：跨越凹陷平均速度隨結(jié)構(gòu)分界面相對(duì)位置的增大而增加，當(dāng)結(jié)構(gòu)分界面相對(duì)位置為2%時(shí)，平均速度僅為0.33 m/s，相比較結(jié)構(gòu)分界面相對(duì)位置6%的3.62 m/s下降了90.88%；當(dāng)結(jié)構(gòu)分界面相對(duì)位置小于3%時(shí)，清管器在初始位置開始運(yùn)動(dòng)時(shí)速度僅上升至2 m/s則開始下降；結(jié)構(gòu)分界面相對(duì)位置為2%時(shí)清管器若遇到凹陷后，速度逐漸降低至0，在凹陷處發(fā)生卡堵。分析上述現(xiàn)象原因?yàn)?，該工況皮碗與管壁接觸面積較大，凹陷對(duì)于皮碗的壓縮較大，聚氨酯材料無法克服變形通過凹陷，故清管器發(fā)生卡堵。卡堵位置如圖12所示。當(dāng)結(jié)構(gòu)分界面相對(duì)位置為4%時(shí)，清管器在凹陷處極短時(shí)間內(nèi)速度為0，而后逐漸加速離開凹陷段。當(dāng)結(jié)構(gòu)分界面相對(duì)位置大于4%時(shí)，清管器在運(yùn)行初期產(chǎn)生較大加速度并以較短的時(shí)間通過凹陷管段。

3.2.2 運(yùn)行加速度

清管器加速度變化能夠間接反映其運(yùn)行過程中所受摩擦阻力的情況。當(dāng)瞬時(shí)摩擦阻力較大時(shí)，后方驅(qū)動(dòng)壓力小于其所受的摩擦阻力，清管器做減速運(yùn)動(dòng)甚至停止，隨著后方持續(xù)憋壓，驅(qū)動(dòng)力超過靜摩擦力后，清管器啟動(dòng)并獲得瞬時(shí)加速度。相比于常規(guī)直管道，清理器在經(jīng)過凹陷時(shí)運(yùn)行速度會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，頻繁的加減速會(huì)導(dǎo)致清管器運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，從而引發(fā)管道振動(dòng)。

圖13為驅(qū)動(dòng)皮碗在不同過盈量下通過管道凹陷運(yùn)行加速度變化情況。從圖13可見：與圖11速度變化情況相對(duì)應(yīng)，過盈量小于4%時(shí)加速度較為平穩(wěn)，平均加速度a—均小于70 m/s²；過盈量大于4%時(shí)，驅(qū)動(dòng)皮碗加速度波動(dòng)較大；過盈量為6%時(shí)，平均加速度達(dá)到129.89 m/s²。

圖14為不同夾持率下清管器加速度變化情況。從圖14可見：夾持率為65%時(shí)，驅(qū)動(dòng)皮碗在跨越管道凹陷后瞬時(shí)加速度達(dá)到1 300 m/s²；夾持率為70%時(shí)，清管器在翻越凹陷后獲得較大加速度；夾持率為50%和55%工況時(shí)，均在0.06 s附近產(chǎn)生700 m/s²左右加速度。由此可得，皮碗夾持端尺寸對(duì)驅(qū)動(dòng)皮碗中皮碗運(yùn)行加速度有顯著影響。

清管器在不同結(jié)構(gòu)分界面相對(duì)位置下加速度變化情況如圖15所示。從圖15可見：當(dāng)結(jié)構(gòu)分界面相對(duì)位置小于5%時(shí)，加速度基本穩(wěn)定且平均加速度小于50 m/s²，2%結(jié)構(gòu)分界面相對(duì)位置平均加速度僅為23.46 m/s²；當(dāng)結(jié)構(gòu)分界面相對(duì)位置大于5%時(shí)，清管器在運(yùn)行初期存在較高的瞬時(shí)加速度。

通過以上分析可知，對(duì)于清管器翻越凹陷的工況，結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)對(duì)其速度和加速度變化產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)過盈量、夾持率和結(jié)構(gòu)分界面相對(duì)位置較大時(shí)，清管器在翻越凹陷時(shí)表現(xiàn)出明顯的速度波動(dòng)，嚴(yán)重影響其運(yùn)行穩(wěn)定性，進(jìn)而對(duì)其通過性造成一定的負(fù)面影響。

4 結(jié) 論

本文以?168 mm清管器為研究對(duì)象，通過開展三維準(zhǔn)靜態(tài)和流固耦合仿真模型對(duì)比研究，證明了使用后者對(duì)清管器翻越凹陷管道進(jìn)行仿真分析具有優(yōu)越性。根據(jù)三維流固耦合仿真結(jié)果，分別開展了基于接觸摩擦特性和動(dòng)力學(xué)特性的通過性定量分析，所得結(jié)論如下。

（1）由于局部高摩擦阻力會(huì)產(chǎn)生憋壓現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)皮碗在通過管道凹陷段時(shí)，運(yùn)行速度先降低，并在翻越過凹陷后急劇增加，運(yùn)行速度不穩(wěn)定可能會(huì)降低相應(yīng)管段檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

（2）翻越凹陷過程的速度變化敏感性隨過盈量的增加而增強(qiáng)，與過盈量為1%工況清管器平均速度相比，過盈量為6%時(shí)平均速度增加了41.7%，且速度為3.77 m/s。當(dāng)夾持率由50%變化至70%的過程中，清管器過彎平均速度降了14.9%。當(dāng)過盈量相同時(shí)，結(jié)構(gòu)分界面越靠近唇部，則其平均運(yùn)行速度越小，當(dāng)分界面相對(duì)位置為2%時(shí)發(fā)生了卡堵現(xiàn)象。隨著過盈量和夾持率的增加，加速度的變化幅度同樣增大。對(duì)于皮碗結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)分界面越靠近皮碗根部時(shí)，其加速度變化幅度越大。

（3）為提高清管器對(duì)含凹陷管道的通過性能，?168清管器皮碗過盈量應(yīng)小于4%，密封皮碗夾持率應(yīng)在55%～65%之間，皮碗結(jié)構(gòu)分界面相對(duì)位置應(yīng)不小于2%。

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第一王強(qiáng)，教授級(jí)高工，生于1970年，1992年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)安全工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事設(shè)備檢測(cè)與評(píng)價(jià)工作。地址：（257000）山東省東營(yíng)市。電話：（0546）8558099。email：wangqiong196.slvt@sinopec.com。

通信作者：劉暢，博士后。email：286806587@qq. com。2024-02-23楊曉峰