利用流體動(dòng)能充電的管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求

【摘 要】輸油管線常年運(yùn)行，久而久之就會出現(xiàn)油垢、結(jié)蠟現(xiàn)象，影響石油的輸送。本文針對管道機(jī)器人的工作環(huán)境提出了對管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞】結(jié)蠟現(xiàn)象 設(shè)計(jì)要求 管道機(jī)器人 流體動(dòng)能充電

【中圖分類號】TP242 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674—4810（2012）18—0051—02

對石油管道中的結(jié)蠟現(xiàn)象進(jìn)行分析，蠟結(jié)分為兩層：表層為7mm～12mm的軟蠟，基層為41mm～47mm的硬蠟；如果出現(xiàn)管道結(jié)蠟現(xiàn)象，肯定會導(dǎo)致沿程摩阻增加，輸油量減少，年經(jīng)濟(jì)損失超過上百萬元。為此，清除運(yùn)行管道內(nèi)壁上的油垢，提高管道輸送能力，對提高系統(tǒng)運(yùn)行效率具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

一 管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求

考慮到管道機(jī)器人的使用范圍及工作環(huán)境對其的影響，筆者針對管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)提出以下五點(diǎn)要求。

1.具有合適的結(jié)構(gòu)尺寸

機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸必須設(shè)計(jì)合理。機(jī)器人的長度不能太長，否則通過彎道時(shí)就會被卡?。粰C(jī)器人的尺寸相對于管道直徑不能過小，否則在推進(jìn)過程中會不斷橫向擺動(dòng)，而且，尺寸如果太小甚至?xí)驒M卡死在管道內(nèi)。

2.具有速度調(diào)節(jié)能力

為了完成清理管道油垢的任務(wù)，可以利用步進(jìn)電機(jī)來控制機(jī)器人的行走速度，保持速度的一致性，保證機(jī)器人能平穩(wěn)地在管道中行走。

3.具有發(fā)電和儲能能力

機(jī)器人必須具備利用流體發(fā)電的功能。當(dāng)機(jī)器人在管道內(nèi)進(jìn)行清理作業(yè)或機(jī)器人在管道內(nèi)處于某個(gè)固定位置時(shí)，就可用機(jī)器人攜帶的微型發(fā)電機(jī)發(fā)電，把電能儲存起來，為機(jī)器人提供源源不斷的能量。

4.具有良好的通過性

當(dāng)機(jī)器人的前方有多通道時(shí)，要求機(jī)器人能夠根據(jù)需要，改變運(yùn)動(dòng)方向，以便機(jī)器人進(jìn)入所選的管道。管道機(jī)器人克服障礙的能力用彎道的通過性來描述。

5.具有良好的密封性

石油管道中的壓力很大，機(jī)器人在石油管道中工作，其密封性是必須考慮的。密封不好，石油就會流入機(jī)器人的機(jī)身，使得機(jī)器人的重量增大，啟動(dòng)能量增大，進(jìn)而影響機(jī)器人的工作效率。

二 長輸送管道的流體力學(xué)分析

石油輸送管道入口處的壓力P和流量u由壓力供給系統(tǒng)所決定。可以假定長輸送管道內(nèi)的流體是連續(xù)穩(wěn)定不可壓

縮的（如圖1所示）。從物理角度分析，z為位置水頭， 為

靜壓水頭，而 為動(dòng)壓水頭，H稱為管道內(nèi)的總水頭，它反

映了管道中沿流動(dòng)方向任意斷面的高度z、壓力P和流速u，這三個(gè)要素之間的變化規(guī)律，但對于理想流體來說，其所有的機(jī)械能是相等的。也就是說，長輸送管入口處流體的機(jī)械能與出口處的機(jī)械能相等。

實(shí)際上，管道中的流體與理想流體不同，因?yàn)樽饔迷谒厦娴耐饬Τ肆黧w動(dòng)壓力與重力之外，當(dāng)實(shí)際流體沿管道流動(dòng)時(shí)，流體運(yùn)動(dòng)會產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，以及由于管道中一些局部裝置引起流體擾動(dòng)的干擾阻力，沿流動(dòng)方向總機(jī)械能逐漸減少，習(xí)慣上稱為水頭損失z水。為了克服水頭損失，工程上采取的辦法是提高長輸送管入口處的靜壓力，其壓力能在管道出口處變?yōu)榱黧w的動(dòng)能，使得流體能夠以一定的速度噴出。

當(dāng)長輸送管穩(wěn)定輸送流體時(shí)，在管道內(nèi)放入機(jī)器人意味著管內(nèi)增加了額外的阻力z阻 會引起流場力學(xué)條件的變化，此時(shí)管道內(nèi)部實(shí)際流體的伯努利方程應(yīng)寫為：

（1）

令：H1=z1+ +

H2=z2+ +

式中，P1：管道進(jìn)口處計(jì)算截面1處的壓力；u1：管道進(jìn)口處計(jì)算截面1處的流量；P2：管道出口處計(jì)算截面2處的壓力；u2：管道出口處計(jì)算截面2處的流量；z水：水頭損失；z阻：管內(nèi)增加的額外阻力。

其中，下標(biāo)1和2的數(shù)值分別代表在長輸送管道上進(jìn)口處計(jì)算截面1和機(jī)器人以后計(jì)算截面2上的流體力學(xué)參數(shù)值。當(dāng)機(jī)器人的重量和體積都比較大時(shí)，即表示z阻 增加很多，管道內(nèi)的流體力學(xué)條件會發(fā)生較大的變化；在水平等直徑管道情況下，可以認(rèn)為遠(yuǎn)z阻大于z水，z1=z2，u1=u2=u，由式（1）得：

z阻= （P1—P2）+ （2）

式（2）表明，在一定條件下，如果在機(jī)器人前后形成靜壓差P1和P2，同時(shí)出現(xiàn)足夠的流量流過機(jī)器人的橫截面，定會產(chǎn)生克服z阻所需要的驅(qū)動(dòng)力。

三 結(jié)論

圖2是通過式（1）表示的管道機(jī)器人在長輸送管道內(nèi)任意一個(gè)截面上的流體力學(xué)參數(shù)，圖中橫坐標(biāo)L為管道長度，長度可以很長。由圖2可以看出，如果z阻 太大，可能造成H2變小，甚至為0，該數(shù)值的變化表明：如果機(jī)器人在管道內(nèi)

沒有足夠的流體驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，就可能被卡在管道出口處的某個(gè)位置。為了滿足機(jī)器人的正常工作，其體積和重量不能太小。

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〔責(zé)任編輯：陳晨〕