新建油氣管道變形內(nèi)檢測器機械系統(tǒng)的研制

歐陽熙，胡鐵華，邸強華

（1.機械科學研究總院，北京 100044；2.中油管道檢測技術有限責任公司，河北 廊坊 065000 ）

0 引言

油氣管道是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要 “生命線”?！笆濉?期間，全國新增油氣管道將達到7.4 萬公里，預計到2016年底管道總里程將突破17 萬公里。管道建設過程中產(chǎn)生管道傷害有： ①吊鉤磕碰造成的凹陷；②對口卡鉗卡痕造成的凹陷；③回填石塊砸陷；④地基下沉孤石外凸造成管道凹陷；⑤鋪設過程雜物丟棄頂入造成管道凹陷等等。所有建造過程缺陷均為凹陷。以往的管道驗收均采用測徑板檢測，即采用95%[1]的測徑板來測試管道的通過性，5%的漏檢，恰恰是5%的管道凹陷（管道新產(chǎn)生的陷缺往往不會太明顯） 投產(chǎn)后缺陷迅速增長，以至于未到檢測周期的新管道爆裂。故此，本文提出新建管道智能檢測勢在必行。

1 新建管道智能驗收檢測器功能的構成

新型智能驗收檢測器由下列部分組成，如圖1 所示：①機械載體；②智能檢測系統(tǒng)；③信號存儲系統(tǒng)；④跟蹤定位系統(tǒng)；⑤數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)[2]。各部分作用為： 機械載體是管道內(nèi)檢測設備主體，所有檢測系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)等都置于設備主體之上，主體起到支撐、驅動作用，且直接探測觸及被測管壁；智能檢測系統(tǒng)采集機械手臂信息；信號存儲系統(tǒng)存儲探測系統(tǒng)所采集的信息；機載發(fā)射機發(fā)射信號，地面接收機接收發(fā)射機信號，實現(xiàn)管外跟蹤定位；數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)接收存儲器數(shù)據(jù)且進行分析、量化，給出管道缺陷大小、位置，指導現(xiàn)場開挖。

圖1 驗收檢測器功能結構圖Fig.1 The functional structure model of inspection tools

機械載能從管道中完整收回，標志著發(fā)球成功了一半，原因是： 機械載體出問題，如設備肢解于管道中、設備卡堵于管道中，都必須采取急救措施，比如重新發(fā)清管設備或動火封堵管道，都會造成一定的經(jīng)濟損失。機械載體是管道驗收檢測器關鍵部件。

2 驗收檢測器機械系統(tǒng)的設計

2.1 驗收檢測器機械系統(tǒng)構成及作用

驗收檢測器機械系統(tǒng)包括： ①防撞牽拉裝置；②驅動密封裝置；③骨架支撐裝置；④探測機械手臂裝置；⑤電子密封裝置；⑥發(fā)射頂球裝置等，其構成如圖2 所示。

圖2 驗收檢測器機械系統(tǒng)構成圖Fig.2 Mechanical system of the inspection tools

其作用為： 防撞牽拉裝置起到防撞設備本體與管壁或收球盲板碰撞及導引設備牽拉出管；驅動密封支撐裝置起到封閉驅動源建立壓差、驅動設備運行及兼顧設備支撐居中作用；骨架支撐裝置起到設備連接成體系且具有強度、剛度；探測機械手臂裝置起到與被測管壁直接觸及，感應管壁變化情況，經(jīng)磁敏感傳感器檢測到此種變化；輔助密封支撐裝置起到過三通、彎頭設備仍能建立有效壓差驅動設備運行、且起到支撐設備居中之作用；電子密封裝置起到所有電子存儲及供電系統(tǒng)在高壓狀態(tài)能安全工作之用；發(fā)射頂球裝置起到設備發(fā)射頂入管道之作用。其中關鍵部件有驅動密封皮碗、骨架及探測機械手臂裝置。

2.2 驗收檢測器機械系統(tǒng)設計理念

（1）輕量化設計理念。骨架是設備的基礎，所有系統(tǒng)及裝置都搭載其上，也是設備重量中心。為使驗收檢測器運行阻力小，在確保安全的情況下，須盡量減輕設備重量，即進行輕量化設計。經(jīng)過結構優(yōu)化及選材優(yōu)化盡量減輕設備重量。

選材優(yōu)化時須重點考量以下材料性能： 耐蝕性、耐溫性、高強度及耐沖擊等性能。經(jīng)過試驗測試，鈦合金為理想材料。

（2）穩(wěn)定檢測設計理念。新建管道現(xiàn)場條件比較差，空壓機驅動及氣體壓縮、膨脹性，檢測器運行中為走走停停狀態(tài)，即空氣壓縮所建立的壓差推動設備運行，而后壓縮空氣膨脹，設備減速運行直至設備停止運行，空氣繼續(xù)壓縮達到推動設備運行壓差，設備再次起運，往復于此運行模式。設備運行速度雖不勻速，但檢測數(shù)據(jù)要求平穩(wěn)，即要求設備不抖動、不振動、支撐剛度好、居中性能好。

基于上述思考，支撐密封裝置及檢測機械手臂裝置應該有優(yōu)良的密封性能、彈性性能、可壓縮性能、支撐性能及耐磨性能。采用聚氨酯材料作為驅動及檢測部件，即密封支撐皮碗及檢測皮碗，進行結構優(yōu)化，使其具備良好的支撐性能、密封性能、耐磨性能，達到檢測信號穩(wěn)定性能要求。

2.3 驗收檢測器機械系統(tǒng)關鍵裝置設計

（1）支撐密封皮碗設計。檢測器在輸氣管道內(nèi)運行時，壓差驅動皮碗與管道內(nèi)壁壓緊，管道的剛度遠遠大于驅動皮碗的剛度，管道變形及管道焊縫等變化均會引起驅動皮碗變形，但因皮碗及壓縮空氣都具有良好的壓縮彈性，故檢測器須有良好的防抖性能及自動居中性能。但皮碗的結構形式、材料、性能很大程度上影響了檢測器在管道中運行的姿態(tài)與受力狀況。對以往在役油氣管線所用皮碗結構性分析如下： ①油管線皮碗結構及其性能。油線管道采用碟皮碗結構，如圖3（a）所示。由于液體（尤其是原油）具有潤滑作用，輸油管道中檢測器的啟動壓差和滑動摩擦系數(shù)遠遠小于輸氣管道[3]。使用時，皮碗整個唇邊與管內(nèi)壁接觸，與管道接觸面較大，這種結構的皮碗應用在氣管道時，摩擦力將成倍增加，消耗更多的驅動能量，且會造成設備運行過程中頻繁啟停及瞬時速度過大等現(xiàn)象；②氣管線皮碗結構形式及性能。氣線管道，為了減小摩擦力，將蝶形皮碗加工成半球形，抗沖擊減振性能好，如圖3 （b）所示。密封皮碗與管道內(nèi)壁的接觸形式由面接觸改為類似線接觸，此時皮碗的主要作用為密封，支撐力相對蝶形皮碗而言有所不足，在長距離運行易造成皮碗偏磨，導致密封支撐失效，發(fā)生卡堵球事故；③驗收檢測器皮碗結構形式及性能。對上述兩種皮碗分析可知，現(xiàn)有在役氣線皮碗及油線皮碗的結構形式均不適應新建管線驗收檢測器。

圖3 三種類型皮碗結構Fig.3 Three types of cup structure

結合油、氣線皮碗的優(yōu)點，設計根部類似油線皮碗，充分利用它的支撐能力，把油線皮碗的腰線第一道角度稍增大一點，支撐能力減弱不大，而在腰部，仿氣線皮碗的圓弧，再設計一條腰線；再者，由于管道驗收采用空壓機驅動，環(huán)境類似氣線管道檢驗，設計時唇邊應短一些，但是前端無備壓，檢測器在管道如果姿態(tài)不正，后端壓力持續(xù)升高，唇邊過短則摩擦阻力小，會發(fā)生檢測器由靜止到運動時，瞬時推力極大，檢測器加速度和速度過大，檢測器和管道之間的沖擊力過大，造成檢測器和管道雙重傷害，所以，驗收檢測器皮碗唇邊需要一定的長度，增加檢測器運行的摩擦力，如圖3（c）所示。

（2）檢測機械手臂裝置的設計。驗收檢測器檢測采用空氣壓縮機打壓，檢測器前端無備壓，檢測器運行模式為加速、減速、停止等反復過程，瞬時速度大（30～50m/s），速度波動范圍大（0～50m/s），探頭直接跟管壁接觸時探頭受沖擊力較大，探頭信號不穩(wěn)，容易發(fā)生跳動，信號質量差，可靠性下降；為減小探頭所受沖擊，減小振動，同時防止破壞管道內(nèi)涂層，考慮給探頭增加緩沖，采用了一種新的方式，主探頭置于皮碗下面，探頭皮碗采用分瓣式，分瓣數(shù)量主要考慮單瓣皮碗有效作用范圍及整體上保證周向全覆蓋。

（3）驗收檢測器三維實體模型。經(jīng)對驗收檢測器關鍵部件設計后，整機采用三維設計，一次完成驗收檢測器機械系統(tǒng)設計、干涉檢查及力學計算，驗收檢測器三維實體模型如圖4 所示。

圖4 Φ1016 驗收檢測器實體模型Fig.4 Φ1016 inspection tools' 3D model

3 驗收檢測器牽拉實驗

經(jīng)過設計、加工、裝配、調試及關鍵部件試驗，完成了新建管道驗收檢測器開發(fā)，通過整機性能試驗，采集了人工缺陷數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析軟件分析，驗證了檢測信號良好，檢測數(shù)據(jù)準確。牽拉數(shù)據(jù)分析截圖如圖5 所示。

圖5 驗收檢測器牽拉數(shù)據(jù)分析圖Fig.5 Data analysis of inspection tools' pull test

4 工業(yè)現(xiàn)場應用

管道驗收檢測器由中油管道檢測技術責任有限公司應用，用于中緬管道投產(chǎn)前檢測工業(yè)現(xiàn)場。進行了一千多公里檢測作業(yè)，成功地采集了管道相關特征信息，指導了大變形部位開挖換管作業(yè)等整改措施，確保了中緬管線安全投產(chǎn)。

5 結論

管道驗收檢測器為新型管道內(nèi)檢測器分型設備，其產(chǎn)生于新建管道智能檢測需要，且現(xiàn)有在役管道檢測設備無法應用于新建管線檢測，傳統(tǒng)的驗收方法不能滿足管道運行安全要求，故此形成新的分支形式。本文分析了新建油氣管道的缺陷成因、缺陷特征及缺陷潛在危害性，提出了預投產(chǎn)管道智能驗收檢測必要性及裝備實施可行性。依據(jù)新建管道環(huán)境特點及工業(yè)現(xiàn)場實驗條件，建立了管道驗收檢測器功能結構模型，提出了驗收檢測器機械結構設計新思想，采用三維設計及整機牽拉測試，取得了首次發(fā)球成功及完成了中緬管道全線驗收檢測任務。工業(yè)現(xiàn)場應用，表明本文設計理念正確，驗證手段科學。新型驗收檢測器研制成功為新建管道及預建管道科學驗收及完整性管理奠定了技術基礎及設備保障。

[1] 黃春芳，等.油氣管道設計與施工[M].北京：中國石化出版社，2008.

[2] 胡鐵華，劉紅旗，汪華軍，張永江.管道內(nèi)檢測設備結構建模及實現(xiàn)[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，5.

[3] 洪險峰，嚴舒.管道通徑檢測技術及其在新線上的應用[J].石油科技論壇，2008，1.