油氣管道通徑檢測(cè)器過彎性能分析

李曉龍，張仕民，焦 泉，張 康，陳優(yōu)良

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249）

油氣管道通徑檢測(cè)器過彎性能分析

李曉龍，張仕民，焦 泉，張 康，陳優(yōu)良

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249）

通徑檢測(cè)器在解決石油管道安全隱患方面發(fā)揮著重要作用。在檢測(cè)彎管段時(shí)，通徑檢測(cè)器存在通過性差、里程累計(jì)誤差以及誤檢測(cè)等問題。分別對(duì)通徑檢測(cè)器的彎道通過性能以及過彎時(shí)檢測(cè)臂的特性進(jìn)行了分析，得出了能夠順利過彎的骨架最大長(zhǎng)度范圍值?？偨Y(jié)得出周向檢測(cè)臂在過彎過程中的傾角變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新型的彎道判定算法，有效地避免里程累計(jì)誤差以及誤檢測(cè)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

油氣管道；通徑檢測(cè)器；過彎特性；識(shí)別算法

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3 結(jié)論

1） 通過3種分注工具的數(shù)值模擬分析及室內(nèi)對(duì)比評(píng)價(jià)，流線型環(huán)形降壓槽式分注工具的投撈成功率最高、節(jié)流壓差最大、黏損率最小，具有較大優(yōu)勢(shì)，可更好地提高二類油層的動(dòng)用程度。

2） 該分注工具也可用于其他油田，具有廣闊的發(fā)展前景。

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隨著中國(guó)油氣探明儲(chǔ)量的增長(zhǎng)以及全國(guó)油氣整體供應(yīng)需求的增大，油氣管道的建設(shè)得到飛速的發(fā)展。國(guó)家“十二五”規(guī)劃綱要在加強(qiáng)能源輸送通道建設(shè)的內(nèi)容中明確指出，“要優(yōu)化能源開發(fā)布局，完善石油儲(chǔ)備體系，加快西北、東北、西南和海上進(jìn)口油氣戰(zhàn)略通道建設(shè)，完善國(guó)內(nèi)油氣主干管網(wǎng)”。目前，我國(guó)近80%的原油、20%的成品油和95%以上的天然氣都是通過管道運(yùn)輸?shù)?，管道一旦發(fā)生事故，會(huì)直接或間接對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境造成巨大影響。鑒于管道安全事故危害的嚴(yán)重性、維護(hù)管道安全的重要性以及管道內(nèi)檢測(cè)對(duì)于防止管道事故的有效性，從2000年起，國(guó)家頒布了《中華人民共和國(guó)石油天然氣管道保護(hù)法》、《石油天然氣管道安全規(guī)程》、《石油天然氣管道安全監(jiān)督與管理暫行規(guī)定》等相關(guān)法律法規(guī)，對(duì)全干線油氣管道的安全檢測(cè)提出了明確要求［1-6］。

管道完整性檢測(cè)的方法有很多，其中管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)是最經(jīng)濟(jì)、有效的技術(shù)之一［7-10］。按其檢測(cè)原理可以分為無損檢測(cè)技術(shù)和接觸式檢測(cè)技術(shù)。其中，無損檢測(cè)主要包括漏磁檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、電渦流檢測(cè)等技術(shù)，該類檢測(cè)器的特點(diǎn)是檢測(cè)精度高、價(jià)格昂貴、后期數(shù)據(jù)處理繁瑣等，可以實(shí)現(xiàn)細(xì)小腐蝕坑以及裂紋的檢測(cè)。接觸式檢測(cè)技術(shù)主要包括通徑檢測(cè)器，其中根據(jù)檢測(cè)臂的不同可以分為輪式、桿式以及探針式，該類內(nèi)檢測(cè)器的特點(diǎn)是檢測(cè)精度相對(duì)較低、經(jīng)濟(jì)性高、后期數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單直觀，主要針對(duì)管道大缺陷以及大變形的檢測(cè)。鑒于通徑檢測(cè)器的以上特點(diǎn)，其被廣泛應(yīng)用于管道的基線檢測(cè)以及管道大變形檢測(cè)領(lǐng)域［11-16］。

對(duì)于通徑檢測(cè)器，其過彎道性能研究具有重要意義。首先，彎道決定了通徑檢測(cè)器的管道運(yùn)行通過性能，通過性差會(huì)產(chǎn)生卡堵等現(xiàn)象。其次，過多的彎道將引起管道里程誤差的累積。此外，由通徑檢測(cè)器的檢測(cè)原理可知，其通過彎道時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生誤檢測(cè)現(xiàn)象，即將彎道誤識(shí)別為管道大變形，造成不必要的開挖損失。鑒于以上分析，本文將結(jié)合通徑檢測(cè)器的檢測(cè)原理，對(duì)其過彎性能進(jìn)行分析，有效地避免內(nèi)檢測(cè)器遇卡、里程誤差累積以及管道大變形誤檢測(cè)等現(xiàn)象的產(chǎn)生。

1 通徑檢測(cè)器彎道通過性分析

通徑檢測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)主要由防撞頭、骨架、皮碗、里程輪、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、檢測(cè)臂以及發(fā)射機(jī)等組成［11-13］。其結(jié)構(gòu)尺寸除了需要考慮強(qiáng)度要求、內(nèi)部數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)尺寸外，彎道通過性能也是一個(gè)關(guān)鍵因素之一。目前國(guó)內(nèi)大部分石油天然氣管道的彎道中心線曲率為（4～6）D（D為管道外徑尺寸），通徑檢測(cè)器的骨架結(jié)構(gòu)如圖1a所示，在進(jìn)行彎道通過性分析時(shí)可以將其簡(jiǎn)化為圖1b所示結(jié)構(gòu)。

圖1 清管器骨架示意

圖2所示為管道通過性分析示意圖。由幾何關(guān)由式（1）～（2）可以得到式（3）：式中：a為通徑檢測(cè)器骨架長(zhǎng)度；b為通徑檢測(cè)器骨架直徑；D為管道外徑（忽略壁厚影響）；R為彎道處管道中心線曲率半徑。

圖3所示為彎道處不同角度的管道截面輪廓線圖。在圖3中，將豎直平面定義為0°截面。以此類推，分別將與豎直平面夾角為γ的平面定義為γ平面。由圖2中可以看出，當(dāng)通徑檢測(cè)器運(yùn)行至彎道處時(shí)，所有截面的輪廓線均相交于A、B兩點(diǎn)。隨著α平面角度的增大，彎道處截面輪廓線的長(zhǎng)度不斷減小，同時(shí)寬度不斷增大。對(duì)于通徑檢測(cè)器的內(nèi)骨架，其長(zhǎng)度在滿足公式（3）的前提下同樣需要滿足長(zhǎng)度小于A B的要求，即滿足式（4），否則通徑檢測(cè)器器將無法順利通過彎道，產(chǎn)生卡堵現(xiàn)象。式中：L為彎道處不同角度管道截面輪廓線交點(diǎn)連線距離。

圖2 管道通過性分析示意

圖3 彎道不同截面圖

2 檢測(cè)臂過彎特性分析

由通徑檢測(cè)器的檢測(cè)原理可知，當(dāng)檢測(cè)臂依次劃過管道內(nèi)表面時(shí)，隨著內(nèi)部形貌特征的不同，其初始傾角也不斷發(fā)生變化，通過采集變化的角度值可以實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)表面形貌特征的提取和還原［17-21］。當(dāng)其在直管段運(yùn)行時(shí)，其檢測(cè)臂的初始傾角相同。當(dāng)通徑檢測(cè)器運(yùn)行至彎道時(shí)，其周向1圈檢測(cè)臂的初始傾角將發(fā)生變化，靠近彎道外側(cè)的檢測(cè)臂初始傾角減小，靠近管道內(nèi)側(cè)的檢測(cè)臂的初始傾角不斷增大。圖4所示為0°截面所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)示意圖，其檢測(cè)臂角度變化趨勢(shì)最為明顯。

如前所述，不同角度的α平面所對(duì)應(yīng)的管道輪廓截面圖也不相同，并且在實(shí)際運(yùn)行過程中，檢測(cè)器會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為了盡可能得到每個(gè)檢測(cè)臂過彎道時(shí)的傾角狀態(tài)，在此選擇從0～90°的10個(gè)彎道輪廓截面圖進(jìn)行分析，具體分析如圖5所示。為了便于分析，假設(shè)0～90°的10個(gè)彎道輪廓截面內(nèi)均包括一對(duì)檢測(cè)臂，因?yàn)榉治鲞^程中是將截面垂直投影，所以定義靠近彎道外側(cè)的檢測(cè)臂為上側(cè)檢測(cè)臂，靠近彎道內(nèi)側(cè)的檢測(cè)臂為下側(cè)檢測(cè)臂。為了進(jìn)行規(guī)律性分析，在此以?325mm管道所對(duì)應(yīng)的通徑檢測(cè)器為例進(jìn)行分析，檢測(cè)臂長(zhǎng)度選取為120mm、130mm 2種類型。結(jié)合C A D工程軟件分析可得對(duì)應(yīng)不同截面的1對(duì)檢測(cè)臂的初始傾角，如圖6～7所示。

圖4 0°彎道截面示意

圖6所示為130mm檢測(cè)臂所對(duì)應(yīng)不同彎道截面時(shí)檢測(cè)臂傾角值對(duì)比圖，從圖中可以得出：

1） 當(dāng)截面角度為0°時(shí)，同一截面上的1對(duì)檢測(cè)臂的傾角差值最大，90°時(shí)傾角差值最小。

2） 當(dāng)截面角度為0°時(shí)，同一截面上的1對(duì)檢測(cè)臂的傾角和值最大，90°時(shí)傾角和值最小。

3） 彎道外側(cè)檢測(cè)臂初始傾角隨著截面傾角的增大而減小，彎道內(nèi)側(cè)的檢測(cè)臂初始傾角隨著截面傾角的增大而增大。

4） 隨著截面傾角的增大，同一截面上的1對(duì)檢測(cè)臂的傾角和減小，傾角差同樣減小。

圖5 0～90°彎道截面示意

圖6 130mm檢測(cè)臂不同截面傾角值對(duì)比

圖7所示為120mm、130mm檢測(cè)臂所對(duì)應(yīng)的不同彎道截面時(shí)檢測(cè)臂傾角對(duì)比圖，從圖中可以得出：

1） 檢測(cè)臂長(zhǎng)度越短，所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)臂傾角值越大。

2） 檢測(cè)臂長(zhǎng)度越短，同一截面上的一對(duì)檢測(cè)臂的傾角和值越大；同理，同一截面上的一對(duì)檢測(cè)臂的傾角差值也越大。

圖7 120mm、130mm檢測(cè)臂不同截面傾角值對(duì)比

3 通徑檢測(cè)器彎道判定算法

為了避免里程累積誤差以及誤檢測(cè)現(xiàn)象的產(chǎn)生，本文基于通徑檢測(cè)器的檢測(cè)原理以及上述分析規(guī)律提出了一種新型的彎道判別算法。

以檢測(cè)臂長(zhǎng)度為130mm為例進(jìn)行分析，將通徑檢測(cè)器周向1圈檢測(cè)臂進(jìn)行檢測(cè)前標(biāo)號(hào)，相對(duì)的一對(duì)檢測(cè)臂定義為一組，如圖8所示，并將圖示位置定義為周向旋轉(zhuǎn)方向的初始零位。由圖6中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得截面角度值與檢測(cè)臂傾角值以及傾角和與傾角差的關(guān)系式。

截面角度值與上側(cè)檢測(cè)臂傾角擬合關(guān)系式

截面角度值與下側(cè)檢測(cè)臂傾角擬合關(guān)系式

截面角度值與一組檢測(cè)臂傾角和擬合關(guān)系式

截面角度值與一組檢測(cè)臂傾角差擬合關(guān)系式

根據(jù)通徑檢測(cè)器內(nèi)部是否安裝有陀螺儀，將判斷算法分為2類。

圖8 內(nèi)檢測(cè)器檢測(cè)臂標(biāo)記示意

1） 安裝有陀螺儀。

當(dāng)通徑檢測(cè)器運(yùn)行至彎道處時(shí)，提取位于截面為一組檢測(cè)臂初始傾角值進(jìn)行分析。將測(cè)量得出的檢測(cè)臂初始傾角和、差帶入式（7）～（8）進(jìn)行計(jì)算，得出此時(shí)的“計(jì)算截面角度值β”。將此計(jì)算值與陀螺儀的測(cè)量值β0進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，若計(jì)算值與測(cè)量值的差值小于誤差接受范圍δ0，則可認(rèn)定此處為彎道處，若不滿足則認(rèn)定為非彎道處。具體的算法流程如圖9a所示。

2） 未安裝有陀螺儀。

同理，當(dāng)通徑檢測(cè)器運(yùn)行至彎道處時(shí)，提取位于截面為0°一組檢測(cè)臂初始傾角值進(jìn)行分析。將測(cè)量值帶入式（5）～（6）進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角度β估算，并將計(jì)算出的β帶入式（7）～（8）進(jìn)行計(jì)算，得出此時(shí)的角度差、角度和的值為“計(jì)算角度和、差值”。將計(jì)算值的和差值與測(cè)量得出的和差值進(jìn)行比較，若計(jì)算值與測(cè)量值的差值小于誤差接受范圍δ′0，則可認(rèn)定此處為彎道處，若不滿足則認(rèn)定為非彎道處。具體的算法流程如圖9b所示。

圖9 彎道判斷流程

4 結(jié)論

1） 本文針對(duì)通徑檢測(cè)器在實(shí)際檢測(cè)運(yùn)行過程中存在的通過性差、易產(chǎn)生里程累積誤差以及誤檢測(cè)等問題，分別對(duì)通徑檢測(cè)器的過彎通過性以及過彎時(shí)檢測(cè)臂特性進(jìn)行了分析，提出了滿足通徑檢測(cè)器過彎要求的最小結(jié)構(gòu)尺寸。

2） 結(jié)合通徑檢測(cè)器檢測(cè)臂過彎時(shí)角度變化規(guī)律，提出了一種新型的彎道識(shí)別算法，極大地提高了管道彎道處的識(shí)別準(zhǔn)確率，有效地避免了誤檢測(cè)現(xiàn)象的發(fā)生。

3） 隨著國(guó)內(nèi)油氣管道建設(shè)步伐的不斷推進(jìn)，無論是新建管線的基線檢測(cè)還是老管線的周期線檢測(cè)，通徑檢測(cè)器都具有很大的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。但是，目前對(duì)于通徑檢測(cè)器在管道內(nèi)部固有特征識(shí)別方面研究較少，因此本文基于此提出了通徑檢測(cè)器彎道識(shí)別算法，有效地實(shí)現(xiàn)了管道內(nèi)部固有特征的識(shí)別。

4） 該彎道識(shí)別算法是本文的創(chuàng)新技術(shù)。但是，目前該技術(shù)是以通徑檢測(cè)器檢測(cè)臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為研究基礎(chǔ)，僅適應(yīng)于通徑檢測(cè)器檢測(cè)過程中的彎道識(shí)別。本文提出的識(shí)別算法僅是通徑檢測(cè)器在理想運(yùn)行狀態(tài)下的分析結(jié)果，因此與實(shí)際檢測(cè)臂的運(yùn)行規(guī)律可能會(huì)存在差別。在今后的研究中需要考慮通徑檢測(cè)器由于結(jié)構(gòu)尺寸以及運(yùn)行速度等因素引起的重心偏移影響。此外，該算法未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其識(shí)別精度和準(zhǔn)確性有待于檢驗(yàn)和提高。以上問題將是下一步研究工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

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Analysis for Character of Caliper Pig Passing Through Curving Pipeline

LI Xiaolong，Z H A N G Shimin，JIA O Q uan，Z H A N G Kang，C H E N Y ouliang
（College ofmechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum（Beijing），Beijing102249，China）

As a necessary tool used for pipeline in-line inspection，caliper pig plays an im portant role in solving the problem of potential danger of pipeline．O wing to the problem of bad pass ability，themileage accumulation error and error detection，in this paper，the ability and character are respectively studiedw hen caliper pig pass through curving pipeline．T hrough analyzing the process of caliper pig pass through the curve pipeline，themaximal length of the calip er skeletonwas obtained．Besides，the angle changing law of detection arm during the caliper passed through the curve pipeline was also concluded．O n the basis of it，in this paper，a new identification algorithmw hich was used to identify the curving pipeline was proposed and the judgment algorithmeffectively avoided the phenomenon ofmileage accumulation errors and detection errors．T he study in this paper has some guiding significance for the internal pipeline inspection．

oil and gas pipeline；caliper pig；the character of pass through curving pipeline；identification algorithm

T E973

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．015

2014-09-26

李曉龍（1988-），男，山東青島人，博士研究生，主要從事管道清管、內(nèi)檢測(cè)裝備研究，E-mail：xiaolongtlee＠163．com。