長(zhǎng)輸送油氣管道內(nèi)自行走檢測(cè)器皮碗力學(xué)特性的研究

傅　裕，歐陽(yáng)熙，胡鐵華，汪華軍（機(jī)械科學(xué)研究總院，北京　100044）

長(zhǎng)輸送油氣管道內(nèi)自行走檢測(cè)器皮碗力學(xué)特性的研究

傅裕，歐陽(yáng)熙，胡鐵華，汪華軍
（機(jī)械科學(xué)研究總院，北京100044）

長(zhǎng)輸送油氣管道運(yùn)輸介質(zhì)為石油或者天然氣，管道在服役期內(nèi)，需定期利用檢測(cè)器來檢測(cè)管道使用情況。檢測(cè)器中，皮碗作為驅(qū)動(dòng)部件和支撐部件，對(duì)檢測(cè)器尤為重要。依據(jù)皮碗結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，簡(jiǎn)化皮碗為厚壁筒模型和懸臂梁模型，利用ANSYS對(duì)厚壁筒模型進(jìn)行有限元分析，對(duì)懸臂梁模型以及皮碗總摩擦力進(jìn)行數(shù)值仿真，得出結(jié)論，為檢測(cè)器皮碗的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

長(zhǎng)輸送油氣管道；皮碗；力學(xué)特性

0　引言

長(zhǎng)輸送油氣管道，運(yùn)輸介質(zhì)為石油或者天然氣，自行走檢測(cè)器前進(jìn)的動(dòng)力來自于檢測(cè)器前后端流體介質(zhì)的壓差，皮碗需要均有良好的密封性能，才能保證整個(gè)運(yùn)行過程中壓縮流體不會(huì)隨意從檢測(cè)器后端流到前端，造成壓差太小檢測(cè)器卡堵在管道中；檢測(cè)器單次運(yùn)行距離最長(zhǎng)達(dá)上百公里，故皮碗也要有良好的耐磨性能。此外，在檢測(cè)器檢測(cè)運(yùn)行過程中，需保持檢測(cè)器中心一直處于管道中心軸上，皮碗提供整個(gè)骨架所需的支撐力，保持檢測(cè)器平衡。因此，皮碗在整個(gè)檢測(cè)器運(yùn)行過程中尤為重要。

在長(zhǎng)輸送油氣管道自行走檢測(cè)器設(shè)計(jì)過程中，選擇深錐型皮碗作為自行走檢測(cè)器的支撐皮碗，本文對(duì)深錐型皮碗的支撐力和摩擦力方面等力學(xué)特性方面做相關(guān)分析。

圖1　皮碗受力示意圖

1　深錐型皮碗的力學(xué)模型簡(jiǎn)化及分析

由于皮碗的對(duì)稱性，取皮碗一半為研究對(duì)象，如圖1所示。檢測(cè)器在管道中運(yùn)行，主要受到管內(nèi)流體介質(zhì)作用推動(dòng)檢測(cè)器前進(jìn)，同時(shí)受到管道內(nèi)壁對(duì)皮碗的作用力和自身重力影響。管道與皮碗相互作用，一方面是由于皮碗存在過盈量，管道為剛性體，皮碗受管道束縛產(chǎn)生的反彈力FN，沿徑向指向圓心，即管壁法向方向，皮碗受管道內(nèi)壁反彈力FN分布對(duì)稱于皮碗軸向中心，壓強(qiáng)為pN；另一方面，由于皮碗和管道發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，管道內(nèi)壁比較粗糙，產(chǎn)生很大的動(dòng)摩擦力，方向與皮碗運(yùn)動(dòng)方向相反。

圖中，F(xiàn)N—管道內(nèi)壁對(duì)皮碗正壓力；F摩—皮碗所受摩擦力；α—皮碗本體傾斜角度；a—唇邊等效長(zhǎng)度。

皮碗受力模型可以簡(jiǎn)化為一個(gè)錐形圓筒受壓變形的模型。FN由兩部分產(chǎn)生，一是唇邊受管道內(nèi)壁擠壓整體向圓心方向收縮，記力為FN1，壓強(qiáng)pN1，簡(jiǎn)化為求解厚壁圓筒問題的彈性解；另一方面是本體錐形部分受管壁壓力產(chǎn)生的反作用力FN2，壓強(qiáng)pN2，對(duì)皮碗作沿管道徑向方向剖面做微元處理，簡(jiǎn)化問題為求解懸臂梁受力問題的解，如圖2所示。

圖2　厚壁圓筒模型及懸臂梁模型

2　皮碗厚壁筒數(shù)學(xué)模型及其求解

對(duì)于厚壁圓筒，為圓類問題，采用極坐標(biāo)方法求解。皮碗外徑位移uD和壓強(qiáng)pN1：

由上式知，pN1＜0，故pN1總是為壓應(yīng)力。由數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出來的壓強(qiáng)表達(dá)式，聯(lián)合皮碗摩擦力等于摩擦系數(shù)、接觸面積以及法向壓強(qiáng)的乘積，可知道影響皮碗和管道內(nèi)壁作用的因素有皮碗材料屬性、皮碗唇邊過盈量、唇邊厚度和皮碗唇邊長(zhǎng)度。

2.1皮碗厚壁筒ANSYS仿真

基于彈性力學(xué)相關(guān)理論，通過ANSYS對(duì)過盈狀態(tài)下的皮碗唇邊進(jìn)行模擬仿真，可以得到皮碗應(yīng)力沿徑向方向的分布情況以及皮碗變形情況，并且通過云圖的方式直觀地描述出來。

仿真主要目的為求解皮碗唇邊部位的相關(guān)尺寸對(duì)皮碗與管內(nèi)壁正壓力，因此，在仿真過程中忽略了皮碗唇邊以下其余部位，因此，簡(jiǎn)化厚壁筒模型是這里采用的物理模型。

仿真參數(shù)選擇依據(jù)氣管線管道各項(xiàng)指標(biāo)：口徑Φ1016mm，內(nèi)壁帶內(nèi)涂層，常規(guī)直管壁厚是14.6mm，計(jì)算得管內(nèi)徑為Φ986.8mm，在仿真時(shí)取值 Φ986mm。厚壁筒外徑為皮碗外徑Φ992mm，唇邊厚度為 45mm，唇邊長(zhǎng)度70mm。選擇ANSYS Workbench軟件的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析模塊Static Structure來進(jìn)行靜力仿真，仿真得出皮碗過盈量和唇邊厚度與變形及應(yīng)力的關(guān)系圖如圖3～圖5所示。

作皮碗外徑和壓應(yīng)力曲線圖，如圖6所示。

圖3　過盈量3mm唇邊厚度45mm時(shí)變形及沿徑向方向應(yīng)力云圖

圖4　過盈量3mm唇邊厚度50mm時(shí)變形及沿徑向方向應(yīng)力云圖

圖5　過盈量6mm唇邊厚度50mm時(shí)變形及沿徑向方向應(yīng)力云圖

圖6　皮碗外徑、壓應(yīng)力曲線圖

由ANSYS仿真結(jié)果可知，在管道內(nèi)徑不變的情況下：①唇邊厚度不變，皮碗過盈量越大，壓應(yīng)力越大；②過盈量不變，唇邊厚度越大，壓應(yīng)力越大（壓應(yīng)力與內(nèi)壁對(duì)皮碗的壓強(qiáng)相等），這與表達(dá)式推導(dǎo)結(jié)論是一致的，見圖6。厚壁筒模型只是反映了皮碗唇邊尺寸過盈方面與管道之間的作用力，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體需要，結(jié)合設(shè)備其他方面因素設(shè)計(jì)皮碗。

2.2皮碗懸臂梁模型求解

皮碗懸臂梁模型見，微元皮碗可以看成一端受力的懸臂梁，皮碗在管道內(nèi)，懸臂梁模型部分受剛性管道擠壓產(chǎn)生的反彈力FN2，壓強(qiáng)pN1的求解可先不考慮摩擦力，從梁的撓度計(jì)算公式：

式中，w—懸臂自由端撓度（m）；M（x）=FN2（L-x）—彎矩（Nm）；E—彈性模量（N/m2）；IZ—慣性矩（m4）。推得由變形w所產(chǎn)生的壓強(qiáng)p'N2：

對(duì)上式作傾斜角度和壓應(yīng)力曲線圖，如圖7所示。

圖7　傾斜角度和壓應(yīng)力曲線圖

3　皮碗摩擦力的求解

皮碗支撐力方面，主要由皮碗懸臂模型部分決定，壓應(yīng)力越大，相應(yīng)的反彈力越大，則說明支撐力越強(qiáng)，由圖7可知，當(dāng)α增大，反彈力會(huì)迅速減小，支撐能力也迅速減小。所以α角越大，皮碗支撐力越弱。

由圖2所示兩個(gè)模型，可知整個(gè)皮碗由形變量所產(chǎn)生的壓強(qiáng)為pN：

皮碗所受摩擦力方面，如果不考慮速度對(duì)摩擦力F摩= μπDIapN的影響，則有：

圖8　皮碗外徑D和摩擦力的關(guān)系曲線

圖9　皮碗內(nèi)徑d和摩擦力的關(guān)系曲線

圖10　傾斜角度α和摩擦力的關(guān)系曲線

對(duì)上式進(jìn)行數(shù)值仿真，采用單一變量法作出皮碗外徑D、皮碗內(nèi)徑d和傾斜角α與摩擦力的關(guān)系曲線。

4　結(jié)論

本文選擇深錐型皮碗進(jìn)行研究，針對(duì)深錐型皮碗結(jié)構(gòu)形式，把皮碗視為厚壁圓筒模型與懸臂梁模型的組合體，在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)皮碗厚壁圓筒模型、皮碗懸臂梁模型進(jìn)行分析求解，得到皮碗特征參數(shù)對(duì)皮碗性能的影響結(jié)果為：①皮碗唇邊厚度越大，壓應(yīng)力越大，摩擦力越大；②唇邊過盈量越大，壓應(yīng)力越大，摩擦力越大；③皮碗本體傾斜角度越大，皮碗越深，壓應(yīng)力越小，支撐能力越弱；④懸臂部分厚度越大，壓應(yīng)力越大，摩擦力越大。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮檢測(cè)器整體運(yùn)行狀態(tài)，合理選擇皮碗特征參數(shù)，本章內(nèi)容為自行走檢測(cè)器皮碗的設(shè)計(jì)研究奠定了理論基礎(chǔ)，對(duì)常規(guī)在役檢測(cè)器皮碗設(shè)計(jì)也具有指導(dǎo)意義。

［1］胡鐵華，劉紅旗，汪華軍，張永江.管道內(nèi)檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)建模及實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，5.

［2］歐陽(yáng)熙，胡鐵華，邸強(qiáng)華.新建油氣管道變形內(nèi)檢測(cè)器機(jī)械系統(tǒng)的研制［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2014，3.

［3］李同林.彈塑性力學(xué)［M］.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2009.

The Research on the Mechanical Characteristics of the Self-propelled and Internal Inspection Tools for Oil and Gas Pipeline

FU Yu，OUYANG Xi，HU Tie-Hua，WANG Hua-Jun
（China Academy of Machinery Science and Technology，Beijing 100044，China）

The transport medium of long-transport oil and gas pipeline is oil or gas.It requires regular detection for pipeline during its service period.Cups as the drive and the support component，is particularly important for the detector.Based on the structural characteristics of the cup，the cup is simplified as thick-walled cylinder model and cantilever model.The finite element analysis of thick-walled cylinder model with ANSYS and the numerical simulation of Cantilever model and total friction of the cup were done.It provides a theoretical basis and technical guidance for the cup design.

long-transport oil and gas pipeline；cup；mechanical characteristics

TP27

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.035

1002-6673（2015）05-094-03

2015-06-25

北京市科技計(jì)劃課題（長(zhǎng)輸送油氣管道內(nèi)自行走檢測(cè)設(shè)備研制-Z151100002815031）

傅裕（1979-），男，工程師，從事機(jī)械電子工程技術(shù)方面的研究。