管道柔性測(cè)徑清管器的設(shè)計(jì)及測(cè)徑盤性能分析*

張 行 劉 彤 劉思敏 許學(xué)峰 高孟琦 閆增瑞 張仕民

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院 2.中油國(guó)際管道公司)

0 引 言

油氣管道投產(chǎn)前，需要對(duì)新建管道內(nèi)部進(jìn)行檢查評(píng)估[1-2]。在役管道也經(jīng)常使用測(cè)徑清管器檢測(cè)其內(nèi)部的變形情況[3-5]。目前，檢測(cè)管道內(nèi)部變形情況的常用工具是管道測(cè)徑清管器。

傳統(tǒng)測(cè)徑清管器是在常規(guī)清管器上加裝測(cè)徑鋁盤[6],當(dāng)測(cè)徑清管器運(yùn)行結(jié)束后，通過(guò)檢測(cè)鋁盤變形量粗略估計(jì)管道內(nèi)部發(fā)生的最大變形量。這種測(cè)徑清管器檢測(cè)精度低，不能對(duì)管道多個(gè)變形位置進(jìn)行測(cè)量，并且還存在鋁制測(cè)徑盤不可重復(fù)利用的缺點(diǎn)。近年來(lái)，管道內(nèi)部變形檢測(cè)方法主要有接觸式通徑檢測(cè)和非接觸式無(wú)損檢測(cè)[7-15]。王宇楠等[16]在泡沫清管器中放置磁塊，根據(jù)磁場(chǎng)變化對(duì)管內(nèi)殘余物質(zhì)的高度和外形等特征進(jìn)行預(yù)先測(cè)量。馬書義等[17]根據(jù)回波信號(hào)的時(shí)間歷程、幅值等信息獲取管道截面的變化。趙翰學(xué)等[18]研發(fā)了150 mm大量程、高精度渦流傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)管道變形的檢測(cè)。WANG H.昊等[19]為檢測(cè)直徑小于200 mm的管道而提出鋼板彈簧卡尺探測(cè)臂。接觸式通徑檢測(cè)方法不僅存在探測(cè)臂引發(fā)機(jī)械故障的風(fēng)險(xiǎn)，而且還有檢測(cè)速度慢的缺點(diǎn)。非接觸式無(wú)損檢測(cè)方法檢測(cè)費(fèi)用較高，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，再加上管道結(jié)構(gòu)多樣以及服役環(huán)境等原因，應(yīng)用存在局限性[20-21]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種油氣管道柔性測(cè)徑清管器。該清管器將傳統(tǒng)鋁制測(cè)徑盤改為柔性材質(zhì)，并將應(yīng)變片置于超彈性柔性盤中,其工作原理是：當(dāng)測(cè)徑清管器越過(guò)管道凹陷處時(shí)，柔性盤發(fā)生變形，應(yīng)變片也隨之發(fā)生變形，應(yīng)變儀測(cè)得測(cè)徑盤遇阻時(shí)的應(yīng)變變化，據(jù)此可以快速識(shí)別管道內(nèi)通徑變化情況，對(duì)管道變形處實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的檢測(cè)和量化。這種檢測(cè)手段既可以對(duì)管內(nèi)多個(gè)變形進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)又能減少引發(fā)機(jī)械故障的風(fēng)險(xiǎn)。其檢測(cè)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)管壁無(wú)損傷且柔性測(cè)徑盤可重復(fù)利用。

本文以聚氨酯材質(zhì)測(cè)徑盤為研究對(duì)象，采用ABAQUS 2016有限元仿真軟件對(duì)其在凹陷管道內(nèi)運(yùn)行情況進(jìn)行模擬。從放置面、縱向分布和橫向分布3方面確定應(yīng)變片放置位置，討論厚度、瓣數(shù)及聚氨酯材料硬度3個(gè)參數(shù)變化時(shí)，測(cè)徑盤應(yīng)力與應(yīng)變的分布，并進(jìn)行分析。

1 有限元模型

1.1 柔性測(cè)徑盤模型

柔性測(cè)徑盤如圖1所示。柔性測(cè)徑盤外徑Dg為管道內(nèi)徑的95%，Dg=196.64 mm；Dr表示剛體外徑，即測(cè)徑盤的內(nèi)徑,Dr=51 mm；D表示每瓣之間的距離，D=10 mm；tg為測(cè)徑盤的厚度。

圖1 柔性測(cè)徑盤Fig.1 Flexible gauging plate

實(shí)際測(cè)徑盤是用 “U”形將盤分割成若干瓣，n表示測(cè)徑盤的瓣數(shù)。討論測(cè)徑盤的厚度(tg)、瓣數(shù)(n)和聚氨酯硬度等3個(gè)參數(shù)對(duì)柔性測(cè)徑盤應(yīng)力和應(yīng)變的影響，3個(gè)參數(shù)的變化如表1所示。

表1 不同模擬情況下測(cè)徑盤參數(shù)Table 1 Gauging plate parameters under different simulation conditions

1.2 管道及凹陷模型

凹陷大小通常由深度、長(zhǎng)度和寬度決定[22]。本文研究的凹陷如圖1b所示。其中H是凹陷深度，Dp是管道外徑，t是管道壁厚。以?203.2 mm(8 in)管道為例，Rp=109.5 mm，t=6 mm。

對(duì)于管道凹陷基于深度的定義，許多規(guī)范都提出了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[23-25]，本文中凹陷深度為15 mm。由于管道和清管器都是回轉(zhuǎn)體，所以使用極坐標(biāo)系進(jìn)行分析。從管道軸向看，逆時(shí)針?lè)较蚴钦较?，凹陷中心位?70°。

1.3 測(cè)徑盤和帶有凹陷管道的有限元模型

在ABAQUS 2016有限元軟件中，測(cè)徑盤在凹陷管道運(yùn)行時(shí)的有限元模型如圖2所示。為保證網(wǎng)格質(zhì)量，測(cè)徑盤選擇六面體單元網(wǎng)格，在與管道凹陷接觸的測(cè)徑盤邊緣進(jìn)行倒角處理并加密網(wǎng)格，共有68 248個(gè)網(wǎng)格單元。管道同樣選擇六面體單元，共有10 318個(gè)網(wǎng)格單元。在管道凹陷處，選擇四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共有5 115個(gè)網(wǎng)格單元。

圖2 測(cè)徑盤有限元模型Fig.2 Finite element model of gauging plate

管道的彈性模量是2.01 MPa，泊松比是0.3。測(cè)徑盤采用聚氨酯材料，以Mooney-Rivlin為本構(gòu)模型[26]，其邵氏硬度與材料特性常數(shù)C01、C10的關(guān)系如表2所示?？紤]管道無(wú)軸向位移，管道外壁及凹陷處受完全約束。為提高運(yùn)算速率，將管道凹陷處簡(jiǎn)化為剛體。

表2 聚氨酯材料參數(shù)Table 2 Polyurethane material parameters

2 測(cè)徑盤過(guò)管道凹陷運(yùn)行分析

2.1 測(cè)徑盤過(guò)管道凹陷過(guò)程的應(yīng)力分析

第10組算例用于分析測(cè)徑盤過(guò)管道凹陷過(guò)程中應(yīng)力與應(yīng)變的變化情況。測(cè)徑盤在凹陷管道運(yùn)行過(guò)程如圖3所示。4個(gè)典型位置對(duì)應(yīng)的測(cè)徑盤應(yīng)力云圖如圖4所示。以測(cè)徑盤與凹陷接觸的面為正面，反之為背面。

圖3 模擬過(guò)程及結(jié)果Fig.3 Simulation process and results

測(cè)徑盤接觸凹陷前無(wú)應(yīng)力變化。當(dāng)測(cè)徑盤繼續(xù)向前運(yùn)行，底瓣接觸管道凹陷并緊貼凹陷輪廓向上“抬起”，應(yīng)力隨之增大，到達(dá)凹陷最高處時(shí)，測(cè)徑盤底瓣徑向上升到最大高度，測(cè)徑盤應(yīng)力達(dá)到最大。然后，測(cè)徑盤底瓣沿管道凹陷輪廓慢慢“落下”，應(yīng)力隨之減小，越過(guò)凹陷后測(cè)徑盤恢復(fù)原狀，底瓣所受應(yīng)力也恢復(fù)至0。

由圖4可知，測(cè)徑盤遇凹陷過(guò)程中，離測(cè)徑盤孔徑近的位置應(yīng)力更大，其應(yīng)力沿圓盤半徑至邊緣方向以“水波紋”的形式逐級(jí)遞減。在測(cè)徑盤底瓣“頸部”邊緣會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，若將應(yīng)變片放置在此處，則測(cè)徑盤經(jīng)過(guò)微小凹陷時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力，這不能反映管道內(nèi)部真實(shí)狀況?？紤]到實(shí)際操作，在邊緣處不便加裝應(yīng)變片，所以在后續(xù)分析應(yīng)變片優(yōu)選位置時(shí)，此處不做考慮。

圖4 4個(gè)典型位置的應(yīng)力云圖Fig.4 Cloud chart of stress at 4 typical positions

2.2 確定應(yīng)變片放置面

在測(cè)徑盤遇凹陷過(guò)程中，其正面受到拉應(yīng)力，背面受到壓應(yīng)力。放置應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)以應(yīng)變變化更大的一面，即應(yīng)變率更高的面為優(yōu)選。從測(cè)徑盤底瓣外緣沿半徑方向的中心線上等距選取10 個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。以Point2為例，比較正、背面的應(yīng)變率，其結(jié)果如圖6所示，正面的應(yīng)變變化比背面更明顯，以此可知應(yīng)在測(cè)徑盤正面放置應(yīng)變片。

圖5 測(cè)徑盤正面節(jié)點(diǎn)取情況Fig.5 Selection of front nodes and lines of gauging plate

圖6 Point2正、背面應(yīng)變和應(yīng)變率隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Variation curve of front and back strain and strain rate with time at Point 2

2.3 確定應(yīng)變片縱向位置

沿圓盤半徑方向做7條線將底瓣等分，每條線的起點(diǎn)都為測(cè)徑盤孔徑邊緣，等距選取10個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖7所示。測(cè)徑盤每條線上不同點(diǎn)的應(yīng)變-位移曲線如圖8所示。首先分析第4條線上10個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變情況。由圖8a可知，Point1～Point3在10個(gè)點(diǎn)中應(yīng)變變化顯著，其中Point2在測(cè)徑盤底端到達(dá)管道凹陷最高處時(shí),應(yīng)變達(dá)到最大。選取Point1、Point3、Point5、Point7、Point9進(jìn)行應(yīng)變比較。從圖8b～8h可以看出：由于Point3接近應(yīng)力集中點(diǎn)，所以其應(yīng)變變化非常明顯；圖8c～圖8g中Point1與Point3這兩點(diǎn)之間應(yīng)變相差微小，后幾點(diǎn)之間應(yīng)變差距較大。由此可得，應(yīng)變片縱向位置介于Point1～Point3之間最合適。

圖7 測(cè)徑盤正面7條線Fig.7 7 lines on the front of the gauging plate

圖8 測(cè)徑盤每條線上不同點(diǎn)的應(yīng)變-位移曲線Fig.8 Strain-displacement curve of different points on each line of the gauging plate

2.4 確定應(yīng)變片橫向位置

Line1～Line7的前3個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)變-位移曲線如圖9所示。

圖9 不同線上的前3節(jié)點(diǎn)應(yīng)變-位移曲線Fig.9 Strain-displacement curve of the first three nodes on different lines

由圖9可知：第3條線上第1節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變隨位移變化最明顯，第1條線變化最弱；第1條和第7條線的應(yīng)變曲線幾乎重合且變化最不明顯；由于第1和第7條線的第3節(jié)點(diǎn)距離測(cè)徑盤應(yīng)力集中點(diǎn)較近，所以不能合理有效地提供應(yīng)變數(shù)據(jù)。由此可得，應(yīng)變片的橫向位置應(yīng)處在Line2～Line6之間。綜上所述，應(yīng)變片放置在測(cè)徑盤正面每瓣根部中心位置，有利于提升檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度。

2.5 網(wǎng)格獨(dú)立性

將算例10用于網(wǎng)格獨(dú)立性分析。當(dāng)單元尺寸分別為1.1和1.5 mm時(shí)，計(jì)算得測(cè)徑盤底瓣位于C點(diǎn)時(shí)的應(yīng)力分別為2.301和2.299 MPa，二者相差0.09%，這兩種網(wǎng)格具有良好一致性。因此，構(gòu)建的網(wǎng)格具有獨(dú)立性。

3 不同參數(shù)對(duì)測(cè)徑盤過(guò)凹陷的應(yīng)力與應(yīng)變影響

由前文可以得出，Line4 的第2節(jié)點(diǎn)應(yīng)變變化最顯著，將此點(diǎn)記為M，M點(diǎn)是對(duì)不同參數(shù)研究最具代表性的一點(diǎn)。

3.1 厚度對(duì)測(cè)徑清管器測(cè)徑盤M點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)變的影響

設(shè)n=8，聚氨酯材料硬度為70 HS時(shí)，測(cè)徑盤厚度tg=12、15、18和21 mm，其他條件不變。圖10為不同厚度下測(cè)徑盤的應(yīng)力與應(yīng)變分布。由圖10可知，M點(diǎn)在測(cè)徑盤底瓣底端位于凹陷最高點(diǎn)處的應(yīng)力應(yīng)變分布，相應(yīng)的應(yīng)變?cè)茍D如圖11所示。從圖10可得，厚度從12 mm增加到21 mm，M點(diǎn)應(yīng)力從0.67 MPa增加到1.42 MPa，其應(yīng)變變化也有相似趨勢(shì)。除M點(diǎn)外，測(cè)徑盤其他位置的應(yīng)力應(yīng)變也隨著測(cè)徑盤厚度的增加而增加。

圖10 不同厚度下測(cè)徑盤的應(yīng)力與應(yīng)變分布Fig.10 Stress-strain distribution of gauging plate with different thickness

圖11 不同厚度測(cè)徑盤的應(yīng)變?cè)茍DFig.11 Cloud chart of strain of different thickness of gauging plate

3.2 瓣數(shù)對(duì)測(cè)徑盤M點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)變的影響

當(dāng)tg=20 mm、聚氨酯材料硬度為70 HS時(shí)，測(cè)徑盤瓣數(shù)從6瓣變?yōu)?、8和9瓣，其他條件不變。圖12為M點(diǎn)在測(cè)徑盤底瓣底端位于凹陷最高點(diǎn)處的應(yīng)力與應(yīng)變分布，相應(yīng)的應(yīng)變?cè)茍D如圖13所示。從圖12可知，隨著瓣數(shù)的增加，應(yīng)力和應(yīng)變變化并不顯著。

圖12 不同瓣數(shù)下測(cè)徑盤的應(yīng)力與應(yīng)變分布Fig.12 Stress-strain distribution of gauging plate with different flap numbers

圖13 不同瓣數(shù)下測(cè)徑盤的應(yīng)變?cè)茍DFig.13 Cloud chart of strain of gauging plate with different flap numbers

3.3 聚氨酯材料硬度對(duì)測(cè)徑盤M點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)變的影響

當(dāng)tg=20 mm、n=8時(shí)，測(cè)徑盤材料硬度從60 HS依次變?yōu)?5、70和75 HS，其他條件不變。圖14為M點(diǎn)在測(cè)徑盤底瓣底端位于凹陷最高點(diǎn)時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變分布，相應(yīng)的應(yīng)變?cè)茍D如圖15所示。

圖14 不同聚氨酯材料硬度下測(cè)徑盤的應(yīng)力與應(yīng)變分布Fig.14 Stress-strain distribution of gauging plate with different hardness

圖15 不同聚氨酯材料硬度測(cè)徑盤的應(yīng)變?cè)茍DFig.15 Cloud chart of strain of gauging plate with different polyurethane hardness

從圖14可知,M點(diǎn)的應(yīng)力隨聚氨酯材料硬度的增加而增加，但應(yīng)變沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的變化。這是由于隨聚氨酯材料硬度的增加，測(cè)徑盤變得不易彎曲，所以應(yīng)變變化很小。

4 結(jié) 論

(1)柔性測(cè)徑清管器既可實(shí)現(xiàn)對(duì)管內(nèi)多個(gè)變形進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，其柔性測(cè)徑盤又可重復(fù)利用，同時(shí)可以提升檢測(cè)作業(yè)的安全性，其成本低、適用范圍廣的特點(diǎn)可滿足不同的作業(yè)環(huán)境要求。

(2)在柔性測(cè)徑盤越過(guò)凹陷過(guò)程中，其變形瓣的應(yīng)力沿半徑方向呈“水波紋”形式逐級(jí)遞減分布，在變形瓣“頸部”邊緣會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3)應(yīng)變片放置在測(cè)徑盤正面每瓣根部中心位置時(shí)應(yīng)變變化更顯著，有利于提升檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度。

(4)測(cè)徑盤的厚度比瓣數(shù)和材料硬度對(duì)其應(yīng)力與應(yīng)變的影響大，瓣數(shù)對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變的影響最小。