管道內(nèi)封堵導流機器人結(jié)構(gòu)設計及流場分析*

韓傳軍 費一栗 張芹芹 蔡文博

(西南石油大學機電工程學院)

0 引 言

管道運輸作為石油和天然氣快捷、經(jīng)濟和可靠的運輸方式，被稱為油氣田生命線工程，其穩(wěn)定和高效安全的運輸狀態(tài)是保證國民經(jīng)濟良好運行的重要保障[1]，也是國家的戰(zhàn)略性重大工程。因此，國務院在2019年專門成立了國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司，主要從事油氣干線管網(wǎng)及出氣調(diào)峰等基礎設施的投資建設和運營[2-3]。

由于長達十幾萬千米的輸油氣管網(wǎng)大多數(shù)布局在野外和不易經(jīng)常監(jiān)測的地區(qū)，管道的破壞和非正常情況損壞產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟損失。目前，管網(wǎng)的快速維修和及時更換還不能在大范圍內(nèi)得到很好的處理，尤其在野外情況下，想要及時更換則變得更加艱難[4-8]。因此，對能夠快速解決管道泄漏并能保證管道不中斷運輸?shù)目焖俜舛潞蛯Я黝愒O備的研發(fā)需求就顯得十分緊迫[9]。

國內(nèi)外相關(guān)學者對管道的快速封堵和導流設備進行了相關(guān)研究。日本的HI-ROSE等[10]開發(fā)了Thes系列輪式管道機器人；韓國的H.R.CHOI等[11]研制了多關(guān)節(jié)管道機器人，此類機器人采用差動驅(qū)動方式；國內(nèi)的劉清友[12]在螺旋驅(qū)動式管道機器人的開發(fā)和研究上做了大量工作。但是，關(guān)于在管道內(nèi)進行快速封堵和導流，保障管道不停工的管道機器人的開發(fā)及流場分析的研究還較少[13-14]。

針對所述的特殊工況和使用需求，本文設計了一種可進行快速封堵和導流的輪式機器人，并對其工作中的流體域進行了流場分析，找到了中間導通管最優(yōu)的管徑和形狀組合，該組合既可以保證機器人在流體環(huán)境中穩(wěn)定運行，又能最大限度地導流。所得結(jié)論可為后續(xù)封堵導流機器人的設計和應用提供參考。

1 封堵導流機器人總體設計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

設計的管道內(nèi)封堵導流機器人總體結(jié)構(gòu)由3部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其大致由牽引裝置、支撐單元以及封堵導流裝置構(gòu)成。機器人牽引裝置和封堵導流裝置以及支撐單元用萬向聯(lián)軸器連接，可實現(xiàn)彎道自適應，靈活工作于多種不同曲率半徑和直徑的管道。牽引裝置前、后各安裝1組，既能滿足快速行進，又可以保證快速退出，同時給整個機構(gòu)提供充足動力。當機器人快速到達裂縫位置后，氣囊與管道緊密接觸，液體從中間導通管排走，工人便可以在管道外進行焊接修復作業(yè)，保證管道不停運，同時施工不受液體影響。

1—牽引裝置；2—支撐單元；3—焊槍；4—管道焊縫；5—封堵導流裝置。

1.2 牽引裝置

機器人牽引裝置主要由連桿支撐變徑骨架和驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成，主要包括活塞桿架、微型液壓缸、車輪支撐架、調(diào)節(jié)推桿及電機等部件，結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于機器人在管道內(nèi)的流體中運動，所以結(jié)構(gòu)設計既要考慮密封又要簡單可靠。牽引裝置可由活塞桿的伸縮帶動連桿和搖桿的擺動，進而帶動車輪支撐架做一定角度的轉(zhuǎn)動，使牽引裝置的徑向大小得以改變，以此來適應不同的管徑?；钊麠U由尾部的小型密封液壓泵作為動力源帶動活塞伸縮。

1—活塞桿頭架；2—連桿；3—搖桿；4—車輪支撐架；5—驅(qū)動輪；6—傳動齒輪；7—錐齒輪軸；8—轉(zhuǎn)向錐齒輪；9—電機；10—電機電源及控制箱；11—液壓導流管；12—微型液壓泵；13—電機電源及控制線；14—活塞桿。

驅(qū)動輪由活塞桿尾部的電源箱和控制電路輸出3根控制線，同步控制車輪支撐架里面安裝的3個相同的電機，為電機提供電源和控制信號。

由于驅(qū)動輪在液體環(huán)境中工作，所以要盡可能地簡化機構(gòu)，增強結(jié)構(gòu)在工作中的穩(wěn)定性，故將驅(qū)動輪電機安裝在車輪支撐架內(nèi)側(cè)以減輕使用過程中流體對機構(gòu)的沖刷，保證其受到的流體阻力最小。驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—傳動齒輪1；2—驅(qū)動輪固定支架；3—傳動齒輪2；4—電機電源及控制線；5—電機；6—錐齒輪2；7—錐齒輪1。

為簡化機構(gòu)，設計了以錐齒輪和普通圓柱齒輪組合結(jié)構(gòu)，以達到轉(zhuǎn)向和運動傳遞的目的。將錐齒輪1和電機的輸出軸相連接，另一個錐齒輪和固定驅(qū)動輪的螺桿相連接，嚙合運動后實現(xiàn)運動的90°轉(zhuǎn)向，然后通過傳動齒輪將運動傳遞到驅(qū)動輪軸上，從而帶動驅(qū)動輪軸運動。按照設計要求，機器人的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 機器人主要設計參數(shù)

1.3 支撐單元

萬向聯(lián)軸器與活塞桿上端的聯(lián)軸器接頭連接。萬向聯(lián)軸器周邊設有支撐輪，將彈簧裝置固定在萬向聯(lián)軸器支撐部分的套筒內(nèi)部，另一端與支撐輪相連接，通過彈簧和套筒的共同作用使支撐輪只能沿套筒軸上下移動，實現(xiàn)被動變徑調(diào)節(jié)，以滿足不同管道直徑的需要，同時又能保證其可以穩(wěn)定支撐封堵裝置。支撐單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—萬向聯(lián)軸器接頭；2—套筒；3—支撐架；4—支撐輪；5—支撐彈簧。

1.4 封堵導流裝置

封堵導流裝置的主要功能是在管道破裂的位置實施動態(tài)封堵，發(fā)現(xiàn)裂縫后，機器人行進到此處，封堵系統(tǒng)的氣囊通過充氣泵充氣，密封氣囊鼓起與管道緊密接觸，在破裂處形成密封區(qū)，此時管道中的液體將通過中間的導通管排走。裝置由導通管、充氣泵、封堵氣囊、充氣管以及固定支座等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1—封堵氣囊；2—氣囊固定底座；3—充氣管；4—充氣泵；5—導通管。

2 流體域模型

2.1 流場分析理論

機器人在管道內(nèi)工作時，流體從中間的導通管排走，因此要探究流體在通過橫截面積突變的導通管時流場的變化情況。流體流動過程計算區(qū)域模型簡化圖如圖6所示。

實際工作時，流體從封堵區(qū)域中間的導通管流走，由于導通管的直徑小于管道直徑，流體從橫截面大的管道流入中間直徑較小的導通管，在流入和流出的瞬間橫截面發(fā)生突變，勢必會對旁通內(nèi)的流體流動產(chǎn)生較大影響，因此需要對其流場進行分析。為了簡化計算同時又能達到計算仿真的目的，將封堵裝置的模型略去對流體流動影響不大的區(qū)域，設計了2種結(jié)構(gòu)的對比模型：一種導通管入口為直角，另一種導通管入口為圓角。計算區(qū)域模型簡化圖如圖6所示。

圖6 計算區(qū)域模型簡化圖

封堵導流裝置的導通管內(nèi)徑d=55 mm，入口圓角半徑R=5 mm，管道直徑D=280 mm。在實際工作中，導通管對流場產(chǎn)生的影響較大。由于封堵器在管道內(nèi)，所以選擇封堵器的最大直徑為管道直徑280 mm，管道長度為2 000 mm。流體入口距離封堵器左端500 mm。

在建立管道機器人充液流體計算區(qū)域模型時，做以下假設：

(1)流體介質(zhì)為液體，采用密度為890 kg/m3、動力黏度為9.8×10-3Pa·s的原油，屬于不可壓縮流體，并滿足牛頓內(nèi)摩擦定律；

(2)在流體運動過程中溫度不發(fā)生變化；

(3)流體介質(zhì)充滿管道。

流體在管道內(nèi)流動還必須滿足質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、動量守恒定律和牛頓第二定律。由于標準k-ε模型能夠更好地預測管道內(nèi)復雜的流動，所以選擇標準k-ε湍流模型進行模擬計算。近壁區(qū)流體由于壁面的剪切作用，湍流發(fā)展不充分，所以采用標準壁面函數(shù)對近壁區(qū)流動進行求解。

2.2 網(wǎng)格劃分與計算條件

由于流體域結(jié)構(gòu)簡單，為對稱結(jié)構(gòu)，所以選擇Fluent自帶的mesh劃分網(wǎng)格，將結(jié)構(gòu)做對稱處理，這樣可將網(wǎng)格數(shù)量減少，整體用四面體網(wǎng)格，采用局部加密網(wǎng)格處理，如圖7所示。圖7中左端面為入口，右端面為出口，中間為導通管內(nèi)的流體域，整個流體域以管道加導通管內(nèi)流體為模擬區(qū)域。

圖7 流體計算區(qū)域網(wǎng)格

封堵裝置流場區(qū)域的邊界條件為速度入口，初始速度為4 m/s，設置邊界湍流條件為湍流強度和水力直徑，水力直徑為280 mm。湍流強度計算公式如下：

I=0.16Re

(1)

Re=ρuL/μ0

(2)

式中：ρ為流體密度，取890 kg/m3；u為流體流速，取4 m/s；L為特征長度，取280 mm；μ0為動力黏度，取9.8×10-3Pa·s。

代入式中計算得到流體的雷諾數(shù)Re=101 714，進而得到I=3.79。

出口設置為自由流出，管道表面及旁通內(nèi)表面均為無滑移固壁條件。為了得到較高的計算精度，并使計算快速收斂，選擇基于壓力穩(wěn)態(tài)求解器，利用二階迎風格式進行離散，并采用SIMPLEC算法進行求解。

3 流場分析

為得到流體域的流場分布，選取2種不同的導通管入口形狀：一種入口為直角，導通道直徑d=55 mm；另一種入口為圓角，圓角半徑R=5 mm，導通管直徑不變，仍為55 mm。 選取不同的進口初始速度對2種不同形狀的入口導通管進行流場分析，查看其壓力和速度在導通管及管道內(nèi)的分布，分析在不同的入口速度情況下，導通管入口形狀對流場的影響和流體對封堵導流裝置的沖擊。

3.1 速度場分析

在Fluent軟件中提取2種結(jié)構(gòu)對稱面速度云圖，如圖8所示。由圖8可以看到：由于在導通管入口處橫截面瞬間減小，所以流速急速上升到最大速度，直角式最大速度離入口的距離非常?。粓A角式由于入口形狀沒有直角式變化劇烈，所以最大速度沒有在入口處產(chǎn)生，同時圓角式導通管內(nèi)速度較為均勻，無有較大的速度梯度變化。

圖8 三維流場對稱面速度云圖

3.2 壓力場分析

機器人的結(jié)構(gòu)設計和強度校核主要的參考依據(jù)就是壓力，因此提取了2種結(jié)構(gòu)的壓力分布云圖，如圖9所示。

圖9 2種結(jié)構(gòu)的壓力場云圖

由圖9可以看到，圓角式的導通管壓力比直角式明顯減小。由于結(jié)構(gòu)突變，會在直角式導通管入口的兩邊產(chǎn)生高壓和漩渦。在入口外面的區(qū)域為高壓區(qū)，在導通管內(nèi)為中壓區(qū)，出口為低壓區(qū)。因此，需要進一步研究導通管的流場特性隨入口形狀的改變而產(chǎn)生的變化，進而為設計出合理的導通管直徑和形狀提供依據(jù)。

4 流體對導通管的沖擊分析

由于管道直徑和實際工作狀況不同，導通管的直徑不能太大。但在實際工作中，導通管的形狀和直徑又會對流體的流動產(chǎn)生影響，從而影響機器人的工作性能。筆者選取不同的直徑和不同的圓角半徑，以相同的入口速度作為參考，分別探究在速度為4 m/s的情況下，直角式導通管直徑為55～85 mm和圓角式導通管直徑為55 mm、入口圓角半徑為5～35 mm時流場的分布情況。

4.1 不同直徑導通管對流場分布的影響

在入口速度為4 m/s時，提取不同直徑導通管的流場數(shù)據(jù)，如圖10所示。

由圖10可以看到，流體最大壓力和最大速度分布在同一位置，但是下降速度由快到慢，尤其是最大壓力隨著直徑的均勻增加下降的速度越來越慢，不再劇烈下降。所以可以得出：在導通管均勻增大的情況下，流體壓力和速度先是快速下降再緩慢下降；在導通管直徑由55 mm變?yōu)?0 mm時，壓力減小了32%，但是導通管直徑由80 mm變?yōu)?5 mm時只下降了22%。由此可見，導通管直徑對流場的壓降有較大的影響，但不是線性規(guī)律的下降，當導通管直徑增加到85 mm時對壓力的影響已經(jīng)明顯減弱。而在實際工作中，導通管直徑不能無限增大，因此選擇直徑85 mm時的導通管較為合理，最大壓力由55 mm時的8.231 MPa下降到85 mm時的1.358 MPa，壓力下降了83%。

圖10 不同直徑導通管流場分布

4.2 不同圓角半徑的導通管對流場分布的影響

由前文可知，在導通管入口形狀不同時也會對流場的分布產(chǎn)生較大影響，提取出7組圓角半徑導通管的流場數(shù)據(jù)，如圖11所示。

由圖11可知，隨著導通管入口圓角半徑的增大，流體的最大壓力和速度呈現(xiàn)總體下降的趨勢，但是下降的幅度并不大，在圓角半徑變?yōu)?0 mm以后只是緩慢的下降，且是非線性的。在圓角半徑由10 mm變?yōu)?5 mm時甚至出現(xiàn)上升。導通管半徑為5～35 mm時，壓力的最大值由7.695 MPa減小到7.449 MPa，減小了2.7%。因此可以得出結(jié)論：將導通管的入口形狀由直角變?yōu)閳A角時，可以使管道的流體壓力和速度下降，但效果不是特別明顯，入口形狀不是影響壓降的主要因素。

圖11 不同圓角半徑導通管流場分布

4.3 流體對封堵導流裝置的沖擊力分析

當封堵導流裝置在管道內(nèi)工作時，由于流體對封堵導流裝置的端面產(chǎn)生沖擊力，這個沖擊力是保證封堵導流裝置在管道內(nèi)部不發(fā)生滑動的主要因素。封堵導流裝置的受力分析如圖12所示。

圖12 封堵導流裝置在管道內(nèi)受力分析

由圖12可知，裝置兩個端面受液體的壓力差(F1-F2)可使裝置發(fā)生滑動。裝置主要依靠氣囊充氣后與管道形成的摩擦力來與管道固定，由受力分析有以下方程：

FN=F1-F2

(3)

Ff=pAμ

(4)

式中：FN為流體對封堵導流裝置產(chǎn)生的力，N；Ff為氣囊與管道產(chǎn)生的摩擦力，N；p為氣囊產(chǎn)生的壓力，Pa；A為氣囊與管道接觸面積，m2；μ為氣囊與管道的摩擦因數(shù)，由于氣囊為聚氨酯橡膠且在原油中，查閱文獻[15]可知，μ=0.24。

由于設計的氣囊最大充氣壓力為1.455 MPa，氣囊與管道的接觸面積A=0.141 m2，代入式(4)中得到Ff=49.35 kN。

取導通管直徑為85 mm,入口圓角半徑為35 mm，選取入口速度為4～8 m/s進行流場分析，探究其對流場的影響規(guī)律，流場分布數(shù)據(jù)如圖13所示。從圖13可以看到：在導通管直徑為85 mm、入口圓角半徑為35 mm的情況下，在入口速度均勻減小的過程中，管道內(nèi)的速度出現(xiàn)均勻下降，在4 m/s的初始速度時，流體的最大速度(46.0 m/s)比入口為直角式最大速度(70.8 m/s)下降35%左右，下降效果非常明顯；且當初始速度為8 m/s時，管道內(nèi)的最大速度(90.2 m/s)仍然小于初始速度為4 m/s時的入口為直角式的最大速度(138.7 m/s)。

圖13 圓角半徑35 mm、直徑85 mm導通管的流場數(shù)據(jù)

在壓降方面效果更為明顯，隨著入口初始速度的下降呈現(xiàn)較為均勻的下降。比同為直角入口式的情況壓力減小了約45%，且下降的規(guī)律接近線性，比單獨增大圓角半徑和單獨增大直徑呈現(xiàn)出更為規(guī)律的下降。因此選擇導通管入口圓角半徑R=35 mm、直徑d=85 mm時，對管道機器人的流場壓降和最大速度的下降，減小導通管道內(nèi)的渦流，提高流體流動的穩(wěn)定性具有重要作用。

提取不同初始速度下封堵裝置的壓力數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 封堵導流裝置導通管左右端面壓力

由表2可以得到：當流速等于9 m/s時，流體沖擊力FN=64.387 kN，大于Ff；當初始速度等于8 m/s時，F(xiàn)N=47.234 kN，小于Ff。由此可以得到，當流速小于等于8 m/s時，機器人可以在管道內(nèi)穩(wěn)定工作，達到密封封堵和導流的要求。

5 結(jié) 論

(1)管道機器人內(nèi)流場的特性受封堵裝置的導通管結(jié)構(gòu)和形狀變化的影響非常大，隨著流體速度的增加，流體流經(jīng)封堵裝置中間導通管時，由于管道橫截面積的突變會在導通管的前部、中部和尾部形成高、中、低壓區(qū)域，并且產(chǎn)生渦流，影響流體的穩(wěn)定流動，進而影響機器人在管內(nèi)的作業(yè)。

(2)當導通管結(jié)構(gòu)為直角式入口時，隨著導通管直徑的增加，流場的壓降和最大速度的下降較為明顯，先呈現(xiàn)較為規(guī)律的線性下降，后下降速度逐漸減慢，流體最大速度的位置不變。當導通管不增加直徑只改變?nèi)肟趫A角半徑時，流體的壓降和速度會下降，但是下降程度不明顯。入口形狀并不是影響壓降的主要因素，但是可以改變流體的流速分布，最大流速的位置發(fā)生改變且流速的分布較為均勻，不會出現(xiàn)較大的分層梯度。

(3)選擇導流管的入口形狀為圓角，半徑R為35 mm，導流管直徑d為85 mm時，流體的壓降和最大速度的下降效果最為明顯。

(4)當流速小于等于8 m/s時，機器人可以在管道內(nèi)穩(wěn)定工作，達到密封封堵和導流的要求。