管內(nèi)智能封堵機器人封堵及調(diào)速裝置設計與研究

李海連，羅春陽，田陽，賈誠心

(北華大學機械工程學院，吉林吉林 132021)

0 前言

管道運輸因其獨特的運輸方式被廣泛應用于原油及天然氣的輸送中，已成為世界上五大運輸方式之一。由于管道運輸?shù)倪\行環(huán)境比較復雜，隨著服役年限的增加，管道不可避免地會受到腐蝕、外力作用及管材自身缺陷等因素的影響，出現(xiàn)裂紋、凹陷等事故，需要對事故管道進行搶修作業(yè)。管道內(nèi)輸送的介質(zhì)大部分為易燃易爆的液體或氣體，管道內(nèi)介質(zhì)的封堵與隔離是管道搶修的首要任務，實現(xiàn)高效、可靠的管道封堵在管道搶修作業(yè)中顯得尤為重要。

目前國內(nèi)外常用的管道封堵方法有：冷凍封堵、開孔封堵及智能封堵。冷凍封堵開始于20世紀80年代，具有施工工藝簡單、安全可靠、成本低等優(yōu)點；但其封堵壓力低，不適于較大管徑的封堵等問題，限制了其應用范圍。開孔封堵技術(shù)具有封堵壓力大、不受管徑限制等優(yōu)點，是現(xiàn)役比較成熟的封堵技術(shù)。但其施工工藝復雜，封堵周期長，后續(xù)正常運行存在安全隱患。智能封堵技術(shù)是一種新興的管道封堵技術(shù)，其施工工藝簡單、工作效率高、施工成本低，成為目前管道封堵技術(shù)研究與應用的熱點。管內(nèi)智能封堵技術(shù)是挪威PSI公司開發(fā)的一種用于管道內(nèi)的智能封堵技術(shù)。美國TWD公司是管內(nèi)封堵的領導者，其研發(fā)的SmartPlug管內(nèi)封堵器在技術(shù)上趨于成熟，已在世界范圍內(nèi)成功完成封堵作業(yè)百余次。英國STATS Goup公司已成功研制出世界一流的管內(nèi)封堵產(chǎn)品。Tecno Plug及BISEP產(chǎn)品在封堵作業(yè)安全性、跟蹤定位準確性等方面取得了重大突破。國內(nèi)在智能封堵技術(shù)方面的研究起步較晚，張仕民、趙宏林、楊朝鋒等分別針對管內(nèi)智能封堵器的結(jié)構(gòu)及通信系統(tǒng)進行了深入研究，但也僅處于實驗研究階段。為了適應我國油氣工程的發(fā)展，提高管道運輸維搶修技術(shù)水平，打破國外在管內(nèi)智能封堵方面的技術(shù)壁壘，應盡早研制出可應用于實際維搶修作業(yè)的管道智能封堵裝置。

管內(nèi)智能封堵機器人總體方案如圖1所示，主要由封堵調(diào)速裝置和駐錨鎖定裝置構(gòu)成。封堵調(diào)速裝置可以調(diào)整機器人在管道內(nèi)的移動速度，同時可以進行管道封堵作業(yè)；駐錨鎖定裝置可實現(xiàn)機器人在管道內(nèi)的可靠停駐，為封堵作業(yè)提供一個穩(wěn)定的狀態(tài)。封堵調(diào)速裝置關系到管道封堵的可靠性及作業(yè)的效率，因此是該裝備的核心技術(shù)之一。

圖1 管內(nèi)智能封堵機器人總體方案

1 封堵及調(diào)速裝置設計

管內(nèi)智能封堵機器人借助管道內(nèi)流體介質(zhì)的壓差驅(qū)動前進，行進過程中通過驅(qū)動裝置控制調(diào)速裝置中的環(huán)形縫隙及節(jié)流口的大小，以調(diào)節(jié)機器人兩端壓差的形式，實現(xiàn)行進速度的控制；當運行到指定封堵位置時，由驅(qū)動裝置控制封堵裝置實現(xiàn)管內(nèi)介質(zhì)的封堵。

1.1 封堵裝置設計

針對工作壓力在1 MPa以下的DN200油氣運輸管道，設計了一種封堵裝置。該封堵裝置由定筒、定筒端蓋組件、定筒透蓋組件、動筒組件、錐環(huán)及密封橡膠構(gòu)成，其中定筒、定筒端蓋組件及定筒透蓋組件構(gòu)成一個封閉的腔體，內(nèi)部安裝驅(qū)動裝置，可控制動筒組件通過錐環(huán)擠壓密封橡膠，迫使密封橡膠產(chǎn)生徑向膨脹，當密封橡膠膨脹至與管道內(nèi)壁緊密接觸時，實現(xiàn)管道介質(zhì)的封堵。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 封堵裝置結(jié)構(gòu)

常用的密封材料有橡膠、聚四氟乙烯、石墨、聚氨酯彈性材料等?？紤]到最大封堵壓力為1 MPa，屬于低壓靜密封，選用低模量硅橡膠作為密封橡膠材料。密封橡膠在進行封堵作業(yè)時分為自由變形和穩(wěn)定工作兩個階段，其可靠密封所需要的總壓力為

=+Δ

(1)

式中：為密封橡膠被壓縮至管道內(nèi)壁所需的壓力，N；Δ為密封橡膠與管道內(nèi)壁由初步接觸到可靠密封所需的壓力，N。

密封橡膠在自由變形階段，由初始狀態(tài)被壓縮至接觸管道內(nèi)壁所需的力為

(2)

式中：為密封橡膠外徑，mm；為管道內(nèi)徑，mm；為彈性模量，MPa；為泊松比。

在穩(wěn)定工作階段，需要進一步壓迫密封橡膠產(chǎn)生彈性變形，與管道內(nèi)壁產(chǎn)生足夠的摩擦力，以達到力平衡效果，此時密封橡膠與管道內(nèi)壁的接觸應力為

(3)

式中：為可靠密封時的接觸應力，Pa；Δ為管道內(nèi)的工作壓差，Pa；為管道內(nèi)徑與密封橡膠內(nèi)徑之間的環(huán)形面積，m；為密封橡膠壓塑變形后與管道接觸的側(cè)面積，m。

密封橡膠在穩(wěn)定工作階段所需要的壓縮力為

(4)

式中：為密封橡膠內(nèi)徑，m；與同前。

經(jīng)計算，密封橡膠實現(xiàn)可靠密封所需要的總壓力為24.6 kN。

1.2 驅(qū)動裝置設計

驅(qū)動裝置的主要作用是為封堵及調(diào)速提供動力，考慮到低壓密封需求及管道內(nèi)徑尺寸限制，選擇了電機驅(qū)動的方式，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)

直流電機通過電機座安裝在機器人定筒內(nèi)部，電機經(jīng)過減速器及齒輪組降速增矩后將動力傳遞給絲杠;絲杠一端通過一對角接觸球軸承固定在定筒端蓋組件上，另一端與螺母配合，通過螺母座驅(qū)動與之相連的動筒組件及錐環(huán)產(chǎn)生軸向移動。

驅(qū)動裝置中主要負載源于實現(xiàn)可靠密封所需的壓力，根據(jù)絲杠扭矩與推力計算公式：

(5)

式中：為驅(qū)動扭矩，N·mm；為軸向推力，N；為絲杠導程，mm；為絲杠的正效率。

驅(qū)動封堵裝置實現(xiàn)可靠密封，絲杠在勻速狀態(tài)下需要7 570 N·mm的扭矩，該扭矩由驅(qū)動電機通過一對直齒輪傳遞給絲杠，則驅(qū)動電機的輸入扭矩為

(6)

式中：為驅(qū)動電機的輸入扭矩，N·mm；為圓柱齒輪減速比；、、分別為圓柱齒輪、滾動軸承、絲杠的傳動效率。

經(jīng)計算驅(qū)動電機的輸出扭矩應為7.38 N·m，故選擇775行星減速電機，該電機輸出扭矩為11.2 N·m，留有51.8%的裕度，可滿足密封工作需求。

1.3 調(diào)速裝置設計

調(diào)速裝置主要作用是控制機器人在管道內(nèi)的行進速度：遠離目標點時能全速前進，以縮短封堵準備時間；接近目標點時能降低行進速度，以提高定位的準確性和駐錨可靠性。該封堵機器人是利用管道內(nèi)流體介質(zhì)來驅(qū)動的，調(diào)整流體通過機器人與管道間隙的通流量，即可實現(xiàn)對機器人行進速度的控制。

將管道看成一個液壓缸，封堵機器人看成活塞，機器人與管壁的摩擦力為，看成液壓缸的負載，調(diào)速裝置看成與液壓缸并聯(lián)的節(jié)流調(diào)速閥。調(diào)速原理模型如圖4所示。

圖4 調(diào)速原理模型

分析該節(jié)流回路模型，可得到活塞的移動速度與節(jié)流閥通流面積之間的關系：

(7)

式中：為活塞移動的速度；為泵輸入流量；為活塞截面積；為節(jié)流閥的通流面積；為介質(zhì)黏度相關的常數(shù)；為指數(shù)；為作用于活塞的摩擦負載。

分析式(7)可知:在機器人與管道摩擦力、管道輸入流量一定的情況下，機器人的移動速度只與本體最大橫截面積及節(jié)流口通流面積相關。通過控制機器人本體最大橫截面積的方式，調(diào)整節(jié)流口的通流面積，即機器人橫截面積縮小，它與管道內(nèi)壁之間的環(huán)形縫隙增大，相當于增大了節(jié)流口的通流面積，則機器人的移動速度隨之降低，反之移動速度提高。

根據(jù)上述分析，設計了基于節(jié)流調(diào)速原理的調(diào)速裝置，利用加載裝置控制密封橡膠的徑向漲縮，實現(xiàn)機器人本體橫截面積的變化，從而調(diào)節(jié)通流量實現(xiàn)行進速度控制?？紤]到封堵橡膠的作用是以封堵為主，其壓縮量應主要應用于密封作業(yè)，與管道間的環(huán)形縫隙不易設置太大，因此調(diào)速范圍受到限制。為了解決這一問題，采用了環(huán)形縫隙及節(jié)流閥相結(jié)合的調(diào)速方法，結(jié)構(gòu)如圖5所示。驅(qū)動裝置可控制動筒及錐環(huán)擠壓密封橡膠，從而控制密封橡膠與管道內(nèi)壁之間的環(huán)形縫隙大小，同時固定在動筒端面上的節(jié)流閥芯可控制節(jié)流口的開口大小，從而實現(xiàn)環(huán)形縫隙與節(jié)流閥雙作用的調(diào)速方式。

圖5 調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)

2 封堵及調(diào)速裝置仿真分析

2.1 封堵可靠性仿真分析

為驗證驅(qū)動裝置設計的合理性及封堵可靠性，利用ANSYS軟件進行了仿真分析。橡膠的彈性模量2.5 MPa，橡膠與管道內(nèi)壁間初始距離為5 mm，向錐環(huán)端面施加25 kN的推力，該錐環(huán)與密封橡膠的作用面為25°的錐面。

由圖6可知：錐環(huán)沿軸向壓縮密封橡膠，密封橡膠與管道內(nèi)壁產(chǎn)生1.535 5 MPa接觸應力，該值與通過式(3)計算的可靠密封接觸應力值基本一致。理論上密封橡膠與管壁之間形成的接觸壓力等于密封橡膠在管道內(nèi)可以封堵的管內(nèi)壓力差。該值為封堵機器人兩端最大壓差的1.5倍，故認為該機器人滿足封堵作業(yè)需求，可實現(xiàn)可靠封堵。

圖6 密封橡膠封堵性能分析

2.2 速度調(diào)節(jié)仿真分析

為驗證調(diào)速裝置設計的合理性及速度調(diào)控性能，利用ANSYS軟件針對不同環(huán)形縫隙及節(jié)流口開度下的介質(zhì)通流情況進行仿真分析。

密封橡膠與管道內(nèi)壁之間的環(huán)形縫隙尺寸不宜過大，根據(jù)橡膠壓縮率選擇5 mm最大環(huán)形縫隙。又考慮密封性能要求，機器人行進時密封橡膠不應與管壁發(fā)生摩擦，因此確定最小環(huán)形縫隙尺寸為0.5 mm。

邊界條件設置如下：管道長度2 000 mm，外徑216 mm，內(nèi)徑200 mm，入口端流體壓力為1 000 Pa。采用Simple算法，密封橡膠與管道內(nèi)壁之間環(huán)形縫隙尺寸分別為0.5、2.5、5 mm，并且將節(jié)流閥狀態(tài)分別設置為關閉、打開兩種狀態(tài)，仿真模型采用四面體網(wǎng)格離散，每個模型約350萬網(wǎng)格數(shù)量，網(wǎng)格質(zhì)量不小于0.4，可滿足計算精度要求。機器人及管道有限元模型如圖7所示。

圖7 仿真分析初始模型

仿真結(jié)果如圖8所示，對比圖(a)(c)(e)3個狀態(tài)，可以看出隨著環(huán)形縫隙增大，通過縫隙的介質(zhì)也逐漸增多，從而使機器人移動速度逐漸降低。對比圖(b)(d)(f)3個狀態(tài)，可以看出節(jié)流孔的打開改變了介質(zhì)的通流量，但在不同狀態(tài)下對整體通流量的影響有明顯區(qū)別。在圖(b)(d)狀態(tài)時，環(huán)形縫隙的通流面積小于節(jié)流孔，所以節(jié)流孔對介質(zhì)通流量的影響較為顯著,因仿真參數(shù)設置及環(huán)形縫隙與節(jié)流口大小匹配的原因，造成該階段仿真區(qū)分不明顯；在圖(f)狀態(tài)時，環(huán)形縫隙的截面積已經(jīng)遠大于節(jié)流孔，此時環(huán)形縫隙調(diào)速將起到主導作用。

圖8 仿真分析結(jié)果對比

3 管內(nèi)智能封堵機器人實驗研究

為了驗證封堵機器人結(jié)構(gòu)設計合理性及封堵、調(diào)速可靠性，利用所研制的封堵及駐錨裝置在北華大學國家級管道機器人實驗平臺上進行了封堵性能及速度調(diào)控實驗研究，實驗測試平臺如圖9所示，測試管道規(guī)格為DN200，采用S形布置，總長500 m，工作介質(zhì)為水或氣，最大工作壓力為2.5 MPa。

圖9 管道機器人測試環(huán)境

3.1 封堵性能實驗

如圖10所示，將封堵機器人從入口端送入測試管道中，通過機器人的駐錨裝置將機器人停駐于管道端口處，啟動封堵裝置將管道端口封閉，在管道的另一端注入水，使水壓作用于封堵裝置，端口下方放置一個集水器，收集滲漏出來的液體。每隔2 h改變一次管道內(nèi)壓力，并測量該壓力作用下的泄漏量。

圖10 封堵性能實驗

分析表2中實驗數(shù)據(jù)可知:封堵裝置在壓力1.2 MPa以下可實現(xiàn)無泄漏封堵，超過該壓力時，泄漏量逐漸增加，因此該封堵裝置滿足1.0 MPa以下工作壓力的管道維搶修作業(yè)需求。

表2 封堵性能實驗數(shù)據(jù)

3.2 速度調(diào)節(jié)實驗

該測試平臺管道外壁設有等距均布的傳感器，可以對管道內(nèi)機器人的移動速度進行監(jiān)控。將封堵機器人送入實驗環(huán)境的主管道中，啟動駐錨裝置使機器人停駐在管道內(nèi)，關閉端蓋。從旁通管一端向主管道內(nèi)注入水介質(zhì)，流量200 m/h，待管道內(nèi)充滿水后，解鎖駐錨裝置，使機器人在管道內(nèi)水壓作用下移動。遠程控制環(huán)形縫隙及節(jié)流口的大小，通過上位機實時監(jiān)測機器人在不同狀態(tài)下移動至指定檢測點所需時間，通過測試距離及時間計算出機器人在該狀態(tài)的平均速度，如表3所示。

表3 調(diào)速性能實驗數(shù)據(jù)

分析表3數(shù)據(jù)可知，當環(huán)形縫隙最小且節(jié)流口關閉時，機器人主要靠靜壓力驅(qū)動，機器人的移動速度接近管道內(nèi)流體的速度;隨著環(huán)形縫隙增大，機器人的移動速度明顯降低。對比節(jié)流口狀態(tài)可發(fā)現(xiàn)：當環(huán)形縫隙不大于2.5 mm時，開關節(jié)流口對速度的影響在7.5%以上；而當環(huán)形縫隙大于2.5 mm時，開關節(jié)流口對速度的影響降到4.4%以下。這與仿真分析的結(jié)論相符，說明利用環(huán)形縫隙及節(jié)流口可以有效地調(diào)整機器人的移動速度，在環(huán)形縫隙較小時，合理地配合節(jié)流口可以得到更快的速度響應。

4 結(jié)論

(1)設計一種適用于小管徑管道的電機驅(qū)動封堵及調(diào)速裝置，該裝置將環(huán)形縫隙與節(jié)流調(diào)速相結(jié)合實現(xiàn)了對機器人行走速度的控制，同時利用封堵橡膠實現(xiàn)了對管道內(nèi)介質(zhì)封堵。

(2)對機器人的封堵性能、不同環(huán)形縫隙及節(jié)流口開度下的介質(zhì)通流情況進行了仿真分析，驗證了理論封堵壓力的正確性與調(diào)速方案的可行性。

(3)完成了實物樣機的制作，在實驗環(huán)境下進行了封堵性能與速度調(diào)節(jié)測試研究，結(jié)果表明機器人在1 MPa工作壓力下，可在管道內(nèi)實現(xiàn)可靠封堵，機器人的行進速度可以在1.8～0.7 m/s 之間連續(xù)可調(diào)。