管道封堵氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與密封性能研究*

韓傳軍 費(fèi)一栗 張芹芹 蔡文博 李言希

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 四川成都 610500)

隨著石油和天然氣產(chǎn)量的逐漸增加，管道運(yùn)輸已經(jīng)與鐵路、水路、公路、航空并列成為世界五大運(yùn)輸方式。管道運(yùn)輸具有運(yùn)輸量大、無污染、占地少、成本低、不受環(huán)環(huán)境影響等特點(diǎn)[1-2]。但隨著服役年限增加和管道自身材料的缺陷，大多數(shù)管道經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)腐蝕和破損，同時(shí)由于我國地理環(huán)境的復(fù)雜以及不可預(yù)測的地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生，也經(jīng)常導(dǎo)致管道出現(xiàn)意外的損壞。

由于大多數(shù)管道布局在野外，一旦管道出現(xiàn)損壞或者破裂，將導(dǎo)致油氣停運(yùn)，給生產(chǎn)生活造成重大影響。而布局在人口密集的市區(qū)內(nèi)的油氣管道，一旦受損出現(xiàn)油氣泄漏，將導(dǎo)致重大的安全事故發(fā)生，造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。針對這些情況，對于管道損壞的應(yīng)急性封堵處理裝置的研發(fā)就顯得十分必要[2-5]。

管道封堵機(jī)器人作為一種可靠方便快捷的應(yīng)急修復(fù)設(shè)備，目前已被廣泛地使用在管道修復(fù)作業(yè)中。在封堵作業(yè)時(shí)，目前大多采用氣囊對破損的部位進(jìn)行快速封堵，封堵裝置按原理一般分為懸掛式、盤式、筒式和囊式封堵等[6-10]。

針對石油和天然氣管道破損泄漏情況，本文作者設(shè)計(jì)一款內(nèi)封堵導(dǎo)流機(jī)器人，其封堵裝置采用帶壓氣囊與導(dǎo)流管結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了對管道損壞部位封堵導(dǎo)流的功能。帶壓氣囊的材料為超彈性橡膠材料，其利用橡膠氣囊對管壁的擠壓產(chǎn)生接觸力來實(shí)現(xiàn)密封。因此研究氣囊的結(jié)構(gòu)以提高其密封性能，對于管道內(nèi)封堵裝置的安全和穩(wěn)定性具有重要意義。

近年來國內(nèi)外對管道封堵裝置的研究較多，如挪威PSI公司和美國TDW公司研發(fā)了先進(jìn)的管道內(nèi)封堵裝置，可對大型管道的破損進(jìn)行封堵修復(fù)[11]。但在管道封堵氣囊密封性方面的研究還不多。王天英等[12]研制了自黏式快速封堵氣囊，可以對破損管道進(jìn)行快速搶險(xiǎn)處理，但對氣囊的密封的設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)性數(shù)據(jù)。AMINO等[13]使用X射線成像的方法分析了橡膠與配合表面之間的接觸狀態(tài)。周仕明等[14]基于非線性有限元理論,對充氣式自密封氣囊結(jié)構(gòu)的密封性能進(jìn)行了分析。

本文作者基于氣囊的實(shí)際使用工況，結(jié)合理論計(jì)算和仿真實(shí)驗(yàn)對封堵氣囊的接觸密封性能進(jìn)行了研究，優(yōu)化了氣囊結(jié)構(gòu)從而獲得了良好的密封封堵性能。

1 管道內(nèi)封堵導(dǎo)流機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

為了滿足實(shí)際工況和使用要求，管道機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)由三大裝置構(gòu)成，分別為動(dòng)力裝置、支撐裝置、封堵導(dǎo)流裝置。三大裝置由萬向聯(lián)軸器連接，具有適應(yīng)管道變化的過彎自適應(yīng)能力?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 管道封堵導(dǎo)流機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of pipeline plugging and diversion robot

驅(qū)動(dòng)輪輸出動(dòng)力由電機(jī)通過錐齒輪傳遞給齒輪組，帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)器人前后各安裝一個(gè)動(dòng)力裝置，可為機(jī)器人提供充足的動(dòng)力。動(dòng)力裝置支撐輪架的伸縮由安裝在活塞桿上的壓縮彈簧提供所需的動(dòng)力。因?yàn)榛钊麠U上的彈簧有壓縮性，當(dāng)管徑變化時(shí)，支撐輪架的連桿可以自由伸展和收縮，這時(shí)彈簧起到了很好的自我調(diào)節(jié)能力，滿足支撐輪架的連桿自由張開和收縮所需要的力，整個(gè)結(jié)構(gòu)可以很好地適應(yīng)管道的形變，實(shí)現(xiàn)徑向大小的自由調(diào)節(jié)。

1.2 封堵裝置設(shè)計(jì)

如圖2所示，封堵裝置由氣囊、導(dǎo)通管組成，封堵氣囊安裝在導(dǎo)通管上面，導(dǎo)通管在安裝氣囊的部位有凸起的卡環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)氣囊的定位。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到管道的裂縫或斷裂的位置時(shí)，氣囊充氣膨脹，與管道的內(nèi)壁和導(dǎo)通管的外壁形成擠壓從而構(gòu)成一個(gè)密封區(qū)域，保證液體不從管道裂縫中泄漏，而是從中間導(dǎo)通管流走，實(shí)現(xiàn)封堵導(dǎo)流功能。同時(shí)，封堵后可以在管道外面對破裂處實(shí)施修復(fù)作業(yè)。

圖2 封堵裝置Fig.2 Blocking device:(a)blocking device model; (b)schematic of blocking device working

2 封堵氣囊性能研究

2.1 封堵氣囊模型結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)封堵氣囊時(shí)，將氣囊外部整體結(jié)構(gòu)均設(shè)計(jì)為圓筒狀，而氣囊內(nèi)部設(shè)計(jì)了2種中空結(jié)構(gòu)：一種為等壁厚的圓角方形中空結(jié)構(gòu)，壁厚為20 mm；另一種為圓形中空結(jié)構(gòu)，直徑為60 mm。將氣囊外部與管道內(nèi)壁相接觸的部位分別設(shè)計(jì)為直角和圓角2種類型，從而獲得了4種不同結(jié)構(gòu)的封堵氣囊模型，如圖3所示。設(shè)計(jì)的氣囊半徑為140 mm,寬度為100 mm，膠筒與管道內(nèi)壁的距離在未接觸時(shí)自然狀態(tài)下空隙為3 mm。通過給氣囊充氣，使其在不同壓力下發(fā)生變形與管道擠壓和接觸，產(chǎn)生足夠的摩擦力來抵消液體對端面的壓力，從而實(shí)現(xiàn)封堵裝置的封堵導(dǎo)流功能。

圖3 不同結(jié)構(gòu)封堵氣囊模型Fig.3 Models of blocking airbags with different structures:(a) structure with outer right angle and inside square and round; (b)structure with outer round and inside square and round

2.2 理論模型的建立

氣囊采用丁腈橡膠材料，橡膠材料屬于超彈性類型，而丁腈橡膠相比其他類型橡膠材料具有更好的各向同性、高彈性、高變形、壓縮性小等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種封隔器和密封氣囊上[15-16]。

橡膠材料的有限元分析屬于材料非線性，而且氣囊在擠壓接觸部位還有幾何非線性和接觸非線性，因此利用在求解非線性領(lǐng)域較為成熟的軟件ABAQUS進(jìn)行計(jì)算和求解。ABAQUS應(yīng)用應(yīng)變勢能U表達(dá)超彈性材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，來取代彈性模量和泊松比。應(yīng)變勢能模型有Mooney-Rivilin模型、Yeoh模型、Valanis 3種。而Mooney-Rivilin模型適用于中小形變的情況，符合文中設(shè)計(jì)的橡膠氣囊的變形情況和實(shí)際使用要求，因此文中選用Mooney-Rivilin模型[17-19]。其計(jì)算公式為

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

(2)

式中：C10、C01為材料參數(shù)；I1、I2為右柯西-格林變形張量的不變量；σi(i=1,2,3)為X、Y、Z方向的主應(yīng)變。

式(1)可以較好地表征橡膠材料的力學(xué)性能，而且符合橡膠材料在工程中的性能要求。橡膠材料的彈性模量E與材料參數(shù)C10、C01的關(guān)系式為

(3)

lgE=0.019 8Hr-0.543 2

(4)

文中氣囊材料選擇硬度為90IRHD的丁腈橡膠材料，根據(jù)式(3)、(4)可以求得橡膠材料常數(shù)C10=1.926 MPa，C01=0.963 MPa。

2.3 仿真模型建立和計(jì)算

由于氣囊的幾何結(jié)構(gòu)和受力符合軸對稱模型，因此在ABAQUS中建立封堵裝置的二維軸對稱模型。其中氣囊與管道內(nèi)壁和氣囊與導(dǎo)通管擋環(huán)的側(cè)面建立表面與表面的有限滑移模型；摩擦類型為罰函數(shù)的各向同性，切向摩擦因數(shù)為0.2，法向摩擦因數(shù)為默認(rèn)的硬接觸。管道為45鋼，在實(shí)際的受擠壓過程中幾乎沒有形變，所以設(shè)置導(dǎo)通管和管道為剛體結(jié)構(gòu)；氣囊的內(nèi)圈與導(dǎo)通管接觸的部位根據(jù)實(shí)際工作情況設(shè)置為綁定組。

導(dǎo)通管、氣囊、管道的網(wǎng)格劃分采用CAX4單元，氣囊部分采用分區(qū)方式進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，并且將氣囊部分指定為網(wǎng)格自適應(yīng)重劃處理，以滿足非線性變形的求解收斂困難問題。網(wǎng)格劃分和邊界條件如圖4所示。求解分析步設(shè)置為幾何非線性，自動(dòng)穩(wěn)定選擇指定耗能分?jǐn)?shù)，參數(shù)設(shè)置為0.000 2，同時(shí)打開使用為應(yīng)變能設(shè)置了最大穩(wěn)定比例的自適應(yīng)穩(wěn)定性選項(xiàng)，參數(shù)設(shè)置為0.05，進(jìn)行計(jì)算求解。

圖4 模型網(wǎng)格劃分和模型邊界條件Fig.4 Model meshing(a)and model boundary conditions(b)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 網(wǎng)格驗(yàn)證

選取氣囊結(jié)構(gòu)為外圓內(nèi)圓的模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)系驗(yàn)證，給內(nèi)部施加1 MPa均布的壓力，分別劃分不同數(shù)量和質(zhì)量的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為3 546、4 058、4 529、5 147、5 598、6 078、7 156、7 642。計(jì)算得到的最大Mises應(yīng)力如圖5所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量到達(dá)6 078后應(yīng)力不再變化，因此選取6 078作為文中模型的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量。

圖5 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Fig.5 Grid independence verification

3.2 不同氣囊結(jié)構(gòu)von Mises應(yīng)力分析

分別在4種模型氣囊內(nèi)部表面施加1、1.5、2、2.5、3 MPa的均布?jí)毫?，?jì)算4種氣囊結(jié)構(gòu)在不同壓力下的變形情況。圖6所示為1 MPa下4種氣囊結(jié)構(gòu)的von Mises應(yīng)力云圖。

圖6 不同氣囊結(jié)構(gòu)在1 MPa下應(yīng)力云圖(MPa)Fig.6 Stress cloud diagram of different airbag structures at 1 MPa(MPa):(a)the chamfer of contact edge is right angle; (b)the chamfer of contact edge is rounded

由圖6可以看出，4種不同結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力并不相同，當(dāng)氣囊結(jié)構(gòu)外部接觸邊倒角都為直角，氣囊內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)為圓角方形時(shí)應(yīng)力為5.2 MPa，比內(nèi)部為圓形中空結(jié)構(gòu)時(shí)的應(yīng)力(2.8 MPa)增加了85.7%，且應(yīng)力最大部位為氣囊內(nèi)壁圓角中心處。這是由于氣囊在壓力下發(fā)生了較大變形，結(jié)構(gòu)變化突變處會(huì)有較大的應(yīng)力產(chǎn)生而導(dǎo)致。而氣囊外部接觸邊倒角都為直角，內(nèi)部為2種不同中空結(jié)構(gòu)的氣囊模型的最大應(yīng)力差距并不大，最大應(yīng)力之差僅為0.4 MPa。應(yīng)力過大將會(huì)導(dǎo)致氣囊破壞，因此要分析不同壓力下的應(yīng)力分布，從而選擇最優(yōu)的氣囊結(jié)構(gòu)模型。

圖7示出了4種氣囊結(jié)構(gòu)在不同壓力下的最大應(yīng)力?？梢钥吹剑瑲饽医Y(jié)構(gòu)外部接觸邊倒角為圓角，內(nèi)部為圓形中空結(jié)構(gòu)時(shí)，其在不同壓力下的應(yīng)力值最大，且應(yīng)力的最大值隨壓力的增加致呈線性增加。而氣囊結(jié)構(gòu)外部接觸邊倒角為直角，內(nèi)部為圓形中空結(jié)構(gòu)時(shí)，隨壓力的增加其應(yīng)力增加得較為平緩，且應(yīng)力的最大值最小，因此該模型具有較好的承壓能力。4種氣囊結(jié)構(gòu)在最大壓力3 MPa下的最大應(yīng)力為29.72 MPa，相比最小應(yīng)力(9.971 MPa)增加了2.98倍。因此可以看出，不同形狀的氣囊結(jié)構(gòu)模型承受壓力的能力具有很大的不同。

圖7 不同壓力下4種氣囊結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力Fig.7 Maximum stress offour kinds of airbag structures under different pressures

3.3 不同氣囊結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力分析

氣囊外表面與管道內(nèi)壁的接觸應(yīng)力決定了封堵氣囊的封堵性能，接觸應(yīng)力越大，封堵能力越強(qiáng)；同時(shí)氣囊與管壁的接觸面積也決定了封堵性能的好壞。

通過軟件計(jì)算得到4種結(jié)構(gòu)模型在不同壓力下的接觸應(yīng)力參數(shù)，圖8所示是氣囊外部接觸邊倒角為圓角，內(nèi)部為圓角方形和圓形中空結(jié)構(gòu)的氣囊模型，在不同壓力作用下的接觸應(yīng)力分布情況?？梢钥吹剑S著壓力的增加，氣囊與管壁的有效接觸面積增加，同時(shí)接觸應(yīng)力增大，而且接觸應(yīng)力的分布具有很好的對稱性。當(dāng)氣囊內(nèi)部為圓形中空結(jié)構(gòu)時(shí)，氣囊的最大接觸應(yīng)力大于內(nèi)部結(jié)構(gòu)為圓角方形中空結(jié)構(gòu)氣囊的最大接觸應(yīng)力，且接觸面積較大，接觸應(yīng)力為0的部位更少，接觸應(yīng)力在從中間位置往兩邊的分布也較為平緩。

圖8 外部圓角內(nèi)部方形和圓形結(jié)構(gòu) 封堵氣囊模型接觸應(yīng)力分布Fig.8 The contact stress distribution of the airbag models with structures of outer round and inside square and round: (a)model with structure of outer round and inside square; (b)model with structure of outer round and inside round

圖9示出了氣囊外部接觸邊倒角為直角，內(nèi)部為圓角方形和圓形中空結(jié)構(gòu)的氣囊模型，在不同壓力作用下的接觸應(yīng)力分布情況。可以看到，氣囊的接觸應(yīng)力分布規(guī)律呈現(xiàn)出對稱性，在兩邊位置具有最大的接觸應(yīng)力，但是接觸面積較小；中間位置為第二大的接觸應(yīng)力所在區(qū)域，從中間到兩邊接觸應(yīng)力逐漸減小，接觸面積也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。同時(shí)可以看出，當(dāng)氣囊與管壁接觸邊的倒角為直角，內(nèi)部為圓形中空結(jié)構(gòu)時(shí)，其具有更好的接觸密封性能，最大的接觸應(yīng)力為6.5 MPa，比內(nèi)部為圓角方形中空結(jié)構(gòu)氣囊的最大接觸應(yīng)力(4.8 MPa)增加了35.41%；且較圖8中2種結(jié)構(gòu)的最大接觸應(yīng)力(4.2 MPa)提高了近54.76%。因此選擇外直內(nèi)圓結(jié)構(gòu)氣囊作為封堵氣囊結(jié)構(gòu)具有較好的封堵效果。

圖9 外部直角內(nèi)部方形和圓形結(jié)構(gòu) 封堵氣囊模型接觸應(yīng)力分布Fig.9 The contact stress distribution of the airbag models with structures of outer right angle and inside square and round:(a)model with structure of outer right angle and inside square;(b)model with structure of outer right angle and inside round

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)一款具有管道自適應(yīng)能力的可伸展的管道機(jī)器人動(dòng)力裝置，可以隨著管道管徑和形狀的改變而自適應(yīng)伸縮，具有較好的運(yùn)動(dòng)特性。

(2)設(shè)計(jì)一款充氣膨脹性的封堵裝置，通過給氣囊充氣，可實(shí)現(xiàn)對管道破損部位的封堵，且封堵裝置具有導(dǎo)流功能，能實(shí)現(xiàn)在管道不停運(yùn)的情況下對管道泄漏部位的封堵。

(3)設(shè)計(jì)并比較4種不同結(jié)構(gòu)的氣囊模型的性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣囊的外部接觸邊倒角為直角，氣囊的內(nèi)部為圓形中空結(jié)構(gòu)時(shí)具有最小的應(yīng)力分布，有更好的承壓性能；同時(shí)具有較好的密封性能，能實(shí)現(xiàn)管道泄漏部位的封堵。