石油管道內(nèi)封堵設備設計及研究

王紫涵 曲杰 趙可天 王天一 劉宏偉

1.國機傳感科技有限公司 遼寧 沈陽 110043

2.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司 天津 300450

3.沈陽儀表科學研究院有限公司 遼寧 沈陽 110043

管道作為石油、天然氣運輸?shù)闹匾緩街?，現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)和國民經(jīng)濟的命脈。長時間的運輸工作導致管道損傷、泄露問題不可避免，為了更高效的完成管道的維修搶修工作，提出一種可以在管道內(nèi)部進行封堵、換管的設備設計方法與研究，并對該方法進行了仿真分析。

1 石油管道封堵技術(shù)現(xiàn)狀

1927年美國FURMANITE公司成立，主要從事管道封堵器（傳統(tǒng)的開口封堵）的研發(fā)、銷售和維修，是第一家成功帶壓封堵管道的公司。隨著管道運營商碰到的新問題不斷出現(xiàn)，特別是海底管道封堵和大口徑管道封堵的迫切需求，美國TD Williamson公司、挪威Oil-States HydroTech公司、英國Stats Group公司、意大利Saipem公司、和墨西哥的MEXSSU International公司等都相繼開發(fā)了管道內(nèi)封堵技術(shù)，以彌補傳統(tǒng)開口封堵的技術(shù)缺陷。

我國管道內(nèi)封堵器的研究起步較晚，近年來，國內(nèi)許多高校和研究院所在內(nèi)封堵器的原理及相關(guān)理論分析方面做了大量研究，但現(xiàn)階段大多仍處于實驗室原理樣機階段，如中國石油大學張仕民、趙宏林等教授對管道內(nèi)封堵器本體結(jié)構(gòu)方面做了大量工作，哈爾濱工程大學的王茁教授在海底管道通信方面做出了一些研究成果，中北大學閆宏偉副教授在管道內(nèi)封堵機器人運動特性及仿真分析方面做了一些研究。

2 石油管道內(nèi)封堵設備設計及研究

2.1 整體結(jié)構(gòu)設計

石油管道內(nèi)封堵設備共有三節(jié)，前后節(jié)為驅(qū)動節(jié)，主要實現(xiàn)借助流體介質(zhì)在管道內(nèi)向前運動，與地面進行通訊，向功能節(jié)提供電源。中間節(jié)為功能節(jié)，借助內(nèi)腔的液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，實現(xiàn)剎車與密封功能?？傮w結(jié)構(gòu)設計中需要考慮眾多邊界條件的綜合影響，如流體速度、管內(nèi)壓力、通過性、內(nèi)壁平整度等因素，使封堵器在復雜管道工作環(huán)境中具有較好的冗余性。整體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

智能封堵器比傳統(tǒng)對管道開孔式的封堵器在結(jié)構(gòu)上和功能上有更大的優(yōu)勢，它體積小、重量輕、自動化程度高、靈活性好。智能封堵器的整體結(jié)構(gòu)采用了模塊化設計，整機結(jié)構(gòu)通常是由“監(jiān)測追蹤控制模塊—錨定封堵模塊—錨定封堵模塊—監(jiān)測追蹤控制模塊”四部分串聯(lián)組成，每個模塊之間用萬向節(jié)連接。

兩個錨定封堵模塊中的錨定單元考慮了冗余設計，即當一組錨定單元失效時，另一組錨定單元正常工作仍可保證整機錨定功能的正常實現(xiàn)，提高了這一功能的可靠性；兩個封堵模塊中的封堵單元，一方面與錨定單元類似，冗余設計可以提高密封功能的可靠性，另一方面可以用來監(jiān)測密封效果：先利用管道高壓側(cè)的封堵單元密封管道，形成高壓區(qū)域和中壓區(qū)域，再利用管道低壓側(cè)封堵單元密封管道，形成中壓區(qū)域和低壓區(qū)域。通過時時監(jiān)測中間環(huán)形區(qū)域的壓力是否變化，來判斷兩道封堵單元的密封效果。同時，錨定封堵模塊尾部帶有里程輪模塊，在一定誤差范圍內(nèi)，可以記錄封堵器行駛的里程，可以用于對封堵器的粗略定位。

2.2 關(guān)鍵功能設計

錨定（剎車）是內(nèi)封堵的前提，采用楔塊增力機構(gòu)，通過主液壓缸液壓桿推進時，推動楔塊，使帶有溝槽的硬質(zhì)合金鋼制成的卡瓦和管壁慢慢接觸，液壓缸推動到指定行程后，即可完成楔塊與管壁的夾緊動作，從而將封堵器鎖定于某一管段之上。錨定單元的核心部件是卡瓦，單個錨定單元采用多個鑲嵌卡瓦圓周陣列的設計以提高錨定單元的功能可靠性。卡瓦加工有類似螺紋的卡齒，集成于楔塊上表面，材料為硬質(zhì)合金鋼，內(nèi)表面帶有不大于摩擦角的斜面，且斜面處銑有一燕尾槽，錐體斜面上的燕尾楔子與卡瓦上的燕尾槽完全配合，使得卡瓦能沿徑向移動。由于整個鑲嵌卡瓦接觸時間不同，則其受力存在先后性，則整個鑲嵌卡瓦上的受力不均，容易造成應力集中，同時管道內(nèi)的嵌入深度也存在不均勻現(xiàn)象，造成管道的破壞。為此設計鑲嵌卡瓦平面接觸為空間接觸，牙尖圓設置為相貫線型，從而使牙尖圓與管道能夠完全貼合，更好地實現(xiàn)與管道的錨定。同時，可以通過改變鑲嵌卡瓦與管道的貼合程度，來適應不同厚度的管道內(nèi)徑，從而將封堵器鎖定于某一管段之上。錨定結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 錨定結(jié)構(gòu)

2.3 液壓、電控系統(tǒng)設計

液壓系統(tǒng)是封堵器的動力裝置，在工作過程中為封堵器錨定、密封、解封等作業(yè)提供動力。封堵器液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件為液壓缸，包括錨定液壓缸和密封液壓缸。研究封堵器錨定模塊的力學模型，獲得錨定液壓缸推力；根據(jù)液壓缸推力數(shù)值，以及錨定模塊內(nèi)部容積，合理確定液壓缸的工作壓力、缸桿徑、行程、速度和安裝方式，進而確定液壓動力單元的技術(shù)參數(shù)。若采用封、堵液壓系統(tǒng)獨立控制方案，則還需要解決液壓缸同步問題。

液壓系統(tǒng)由微型液壓動力單元、控制閥組(溢流閥、單向閥、比例閥電磁換向閥)、執(zhí)行元件(液壓缸)、附件(過濾器、空濾、管接頭、壓力表等)組成。液壓系統(tǒng)需采用閉環(huán)控制，按照通信系統(tǒng)解調(diào)后的信號指令，控制電機、電磁閥等工作。電磁閥具有自鎖功能，通過調(diào)整電磁鐵電流信號可以調(diào)節(jié)比例閥的閥口開度，進而調(diào)節(jié)液壓缸的速度；清管模塊內(nèi)部空間狹小，研究選用集成化程度高、體積小、重量輕的液壓動力單元，同時滿足液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件壓力和流量的要求，電機采用24V直流電池驅(qū)動；錨定和密封用液壓缸位于錨定模塊內(nèi)，液壓動力單元等位于清管模塊內(nèi)，且錨定模塊和清管模塊有相對旋轉(zhuǎn)，研究液壓缸和液壓動力單元間管路的連接方式。電控系統(tǒng)均采用雙系統(tǒng)硬冗余設計，其冗余結(jié)構(gòu)確保了任何時候的系統(tǒng)可靠性，例如所有的重要部件都是冗余配置。這包括了冗余的控制器、控制電源、勵磁單元、選頻放大單元、收發(fā)一體式天線單元。當主配系統(tǒng)失效時，故障碼可由冗余系統(tǒng)通訊單元傳到管外系統(tǒng)。

針對傳統(tǒng)可靠性理論的不足，采用共載冗余系統(tǒng)可靠性理論提供了很好的解決思路。共載冗余系統(tǒng)可靠性理論能夠準確地定義單元依賴于其他單元的失效過程，透徹地分析各單元的相互影響，從而更好地分析系統(tǒng)的失效過程和系統(tǒng)壽命周期中的可靠性。

3 石油管道內(nèi)封堵設備仿真分析及研究

密封是內(nèi)封堵的最關(guān)鍵功能，封堵單元利用特殊制作的雙密封圈來實現(xiàn)密封功能，在封堵器封堵的過程中，雙密封圈受液壓缸帶動的滑塊機構(gòu)軸向擠壓，產(chǎn)生徑向形變后，與管道內(nèi)壁接觸并產(chǎn)生接觸壓力，從而可以實現(xiàn)密封作用，密封壓力最高可達20MPa靜壓。

封堵器的密封結(jié)構(gòu)見圖3，起主要密封作用的是密封圈，密封圈材料是橡膠，橡膠密封圈在封堵工作中受壓會產(chǎn)生較大變形量，其載荷伸展曲線見圖4。

圖3 密封結(jié)構(gòu)

圖4 密封圈橡膠超彈體材料的載荷-變形特性

智能管內(nèi)封堵器的密封圈決定了其密封性能，密封圈和管道內(nèi)壁之間接觸應力的大小決定了封堵器的封堵可靠性。當密封圈與管壁的接觸應力大于管內(nèi)壓力時，密封即可建立，即能夠密封管內(nèi)介質(zhì)。封堵器密封圈結(jié)構(gòu)設計中，密封圈外徑，有效密封長度，徑向厚度，擠壓楔形角和封堵端圓角等幾個重要設計參數(shù)對密封效果起到了關(guān)鍵作用。在結(jié)構(gòu)、材料以及載荷、尺寸等諸多條件限制下，如何選取合適的組合方式以達到理想的密封效果也是本項目需要重點研究的內(nèi)容之一。密封圈橡膠材料屬于超彈體，即可視為不可壓縮材料。在仿真系統(tǒng)中，采用Mooney-Rivlin力學模型進行研究計算，此模型中的C10，C01參數(shù)需通過進行材料的單軸向拉伸試驗、平面剪切、簡單剪切和雙軸拉伸試驗確定。根據(jù)管內(nèi)條件，選1,4-聚丁二烯密封圈材質(zhì)后，對密封圈橡膠材料接觸變形仿真分析，滿足要求。仿真分析見圖5。

圖5 密封圈橡膠材料接觸變形仿真分析

4 結(jié)束語

石油管道內(nèi)封堵設備設計方法，通過三維建模及Mooney-Rivlin力學模型仿真分析，實現(xiàn)對設備的準確設計。封堵器的成功研制可使管道的維修搶修工作更高效的完成，為今后管道內(nèi)封堵的研究提供重要參考。