φ610管道檢測(cè)機(jī)器人速度控制裝置研究

臧延旭，姜海洋，陳峰，白港生，梁雪婷，劉云杰

(1.北華航天工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河北廊坊 065000；2.中油管道檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司，河北廊坊 065000；3.中國(guó)石油管道局工程有限公司維搶修分公司，河北廊坊 065000)

0 前言

目前我國(guó)油氣管道的四大能源戰(zhàn)略通道已經(jīng)全部建成投產(chǎn)，形成了中國(guó)油氣管道“四面八方”的格局。在油氣管網(wǎng)建設(shè)里程快速延伸的情況下，稍有不慎就會(huì)導(dǎo)致能源輸送管道安全事故的發(fā)生。因此，經(jīng)常性地開展管道內(nèi)檢測(cè)工作是保障油氣管道輸送安全的重要技術(shù)手段[1-2]。

國(guó)內(nèi)外經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，形成了以漏磁、超聲、渦流、電磁超聲等為代表的管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)。其中漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)具有不需要耦合劑、對(duì)被檢管道表面狀態(tài)要求較低、能檢測(cè)出管體內(nèi)外表面和管體內(nèi)部缺陷等優(yōu)點(diǎn)，是目前油氣管道內(nèi)檢測(cè)中應(yīng)用頻率最高的一項(xiàng)技術(shù)?；诖思夹g(shù)研制的管道檢測(cè)機(jī)器人利用管道內(nèi)輸送的天然氣或油等介質(zhì)，在機(jī)器人前后端建立壓差，使機(jī)器人以與管道輸送介質(zhì)相同的速度在管道內(nèi)自運(yùn)行。但目前新建的中俄東線天然氣管道，如按設(shè)計(jì)輸量輸送的天然氣流速預(yù)計(jì)將接近10 m/s，而常規(guī)管道機(jī)器人要求最高運(yùn)行速度不超過(guò)5 m/s。采用降低管道輸量調(diào)節(jié)機(jī)器人運(yùn)行速度的方式雖然能有效控制其運(yùn)行速度，但會(huì)對(duì)業(yè)主造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，短時(shí)內(nèi)對(duì)下游用戶的需求也會(huì)產(chǎn)生影響，因此，用于管道檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)行速度調(diào)控的速度控制裝置應(yīng)運(yùn)而生[3-5]。

1 泄流調(diào)速機(jī)器人研究進(jìn)展

天然氣管道用速度控制裝置多采用泄流調(diào)速方式，泄流閥是該速度控制裝置的核心器件，利用泄流閥開啟不同泄流面積的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)管道機(jī)器人運(yùn)行速度的主動(dòng)調(diào)控。目前對(duì)泄流調(diào)速機(jī)器人的研究成果包括：

(1)理論研究

楊理踐等[6]將泄流閥簡(jiǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)孔板結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件分析了泄流氣體流速、泄流孔板前后端壓差隨泄流孔尺寸變化的規(guī)律。臧延旭等[7-8]將端板泄流結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為孔板泄流模型，得出泄流孔面積與管道內(nèi)截面積比值不超過(guò)7%且管道內(nèi)氣體雷諾數(shù)不小于105時(shí)，可將泄流閥的局部阻力系數(shù)取1.06，利用有限元軟件分析了泄流孔總面積一定時(shí)不同泄流孔數(shù)量和不同泄流孔形狀對(duì)泄流氣體流速影響的規(guī)律。

NGUYEN等[9-10]、HENDRIX等[11]分別建立了厚孔泄流模型，將模型的局部阻力系數(shù)分為3部分，包括泄流孔入口(突然縮小段)、厚孔沿程段(機(jī)器人骨架內(nèi)部氣體通道)和泄流孔出口(突然擴(kuò)大段)，總結(jié)出厚孔泄流模型的局部阻力系數(shù)計(jì)算方程，利用有限元軟件分析了泄流孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)泄流閥局部阻力系數(shù)的影響規(guī)律，但該泄流模型并不適用于圓筒型泄流結(jié)構(gòu)。

PODGORBUNSKIKH等[12-13]介紹了一種雙向反轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)扇葉泄流結(jié)構(gòu)，可將泄流閥開啟和關(guān)閉時(shí)間大幅減小。由于泄流閥開閉需要一定的時(shí)間，如何合理設(shè)定泄流閥開閉的速度閾值尤為重要，否則可能造成由于氣體流速較快而泄流閥開啟較慢導(dǎo)致的機(jī)器人超速運(yùn)行的問(wèn)題。

耿岱等人[14]為了增大泄流面積設(shè)計(jì)了一種筒型結(jié)構(gòu)的泄流閥，在圓筒泄流罩的筒體圓柱面和筒體端面均開設(shè)泄流孔，但并未得出圓筒型泄流閥局部阻力系數(shù)的計(jì)算方程。

(2)試驗(yàn)測(cè)試

目前國(guó)內(nèi)大口徑長(zhǎng)輸天然氣干線管道設(shè)計(jì)壓力高達(dá)10～12 MPa，設(shè)計(jì)的輸送天然氣流速最快可達(dá)10 m/s。搭建接近工業(yè)管道運(yùn)行條件的試驗(yàn)管道十分困難，同時(shí)漏磁檢測(cè)機(jī)器人本身造價(jià)昂貴，試驗(yàn)時(shí)一般僅保留機(jī)器人泄流裝置的主要結(jié)構(gòu)特征。

PODGORBUNSKIKH、LOSKUTOV[15]使用管道機(jī)器人對(duì)一條1 220 mm口徑的管道進(jìn)行了2次內(nèi)檢測(cè)，1次為常規(guī)機(jī)器人，1次為基于泄流原理的速度控制機(jī)器人，通過(guò)管道機(jī)器人兩次運(yùn)行參數(shù)對(duì)比證明：帶速度控制裝置的機(jī)器人能有效調(diào)控運(yùn)行速度，該調(diào)速方法比靠人工經(jīng)驗(yàn)改變氣體輸送參數(shù)的調(diào)控方法具有速度快、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果也表明：管道壁厚變化、管道附屬件等特征也會(huì)對(duì)機(jī)器人運(yùn)行速度產(chǎn)生影響。

ZHU等[16]設(shè)計(jì)了一種圓筒型泄流閥結(jié)構(gòu)，利用壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐等搭建試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)向泄流閥后端輸送儲(chǔ)氣罐內(nèi)高壓氣體(儲(chǔ)罐氣體試驗(yàn)壓力為0.6～0.8 MPa)的方式測(cè)試泄流閥在不同開口量時(shí)建立的壓差值。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)控制泄流閥的開口量可以調(diào)節(jié)泄流孔面積，當(dāng)泄流孔開啟面積比在0～20%時(shí)，比泄流孔開啟面積比在20%～100%區(qū)間的泄流調(diào)速能力強(qiáng)。

CHEN等[17]利用內(nèi)徑為53.4 mm的不銹鋼管搭建了長(zhǎng)度為102.7 m、包含多個(gè)彎頭的管路試驗(yàn)平臺(tái)，所用壓縮機(jī)最大壓力為1.3 MPa，設(shè)計(jì)了不同面積的泄流嘴安裝在清管機(jī)器人上。試驗(yàn)結(jié)果表明：相同的氣體輸送條件下，隨著泄流面積的增加，機(jī)器人運(yùn)行速度降低，機(jī)器人前后端建立啟動(dòng)壓差的時(shí)間延長(zhǎng)，并且當(dāng)泄流面積達(dá)到一定程度后，機(jī)器人運(yùn)行期間出現(xiàn)多次停止運(yùn)行-憋壓重新啟動(dòng)的現(xiàn)象；當(dāng)泄流面積一定時(shí)，提升試驗(yàn)氣體的輸量后，機(jī)器人前后端建立的峰值壓力隨之增大。

以上試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明泄流面積增大雖能有效降低機(jī)器人運(yùn)行速度，但當(dāng)管道輸送天然氣流速過(guò)低、壓力較小時(shí)，由于泄流作用有可能建立不了足夠的運(yùn)行壓差而出現(xiàn)機(jī)器人停止運(yùn)行的問(wèn)題。

(3)工業(yè)應(yīng)用

主要是專業(yè)的管道檢測(cè)公司利用設(shè)計(jì)的泄流調(diào)速裝置完成工業(yè)應(yīng)用，一般只公布應(yīng)用效果，但前期研究測(cè)試情況一般不公開發(fā)表[18-19]。管道局檢測(cè)公司設(shè)計(jì)了φ1016速度控制裝置[20-21]。該裝置安裝在漏磁檢測(cè)機(jī)器人上，進(jìn)行了5次工業(yè)應(yīng)用，累計(jì)運(yùn)行里程803 km，天然氣流速為5.9～7.6 m/s，降速后機(jī)器人運(yùn)行速度為2.2～4.1 m/s?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明：特定結(jié)構(gòu)的速度控制裝置降速能力有限，即天然氣流速再提升，即便泄流閥全開依然難以降速至合理區(qū)間。因此，仍需進(jìn)一步提升裝置的降速能力。

綜上所述，目前對(duì)速度控制裝置的試驗(yàn)測(cè)試壓力在1 MPa左右，與工業(yè)管道運(yùn)行壓力相差較多。同時(shí)測(cè)試過(guò)程中對(duì)速度控制裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，常采用一定面積的泄流嘴模擬泄流閥開啟一定開口量時(shí)的狀態(tài)，無(wú)法掌握泄流閥在高壓環(huán)境下連續(xù)動(dòng)作時(shí)的穩(wěn)定性和旋轉(zhuǎn)精度等狀態(tài)。因此，為了更好地研究基于泄流原理的速度控制裝置在接近工業(yè)管道輸送環(huán)境下的相關(guān)特性與泄流孔開啟量間的關(guān)系，以φ610速度控制裝置為例開展速度控制裝置的高壓靜態(tài)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試效果，再開展工業(yè)試驗(yàn)研究。

2 φ610速度控制裝置介紹

φ610速度控制裝置由圖1所示的密封倉(cāng)、泄流閥等組成，其中泄流閥由固定扇葉和旋轉(zhuǎn)扇葉組成，密封倉(cāng)內(nèi)安裝直流伺服電機(jī)、減速機(jī)和輸出軸，輸出軸連接旋轉(zhuǎn)扇葉實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)扇葉中心安裝角度傳感器，反饋旋轉(zhuǎn)扇葉的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)扇葉開啟角度的精確控制。速度控制裝置密封倉(cāng)兩端法蘭便于安裝集成。圖1(b)依次為速度控制裝置泄流閥“全閉—開1/2—全開”的狀態(tài)，通過(guò)控制程序可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)扇葉一次開啟到位或分幾步依次開啟到位的工作模式。泄流閥全開后總的泄流孔面積與直徑為φ150 mm的泄流孔面積相等。

圖1 φ610速度控制裝置

3 φ610速度控制裝置靜態(tài)試驗(yàn)

φ610速度控制裝置由密封倉(cāng)、泄流閥等組成，利用靜態(tài)試驗(yàn)測(cè)試速度控制裝置的密封性和高壓情況下的運(yùn)動(dòng)靈敏性和準(zhǔn)確性。圖2(a)所示為靜態(tài)測(cè)試用高壓試驗(yàn)壓力倉(cāng)，包括前后端蓋、泄流裝置安裝轉(zhuǎn)接架、外部信號(hào)通信插頭、高壓攝像頭等。

圖2 φ610速度控制裝置靜態(tài)試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)將φ610速度控制裝置安裝在壓力倉(cāng)安裝轉(zhuǎn)接架上，分別進(jìn)行10 MPa水壓試驗(yàn)和3 MPa氣壓試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)線纜連接壓力倉(cāng)外部插頭和速度控制裝置插頭，水壓試驗(yàn)合格后再進(jìn)行氣壓試驗(yàn)。每次試驗(yàn)時(shí)，待壓力倉(cāng)內(nèi)達(dá)到試驗(yàn)壓力，通過(guò)外部通信插頭向速度控制裝置供電和發(fā)送速度模擬信號(hào)v(速度控制裝置通過(guò)控制程序預(yù)設(shè)速度上限vm和速度下限vl)，控制泄流閥實(shí)現(xiàn)開閉動(dòng)作。試驗(yàn)過(guò)程中利用高壓攝像頭觀察泄流閥的動(dòng)作情況，如圖2(b)所示。

靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)速度控制裝置能按照預(yù)設(shè)的程序?qū)崿F(xiàn)開閉動(dòng)作，當(dāng)v超過(guò)vm時(shí)泄流閥開啟，當(dāng)v低于vm但仍高于vl時(shí)泄流閥不動(dòng)作，當(dāng)v低于vl時(shí)泄流閥關(guān)閉；(2)泄流閥動(dòng)作靈敏，位置準(zhǔn)確，通過(guò)壓力倉(cāng)內(nèi)高壓攝像頭觀察，當(dāng)速度模擬信號(hào)v超過(guò)程序預(yù)設(shè)值時(shí)即產(chǎn)生動(dòng)作，直至達(dá)到預(yù)設(shè)的開啟位置，泄流閥隨即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，開啟/關(guān)閉位置準(zhǔn)確；(3)速度控制裝置密封倉(cāng)的靜密封和輸出軸的動(dòng)密封性能均良好，耐壓能力10 MPa；(4)與常壓狀態(tài)相比，水壓試驗(yàn)時(shí)當(dāng)壓力倉(cāng)內(nèi)介質(zhì)壓力升至10 MPa，速度控制裝置驅(qū)動(dòng)泄流閥轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)電流很小幅地上升。

通過(guò)高壓靜態(tài)試驗(yàn)可有效檢驗(yàn)裝置在高壓工況下的密封性及動(dòng)作準(zhǔn)確性，同時(shí)由于泄流閥為動(dòng)連接，如果存在設(shè)計(jì)或裝配間隙不合理，可能在高壓工況下會(huì)使泄流閥受力不均，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流值有較大幅度的增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)的問(wèn)題。因此，高壓靜態(tài)試驗(yàn)還能有效排查出泄流閥受力不均的問(wèn)題。

4 φ610速度控制裝置動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

利用動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試速度控制裝置在不同壓差下的運(yùn)動(dòng)情況，測(cè)試泄流閥在不同開啟量時(shí)建立的壓差。圖3所示為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的測(cè)試管路，包括儲(chǔ)氣罐、管道控制閥、速度控制裝置連接管段、下游泄壓閥等。其中速度控制裝置安裝在連接管段內(nèi)，連接管段設(shè)有外部信號(hào)通信插頭、2個(gè)壓力傳感器(分布在速度控制裝置前后端，兩者差值為試驗(yàn)壓差)和高壓攝像頭。試驗(yàn)時(shí)利用空壓機(jī)向儲(chǔ)氣罐內(nèi)注氣，氣體流向?yàn)榭諌簷C(jī)→儲(chǔ)氣罐→速度控制裝置連接管段→下游泄壓閥→排空。將整個(gè)測(cè)試管段氣體壓力保持在2 MPa后，打開下游泄壓閥放空，在速度控制裝置處建立壓差，通過(guò)通信插頭向速度控制裝置發(fā)送速度模擬信號(hào)，控制泄流閥按照“全關(guān)→開1/2→開2/3→開4/5→全開→開4/5→開2/3→開1/2→全關(guān)”的流程實(shí)現(xiàn)開關(guān)循環(huán)動(dòng)作，記錄泄流閥不同開啟量時(shí)建立的壓差。

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)速度控制裝置能按照預(yù)設(shè)的程序?qū)崿F(xiàn)開閉動(dòng)作；(2)泄流閥動(dòng)作靈敏，位置準(zhǔn)確；(3)泄流閥經(jīng)歷一個(gè)開關(guān)循環(huán)動(dòng)作在不同開啟量時(shí)建立的壓差值為：開1/2(1 MPa)→開2/3(0.23 MPa)→開4/5(0.1 MPa)→全開(0.04 MPa)→開4/5(0.05 MPa)→開2/3(0.08 MPa)→開1/2(0.32 MPa)→全關(guān)(1.02 MPa)。圖4為φ610速度控制裝置泄流閥開啟量與壓差關(guān)系，泄流閥依次經(jīng)歷全開再至全關(guān)的過(guò)程中，速度控制裝置前后端壓差呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，由于試驗(yàn)過(guò)程中下游泄壓閥始終處于泄壓狀態(tài)，而空壓機(jī)不向儲(chǔ)氣罐內(nèi)補(bǔ)氣，因此，速度控制裝置泄流閥一個(gè)開閉動(dòng)作完成后，管內(nèi)氣體壓力下降了近一半。

圖4 φ610速度控制裝置泄流閥開啟量與壓差關(guān)系

圖4表明：(1)泄流閥開啟過(guò)程中，隨著泄流閥開啟量增加，速度控制裝置前后端壓差值開始降幅較大，后期降幅較小。試驗(yàn)開始時(shí)速度控制裝置泄流閥處于全關(guān)狀態(tài)，測(cè)試管路下游泄壓閥一開啟，速度控制裝置與下游泄壓閥間的管道內(nèi)氣體快速放空，但由于速度控制裝置本身無(wú)法實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的密封(零部件存在裝配間隙)，儲(chǔ)氣罐中的氣體會(huì)滲漏到速度控制裝置下游放空管道內(nèi)，導(dǎo)致試驗(yàn)開始后泄流閥在全關(guān)狀態(tài)時(shí)建立的壓差小于但接近2 MPa；(2)泄流閥關(guān)閉過(guò)程中，隨著泄流閥開啟量減小，速度控制裝置前后端壓差值開始增幅較小，后期增幅較大；(3)結(jié)合(1)、(2)分析結(jié)果，速度控制裝置泄流閥由全關(guān)→開1/2或由開1/2→全關(guān)的過(guò)程對(duì)裝置產(chǎn)生的壓差影響最為明顯，當(dāng)泄流閥開啟量超過(guò)2/3對(duì)裝置產(chǎn)生的壓差影響很小。

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)也反映出，當(dāng)管道內(nèi)輸送氣體的狀態(tài)參數(shù)(壓力、流速等)不同時(shí)，特定結(jié)構(gòu)的速度控制裝置泄流閥建立的壓差值是不同的。如圖4所示，在泄流閥由全關(guān)開至1/2開口量時(shí)建立的壓差為1 MPa，而由全開關(guān)閉至1/2開口量時(shí)建立的壓差僅為0.32 MPa。

5 φ610速度控制裝置工業(yè)試驗(yàn)

靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明φ610速度控制裝置運(yùn)轉(zhuǎn)正常，耐壓能力滿足工業(yè)試驗(yàn)要求。天然氣管道外徑為610 mm，管道壁厚為8.8 mm，標(biāo)準(zhǔn)工況下管道輸量為450×104m3/d，機(jī)器人發(fā)送首站的天然氣壓力為5.2 MPa，計(jì)算的天然氣流速為3.63 m/s。發(fā)送機(jī)器人時(shí)，針對(duì)帶固定泄流孔的機(jī)器人啟動(dòng)力問(wèn)題，特意將泄流閥通過(guò)程序開啟1/2的泄流面積(等效泄流孔直徑φ106 mm)，并控制泄流閥在機(jī)器人發(fā)出后的100 m里程內(nèi)一直保持這種半開狀態(tài)，100 m里程后恢復(fù)正常的速度判別程序，vm設(shè)為2.5 m/s，vl設(shè)為0.5 m/s。

速度控制裝置動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明管道內(nèi)天然氣的輸送狀態(tài)參數(shù)將影響建立的壓差值，對(duì)于開固定泄流孔的機(jī)器人在發(fā)送過(guò)程中啟動(dòng)壓差的建立可分為兩個(gè)階段：

(1)工藝管道切換流程階段

發(fā)送機(jī)器人時(shí)，先將機(jī)器人推入到管道的發(fā)送筒內(nèi)，然后切換流程，使管道內(nèi)輸送天然氣流經(jīng)機(jī)器人后端從而建立啟動(dòng)力使機(jī)器人開始運(yùn)行。極限工況為流程切換完畢，機(jī)器人剛好發(fā)出，天然氣以輸送速度vF運(yùn)行到機(jī)器人后端，接觸瞬間機(jī)器人并未起動(dòng)，與機(jī)器人后端接觸的天然氣運(yùn)行速度突然降為0導(dǎo)致天然氣壓力由p1上升至p1+Δp1，同時(shí)在天然氣壓力為p1和p1+Δp1的交界面形成的壓縮波以速度c向上游輸送的天然氣傳播。假設(shè)在Δt時(shí)間內(nèi)壓縮波傳播的距離為Δs，根據(jù)動(dòng)量守恒定律列出的波后靜止的天然氣動(dòng)量方程：

ρΔsA1(0-vF)=[p1-(p1+Δp1)]A1Δt

(1)

整理得：

(2)

式中：c為壓縮波速度，m/s；γ為氣體絕熱指數(shù)，取1.4；R為氣體常數(shù)，取518.3 J/(kg·K)；T為氣體溫度，取293 K；A1為管內(nèi)截面積，m2；vF為天然氣流速，m/s。方程(2)中的天然氣密度在壓力不大于20 MPa且溫度不低于-20 ℃時(shí)，可由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算：ρ=p1/RT，p1為管道發(fā)送筒內(nèi)壓力，MPa。

(2)工藝管道流程切換完畢

極限工況為流程切換完畢，但機(jī)器人由于泄流作用導(dǎo)致無(wú)法建立足夠的壓差而未運(yùn)行。機(jī)器人停在發(fā)送管道內(nèi)，上游天然氣不斷進(jìn)入發(fā)送管道內(nèi)，在機(jī)器人尾部“堆積”建立足夠的壓差，機(jī)器人才能順利發(fā)出。根據(jù)圖1所示泄流裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，φ610泄流機(jī)器人可利用厚孔泄流模型計(jì)算局部阻力系數(shù)。取泄流機(jī)器人上游穩(wěn)定區(qū)域和下游泄流出口處的斷面列伯努利方程，當(dāng)(d/D)4數(shù)值很小可忽略時(shí)(d為泄流孔等效直徑，m；D為管道內(nèi)徑，m)，整理可得機(jī)器人前后端建立的壓差Δp1為

(3)

式中：ξ為泄流閥局部阻力系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[10, 22]中的局部阻力系數(shù)方程(4)或(5)計(jì)算；vL為泄流天然氣速度，m/s，文獻(xiàn)[9]表明當(dāng)天然氣流速小于200 m/s時(shí)可視為不可壓縮氣體，計(jì)算誤差不超過(guò)5%，所以理論上最高的泄流速度vL=vFA1/AL，AL為泄流孔面積，m2。

min(ξ)=(1-AL/A1)(1.42+AL/A1)

(4)

ξ=0.5(1-AL/A1)0.75+(1-AL/A1)2

(5)

由方程(3)—(5)即可計(jì)算出天然氣在最高泄流速度時(shí)能建立的最大啟動(dòng)壓差值。

根據(jù)工業(yè)管道輸送工況及機(jī)器人速度控制裝置泄流閥設(shè)置狀態(tài)，可分兩個(gè)階段計(jì)算開有固定泄流孔的機(jī)器人啟動(dòng)壓差值：

(1)在工藝管道切換流程階段：根據(jù)方程(2)計(jì)算的啟動(dòng)壓差為0.057 MPa。

(2)工藝管道流程切換完畢：根據(jù)方程(3)—(5)計(jì)算的極限啟動(dòng)壓差見(jiàn)表1。根據(jù)方程(4)和方程(5)計(jì)算得出的ξ值基本一致，其中ξ1利用方程(4)求得，ξ2利用方程(5)求得，計(jì)算得出的最大啟動(dòng)壓差值為0.53 MPa。

為驗(yàn)證最大啟動(dòng)壓差方程的正確性，建立如圖5所示的二維軸對(duì)稱有限元分析模型，機(jī)器人長(zhǎng)度L=600 mm，d/2=53 mm，機(jī)器人左端距離管道入口距離為5D，機(jī)器人右端距離管道出口距離為10D。網(wǎng)格為四邊形結(jié)構(gòu)，分析不同網(wǎng)格大小時(shí)機(jī)器人前后端的壓差，最終選擇網(wǎng)格尺寸為2 mm，當(dāng)入口氣體流速為3.63 m/s、出口壓力為5.2 MPa時(shí)，得到的最大壓差為0.51 MPa(圖6所示)，與計(jì)算值吻合。

圖5 泄流機(jī)器人有限元分析模型

圖6 泄流機(jī)器人前后端壓力

工業(yè)試驗(yàn)前對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了牽拉試驗(yàn)，測(cè)試機(jī)器人的運(yùn)行阻力，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)天然氣流速設(shè)定牽拉試驗(yàn)速度為4 m/s。由圖7可知：機(jī)器人運(yùn)行速度較平穩(wěn)，但牽拉力則呈波動(dòng)狀態(tài)。分析原因可能與機(jī)器人利用彈性皮碗支撐有關(guān)。機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的牽拉力即為機(jī)器人的運(yùn)行阻力值，由圖7可知機(jī)器人的平均牽拉力約為1.1×104N(換算為壓差為0.04 MPa)，計(jì)算的啟動(dòng)壓差大于穩(wěn)定運(yùn)行的壓差，初步判斷開設(shè)固定泄流孔的機(jī)器人正常運(yùn)行時(shí)能建立足夠的壓差。但機(jī)器人發(fā)送時(shí)是由靜止?fàn)顟B(tài)發(fā)送的，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送機(jī)器人的經(jīng)驗(yàn)，啟動(dòng)階段的壓差約為正常運(yùn)行時(shí)壓差的2～3倍，由此判斷，計(jì)算得出的最大啟動(dòng)壓差能使機(jī)器人順利發(fā)送。

圖7 φ610速度控制機(jī)器人牽拉試驗(yàn)曲線

圖8為φ610速度控制機(jī)器人工業(yè)試驗(yàn)照片，圖9為φ610速度控制機(jī)器人在工業(yè)管道內(nèi)運(yùn)行的壓差曲線，機(jī)器人啟動(dòng)壓差約為0.12 MPa，穩(wěn)定運(yùn)行壓差約為0.04 MPa，與牽拉試驗(yàn)結(jié)果基本相符，機(jī)器人啟動(dòng)壓差約為穩(wěn)定運(yùn)行壓差的3倍。

圖8 φ610速度控制機(jī)器人工業(yè)試驗(yàn)照片

圖9 φ610速度控制機(jī)器人運(yùn)行壓差

但機(jī)器人發(fā)出后，在74 m里程處停止運(yùn)行約21 min，此時(shí)泄流閥由于程序控制尚處于半開泄流狀態(tài)。前面分析可知此種狀態(tài)下機(jī)器人的最大啟動(dòng)壓差為0.53 MPa，但等待一段時(shí)間后機(jī)器人并未再次啟動(dòng)。采用上游提高輸量的方式使機(jī)器人再次啟動(dòng)，由圖9可知：在提升輸量期間，機(jī)器人前后端壓差逐步升高，直至壓差升高至約1.1 MPa時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)管道外放置的機(jī)器人跟蹤儀提示機(jī)器人再次啟動(dòng)，后期輸量恢復(fù)至正常水平，機(jī)器人后期穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)器人運(yùn)行里程超過(guò)100 m后進(jìn)入正常的程序判斷流程。待泄流閥全開后，機(jī)器人平均運(yùn)行速度為2.1 m/s。

6 結(jié)論

對(duì)φ610速度控制機(jī)器人進(jìn)行了靜態(tài)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)及工業(yè)試驗(yàn)研究。由于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)搭建的測(cè)試管路系統(tǒng)龐大，將測(cè)試管路升壓至工業(yè)管道運(yùn)行壓力是不經(jīng)濟(jì)的，往往也是難以實(shí)現(xiàn)的，利用靜態(tài)試驗(yàn)可以彌補(bǔ)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試壓力較低的不足。

靜態(tài)試驗(yàn)利用壓力倉(cāng)進(jìn)行，試驗(yàn)壓力可達(dá)10 MPa，基本涵蓋目前工業(yè)管道的上限運(yùn)行壓力。靜態(tài)試驗(yàn)可有效檢驗(yàn)速度控制裝置泄流閥在高壓環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)倉(cāng)體密封性及旋轉(zhuǎn)扇葉動(dòng)作準(zhǔn)確性，可有效檢驗(yàn)速度控制裝置由于動(dòng)密封的存在，各運(yùn)動(dòng)零部件間的裝配情況及運(yùn)動(dòng)效果。靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明：φ610速度控制裝置動(dòng)作靈敏，位置準(zhǔn)確。

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明：φ610速度控制裝置泄流閥開啟量在1/2的區(qū)間對(duì)裝置產(chǎn)生的壓差影響最為明顯，當(dāng)泄流閥開啟量超過(guò)2/3的區(qū)間對(duì)裝置產(chǎn)生的壓差影響很??；當(dāng)管道內(nèi)輸送氣體的狀態(tài)參數(shù)(壓力、流速等)不同時(shí)，特定結(jié)構(gòu)的速度控制裝置泄流閥建立的壓差是不同的。

工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)器人啟動(dòng)壓差是穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)壓差的3倍，建立的泄流狀態(tài)下機(jī)器人啟動(dòng)壓差方程是可靠的。結(jié)合動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，對(duì)于泄流孔過(guò)大而無(wú)法利用自身輸送流體建立足夠啟動(dòng)壓差的情況，工業(yè)上采用上游憋壓或下游放空的方式建立壓差，建立的方程可用于指導(dǎo)需要調(diào)節(jié)的范圍。

φ610速度控制裝置靜態(tài)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)及工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，利用泄流閥進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)行速度主動(dòng)調(diào)控的方法可行。但以下問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究：

(1)泄流閥由固定扇葉和旋轉(zhuǎn)扇葉組成，泄流閥全開時(shí)泄流面積理論上也只能占據(jù)扇葉總面積的50%，對(duì)于降速能力要求高的工況，該泄流閥泄流能力不足，仍需對(duì)大泄流面積的泄流閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究；

(2)由于固定泄流孔的泄流作用有可能導(dǎo)致機(jī)器人無(wú)法建立足夠的啟動(dòng)壓差而產(chǎn)生停止運(yùn)動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，在搭載泄流調(diào)速裝置的機(jī)器人上建議增加額外的安全關(guān)閉裝置，以防泄流調(diào)速裝置失效使活動(dòng)扇葉發(fā)生無(wú)法關(guān)閉的問(wèn)題。