差压式管道内检测器自平衡泄流调速装置研究

戴 波,李雁飞,杨 光,周泽彧,3,卢 浩,3

(1.北京石油化工学院信息工程学院，北京 102617；2.中国自动化控制系统总公司，北京 100026; 3.北京化工大学信息科学与技术学院，北京 100029)

差压式管道内检测器自平衡泄流调速装置研究

戴 波1,李雁飞1,杨 光2,周泽彧1,3,卢 浩1,3

(1.北京石油化工学院信息工程学院，北京 102617；2.中国自动化控制系统总公司，北京 100026; 3.北京化工大学信息科学与技术学院，北京 100029)

管道内检测器的运行速度对于其缺陷检测精度有着重要的影响。现有泄流调速装置大多采用电机驱动阀门的方式来实现对内检测器速度的精确控制，但由于内检测器在线检测作业时受距离以及电池容量等问题的制约，在现有技术条件下这种方法难以实现广泛应用。为解决这个问题，建立了一种泄流状态下内检测器的流场数值模型。针对该模型进行了数值模拟和受力分析，设计了一种由弧三角形调节片作为调节单元、结构简单实用的无源自平衡式泄流调速装置，并针对该泄流装置进行了速度控制试验。试验结果表明，该自平衡式泄流调速装置能对内检测器的驱动力进行有效调节，控制其速度在短时间内达到稳定状态。该泄流装置无需考虑装配电子器件和密封问题，具有很强的实用性和重要的工程应用价值。

石油； 天然气； 检测； 差压； 调速装置； 流量； 自平衡

0 引言

随着石油及天然气管道事业的迅猛发展，在役油气管道质量问题越来越受到人们的关注。工业园区内危险化学品及油气的输送管道问题频出。目前，管道内检测技术是保证管道安全运行的有效方法之一[1-3]。管道内检测的检测精度与检测效率均受运行速度的影响，所以只有使其运行速度保持在合适的范围内，才能保证检测精度及效率[4-6]。国内外众多的研究机构设计了多种类型的泄流调速装置。由于前人设计的调速装置均采用调速电机来驱动阀门，具有结构复杂、长距离调速过程中电机耗电量较大[7-8]等特点，因而难以实现广泛应用。

为解决这个问题，本文在对泄流装置流场进行数值模拟和受力分析的基础上，设计了一种自动调节的泄流调速装置，使内检测器的速度在短时间内达到稳定。试验结果表明，该自平衡式泄流调速装置可以克服复杂多变的流场带来的压力波动干扰，能有效调节内检测器在管道内的运动速度。

1 泄流调速装置的数值模拟

1.1 建立流场数值模型

计算流体力学的主要研究内容是通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，主要包括连续性方程、能量守恒方程和动量守恒方程等，从而对流体力学问题进行模拟和分析[9-11]。对泄流调速装置进行数值模拟，研究泄流面积与周围流场之间的关系，需要将泄流面积不同的内检测器作为研究对象，建立其在管道内的数值模型并展开数值计算，从而为泄流装置的设计提供理论指导。

管道内流体运动控制方程的显著特点是自变量多且方程大多为非线性，采用解析方法很难获得理想的计算结果，而通过计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法则可以找出满足实际工程需要的数值解[12]。从数值模拟角度来说，泄流调速装置的复杂结构也给几何模型的计算带来了一定难度。通过查阅资料，当管道内检测器中的泄流孔采用单孔渐扩型结构时，其下游流场的运动状态比其他结构更加稳定，更有利于实现检测器在管道中的稳定运行[13]。因此，本文采用4副弧三角形调节片构建了一个简易的泄流调速装置几何模型，并对该模型建立数值模型。对数值模型进行仿真分析，所获得的计算结果能较真实地反映调节片展开度与流场内压力分布之间的关系。

本文利用AutoCAD软件绘制了一根水平直管道，将其作为带有泄流调速装置的管道内检测器在管道内的流场区域。管道水平长度为2 336 mm，管径为100 mm。试验模型长146 mm，启动位置位于离管道进口730 mm处。设置调节片展开度为5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°的泄流调速装置作为研究对象，进行数值模拟计算[14-17]。以泄流调速装置中的调节片展开35°时的流场为模型，进行三角形网格划分。泄流调速装置所在流场网格划分局部放大图如图1所示。

图1 流场网格划分局部放大图

网格质量的优劣将直接影响模型数值计算结果的准确性。在完成流场模型的网格划分后，通过对网格质量进行检验以判断是否达到数值计算的要求。流场模型的网格质量汇总如表1所示。

表1 流场模型的网格质量汇总

网格质量的优劣以0～1之间的实数表示，其中0表示网格质量最优，1表示网格质量最差。从表1可知，[0,0.01)的网格数量为793 476，占总量的99.29%；[0.4,0.5)的网格质量最差，数量为68，占总量的0.01%。由此可见，上述流场模型的网格质量良好，满足管道内检测器周围流场数值模拟的要求。

1.2 不同展开度条件下流场压力分布

通过模拟泄流调速装置调节片展开度分别为5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°时,管道内检测器泄流调速装置所处流场的状态，观察在相同工况条件下调节片不同展开度时内检测器所处流场压力分布情况。

当展开度为15°时，泄流装置前端压力近似为5.53e+4，尾端压力近似为6.02e+4；当展开度为25°时，泄流装置前端压力近似为5.22e+4，尾端压力近似为5.26e+4；当展开度为35°时，泄流装置前端压力近似为5.08e+4，尾端压力近似为5.11e+4；当展开度为45°时，泄流装置前端压力近似为5.03e+4，尾端压力近似为5.05e+4。在管道入口和出口边界条件一样的情况下，泄流装置中调节片的展开度决定了泄流面积的大小，进而直接影响管道内水流的压力分布。调节片的展开度越大，管道内检测器在接近管道出口边界端流场的压力值越小，接近入口边界端流场的压力值越大，进而内检测器前后端压力差随调节片展开度的增大而不断增小。因此，通过改变调节片的展开度，可以有效调节管道内检测器的驱动压差，进而调节其运行速度。

2 泄流调速装置调节单元的受力分析

基于前述泄流调速装置模型，在获得泄流调速装置周围流场压力分布的情况下，结合不同展开度时调节片的轴向有效受力面积，可计算出调节片所受水流冲击力和内检测器所受驱动力的大小。调节片展开度、所受冲击力和试验模型所受驱动力关系结果如表2所示。

表2 展开度、冲击力及驱动力的关系

调节片所受水流驱动力与调节片展开度的关系如图2所示。

图2 驱动力与调节片展开度的关系示意图

由图2可以看出：在调节片展开度为5°～10°的范围内，内检测器所受驱动力变化曲线斜率较大，从管道内检测器速度控制稳定性角度考虑，应该尽量避免此类情况发生；而展开度在30°～45°的范围内，检测器所受驱动力基本没有变化，对其速度控制的影响可忽略不计。

3 自平衡式泄流调速装置设计

3.1 泄流调速原理

传统无泄流调速装置的内检测器通过调节管道输送流量进而控制管道内检测器运动速度。该方法存在调速误差大、滞后等缺点。通过在内检测器内安装泄流装置，改变其前后两端压差进而改变其驱动力大小，可以灵活调节内检测器速度，并使其运动在稳定的速度范围内。

在流体速度相对管道内检测器运动速度发生一定变化的情况下，泄流面积大小随之改变，进而改变内检测器前后两端的压力差，并调节管道内检测器驱动力的大小。若流场的流速相对管道内检测器的运动速度不断增大，则管道内检测器运动速度因首尾两端压差增大而呈增速的趋势，此时需要增大管道内检测器的泄流面积，其前后压差和驱动力随之减小；若流场的流速相对管道内检测器的运动速度不断减小，管道内检测器运动速度因首尾两端压差减小而呈减速的趋势，此时需要减小管道内检测器的泄流面积，使其前后压差和驱动力随之增大，最终实现管道内检测器运动速度的调节。

3.2 泄流调速装置的结构设计

根据泄流调速的原理及泄流装置流场的数值模拟和受力分析，本文设计了一种结构简单的泄流调速装置。装置结构如图3所示。

图3 泄流调速装置结构示意图

以4副弧三角形薄片作为调节片，组合4副拉伸弹簧作为泄流面积的调节单元。其中，调节片一端连接铰链，另一端连接拉伸弹簧，拉伸弹簧另一端固定在定位板上，定位板与侧板间采用调距端盖隔离。铰链一端固定在侧板上、另一端固定在调节片上，泄流面积调节单元中调节片的运动可简化为绕固定铰链的转动，采用拉伸弹簧提供平衡力。

在该泄流调速装置作用下，若流场的流速相对管道内检测器的运动速度不断增大，则管道内检测器运动速度因首尾两端压差增大而呈增速趋势；流体对调节片的冲击力大于拉伸弹簧的拉力，调节片的转动角度受其合力的作用而增大；管道内检测器的泄流面积增大，其前后压差和驱动力随之减小，管道内检测器运动速度的增速趋势则得到有效地控制。同理，若流场的流速相对管道内检测器的运动速度不断减小，管道内检测器运动速度因首尾两端压差减小而呈减速趋势；拉伸弹簧的拉力大于流体对调节片的冲击力，调节片的转动角度受其合力的作用而减小；管道内检测器的泄流面积减小，其前后压差和驱动力随之增大，管道内检测器运动速度的减小趋势也得到了有效的控制。

3.3 泄流调速装置速度控制试验

基于本文设计制作的自平衡式泄流调速装置，在管内流体介质和流速相同的试验条件下，分别对泄流面积一定的试验模型和装有自平衡式泄流装置的试验模型进行速度控制试验，以验证自平衡式泄流调速装置的泄流调速功能。

在进行泄流调速装置调速性能验证试验前，结合前文对泄流调速装置模型的受力分析，调节片正常工作时展开度应为10°～30°，结合装置的实际尺寸结构，可计算得出所设计制作的泄流调速装置在正常工作状态下，泄流面积约为管道横截面面积的1.9%～6.5%。为增强试验的对比性，本文选择泄流面积恒为管道横截面面积4%的试验模型与带有自平衡式泄流调速装置的试验模型进行速度控制对比试验。

在试验过程中，通过手动阀门控制测试段内水流流量的不断上升。当试验模型运行到测试段出口处时，管内水流量升至13.5 m3/h。在此过程中，数据采集系统分别采集测试段内水流流量的变化及两个试验模型在各段内的平均运动速度。

通过对比试验结果可知，两组试验过程中测试段内水流流量的变化趋势及其参数值基本相同。通过试验模型在各长度相等管段内的平均运动速度分布，运用Matlab工具将试验模型在各管段内的平均运动速度进行曲线拟合，以近似获得试验模型在测试段内的速度随时间的分布曲线，如图4所示。

图4 试验模型运动速度-时间变化曲线对比图

通过对比分析以上两组试验的数据结果及试验模型的运动状态可知，泄流调速装置在试验过程中能有效、自动地实现对试验模型的速度控制，显示出其较强的泄流调速功能。

4 结束语

本文通过对泄流调速装置的流场进行数值模拟和受力分析，设计并制作了一种自平衡式泄流调速装置，介绍了其工作原理及主要结构，并针对固定泄流面积的试验模型和加装有自平衡式泄流调速装置的试验模型进行速度控制对比试验。试验结果表明，所设计的自平衡式泄流调速装置具有较强的泄流调速功能，能缓解复杂多变的流场带来的压力波动干扰，可有效控制管道内检测器试验模型在测试段内的运行速度，使之运行在稳定的速度范围内。

本文设计的自平衡式泄流调速装置无需装配任何电子元器件、电源，结构简易，应用灵活，调节效果显著，具有很强的实用性和重要的工程应用价值。

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Research on the Self-Balancing Discharge Speed Regulating Device for Differential Pressure Inner Pipeline Detector

DAI Bo1,LI Yanfei1,YANG Guang2,ZHOU Zeyu1,3,LU Hao1,3

(1.College of Information Engineering,Beijing Institute of Petrochemical Technology,Beijing 102617,China； 2.China National Automation Control System Corporation,Beijing 100026,China; 3.College of Information Science & Technology,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)

The running speed of the inner pipeline detector greatly affects the detection accuracy of defects,most of existing discharge control device adopt the motor driven valve to realize accurate control of the speed of the detector,but the online detection of the inner detector is restricted by the distance and the battery capacity and other factors,this method is difficult to be widely used in existing technical conditions.In order to solve this problem,the flow field numerical model is established,and aiming at this model,the numerical simulation and force analysis are conducted,thus the simple structural passive self-balancing discharge speed regulating device is designed on the basis of analysis,in this device,anarc triangle adjustment sheet is used as the regulation unit,the speed control tests are conducted for this device.The test results show that this self-balancing discharge speed regulation device can effectively adjust the driving force of the inner detector,and control its speed to achieve a stable state in a short period of time.Besides,there is no need to consider the assembly of electronic components,and the sealing issue,it has strong practicability and important engineering application value.

Petroleum; Natural gas; Detection; Differential pressure; Speed regulation device; Flow； Self balance

科技部国家重点研发计划基金资助项目(2016YFC0801502)、北京市教育委员会科技能力提升计划基金资助项目(PXM2016_014222_000041)

戴波(1962—)，男，硕士，教授，主要从事现代检测技术、长输管道检测、信号处理等方向的研究。E-mail：daibo@bipt.edu.cn。

TH7;TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705017

修改稿收到日期：2016-12-25