新建油气管道变形内检测器机械系统的研制

欧阳熙，胡铁华，邸强华

（1.机械科学研究总院，北京 100044；2.中油管道检测技术有限责任公司，河北 廊坊 065000 ）

0 引言

油气管道是国民经济和社会发展的重要 “生命线”。“十二五” 期间，全国新增油气管道将达到7.4 万公里，预计到2016年底管道总里程将突破17 万公里。管道建设过程中产生管道伤害有： ①吊钩磕碰造成的凹陷；②对口卡钳卡痕造成的凹陷；③回填石块砸陷；④地基下沉孤石外凸造成管道凹陷；⑤铺设过程杂物丢弃顶入造成管道凹陷等等。所有建造过程缺陷均为凹陷。以往的管道验收均采用测径板检测，即采用95%[1]的测径板来测试管道的通过性，5%的漏检，恰恰是5%的管道凹陷（管道新产生的陷缺往往不会太明显） 投产后缺陷迅速增长，以至于未到检测周期的新管道爆裂。故此，本文提出新建管道智能检测势在必行。

1 新建管道智能验收检测器功能的构成

新型智能验收检测器由下列部分组成，如图1 所示：①机械载体；②智能检测系统；③信号存储系统；④跟踪定位系统；⑤数据分析系统[2]。各部分作用为： 机械载体是管道内检测设备主体，所有检测系统、存储系统、供电系统、发射系统等都置于设备主体之上，主体起到支撑、驱动作用，且直接探测触及被测管壁；智能检测系统采集机械手臂信息；信号存储系统存储探测系统所采集的信息；机载发射机发射信号，地面接收机接收发射机信号，实现管外跟踪定位；数据分析系统接收存储器数据且进行分析、量化，给出管道缺陷大小、位置，指导现场开挖。

图1 验收检测器功能结构图Fig.1 The functional structure model of inspection tools

机械载能从管道中完整收回，标志着发球成功了一半，原因是： 机械载体出问题，如设备肢解于管道中、设备卡堵于管道中，都必须采取急救措施，比如重新发清管设备或动火封堵管道，都会造成一定的经济损失。机械载体是管道验收检测器关键部件。

2 验收检测器机械系统的设计

2.1 验收检测器机械系统构成及作用

验收检测器机械系统包括： ①防撞牵拉装置；②驱动密封装置；③骨架支撑装置；④探测机械手臂装置；⑤电子密封装置；⑥发射顶球装置等，其构成如图2 所示。

图2 验收检测器机械系统构成图Fig.2 Mechanical system of the inspection tools

其作用为： 防撞牵拉装置起到防撞设备本体与管壁或收球盲板碰撞及导引设备牵拉出管；驱动密封支撑装置起到封闭驱动源建立压差、驱动设备运行及兼顾设备支撑居中作用；骨架支撑装置起到设备连接成体系且具有强度、刚度；探测机械手臂装置起到与被测管壁直接触及，感应管壁变化情况，经磁敏感传感器检测到此种变化；辅助密封支撑装置起到过三通、弯头设备仍能建立有效压差驱动设备运行、且起到支撑设备居中之作用；电子密封装置起到所有电子存储及供电系统在高压状态能安全工作之用；发射顶球装置起到设备发射顶入管道之作用。其中关键部件有驱动密封皮碗、骨架及探测机械手臂装置。

2.2 验收检测器机械系统设计理念

（1）轻量化设计理念。骨架是设备的基础，所有系统及装置都搭载其上，也是设备重量中心。为使验收检测器运行阻力小，在确保安全的情况下，须尽量减轻设备重量，即进行轻量化设计。经过结构优化及选材优化尽量减轻设备重量。

选材优化时须重点考量以下材料性能： 耐蚀性、耐温性、高强度及耐冲击等性能。经过试验测试，钛合金为理想材料。

（2）稳定检测设计理念。新建管道现场条件比较差，空压机驱动及气体压缩、膨胀性，检测器运行中为走走停停状态，即空气压缩所建立的压差推动设备运行，而后压缩空气膨胀，设备减速运行直至设备停止运行，空气继续压缩达到推动设备运行压差，设备再次起运，往复于此运行模式。设备运行速度虽不匀速，但检测数据要求平稳，即要求设备不抖动、不振动、支撑刚度好、居中性能好。

基于上述思考，支撑密封装置及检测机械手臂装置应该有优良的密封性能、弹性性能、可压缩性能、支撑性能及耐磨性能。采用聚氨酯材料作为驱动及检测部件，即密封支撑皮碗及检测皮碗，进行结构优化，使其具备良好的支撑性能、密封性能、耐磨性能，达到检测信号稳定性能要求。

2.3 验收检测器机械系统关键装置设计

（1）支撑密封皮碗设计。检测器在输气管道内运行时，压差驱动皮碗与管道内壁压紧，管道的刚度远远大于驱动皮碗的刚度，管道变形及管道焊缝等变化均会引起驱动皮碗变形，但因皮碗及压缩空气都具有良好的压缩弹性，故检测器须有良好的防抖性能及自动居中性能。但皮碗的结构形式、材料、性能很大程度上影响了检测器在管道中运行的姿态与受力状况。对以往在役油气管线所用皮碗结构性分析如下： ①油管线皮碗结构及其性能。油线管道采用碟皮碗结构，如图3（a）所示。由于液体（尤其是原油）具有润滑作用，输油管道中检测器的启动压差和滑动摩擦系数远远小于输气管道[3]。使用时，皮碗整个唇边与管内壁接触，与管道接触面较大，这种结构的皮碗应用在气管道时，摩擦力将成倍增加，消耗更多的驱动能量，且会造成设备运行过程中频繁启停及瞬时速度过大等现象；②气管线皮碗结构形式及性能。气线管道，为了减小摩擦力，将蝶形皮碗加工成半球形，抗冲击减振性能好，如图3 （b）所示。密封皮碗与管道内壁的接触形式由面接触改为类似线接触，此时皮碗的主要作用为密封，支撑力相对蝶形皮碗而言有所不足，在长距离运行易造成皮碗偏磨，导致密封支撑失效，发生卡堵球事故；③验收检测器皮碗结构形式及性能。对上述两种皮碗分析可知，现有在役气线皮碗及油线皮碗的结构形式均不适应新建管线验收检测器。

图3 三种类型皮碗结构Fig.3 Three types of cup structure

结合油、气线皮碗的优点，设计根部类似油线皮碗，充分利用它的支撑能力，把油线皮碗的腰线第一道角度稍增大一点，支撑能力减弱不大，而在腰部，仿气线皮碗的圆弧，再设计一条腰线；再者，由于管道验收采用空压机驱动，环境类似气线管道检验，设计时唇边应短一些，但是前端无备压，检测器在管道如果姿态不正，后端压力持续升高，唇边过短则摩擦阻力小，会发生检测器由静止到运动时，瞬时推力极大，检测器加速度和速度过大，检测器和管道之间的冲击力过大，造成检测器和管道双重伤害，所以，验收检测器皮碗唇边需要一定的长度，增加检测器运行的摩擦力，如图3（c）所示。

（2）检测机械手臂装置的设计。验收检测器检测采用空气压缩机打压，检测器前端无备压，检测器运行模式为加速、减速、停止等反复过程，瞬时速度大（30～50m/s），速度波动范围大（0～50m/s），探头直接跟管壁接触时探头受冲击力较大，探头信号不稳，容易发生跳动，信号质量差，可靠性下降；为减小探头所受冲击，减小振动，同时防止破坏管道内涂层，考虑给探头增加缓冲，采用了一种新的方式，主探头置于皮碗下面，探头皮碗采用分瓣式，分瓣数量主要考虑单瓣皮碗有效作用范围及整体上保证周向全覆盖。

（3）验收检测器三维实体模型。经对验收检测器关键部件设计后，整机采用三维设计，一次完成验收检测器机械系统设计、干涉检查及力学计算，验收检测器三维实体模型如图4 所示。

图4 Φ1016 验收检测器实体模型Fig.4 Φ1016 inspection tools' 3D model

3 验收检测器牵拉实验

经过设计、加工、装配、调试及关键部件试验，完成了新建管道验收检测器开发，通过整机性能试验，采集了人工缺陷数据，经数据分析软件分析，验证了检测信号良好，检测数据准确。牵拉数据分析截图如图5 所示。

图5 验收检测器牵拉数据分析图Fig.5 Data analysis of inspection tools' pull test

4 工业现场应用

管道验收检测器由中油管道检测技术责任有限公司应用，用于中缅管道投产前检测工业现场。进行了一千多公里检测作业，成功地采集了管道相关特征信息，指导了大变形部位开挖换管作业等整改措施，确保了中缅管线安全投产。

5 结论

管道验收检测器为新型管道内检测器分型设备，其产生于新建管道智能检测需要，且现有在役管道检测设备无法应用于新建管线检测，传统的验收方法不能满足管道运行安全要求，故此形成新的分支形式。本文分析了新建油气管道的缺陷成因、缺陷特征及缺陷潜在危害性，提出了预投产管道智能验收检测必要性及装备实施可行性。依据新建管道环境特点及工业现场实验条件，建立了管道验收检测器功能结构模型，提出了验收检测器机械结构设计新思想，采用三维设计及整机牵拉测试，取得了首次发球成功及完成了中缅管道全线验收检测任务。工业现场应用，表明本文设计理念正确，验证手段科学。新型验收检测器研制成功为新建管道及预建管道科学验收及完整性管理奠定了技术基础及设备保障。

[1] 黄春芳，等.油气管道设计与施工[M].北京：中国石化出版社，2008.

[2] 胡铁华，刘红旗，汪华军，张永江.管道内检测设备结构建模及实现[J].机电产品开发与创新，2009，5.

[3] 洪险峰，严舒.管道通径检测技术及其在新线上的应用[J].石油科技论坛，2008，1.