海底管道微小泄漏球形内检测器结构设计

崔尧尧，陈世利，赵吉波，郭世旭，黄新敬

1.天津市计量监督检测科学研究院，天津 300192 2.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072

0 引言

海底管道被誉为海上油气田开发的生命线，是一种高效、经济可靠的油气输送方式。实践已经证明，管道输送是海洋油气输送的最有效和最安全的方式。为尽早采取补救措施以清除管道运行的潜在安全隐患，必须定期对管道进行检查和安全评估，及时发现因腐蚀、老化、裂纹、变形引起的微小泄漏。

针对海底管道微小泄漏检测，本文提出了球形内检测器（智能球）方案：法兰式密封球壳内装载水听器、惯导模块和磁传感器、电路板、电源模块等。智能球随管内液体一起流动，沿途采集管内泄漏声音信息、自身运动信息和管内磁场信息。球形内检测器运行至出口处被取出，将其自身的USB接口连接至PC上位机，经过上位机信号处理后，确定泄漏量和泄漏位置。同时，为了适应不同尺寸（内径203～711mm，即8～28 in）的管道，需要设计不同的智能球。不同的智能球，其内部核心部分不变，变化的是球的壁厚和外径。球在管道中靠液体介质的推力前进，为了得到球受到的推力与球的外径、密度等的关系，用FLUENT进行仿真，从而确定了能使球顺利通过管道时球的外径应满足的条件。接着用Solid Works和ANSYSWorkbench对球的壁厚与承压之间的关系进行了仿真，从而确定了在不同外径下球的壁厚。最后设计出所有工况下球的机械结构。

1 总体设计

球壳内部需放置水听器、惯导模块和磁传感器、电路板、电源模块等部件，为了使小空间内能容纳下这些部件，必须对其进行规划布局，使得空间利用率尽量高，同时保证其性能不受影响。

为了保证智能球在管内运动状态稳定，球的重心应尽量与球心重合，所以球壳内部部件的摆放应尽量对称（如电路板设计成对称结构，电池盒、电池应对称摆放等）。此外，内部质量较大的是电池、电池盒与磁传感器，它们对重心位置的影响较大，布局时在保证它们左右对称的同时，上下重量应尽量平分。电路板一共有四块，所以上下半球各放两块。最终的布局如图1所示。

图1 内径203mm（8 in）管道的智能球整体布局（截面）

图1中1与2是铝合金球壳；3是堵头，传感器采集的信息从此处传出来，送至上位机；4是电池盒，内部装了10个电池用于供电（两边各5个）；5是惯导模块；6是磁传感器；7是水听器；8是水听器调理电路板；9是ARM核心板；10是接口电路板；11是电源电路板；12是聚氨酯外壳；13是O型圈，起密封作用。

为了降低检测器的成本与质量，当管道内径大于305 mm（12 in）时，采用了另一套方案，如图2所示。

图2中，1是内径203mm（8 in）管道的智能球核心部分（除去聚氨酯外壳）；2是聚氨酯外壳，外壳上开有很多孔，从而使外壳不承压；3是起支撑固定作用的法兰片。当管道尺寸变化时，只需改变2和3即可，核心部分1不用改变，从而大大降低了研发成本。

2 各部件选材

智能球作为压力容器，压力、温度和工作时介质特性是需要重点考虑的三大环境要素。

图2 内径大于305mm（12 in）管道的智能球布局

管道压力在10MPa以内，这是智能球运行时的主要外力，会在壳体中产生一次应力；如果球壳材料的屈服极限过小，那么一次应力很可能超过壳体材料的承载能力，导致容器裂损或变形，造成事故，所以应选择屈服极限大的材料。容器的设计温度是指在正常操作情况时，在相应的设计压力条件下，壳壁或受压元件能达到的最高或最低温度。管道内介质温度在30～80℃之间，所以选择的材料应在此温度范围内性质稳定，不会发生力学变化。实际投入使用时，介质为原油，所选材料应具有较好的耐原油腐蚀性能，在原油中长期浸泡，性质不会发生改变。另外，因为智能球要采集管道内的声音信号，所以外壳应有比较好的减振效果，以降低噪声，提高信噪比。考虑了上述这些因素，最终选择了铝合金作为外壳，外面包裹一层聚氨酯材料。

3 密封设计

智能球在管道中运行时，密封是一个很重要的条件。

若密封不好，石油将渗入智能球内部，引起电路短路，

导致器件无法使用等严重后果，从而使得检测失败。主要有三个部位需要密封：上下半球连接处、堵头处、水听器处。

3.1 法兰式密封

上下半球的连接采用法兰式密封连接，如图3所示。法兰盘上均匀分布了8个孔，用来紧固上下半球。

常见的法兰密封面有平面、凹凸面、榫槽面及特殊面。几种密封形式各自有优缺点，适用于不同的场合，对比见表1。从表1中可以看出，第四类中的矩形槽并配用O型圈方式适合高压管道内密封，它和智能球的密封要求最为相近，因此选用此密封形式。

法兰密封面的表面粗糙度是影响密封性能的重要因素之一。在法兰面密封性试验中，同样压力条件（空气压力0.49 MPa），同样垫圈条件下（金属包石棉垫），法兰密封面的表面粗糙度为3.2μm时，发生微漏现象；当把表面粗糙度减到1.6μm时，就达到了较好的密封效果。

图3 法兰式密封

表1 法兰面密封形式对比

聚四氟乙烯O型圈具有耐高温，耐低温，耐腐蚀，耐气候，高润滑，不黏附，无毒害等优点，对法兰粗糙度的要求为6.3μm，能达到较好的密封效果。所以选用的是聚四氟乙烯O型圈。

3.2 堵头密封

为了能与上位机进行通信，将智能球采集到的信号传输给上位机，就要在智能球一端开一个孔，并把接口电路板放置于此。此处的密封就是一个需要解决的问题。

如图4所示，堵头为T型，T型上面部分是螺纹，用来连接固定；下面部分开有一个槽，将O型圈放入其中用于密封。

3.3 水听器密封

为了使水听器能更好地采集到声音信号，需要将水听器裸露在外面。所以在小球的另一端开一个孔，用来安装水听器，此处也需要进行密封。如图5所示，水听器上有一个凹槽，里面放入O型圈，用于密封。

4 球壳壁厚设计

分别用Solid Works和ANSYSWorkbench两种软件对不同壁厚下的承压情况进行仿真，以确定最终壁厚。

图4 堵头

图5 水听器

在Solid Works中，设置好材料属性、所承受的压力P等参数，最终仿真得出一个安全系数A。A×P就是智能球能承受的压力值，这是球在一次循环载荷下所能承受的压力值。

在ANSYS Workbench中，设置好材料属性（包括S-N曲线）、所承受的压力P、循环次数n等参数，最终仿真得出一个安全系数A。A×P就是智能球能承受的压力值，这是球在n次循环载荷下所能承受的压力值。

4.1 内径203mm（8 in）管道的仿真结果

（1）8mm壁厚。图6是Solid Works的仿真结果；图7是Workbench仿真结果，其中n值为1；图8是Workbench仿真结果，其中n值为105。

从图6可以看出，在Solid Works仿真下，8mm壁厚的球壳能承压25.7 MPa（压力10 MPa乘以安全系数2.57），这是1次载荷的结果。由图7可以看出，在Workbench仿真下，8mm壁厚球壳在1次载荷下，能承压27.6 MPa（10 MPa乘以安全系数2.76），与Solidworks的仿真结果基本一致。由图8可以看出，在105次循环载荷下，能承压18.1 MPa（10 MPa乘以安全系数1.81）。从不同的循环载荷次数的仿真结果中可以知道，8mm壁厚球壳在15MPa压力下能运行几十万次。

图6 Solid Works仿真结果

图7 Workbench仿真结果（1次循环）

图8 Workbench仿真结果（105次循环）

（2）6mm壁厚。经过仿真得到：在Solid Works仿真下，6mm壁厚球壳能承压20.6MPa，这是1次载荷的结果。在Workbench仿真下，8mm壁厚球壳在1次载荷下，能承压22.9 MPa，与Solid Works的仿真结果基本一致。在105次循环载荷下，能承压15MPa。从不同的循环载荷次数的仿真结果中可以知道，6mm壁厚在15MPa压力下能运行十万次左右。

（3）5mm壁厚。同以上分析可得：5mm壁厚在15MPa压力下能运行几千次。

（4）壁厚选择。考虑到实际管道中承受的压力大小最高不超过10MPa，同时，可能还有一些其他因素的影响，为了安全起见，选择能够在15 MPa压力下运行几万次到几十万次的壁厚，所以选择8mm壁厚（若质量太大，可以选择6mm壁厚）。

4.2 内径254mm（10 in）管道的仿真结果

同以上分析步骤，8 mm壁厚球壳在15 MPa压力下能用超过10万次，6mm壁厚球壳在15 MPa压力下能用1万次左右，所以最终选择8mm壁厚。

4.3 内径305mm（12 in）管道的仿真结果

同以上分析步骤，6mm壁厚球壳在15MPa压力下一次也用不了；8 mm壁厚球壳在15 MPa下能用几千次；10mm壁厚球壳在15MPa下能用几万次。所以最终选择10mm壁厚。

4.4 内径356mm（14 in）及以上管道的仿真结果

当管道内径≥356mm时，基于对研发成本的考虑，改变一种结构：选择内径203mm（8 in）管道采用的智能球去掉聚氨酯外壳后作为核心部分，外面再套一层外壳，外壳尺寸应使得球能通过竖立管道。外壳上开有孔，所以不承压，由于核心部分未变，所以承压仍满足条件。

5 结束语

本文首先对球形内检测器的总体布局进行了设计，再对外壳的选材进行了分析，最终确定了采用铝合金材料外壳和聚氨酯材料外壳，接着对几个关键部位的密封进行了阐述。然后分析了不同内径的管道中智能球壁厚需要满足的条件，最终确定了内径203mm（8 in）管道智能球壁厚为8mm，内径254mm（10 in）管道智能球壁厚为8mm，内径305mm（12 in）管道智能球壁厚为10mm。

[1]吴光中，宋婷婷，张毅.FLUENT基础入门与案例精通[M].北京：电子工业出版社，2012.

[2]张忠将，李敏.Solid Works 2010机械设计从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2011.

[3]陈艳霞.ANSYS Workbench工程应用案例精通[M].北京：电子工业出版社，2012.