长输送油气管道内自行走检测器皮碗力学特性的研究

傅　裕，欧阳熙，胡铁华，汪华军（机械科学研究总院，北京　100044）

长输送油气管道内自行走检测器皮碗力学特性的研究

傅裕，欧阳熙，胡铁华，汪华军
（机械科学研究总院，北京100044）

长输送油气管道运输介质为石油或者天然气，管道在服役期内，需定期利用检测器来检测管道使用情况。检测器中，皮碗作为驱动部件和支撑部件，对检测器尤为重要。依据皮碗结构特点，简化皮碗为厚壁筒模型和悬臂梁模型，利用ANSYS对厚壁筒模型进行有限元分析，对悬臂梁模型以及皮碗总摩擦力进行数值仿真，得出结论，为检测器皮碗的设计提供了理论依据。

长输送油气管道；皮碗；力学特性

0　引言

长输送油气管道，运输介质为石油或者天然气，自行走检测器前进的动力来自于检测器前后端流体介质的压差，皮碗需要均有良好的密封性能，才能保证整个运行过程中压缩流体不会随意从检测器后端流到前端，造成压差太小检测器卡堵在管道中；检测器单次运行距离最长达上百公里，故皮碗也要有良好的耐磨性能。此外，在检测器检测运行过程中，需保持检测器中心一直处于管道中心轴上，皮碗提供整个骨架所需的支撑力，保持检测器平衡。因此，皮碗在整个检测器运行过程中尤为重要。

在长输送油气管道自行走检测器设计过程中，选择深锥型皮碗作为自行走检测器的支撑皮碗，本文对深锥型皮碗的支撑力和摩擦力方面等力学特性方面做相关分析。

图1　皮碗受力示意图

1　深锥型皮碗的力学模型简化及分析

由于皮碗的对称性，取皮碗一半为研究对象，如图1所示。检测器在管道中运行，主要受到管内流体介质作用推动检测器前进，同时受到管道内壁对皮碗的作用力和自身重力影响。管道与皮碗相互作用，一方面是由于皮碗存在过盈量，管道为刚性体，皮碗受管道束缚产生的反弹力FN，沿径向指向圆心，即管壁法向方向，皮碗受管道内壁反弹力FN分布对称于皮碗轴向中心，压强为pN；另一方面，由于皮碗和管道发生相对运动，管道内壁比较粗糙，产生很大的动摩擦力，方向与皮碗运动方向相反。

图中，FN—管道内壁对皮碗正压力；F摩—皮碗所受摩擦力；α—皮碗本体倾斜角度；a—唇边等效长度。

皮碗受力模型可以简化为一个锥形圆筒受压变形的模型。FN由两部分产生，一是唇边受管道内壁挤压整体向圆心方向收缩，记力为FN1，压强pN1，简化为求解厚壁圆筒问题的弹性解；另一方面是本体锥形部分受管壁压力产生的反作用力FN2，压强pN2，对皮碗作沿管道径向方向剖面做微元处理，简化问题为求解悬臂梁受力问题的解，如图2所示。

图2　厚壁圆筒模型及悬臂梁模型

2　皮碗厚壁筒数学模型及其求解

对于厚壁圆筒，为圆类问题，采用极坐标方法求解。皮碗外径位移uD和压强pN1：

由上式知，pN1＜0，故pN1总是为压应力。由数学模型推导出来的压强表达式，联合皮碗摩擦力等于摩擦系数、接触面积以及法向压强的乘积，可知道影响皮碗和管道内壁作用的因素有皮碗材料属性、皮碗唇边过盈量、唇边厚度和皮碗唇边长度。

2.1皮碗厚壁筒ANSYS仿真

基于弹性力学相关理论，通过ANSYS对过盈状态下的皮碗唇边进行模拟仿真，可以得到皮碗应力沿径向方向的分布情况以及皮碗变形情况，并且通过云图的方式直观地描述出来。

仿真主要目的为求解皮碗唇边部位的相关尺寸对皮碗与管内壁正压力，因此，在仿真过程中忽略了皮碗唇边以下其余部位，因此，简化厚壁筒模型是这里采用的物理模型。

仿真参数选择依据气管线管道各项指标：口径Φ1016mm，内壁带内涂层，常规直管壁厚是14.6mm，计算得管内径为Φ986.8mm，在仿真时取值 Φ986mm。厚壁筒外径为皮碗外径Φ992mm，唇边厚度为 45mm，唇边长度70mm。选择ANSYS Workbench软件的结构静力学分析模块Static Structure来进行静力仿真，仿真得出皮碗过盈量和唇边厚度与变形及应力的关系图如图3～图5所示。

作皮碗外径和压应力曲线图，如图6所示。

图3　过盈量3mm唇边厚度45mm时变形及沿径向方向应力云图

图4　过盈量3mm唇边厚度50mm时变形及沿径向方向应力云图

图5　过盈量6mm唇边厚度50mm时变形及沿径向方向应力云图

图6　皮碗外径、压应力曲线图

由ANSYS仿真结果可知，在管道内径不变的情况下：①唇边厚度不变，皮碗过盈量越大，压应力越大；②过盈量不变，唇边厚度越大，压应力越大（压应力与内壁对皮碗的压强相等），这与表达式推导结论是一致的，见图6。厚壁筒模型只是反映了皮碗唇边尺寸过盈方面与管道之间的作用力，在实际应用中，根据具体需要，结合设备其他方面因素设计皮碗。

2.2皮碗悬臂梁模型求解

皮碗悬臂梁模型见，微元皮碗可以看成一端受力的悬臂梁，皮碗在管道内，悬臂梁模型部分受刚性管道挤压产生的反弹力FN2，压强pN1的求解可先不考虑摩擦力，从梁的挠度计算公式：

式中，w—悬臂自由端挠度（m）；M（x）=FN2（L-x）—弯矩（Nm）；E—弹性模量（N/m2）；IZ—惯性矩（m4）。推得由变形w所产生的压强p'N2：

对上式作倾斜角度和压应力曲线图，如图7所示。

图7　倾斜角度和压应力曲线图

3　皮碗摩擦力的求解

皮碗支撑力方面，主要由皮碗悬臂模型部分决定，压应力越大，相应的反弹力越大，则说明支撑力越强，由图7可知，当α增大，反弹力会迅速减小，支撑能力也迅速减小。所以α角越大，皮碗支撑力越弱。

由图2所示两个模型，可知整个皮碗由形变量所产生的压强为pN：

皮碗所受摩擦力方面，如果不考虑速度对摩擦力F摩= μπDIapN的影响，则有：

图8　皮碗外径D和摩擦力的关系曲线

图9　皮碗内径d和摩擦力的关系曲线

图10　倾斜角度α和摩擦力的关系曲线

对上式进行数值仿真，采用单一变量法作出皮碗外径D、皮碗内径d和倾斜角α与摩擦力的关系曲线。

4　结论

本文选择深锥型皮碗进行研究，针对深锥型皮碗结构形式，把皮碗视为厚壁圆筒模型与悬臂梁模型的组合体，在此基础上，分别对皮碗厚壁圆筒模型、皮碗悬臂梁模型进行分析求解，得到皮碗特征参数对皮碗性能的影响结果为：①皮碗唇边厚度越大，压应力越大，摩擦力越大；②唇边过盈量越大，压应力越大，摩擦力越大；③皮碗本体倾斜角度越大，皮碗越深，压应力越小，支撑能力越弱；④悬臂部分厚度越大，压应力越大，摩擦力越大。设计时，应综合考虑检测器整体运行状态，合理选择皮碗特征参数，本章内容为自行走检测器皮碗的设计研究奠定了理论基础，对常规在役检测器皮碗设计也具有指导意义。

［1］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.

［2］欧阳熙，胡铁华，邸强华.新建油气管道变形内检测器机械系统的研制［J］.机电产品开发与创新，2014，3.

［3］李同林.弹塑性力学［M］.武汉：中国地质大学出版社，2009.

The Research on the Mechanical Characteristics of the Self-propelled and Internal Inspection Tools for Oil and Gas Pipeline

FU Yu，OUYANG Xi，HU Tie-Hua，WANG Hua-Jun
（China Academy of Machinery Science and Technology，Beijing 100044，China）

The transport medium of long-transport oil and gas pipeline is oil or gas.It requires regular detection for pipeline during its service period.Cups as the drive and the support component，is particularly important for the detector.Based on the structural characteristics of the cup，the cup is simplified as thick-walled cylinder model and cantilever model.The finite element analysis of thick-walled cylinder model with ANSYS and the numerical simulation of Cantilever model and total friction of the cup were done.It provides a theoretical basis and technical guidance for the cup design.

long-transport oil and gas pipeline；cup；mechanical characteristics

TP27

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.035

1002-6673（2015）05-094-03

2015-06-25

北京市科技计划课题（长输送油气管道内自行走检测设备研制-Z151100002815031）

傅裕（1979-），男，工程师，从事机械电子工程技术方面的研究。