原油管道内检测器速度控制试验装置的研制

戴 波 詹旭明 徐文星 杨 光

(北京石油化工学院信息工程学院1，北京 102617；北京石油化工学院机械工程学院2，北京 102617)



原油管道内检测器速度控制试验装置的研制

戴 波1詹旭明2徐文星1杨 光2

(北京石油化工学院信息工程学院1，北京 102617；北京石油化工学院机械工程学院2，北京 102617)

针对原油管道内检测器速度控制技术开发的需要，结合输油管道工艺，研制了一款基于水洞技术的内检测器速度控制试验装置。该试验装置以水模拟原油，采用动力驱动式循环结构，并配备了基于PLC的数据采集系统。介绍了装置的组成及其设计方案，同时对其关键部位进行了讨论。前期试验表明，该试验装置的各项技术指标和性能均满足设计要求，可有效用于原油管道内检测器速度控制技术的研究。

原油管道 光电传感器 涡轮流量计 流体动力学 整流 数据采集系统

0 引言

管道内检测器速度控制技术是管道内检测领域的关键技术，控制管道内检测器的运行速度，使其运行在合理的速度范围内，对提高检测精度、提升检测效率具有重要的作用[1]。通过理论分析、数值计算和现场试验等方法，进行管道内检测器速度控制技术开发，仍存在各方面不足，因此有必要对管道内的检测器进行速度控制试验。内检测器速度控制试验的基础是对内检测器进行流体动力学试验。

目前，流体动力学试验大多是在水洞、风洞及各种水槽等装置中进行。水洞由于功能齐全、应用范围广，是舰船模型、水下运动物体、流体弹性、空化、湍流和边界层等课题开展水动力学研究的重要试验设备[2]。但由于现有的水洞装置及相关的水下运动物体速度测量方法，无法满足管道内检测器速度控制试验的要求，因此研制一种管道内检测器速度控制试验装置具有十分重要的意义。

1 总体设计方案

自1895年帕森斯建造的第一个空化水洞以来，目前世界上近30个国家己建成了200多座不同型号的水洞装置，其中仅美国就拥有上百座水洞装置[3]。国内在水洞的设计研究方面相比国外还有一定的差距。随着国家技术和经济的快速发展，国内各研究院所和高校借鉴了国外先进的水洞设计理念，并参考了一些风洞的设计手段，也在不断进行改善优化，为水洞试验装置的功能多样化而努力创新。根据有无驱动装置，水洞大致分为动力式水洞和重力式水洞。动力式水洞由水泵推动水作循环流动，其优点是流量大、流速高，缺点是难以消除驱动装置对流场的干扰。重力式水洞通常利用水的重力势能转化为动力势能的原理，避免了驱动装置对流场的干扰，因此来流的背景噪声小。由于测试段流速受水位高度的限制，重力式水洞的流速一般较小，而采用提高水箱高度的方式又需延长输水管路，从而大幅度提高造价。这两类水洞的典型代表为西北工业大学的高速循环式水洞和哈尔滨工业大学水声技术重点试验室的重力式水洞。西北工业大学的高速水洞测试段直径为400 mm、长度为2 000 mm，其测试段内水流流速在0～18 m/s的范围内可调，测试段压力在20～300 kPa(绝对压力)范围内可调。另外，试验室配有各种量程的内外置测力天平、流场压力测量系统、高速摄像系统、PIV 测试系统和流噪声测量系统等，可用于潜射导弹空化特性、航行器模型表面阻力特性等方面的研究[4-6]。哈尔滨工业大学的重力式水洞利用水位势能转化为动能的原理，使测试段内具有一定流速的水流。

重力式水洞除地点选择和布置比较困难外，由于运行技术上还存在测试段水速和静压无法独立调节的困难，因而其应用受到了严重限制[7]。此外，这些水洞中试验模型一般是静止不动的(或是转动的，例如船舶螺旋桨)，而管道内检测器流体动力学试验过程内检测器是运动的。因此，管道中水下内检测器运动速度的被动测量也是一项技术难点。虽然 Boltryk P 等人针对水下运动体测速困难的问题，为水下机器人研制了一种声学相关的测速装置，并对声学和信号处理方法进行了优化，测量结果精度很高；但该测速装置比较复杂、体积庞大且价格高昂[8]。Yan G H 等人也提出了一种适用于小型水下高速运动体的自主测速方法，利用不同时刻运动目标和线列阵之间的几何关系，建立了速度测试的数学模型[9]；但该测速方法所借助的测量探头需伸入水中，而管道内检测器的驱动皮碗紧贴管壁运动，若将该种测速方法运用到管道内检测器速度控制试验装置中，必然会阻碍管道内检测器的运动。综上分析，现有的水洞装置及相关的水下运动物体速度测量方法无法满足管道内检测器速度控制试验的要求。

根据试验要求，确定管道内检测器速度控制试验装置的设计。具体要求如下：①测试段应采用圆形截面，且具有一定的长径比，能有效模拟长输原油管道；②试验装置需有实现内检测器收发的功能；③测试段水流的流量及压力在一定范围内连续可调；④需测量管内水下内检测器的运动速度；⑤流量、压力及内检测器运动速度等试验数据可实时采集与存储。在试验基本要求的基础上，综合加工难度、经济性等各种因素，初步拟定了试验装置的总体方案。考虑到在试验室内难以实现很大的水位落差，因此本装置采用离心泵驱动的方式。由于开口式管路的能量损失极大，需要极大的动力驱动能力，为避免能量的巨大浪费，本装置主体管路采用循环形式。试验装置主体管路布置采用卧式结构，测试段等相关管段处于高位。测试段的长径比在一定长度上体现了试验装置的试验能力，同时考虑建造经济性，确定试验管段内径为100 mm、长度为5 m，即其长径比为50。在测试段前后，分别设置简易发射装置和简易接收装置，以实现内检测器的发射与接收。结合试验要求，初步确定水流流速在0～0.6 m/s的范围内连续可调，水流压力在0～0.2 MPa的范围内连续可调。采用透明的有机玻璃管作为测试段主体，基于有机玻璃的透过性，采用线性阵列的光电传感器采集内检测器的运动信号，进而通过平均运动速度测量法获得内检测器的运动速度。通过基于PLC与MCGS组态软件的数据采集系统，实现试验数据的显示与记录，所采集到的试验数据由下位机PLC发送至上位机MCGS组态软件。上位机负责试验数据的动态显示和实时存储等。

2 简易收发装置的设计

管道内检测器速度控制试验过程涉及内检测器的发射与接收。为使该操作简便、快速，特设计了一种简易收发装置，包括简易发射装置和简易接收装置。简易收发装置上装有快开卡箍组件、排气阀和排水阀，其结构简图如图1所示。试验时，通过快开卡箍组件，可实现内检测器入口和出口的打开与关闭。

图1 简易收发装置结构图

图1中：A为割面线；A-A为剖面图。

该种简易收发装置的优点在于操作过程简便、密封效果好，在截止阀关闭或离心泵停车期间，可直接通过人工手动形式，实现内检测器的发射与接收。与此同时，在手动发射或接收内检测器前，由于简易收发装置内充满了水，在投送或接收内检测器的过程中，管路中的水会溢出，因此在简易收发装置上配有排水阀用来排除多余的水，以便完成发射与接收工作。在完成手动发射或接收内检测器后，由于简易收发装置内残留部分空气，因此在简易收发装置上加装排气阀，将残留的空气排尽，使管路内充满水，保证试验的顺利完成。

3 测试段整流

水流在循环管路中不断循环，在经过离心泵、弯头等设备后水流流速不均匀，湍流度较高。该情况下的水流如果直接进入测试段；将不能形成稳定、均匀的流场。在管道内检测器速度控制试验过程中，复杂状态的流场将严重干扰内检测器在管道中的运动状态，不利于试验结果的分析及数据的处理。为此，需对进入测试段内的水流进行整流处理。本文借鉴了相关的风洞整流技术[10]，在测试段前加装整流栅，对进入测试段内的水流进行整流。整流栅是一种由圆形、方形或六角形等截面管道堆叠组成的整流装置，其整流功能表现为将大尺寸漩祸流分割成小尺寸漩涡流，限制水流在垂直于管道轴线方向的横向运动。相对其他形状的等截面而言，圆形截面是较为理想的整流截面，其流体流动性和工艺性较好。综合以上分析，本文从工程实现角度出发，在满足一定整流效果的前提下，选择圆形整流栅。

为了验证圆形整流栅对测试段的整流作用，采用基于Fluent的计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟方法,对整流效果进行对比计算。计算区域为管路弯头、简易发射装置以及部分测试段。在计算模型中加入弯头和简易发射装置的目的是为水流加入扰动，以不均匀的来流反映整流栅的整流作用，且这都是实际装置中切实存在的因素，因此加入这两部分是合理且必要的。在计算过程中，入口为速度入口，流速为0.6 m/s，出口为压力出口，壁面为非滑移绝热壁面条件，收敛残差设为10-5。模拟结果显示：在未加装整流栅情况下，简易收发装置后流场近壁面处出现了一定的漩涡流，且内外侧速度差别较大；而加装整流栅情况下简易收发装置后水流方向基本保持平直，速度分布较均匀，同时没有出现大的漩涡，显示出较好的导流、整流效果。

4 数据采集系统

内检测器速度控制试验中既需实时掌握装置本身的运行状况，又需记录与内检测器运动有关的多种试验数据，因此数据采集系统是必不可少的。试验装置对数据采集系统的要求主要包含测量准确性、采集高速性、实时存储性3个方面。测量准确是保证试验结果具有研究价值的前提，因此对数据采集系统的首要要求是测量结果的准确性；试验中往往需要测量并记录各种数据，供后期进行数据分析。而通常试验过程参数的响应频率很高，这就要求数据采集系统具备对等的采集速度；为保证试验结果易于后期处理与分析，数据采集系统必须具有试验数据的实时存储功能。

本数据采集系统主要负责测量试验过程中装置的实时运行参数，包括流量、压力和内检测器的运动速度。通过CPU224和EM235进行试验数据采集，CPU224直接采集光电传感器传来的脉冲信号，计算物体运动时间，然后通过平均运动速度法获得内检测器的运动速度；同时CPU224下挂EM235模拟量采集模块，通过EM235采集涡轮流量计和压力变送器发出的实时流量、压力等模拟量信号。PC上位机采用MCGS组态软件进行监测，并以图像、历史曲线等多种形式显示并记录试验数据。

光电传感器受电磁干扰小，也不会对测试信号产生干扰，且具有体积小、光纤长度和角度可调整、安装方便、适用于各种场合、良好的传光性能、灵敏度高、可在较恶劣的环境下使用等优点。本方案采用基于光电计时器的平均速度测量法，对内检测器进行速度测量。

5 试验装置结构设计

据以上分析，结合实际需要，初步拟定试验装置总体结构，具体如图2所示。

图2 试验装置整体结构示意图

装置主体管路采用卧式结构，测试段、水箱处于高位，离心泵位于低位；主体管路直径为50～100 mm，计算时取100 mm；离心泵出口安装截止阀，流量计位于截止阀出口，流量调节阀位于流量计出口；测试段为有机玻璃管，壁厚为10 mm，内直径为100 mm、长度为5 000 mm；测试段前后两端安装简易收发装置；简易收发装置前安装整流栅，整流栅孔径取10 mm，格栅长22 mm；简易接收装置后安装挡条盘，以避免样机由于意外进入后端管道而带来难以接收的问题；测试段出口安装压力调节阀。

5.1 水力损失计算

由于流体黏性及实际管道内壁结构非绝对光滑，在管道流动中必然存在着一定的压力损失，而压力损失的计算是明确试验装置的工作效能、确定驱动装置能力的基础，本文选择离心泵作为驱动装置。因此，本文在拟定装置总体结构后，根据相关的流体阻力手册提供的阻力系数，对其进行压力损失计算。装置中各段压力损失可分为沿程压力损失和局部压力损失。

根据达西-魏斯巴哈公式，沿程压力损失为：

(1)

式中:hf为管流的沿程压力损失；L为管段的长度；d为管道的内径；v为管道过水断面的平均流速；g为重力加速度；λ为沿程阻力损失系数。

局部压力损失计算公式为：

(2)

式中：ζ为管流的局部压力损失系数，其数值主要取决于水流边界的几何形状和尺寸等；v为相应管道内水流的平均流速，在管路压力损失计算过程中，v参考的最大设计流速为0.6 m/s。

在本试验装置中，测试段为典型的长直管流动，其压力损失可看作沿程损失，记为hf10；各辅助管段为短直管，不易直接采用沿程损失计算，且其水流流动均不规则，因此其压力损失为沿程损失的1.5倍[11]，记为hfx；简易收发装置的局部压力损失参考斜三通结构，记为hj 9、hj 11；变径处的局部压力损失可分为渐缩短局部压力损失hj 3和渐扩段局部压力损失hj 5；整流栅的阻力损失是典型的复杂结构损失计算，本文参考了滤水网的局部压力损失计算，记为hj 8[12]；4个弯头的压力损失记为hj 6；各类阀门的局部压力损失根据不同型号与规格分别记为hj 2、hj 7和hj 13；涡轮流量计的局部压力损失记为hj 4。参考相关的管道水力计算手册，根据式(1)、式(2)可知，管道压力损失Hf为：

(3)

(4)

5.2 离心泵选项

离心泵是试验装置的能量供给源头，如其功率过小将无法满足试验要求，如过大则造成浪费。上文计算得出：试验装置在最大流速下的压力损失为离心泵的选型提供了参考，而内检测器速度控制试验所需的最大水流压力约为0.2 MPa，则离心泵所需的扬程h=(0.2+0.033)×100=23.3 m，所需的最大流量Q=πR2=16.96 m3/h。则离心泵的有效功率N0为：

(5)

考虑到离心泵的效率及电动机的安全系数，离心泵的效率取0.8，电动机的安全系数取1.2[14]，则配套电机的功率N为：

(6)

结合现有离心泵型号，对以上计算结果进行参数化圆整后，选择ISW-50-160(I)B型卧式离心泵，其具体参数为：额定流量21.63 m3/h、额定扬程24 m、电机功率3 kW、电机转速2 900 r/min。

6 测试

在安装完毕后，对试验装置进行了水压密封测试试验、初步性能测试等试验。

①水压密封测试试验。试验装置的各零部件间主要采用法兰连接，在车间加工进行水压密封试验。试验过程参照压力容器检验和验收标准GB 150.4-2011，以测试段出口表压0.25 MPa作为设计压力，检查期间压力保持30 min，试验过程无渗漏、无可见的变形和异常声响。试验完成后，装置被分段运回试验室，并在试验室内完成安装工作。

②初步性能测试试验。装置安装完毕后，进行了初步测试，以检验装置总体运行是否正常。装置的初步测试过程同管道内检测器速度控制试验过程基本一致。图3给出了试验过程中的流量曲线，图4给出了试验过程测试段前后两端压力曲线。该数据可用于后期的试验分析，也为管道内检测器速度控制技术开发提供了数据支撑。

图3 流量曲线图

图4 压力曲线图

7 结束语

初期试验表明，所研制的试验装置能够有效模拟管道内检测器在水平管道内的运行过程。试验数据采集、存储及历史曲线显示等满足内检测器速度控制试验的要求。试验装置的整体结构、密封及电气连接完全达到了使用标准。

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Research and Development of the Speed Control Experimental Device for the Detector in Crude Oil Pipeline

In accordance with the demands for developing the speed control technology of detectors in crude oil pipeline,combining with the technological process of oil pipeline,an experimental device of speed control for inner detector is developed based on water tunnel technology.This experimental device simulates oil by water,adopts power-driven cycle structure and is equipped with data acquisition system based on PLC.The composition and design scheme of the system are introduced and the key parts are discussed as well.The preliminary test shows that the technical indexes and performance of the device meet the design requirements; so it can be effectively used in research on speed control technology of the detectors in the crude oil pipelines.

Crude oil pipeline Photoelectric sensor Turbine flowmeter Fluid dynamics Rectification Data acquisition system

国家自然科学基金资助项目(编号：61304217);

北京市教育委员会科技计划基金资助项目(编号：KM201510017003)。

戴波(1962—)，男，1991年毕业于清华大学自动控制理论及应用专业，获硕士学位，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。

TH7;TP23

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611019

修改稿收到日期：2015-12-23。