直板清管器过环焊缝过程的动力学仿真

张　行，张仕民，郭书墩，欧明军，林　立

直板清管器过环焊缝过程的动力学仿真

张行1，张仕民1，郭书墩2，欧明军2，林立1

（1．中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249；2．渤海钻探井下作业公司，河北任丘062550）

利用清管器或者内检测器等设备对管道进行清管和检测是管道运营维护必不可少的流程。由于管道内环境的特殊性，使清管器的动力学问题变得极为复杂。管道内环焊缝对密封皮碗的激励会引起清管器运移行为的改变，这种非稳态的运动对管道清管器的结构产生破坏。针对该问题，对直板型清管器在油气管道受限空间中过环焊缝瞬态运移过程建立了动力学理论模型，并在动力学仿真软件中进行了仿真，结果表明清管器过焊缝会引起清管器速度与位移的振动，尤其在x方向的振动更为剧烈。该理论模型对分析清管器在管道内的运移行为有一定的指导作用。

直板清管器；有限元分析；动力学仿真

管道运输作为石油、天然气和成品油最经济、最合理、最重要的运输方式之一，具有连续、快捷、输送量大、方便等众多优点。目前，管道运输已成为继公路、铁路、水运和航空之后第5大交通运输方式。利用清管器等皮碗式管道机器人对管道进行清管和检测，是管道运营维护必不可少的流程之一［1］。

清管器在管道中通过其所带橡胶皮碗密封前后输送介质而形成压差推动其自身行走［2］。清管器在管道内运行的过程中，依靠清管器前后两端的两组直板型皮碗刮削管道内壁实现对管道杂物的清理，一般采用聚氨酯橡胶为皮碗的材料。清管器的运行伴随着皮碗与管道环焊缝的冲击碰撞，这个过程会使清管器自身产生沿管线方向的轴向振动，不论清管器在管道前后压差推动下以什么运动状态行进，清管器过管道焊缝的过程中，皮碗会发生弯曲，相对于管道内径的过盈量增大，皮碗对焊缝的正压力增大，清管器与管壁间的摩擦力增大，而外界其他力不变，摩擦阻力增大，从而导致清管器有一个明显的减速过程。在通过管道焊缝之后，在清管器前后压差的作用下清管器重新加速到过焊缝前的速度。

在长达几十公里甚至几百公里的清管过程中，周而复始的减速与加速过程将导致清管器产生频繁的轴向振动，使清管器结构产生振动疲劳［3］，清管器上的零件（例如：螺母、电子器件等）会因长时间振动达到疲劳极限而损坏，甚至脱落到管道内，使清管器的一些功能失效，甚至对管道产生损害。不论是管道的清管作业或是管道的内检测作业，人们关注更多的是清管、检测的效果，却忽略了智能清管器自身的损坏，而清管器结构的稳定性和完整性影响着清管、检测的效果。

清管器橡胶皮碗与管道环焊缝的接触过程是一个大变形、带摩擦过盈配合的复杂动态接触类问题。清管器皮碗与管道环焊缝之间的动态作用力是引起清管器振动的主要原因［4］。为了减少清管器过管道环焊缝过程中产生的振动，提高智能清管器的使用寿命与结构的稳定性，增加清管器的可靠性，有必要对清管器橡胶皮碗与管道环焊缝接触过程进行研究。

1　清管器运动过程

标准管节长度为12．2 m，如果清管器在管道内以2 m／s的速度运行，则每隔6 s左右就会碰到一条环焊缝，从清管器遇到焊缝到越过焊缝到达管道平稳区的过程如图1所示。

图1　直板清管器

密封皮碗在管道内呈周向同性状态，故在有限元软件中建立了单密封皮碗过管道环焊缝的二维轴对称模型，如图2。

图2　二维轴对称理论模型

从图1～2可以看到，单密封皮碗在通过焊缝的过程中会出现弯曲的现象。密封皮碗刚开始运动，由于摩擦力的存在，密封皮碗会有很小的弯曲角度使密封皮碗与焊缝模型形成线-面接触，密封皮碗外圆端刚接触焊缝起点处，由于需要克服静摩擦力及焊缝的阻碍作用，密封皮碗外端将在焊缝初始段稍作停留，停留的过程中，夹持皮碗与密封皮碗的内端保持向右运动，迫使密封皮碗弯曲的角度增大，这个过程导致密封皮碗的弯曲角度急剧增大。

当密封皮碗继续向右运动，密封皮碗的外端将逐渐离开焊缝模型的初始段，开始沿着焊缝模型的爬坡段运动，这个过程中，由于焊缝高度的变化，密封皮碗也会有径向的位移，随着爬坡过程中密封皮碗外端的径向位移增大，密封皮碗弯曲的角度也增大。

随着密封皮碗来到坡顶段，可以看到弯曲角度几乎不变，密封皮碗与焊缝之间的摩擦力还不足以使密封皮碗发生进一步的弯曲。

2　理论研究

2．1 理论建模

由于橡胶盘接近清管器本体的部分被固定板紧紧固定，剩余的部分则处于自由状态，直板型橡胶皮碗在过焊缝时会出现弯曲与径向压缩，将弯曲等效为铰接的刚性杆，径向压缩等效为垂直的弹簧。忽略清管器本体的质量，清管器皮碗等效为刚度k1的垂直弹簧与质量块M和铰接刚性杆的整体，垂直弹簧固定在清管器本体与质量块之间，用来模拟皮碗的径向压缩；铰接的刚性杆可以在平面内转动，铰接处有刚度为k2、阻尼为c2的扭转弹簧，模拟橡胶皮碗过焊缝过程中的弯曲行为［5］。理论模型如图3。

在实际工况中，清管器本体（刚性杆A点）以稳定速度u运行，皮碗（刚性杆B点）遇到焊缝时会有一个爬坡的过程。由于是环焊缝，可以看做清管器本体在垂直方向上的位移不变，在爬坡的过程中刚性杆会转动，假设刚性杆在爬坡转动过程中不会发生挠性变形，从而弹簧会有垂直压缩，导致刚性杆对焊缝的正压力增大，也就是摩擦力增大，导致刚性杆（B点）的速度减小，位移x1（t）也小于清管器本体的位移x（t）。

清管器皮碗（刚性杆B端）与焊缝接触点产生的正压力方向与y轴的夹角δ随着B点与焊缝模型接触点位置的变化而改变。刚性杆因转动而与y轴产生夹角θ，同样，夹角θ随着B点与焊缝模型接触位置及清管器x方向位移x（t）的变化而变化。

图3　密封皮碗与焊缝接触理论模型

2．2 控制方程

根据达朗贝尔原理列出该模型的运动控制方程：

y方向的力平衡方程：

将焊缝简化成圆心为（a，b）的圆，焊缝模型方程为：

初始条件为：

式中：M为皮碗固定部分的质量；m为皮碗橡胶的质量线密度；l为类似悬臂梁的皮碗长度；ls为弹簧k1的自然长度；F为刚性杆与焊缝表面的接触摩擦力；N为刚性杆与焊缝表面的接触正压力；k2、c2为扭转弹簧的刚度系数与阻尼系数；k1为垂直弹簧的刚度系数。

转动角度θ与δ表示为：

将式（4）代入式（5）中，消去x1（t）后，得到角度θ与δ的关系式：

由于密封皮碗刚度较大，y方向的位移会很小，以至于忽略皮碗通过焊缝的过程中垂直弹簧的径向压缩量。在忽略皮碗径向压缩变形后，根据几何关系得到几何约束关系式：

将式（3）代入式（7），转动角度θ的表达式可表示为：

从式（7）和（8）得到，转动角度θ的大小与焊缝模型的高度关系很大。

θ与δ的关系为：

假设模型中参数取以下值：

根据式（9）得到：

忽略式（1）与式（2）中对时间的求导项，在式（1）与式（2）的基础上，当刚性杆爬上焊缝模型的表面，摩擦力F可以表示为：

3　动力学仿真分析

在MSC／Adams动力学分析软件中建立该理论模型的动力学模型，仿真模拟密封皮碗通过管道环焊缝过程中的动力学行为。将模型刚性杆与焊缝表面接触的一端记为B点，与重力块铰接的一端记为A点。仿真模型使用的参数为［5］：k1＝3 000 N／mm、k2＝2 000 N／mm、c2＝1 000 N／mm，模型暂不考虑清管器的质量，设定清管器本体沿管道轴向运动速度为500 mm／s。在模拟仿真过程中，清管器本体的速度保持不变。由于径向弹簧与扭转弹簧的存在，铰接的刚性杆与钢质焊缝接触过程中会产生复杂变化的摩擦力，使刚性杆的速度变化。

模型整体从管道的平滑段起步，以x方向的速度5 0 0 m m ／s开始接触并越过焊缝，期间清管器本体的速度保持不变，但铰接的刚性杆处于自由端，会因为与焊缝的阻碍作用，而导致刚性杆转动、速度改变等动力学特性的改变。模型越过焊缝后，由于扭转弹簧与阻尼的存在，刚性杆会恢复初始状态，然后模型回到稳定运动状态。

图4　模型刚性杆B端越过焊缝过程中位移和速度的关系

3．1 皮碗外端点动力学特性

皮碗外端点也就是动力学模型中的刚性杆B点，从0 s起，通过一段管道初始平滑区，图4中（a）区所示，此时刚性杆的B端x方向与y方向位移均为0，y方向速度也为0，x方向的速度与清管器本体速度一致为500 mm／s，模型在初始平滑区的运动耗时0．14 s。

模型通过初始平滑区后，刚性杆B端开始接触焊缝模型，如图4中（b）区所示，由于摩擦力与焊缝障碍的存在，相对于初始平缓区，皮碗在x方向的位移增加放缓，但皮碗的运动速度增长加快；在刚性杆B端刚接触到焊缝起点时，B端x方向速度降为0，与质量块铰接的刚性杆B端处于自由状态，刚性杆B端会在焊缝的起始处稍作停留，并绕着铰接点A转动，直到克服与焊缝模型接触的摩擦力才由清管器拖动刚性杆沿焊缝模型爬坡运动，可以看到刚性杆B端的速度随着时间历程越来越大，但增加过程中出现了几处波动，这是由于刚性杆在y方向上的位移导致径向弹簧k1产生一定的正压力，并通过刚性杆的传递作用在焊缝表面上，产生的摩擦力与刚性杆的相互作用引起刚性杆的振动，从而导致刚性杆在焊缝表面的运动出现较短暂的波动。可以看到随着刚性杆B端快接近焊缝最高点时，B端x方向的速度迅速增大，大于清管器模型设定的恒定的速度500 mm／s，高达800 mm／s，这是由于在爬坡的初期刚性杆的转动使扭转弹簧存储了一定的弹性势能，在爬坡的后期逐渐释放出来，导致刚性杆B端的速度迅速增加；刚性杆B端y方向位移持续增加，前期增加速度快，后期增加速度慢；y方向的速度对应了y方向的位移，增加值到达最高点后面减小。爬坡过程持续了0．3 s。

当扭转弹簧的弹性势能与径向弹簧的压缩力大于刚性杆B端与焊缝表面的接触摩擦力时，刚性杆会弹离焊缝表面，由于扭转弹簧存在一定的阻尼，所以刚性杆弹出时并没有出现振动的现象，而是往扭转角度为0的方向回转，如图4中（c）区所示，此时刚性杆整体在x方向做匀速运动，并有绕铰接点A的回转运动，这个过程持续了0 ．7 5 s。

在稳定区（d）模型恢复初始状态稳定运行。

图5　模型刚性杆A端越过焊缝过程中位移与速度的关系

3．2 皮碗内端点动力学特性

在模型的运动过程中，由于径向弹簧及焊缝障碍的存在，皮碗内端点也就是刚性杆的A端，不但会有沿x方向的匀速运动还有沿y轴方向的垂直运动。从图5中（b）区可以看到，从接触焊缝的一瞬间，位移突增0．8 mm，随后开始下降到0．22 mm，缓缓增加到0．9 mm，过了焊缝最高点后开始下降，离开焊缝表面时下降到0．7 mm，在过焊缝过程中，刚性杆A端即质量块y方向位移变化在1 mm内。图5中（d）区出现了0．05 mm的位移，这是因为经过（c）区刚性杆已经恢复到原位，B端接触到管壁，但为了克服摩擦力，刚性杆B端与管壁形成线面接触，从而使刚性杆有很小的转动角度，如图6中（d）区所示，最后还有0．5°左右的扭转角度。

在过焊缝的过程中，A端的速度整体趋于不变，但会有波动，这跟B端x方向的速度出现波动的原因是一致的。

如图6所示，与A端y方向位移相对应的是垂直弹簧压缩力的变化，B端到达焊缝最高点的时候，此时的压缩力最大。

图6　模型越过焊缝过程中径向弹簧压缩力及刚性杆转动角度与时间的关系

刚性杆的扭转角度在图6中（b）区，也就是过焊缝段期间不断增加，但随着B端爬坡高度的增加，扭转角度的增加速度越来越慢，在焊缝的最高点时，扭转角度达到最大值，在该模型中，最大值为21°。过了最高点后扭转角度开始下降，直到刚性杆离开焊缝表面；在图6中（c）区，由于扭转弹簧的刚度与阻尼，刚性杆开始恢复初始状态，扭转角度开始减小；对应图5中（d）区中出现的0．05 mm位移，图6中（d）区，最后还有0．5°左右的扭转角度，原因不再赘述。

4　结论

1） 清管器在通过管道内环焊缝的过程中会引起清管器的振动疲劳，导致清管器及管道内检测器等设备振动失效。

2） 根据直板清管器密封皮碗过焊缝过程中出现的径向压缩与轴向弯曲的特性建立了相应的理论模型，该理论模型与直板清管器密封皮碗实际动力学特性相符。

3） 动力学仿真软件ADAMS对该模型的仿真结果与真实工况出现的现象接近，说明该模型可用于分析直板清管器密封皮碗通过管道环焊缝过程的动力学特性，对了解清管器在管道内的运移行为有一定的指导作用。应对该模型不同速度、不同等效刚度下的动力学特性作进一步的研究。

［1］ 施彦秋，李天星．构筑能源大通道--建设跨国通道保障能源安全［J］．中国石油企业，2012（9）：42-47．

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［3］ 陈建华，张永兴，李秀全，等．清管器发射和接收装置的设计及应用［J］．石油矿场机械，2009，38（8）：82-84．

［4］ BOTROS KK，GOLSHANH．Dynamics of Pig Motion in Gas Pipelines［C］／／AGA-Operations Conference＆Biennial Exhibition，David L Lawrence ConventionCenter，Pittsburgh，Pennsylvania，May19-21，2009，Session 11：Corrosion Control，2009，1-16．

［5］ Nieckele O，Braga M，Azevedo L．Transient Pig Motion through Gas and Liquid Pipelines［J］．Journal of Energy Resources Technology，2001，123（12）：25-28．

Dynamics Simulation on Bi-directional PIG’Sealing Dish Passing through Girth Weld in Pipeline

ZHANG Hang1，ZHANG Shimin1，GUO Shudun2，OUMingjun2，LIN Li1
（1．College of Mechanical and Transportation Engineering，China Uniuersity of Petroleum，Beijing 102249，China；2．Downhole Operation Branch，CNPC Bohai Drilling Engineering Company，Renqiu 062550，China）

Pipeline pigging or inspecting has been a necessary and standard industry procedure by using pipeline robot like pig or intelligent pig．Due to the special environment of pipeline，the dynamic problems of pigging devices under the condition of confined space become very complex．The motivation of girth weld on the sealing dish can cause the change of pigging devices’transference behavior．This unsteady motion could produce certain destruction for pigging devices’structure．Aiming at this problem，this project carry out the research on transference and dynamics of bi-directional pig passing though girth weld in Oil／Gas pipelines．Dynamics theory model was established，and dynamic simulation in the dynamic simulation software，get the dynamic characteristics of the theoretical model．The research in this paper can provide some references for guaranteeing the safe pigging maintenance in gas pipeline．

bi-directional pig；finite element analysis；dynamics simulation

TE973

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．005

1001-3482（2015）02-0022-06

2014-07-24

张 行（1988-），男，湖北黄冈人，博士研究生，主要研究方向为管道机器人运动规律及其动力学特性，E-mail：zhanghang25＠126．com。