管道内检测器皮碗过盈量对其力学行为的影响研究

2018-07-23姚子麟季寿宏

浙江省安全生产论文集 2018年0期

姚子麟涂庆季寿宏

（1.浙江省能源集团有限公司 2.西南石油大学机电工程学院 3.浙江浙能天然气运行有限公司）

一、引言

石油与天然气需求的快速增长，促进了管道输气业的快速发展。管道输气具有安全性好、运输周期短、运输能耗小、人力成本低等优点，但随着管道使用年限的增加，管道常常会出现污物沉积、管道腐蚀、变形等问题，这些问题将对管道的正常工作有严重影响。因此，需要定期清除管道内的杂物、检测管道腐蚀以确保管道运行安全高效。

管道内检测器是最常用的管道检测设备，它包括动力单元和检测单元。动力单元通常由两组皮碗和本体组成，检测单元通常包括测径、漏磁等管道测量设备。在管道中，管道内检测器皮碗与管道内壁密封，从而在管道内检测器前后形成压差推动其向前运动。由于皮碗具有一定的弹性，皮碗和管道的相互作用与皮碗的过盈量有着极大的关系，将影响管道内检测器的运动特性。

国内外的学者对于管道内检测器的研究工作主要集中在内检测器速度控制、地面定位、检测技术、皮碗性能、动力学模型等方面。就皮碗性能而言，戴斌等人分析了影响内检测器皮碗的特性、磨损因素，通过研究提出了不同管道内皮碗过盈量的建议。綦耀光等人建立了皮碗式无源管道机器人受力模型，并分析了压紧力与皮碗厚度等的关系曲线。张仕民等人对直板皮碗刚度、厚度、材料特性、振动特性等进行了理论和实验研究。陈浩等人利用有限元的方法对四种不同形式皮碗的接触应力进行了分析。目前对皮碗特性的研究主要集中在分析不同形式下管道皮碗的应力应变特性，对于DN800管道内检测设备而言，没有专门的文献进行相应的研究。为此，本文以DN800的管道内检测器皮碗为研究对象，通过对皮碗材料学特性分析、管道与皮碗接触的有限元模型的建立与分析研究不同过盈量下的皮碗力学行为，从而为管道内检测器的皮碗选型和动力学建模提供理论依据。

二、皮碗模型建立与仿真

（一）受力分析

管道内检测器的皮碗有一定的过盈量，因此密封皮碗会发生一定的变形。管道内检测器在管道内运动（如图1所示），其受到前后推力和摩擦阻力的影响，可以表达为：

其中：

m——管道机器人的质量；

V——管道机器人的速度；

P——管道内检测器前后的压力差；

S——管道内截面积；

Ff——管道内检测器的摩擦力。

其中管道内检测器的皮碗变形会增大管道内检测器的前后压差和摩擦力，从而影响管道内检测器的运动情况。

图1 管道内检测器运动示意图

（二）皮碗材料的本构模型

橡胶是不可压缩的各向同性的超弹性材料，通常使用应变能密度方程来描述他的本构模型。管道内检测器皮碗采用具有超弹性的聚氨酯材料，在施加的载荷卸载后可以自动恢复，因此也可以采用Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型来描述。

对于应变能密度方程，各向同性超弹性材料可以表示成Cauchy-Green变形张量C的三个不变量的函数，即：

Rivlin将应变能密度函数表示成Ic和IIc的级数展开式：

式中，Cij是力学性能常数。

尽管高阶的多项式模型可以精确地模拟超弹性材料的应力-应变关系，但需要确定多个常数，这些常数的确定往往比较困难。特别是在实验数据有限的情况下，很难得到有效的高阶常数。

当保留式（3）中的前两项，得到不可压缩橡胶材料的Mooney-Rivlin模型的表达式为：

式中，C10和C01为力学性能常数。

当舍弃IIc项并只保留小于等于三阶的项，得到Yeoh模型的表达式为：

通过实验测试得到聚氨酯的本构特性，用Yeoh模型拟合可以得到较为精确的曲线，得到的拟合参数如表1所示。

表1 聚氨酯皮碗材料参数

（三）管道内检测器的皮碗的建模与仿真

管道内检测器皮碗主要可以分为直板皮碗、圆形皮碗、锥形皮碗和蝶形皮碗。皮碗由管道机器人本体上的垫片和螺栓连接并紧固。本研究主要针对DN800管道内检测器皮碗进行研究。

建立的管道内检测器皮碗仿真计算模型如图2所示，其主要包括夹持部分、皮碗部分和管道部分。管道公称直径为800mm，管道壁厚7mm。管道内检测器皮碗的唇缘角度为20°，皮碗厚度为30mm，皮碗内径为246mm，夹持位置距管道内检测器中心306mm。由于管道内检测器皮碗的刚度比管道和夹持部分小很多，因此可以将管道和夹持部分视为刚体。在ABAQUS中建立二维轴对称模型，管道入口增加了一个倒角方便皮碗进入管道。皮碗和夹持部分的单元形状均为四边形，皮碗网格为CAX4RH单元，其余部分划分为CAX4R单元。管道采用解析刚体。按照实际运动情况施加边界条件和载荷。

图2 二维轴对称有限元模型

（四）皮碗计算的仿真计算

研究皮碗的力学行为，选择皮碗的过盈量为0%—10%，提取管道内壁与皮碗的接触长度l，唇缘接触应力σC，唇缘偏角θ，夹持段偏角δ，折点外侧A的应力σA，折点内侧B的应力为σB，如图3所示。

图3 仿真参数提取示意图

三、皮碗力学特性仿真研究

（一）唇缘应力

唇缘与管道的接触应力大小展现了皮碗的密封性能，同时皮碗的磨损、动力学特性也和皮碗的接触应力有很大的关系。图4为皮碗唇缘应力分析结果。图中，随着皮碗过盈量的增大，皮碗唇缘的最大应力也逐渐增大。当皮碗过盈量较小时，皮碗唇缘的尖端与管道内壁接触形成应力集中，越靠近尖端，应力减小的速率越快。随着过盈量增加，最大应力逐渐增大并向夹持端移动。当超过8%过盈以后，皮碗唇缘应力基本呈线性分布，从尖端向夹持端线性减小，但唇缘根部的应力基本保持不变。

图4 唇缘应力与过盈量的关系

（二）唇缘接触长度

在皮碗进入管道过程中，其唇缘会逐渐接触管道内壁。唇缘的接触长度将会影响皮碗的密封性能，同时也会影响皮碗整体受到的摩擦力和皮碗形态。从图5可以看出，当随着过盈量从0%增加到10%，接触长度的增加率不断增加。当过盈量在7%以下时，皮碗的接触长度在10mm以下，超过7%时皮碗接触长度迅速增加，当达到10%过盈量时，接触长度达到71mm。根据拟合可以得到过盈量与接触长度的表达式为：